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建湖燃生物质颗粒燃料工业锅炉系统的 生命周期评价

来源: 发布时间:2019-03-19 5230 次浏览

  摘要:为了研究生物质(material)工业锅炉系统对环境影响和能源消耗情况,本文采用了生命周期(LCA)的 研究方法,从该系统的 原料生产制作,到系统建立运行进行全面分析(Analyse)。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。结果表明:处理每1t生物质颗粒燃料,对环境的 总影响负荷为16434.47毫人当量,资源耗竭系数为2.547毫人当量,燃生物质工业锅炉系统对环境影响主要为全球变暖为95.36%,各个过程中锅炉系统运行影响为98.55%,秸秆种植从环境中吸取CO22136.24kg,因此,燃生物质工业锅炉系统在减少温室气体排放上能起积极作用,与燃煤锅炉相比生物质锅炉是一种环境友好并且减少化石燃料消耗的 项目。
  0引言
  目前,化石资源逐渐枯竭,而作为高耗能设备的 工业锅炉对能源及环境有着重要的 影响,我国是一个以煤为主要能源的 ,燃煤工业锅炉占工业锅炉总量的 80%以上,工业锅炉量大面广,平均容量小,能耗大,污染严重,寻找新的 环境友好的 替代能源以解决高耗能燃煤工业锅炉的 污染及能耗成为我国现在面临的 迫切问题。我国有着丰富的 秸秆资源,因此充分利用生物质(Biomass)秸秆资源,发展生物质锅炉成为解决我国秸秆资源浪费及工业锅炉高耗能、高污染问题的 一种良好途径,并为生物质成型燃料的 大规模生产(Produce)提供了必要条件。前人对生物质颗粒燃料加工制造及生物质锅炉的 制作工艺研究较多,现在已经有了比较成熟的 生物质锅炉产品应用生产,而对其系统的 全生命周期分析研究较少。为了掌握燃生物质成型颗粒工业锅炉系统的 资源消耗和环境影响全面的 数据,本文就燃生物质成型颗粒工业锅炉系统进行生命周期评价。
  1燃生物质成型颗粒工业锅炉系统的 生命周期清单分析
  1.1研究目标与研究范围
  本文以型号为DZIA-1.25-BMF的 生物质成型颗粒工业锅炉系统为研究对象,该系统锅炉设计效率为81%,额定蒸发量为4t/h,燃料消耗量为701kg/h。本文以系统每燃烧1t生物质成型颗粒对环境造成的 影响进行分析和计算,即环境影响评价的 功能单位为1t生物质颗粒燃料。
  由于生物质成型颗粒工业锅炉系统相当复杂,因此在进行生命周期分析时忽略次要因素,考虑主要因素。生物质锅炉燃料生物质颗粒作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。在系统运行过程中忽略秸秆收割堆积,以及工业生产对蒸汽(steam)品质波动要求的 影响产生蒸汽均为额定状态下蒸汽,由于该系统使用年限很长,因此假设该系统使用运行年限为20年,忽略其他因素影响假定该系统建设所需要的 原料制作以及报废所造成的 影响均匀(jūn yún)分布于系统运行时间内,主要过程有秸秆种植、运输阶段、生物颗粒生产、系统建设及系统运行等5个子过程。对这5个子过程进行分析时,主要从环境影响和能源消耗两个方面进行分析。
  其中,秸秆种植过程中需要的 CO2是从生命周期系统中吸取补充,生物质成型颗粒工业锅炉系统的 生命周期系统边界分析如1。
  1.2系统物料计算
  本文以玉米秸秆制取生物质(material)颗粒燃料为系统原料进行分析,生物质颗粒燃料的 元素分析如表1所示。秸秆是一年生的 作物,玉米产量为5154kg/hm2·a,玉米秸秆的 产量系数为1:1.2,玉米C的 吸取量是5.08t/(hm2·a)J。假设农作物吸取的 C是被谷物籽实和其秸秆均匀(jūn yún)吸取,秸秆制作生物质颗粒燃料的 烘干过程中所需燃料为生物质颗粒燃料J,设秸秆生长需要的 肥料量与土壤中养分相当,肥料为氨水、普钙、硫酸钾,根据生物质锅炉设计资料知所需钢材为28.1t,假设系统建设所需建材,钢材与水泥的 比为3:1,系统建设运行20年,每年消耗生物质颗粒燃料量为1000t。通过分析计算可以得出每消耗1t生物质颗粒燃料所需要的 及产生的 各种物质的 量如表2所示。
  1.3清单分析
  玉米秸秆种植过程对环境的 影响和消耗的 主要过程是秸秆光合作用吸取CO2的 过程及化肥氮磷钾的 生产的 过程。运输过程假设秸秆的 产生地与生物质颗粒燃料生产厂的 距离及生物质颗粒燃料与生物质锅炉系统的 运输半径均为100km,采用25t运输卡车,则该系统运输阶段对环境影响主要为柴油的 生产及消耗排放。生物质颗粒燃料制取阶段为秸秆粉碎,秸秆制粒,颗粒烘干等过程的 排放。系统建设阶段主要为钢材,水泥(材料:粉状水硬性无机胶凝材料)等建材消耗。系统运行(Windows)阶段包括本体燃烧及辅机运行的 消耗。
  在研究(research)该系统的 资源消耗与环境影响中,假设秸秆种植阶段所吸取的 CO2是由整个生命周期过程(process)中提供,故系统消耗1t生物质颗粒燃料的 生命周期排放清单如表3。

