基于采伐剩余物的生物質固體燃料生態效益分析

周媛 鄭麗鳳 周新年 巫志龍 周成軍 羅偉 林玥霏

摘要：

以采伐剩余物為原料發展生物質固體燃料技術，能有效緩解我國林木質資源浪費和能源匱乏現象。采用簡化LCA法和IPCC法，對以采伐剩余物為原料的生物質固體燃料技術應用，從收集直至轉化為可利用能源的全過程生態效益進行評價。結果表明：采伐剩余物在生物質發電過程產生的總碳排放為0.82 t/hm2，碳匯為17.55 t/hm2，凈碳為16.73 t/hm2，凈固定CO2為61.38 t/hm2，表現出“碳匯功能”；產生碳排放最多的是加工成型階段，占總碳排放的68.97%；其次是燃料使用階段，占14.94%；運輸階段受運距影響，在原材料運距20 km產生的碳排放占5.57%；成品運距30 km，產生的碳排放占7.21%；人工收集階段產生的碳排放最少，占3.31%。能量效率為0.032，轉化效率較高。從生態效益角度來看，生物質固體成型燃料技術具有較大的優勢。

關鍵詞：

環境學；采伐剩余物；生物質固體燃料；生態效益；碳匯

中圖分類號：S 792；F326.2文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2018）01-0024-06

Abstract：

The development of biomass solid fuel technology using forest cutting residues as raw materials can effectively relieve the waste of forest resources and energy shortage in China.The ecobenefit evaluation of forest residues biomass fuels，from collecting into available energy，was conducted using simplify LCA method and IPCC method.The results indicate that，carbon emission of the utilization of biomass solid fuels is 0.82 t/hm2，carbon sequestration is 17.55 t/hm2，net carbon is 16.73 t/hm2，net carbon dioxide is 61.38 t/hm2，which reflect carbon sequestration function.The most carbon emission is the processing stage，accounting for 68.97% of the total carbon emission，followed by the fuel use stage，accounting for 14.94%.The transportation stage is affected by the distance of transportation，accounting for 5.57% of the total carbon emissions of 20km of raw materials；the distance of finished products is 30 km and the carbon emission is 7.21%.The least carbon emission appeared at the artificial collecting，with only 3.31%.The energy efficiency is 0.032，and the conversion efficiency is high.From the point of view of ecological benefit，biomass solid fuel has great advantages.

Keywords：

Environtology；cutting residues；biomass solid fuel；ecobenefit；carbon sequestration

0引言

在環境污染和能源需求的雙重驅動下，我國林木生物質能源利用已初具存在條件和發展空間[1]，林木生物質能的利用，不僅可以有效緩解能源壓力，還可有效減少資源浪費與環境污染等問題。國際上對林木生物質能的利用主要是將其轉化為電能、液體燃料和固體成型燃料，以期在一定范圍內減少或替代礦物燃料的使用[2-3]。我國林木生物質能的利用方式和轉化技術相對落后，農村大部分地區仍將農林廢棄物直接燃燒利用，轉化率低且利用不便。因此，從我國林業發展現狀出發，發展林木生物質能源產業顯得尤為重要[4]。

生物質固體燃料便于運輸和存儲，節能環保，燃燒效率高，是生物質能源開發利用的主要方向之一[5-6]。國外生物質固體燃料技術始于20世紀初，德國、丹麥、芬蘭等歐盟國家十分重視林木生物質能源的轉化利用，將各類林業廢棄物加工成生物質固體燃料，用作能源，廣泛應用于供電、供熱及熱電聯產等[1，7-9]。近年來，越來越多的學者展開了對其環境減排效應的研究。Madlener[10]、Asep[11]、Guest[12]、Jppinen[13]、Gustavsson[14]等對國外生物質固體燃料利用及碳減排能力進行探討，指出了生物質固體燃料利用具有很大的發展潛力。李平[15]、劉媛[16]、魏文[17]、張寶心[18]、李運泉[19]等從環境效益等方面分析了生物質固體燃料利用的可行性和風險性，結果表明：生物質固體燃料技術具有一定的節能減排、優化環境和提高生態效益等優勢。但這些研究主要以秸稈、果殼及甘蔗渣為對象，以采伐剩余物為對象進行生物質固體燃料的環境效益評價的研究較少。

（4）成品運輸階段。

成品燃料的運輸一般采用柴油貨車，在運輸過程中能源強度與原材料基本相同（表7），假設平均運距為30 km[26]，計算成品運輸過程的碳排放，見表8。

從對固體成型燃料生命周期中的成品運輸過程中，能源消耗和碳排放的研究和分析可以看出，在采用柴油貨運車運輸的情況下，一次能源消耗65.05 MJ/t，電力能源消耗10.80 MJ/t，共計造成7.08 kg/t碳排放。

（5）燃料使用階段。

我國生物質固體成型燃料的應用主要在工農業用能和生活用能兩方面。生活用能主要是取暖和炊事，工農業用能目前主要應用在設施農業生產供熱、利用生物質鍋爐對辦公區域供熱和工業發電[15，38]。我國南方地區生物質燃料主要用于工農業用能，由于生物質發電已具有一定規模，故以生物質固體成型燃料發電為例，計算燃料使用過程投入的能源量和產生的碳排放見表9和表10。

在生物質固體燃料發電階段，能源的總消耗量為6.053 g/kWh，產生的污染氣體排放量為17.3 g/kWh，其中碳排放量高達17.08 g/kWh，占總污染氣體排放的98.7%。據現有研究分析[39-41]，每噸固體燃料可發電860 kWh，因此，生物質固體燃料使用階段產生的碳排放為14.68 kg/t。

（6）總碳排放。

經計算，生物質固體成型燃料在整個生命周期內產生的總碳排放為98.29 kg/t，各階段產生的碳排放如圖2所示。

由圖2可知，在整個生命周期中，加工成型階段產生的碳排放最多，為67.79 kg/t，約占總碳排放的68.97%；其次是燃料使用階段，占14.94%；在剩余物收集階段，由于是人工收集作業，未直接消耗一次能源，產生的碳排放最少，約占總碳排放的3.31%。

2.3碳平衡分析

據公式（6）計算碳平衡結果，見表11。

由表11可知，剩余物壓縮成固體燃料過程產生的凈碳匯為16.73 t/hm2，可凈固定CO2為61.38 t/hm2，表現出“碳匯功能”。

2.4能量效率

能量效率比是用來表示輸出的生物質能源與輸入能源之間的關系，是反映能源利用的有效性指標。能量效率比值越小，則能源的轉化效率越高。根據公式（7）計算可得，生物質固體成型燃料的燃料熱值為14 600 MJ/t，總能量投入為475.85 MJ/t，能量效率為0.032。燃煤發電能量總投入為1 149.94 MJ/t，總產出為20 908 MJ/t，能量效率為0.055[26]。可見，相比與燃煤發電（生物質固體成型燃料的能量效率0.032低于燃煤發電0.055，能量效率比值越小，能源的轉化效率越高），生物質固體燃料發電的能源轉化效率較高。

3結論與討論

從整個生命周期入手，對基于采伐剩余物的林木生物質固體燃料壓縮成型工藝的生態效益評估，結果表明以采伐剩余物為原料的生物質固體燃料若發電利用，產生的總碳排放為0.82 t/hm2，碳匯為17.55 t/hm2，凈碳為16.73 t/hm2，凈固定CO2為61.38 t/hm2，表現出“碳匯功能”。其中，加工成型階段（使用環模式成型機進行壓塊和制粒），產生的碳排放最多，占總碳排放的68.97%；其次是燃料使用階段（即發電階段），占總碳排放的14.94%；原材料運輸階段（運距20 km）產生的碳排放占總碳排放的5.57%；成品運輸階段（運距30 km），產生的碳排放占總碳排放的7.21%；人工收集階段產生的碳排放最少，占3.31%。與燃煤發電（0.055）相比，該種利用方式的能量效率為0.032，能量效率比值越小，能源的轉化效率越高越表現出較高的能量轉化率。相關研究表明[15，26]，不僅僅是生物質發電，生物質固體燃料在取暖、炊事及供熱等方面也能表現出一定的生態效益。

從對生物質固體燃料壓縮成型整個生命周期的能量與碳排放研究分析來看，產生碳排放最多的是加工成型階段，其次是燃料使用階段，這兩階段產生的碳排放主要是電力消耗產生的。因此，如何有效降低生產設備的能耗，是控制加工過程能量投入的關鍵。若要降低整個過程的碳排放，最主要的是控制這兩個階段的能量投入，優化生產過程。在運輸階段，運距對碳排放密切相關。文中通過建立相關模型（公式（8）），借鑒已有研究的參數設定[24，35]，確定原料的運輸距離為20 km，并假定成品的運輸距離為30 km，若運輸距離增加，此過程的碳排放隨之增加，反之，則減少。運輸階段碳排放還受剩余物可移出比例、運輸費率及原料價格、國家補貼等影響[21-22]。剩余物可移出比、運輸費率及成本的減少都會使原料運輸距離的增加，從而增加此過程的碳排放。

在我國利用采伐剩余物為原料發展生物質固體燃料技術，可以解決長期火燒跡地引起的環境污染，減少化石燃料的排放量，有利于節能減排和遏制氣候環境惡變，具有一定的環境可行性。但目前，生物質固體燃料仍處示范階段，缺少具體的數據資料和實踐經驗的支撐，文中更多的是進行理論性探討，評價數據只是表示全國平均水平，希望后期隨著項目實踐經驗的積累以及人們對生物質能源的認識程度的增強，能夠更加完善和充實研究內容。為了更全面分析利用的可行性，進一步擴展利用方式，進行全面的生物質固體燃料綜合評價。

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