  2生命周期的 影响评价
  2.1环境(environment)影响评价
  环境(environment)影响评价包括定量和定性评价。按照国际标准化组织的 IS014040的 框架,影响评价包括三个步骤:分类、特征化和加权评估。上述清单分析结果,只表达了各种输入和输出的 相对值大小,因各种排放因子对生态系统和环境变化的 贡献不同,所以需要进行生命周期影响评价,将清单分析的 结果转化为既容易理解,又能反映环境影响潜值的 指标。
  根据1.3节清单分析的 结果,生物质锅炉系统可能造成的 资源耗竭和潜在环境影响,见表4。
  2.2资源耗竭系数
  资源耗竭系数通过一次能源(说明:向自然界提供能量转化的物质)消耗来表征,在此将能源作为资源进行评价,由于表3中的 消耗量只表达了资源的 消耗量,并没有反映其相对大小,因此采用资源消耗基准¨进行标准化。得出煤、油等资源消耗潜值,见表5。其单位为毫人当量,反映了生物质工业锅炉系统所耗资源占人均资源消耗量的 比重(以1990年为基准)。标准化后的 资源消耗仅仅反映各种资源消耗的 相对大小,并没有反映该资源的 稀缺性。经标准化于加权分析之后的 资源消耗各值如表5所示。
  标准化后煤炭的 消耗(consume)依然是主要部分,占96.43%,油的 消耗为3.57%,考虑了资源的 稀缺性,标准化加权后,煤的 消耗比重降为87.24%,而油则升为12.76%。我国能源结构中煤的 消耗占据主要地位,经过该系统处理污泥并对其进行资源化利用后,有效的 遏制了煤炭资源的 消耗。该系统处理1t生物质(material)颗粒燃料的 资源消耗系数为2.547×10-3人当量。该系统每处理1t生物质颗粒燃料的 资源消耗系数见2。
  2.3环境影响负荷评价
  2.3.1环境影响潜值计算
  为了方便直观的 表示出各种环境影响类型的 影响潜值,全球变暖以CO2为参考物,同理酸化,富营养化,光化学臭氧分别以SO2,NO3-,C2H4为参考物。根据各种排放物的 效应当量因子可以计算出各种物质在各个过程中的 环境影响潜值,如表6所示。

  2.3.2环境影响潜值的 标准化
  对以上所计算的 各类环境影响潜值(全球、地区和局地)采用其相应的 标准化基准进行标准化,比较其相对大小。因标准化是以1990年为基准,因此利用权重因子加权将标准化值转换为2000年为基准。各种环境影响类型的 标准化值和权重因子见表7。
  故各种环境影响潜值标准化并加权的 值如表8所示。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。

  2.3.3加权评估及环境影响负荷
  对上述标准化后的 影响潜值进行加权,并计算其总环境影响负荷每处理1t生物质颗粒燃料为16434.47毫人当量。系统各个过程中的 相对贡献如3所示。结果表明生物质锅炉系统过程对环境影响的 贡献更大为98.55%,秸秆种植过程为-0.57%,表明该过程可以优化改良环境影响。由各种环境影响类型的 相对贡献可知,生物质锅炉系统在整个生命周期中对环境的 主要影响为全球变暖(95.36%)。
  即说明,燃生物质锅炉系统中,全球性影响占据首位,其次是局地性影响,而地区性影响则最小。
  3结论
  本文用生命周期的 方法对燃生物质颗粒燃料工业锅炉系统进行了环境影响和资源消耗的 全面分析,通过分析可知以下结果:
  (1)以玉米秸秆制取1t生物(Organism)质(material)颗粒燃料为例的 燃生物质工业锅炉系统的 资源消耗系数为2.547×10-3人当量,折算后加权资源消耗煤占87.24%,油为12.76%,可知我国能源结构中煤的 消耗占据主要地位;
  (2)生物质锅炉系统运行过程对整个生命周期环境(environment)影响的 贡献更大,为98.55%,各种环境类型的 影响中全球变暖对环境影响贡献更大为95.36%。
  (3)虽然燃生物质工业锅炉系统的 全球性影响大于局地性影响,地区性影响最小,但是其影响小于燃煤工业锅炉系统环境的 影响,并且该系统从环境中吸取CO22136.24kg,有效的 抑制全球变暖的 加剧,因此该系统环境性完善,是一种环境友好的 系统项目。
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