蘋果樹修剪枝條直燃發電系統生命周期評價

李翊寧， 黃夢婷， 王 英， 陳文強， 王 偉

（1.陜西工業職業技術學院機械工程學院，陜西 咸陽 712000； 2.咸陽市新能源及微電網系統重點實驗室，陜西 咸陽 712000； 3.第一越南蘇聯職業技術學院電子工程學院，福安 15910）

0 引言

為實現2030 年碳達峰、2060 年碳中和的發展目標，我國正在積極推動可再生能源的發展，以實現低碳轉型和可持續發展目標[1]。而生物質作為一種低排放、碳中性甚至負排放的可再生原料，近些年得到了迅速的發展。采用生物質直燃發電進行電力能源的生產，是較為普遍的一種做法[2]。目前生物質直燃發電原料，基本上都來源于各類作物秸稈[3]。我國是水果生產大國，其生產和種植面積位居世界前例[4]。在果樹的日常管理中，每年都會有大量的果樹修剪枝條產生。此類生物質通常作為農林廢棄物堆積在田埂上，造成資源浪費和環境污染。因此，為了能夠將果樹修剪枝條用于電力能源生產，本研究建立了基于環境影響和資源消耗的蘋果樹修剪枝條直燃發電系統的生命周期綜合評價模型，對其進行了環境影響、資源消耗和綜合性能評價，并與燃煤發電系統進行了對比分析。隨后對蘋果樹修剪枝條直燃發電中的關鍵指標進行了敏感性分析。本研究的結果能夠為基于果樹修剪枝條的直燃發電系統研究提供相應的理論依據和參考數據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究以裝機容量2×1.5 萬kW 生物質直燃發電系統為研究對象，年發電時間6 000 h，生物質直燃發電效率18.7%。選取蘋果樹修剪枝條作為燃料，其主要特性如表1 所示。

表1 蘋果樹修剪枝條工業分析和元素分析Tab.1 Proximate analysis and ultimate analysis of pruned apple tree branches

該系統采用75 t/h 的循環流化床鍋爐，年發電量18 000萬kW·h，蘋果樹修剪枝條消耗率1.004 13 kg/（kW·h）。

1.2 生命周期評價綜合模型

生命周期評價是一種用于評價產品從原料開采到產品處置整個生命周期內產生的環境影響和資源消耗的方法。用于直燃發電的蘋果樹修剪枝條，在其生長、收集、運輸及發電階段中會產生一定的環境排放和資源消耗。

生命周期評價包括目標與范圍確定、清單分析、影響評價和結果解釋4 個互相聯系的有機組成部分。環境影響清單主要考慮各階段產生的直接排放和間接排放，其中，間接排放主要為生命周期評價范圍內各過程資源消耗所產生的環境影響。

針對環境影響評價，采用EDIP 環境影響分類體系，綜合考慮6種環境影響類型，包括全球變暖（GWP）、酸化（AP）、富營養化（EP）、光化學污染（POF）、人體毒性（HTP）和固體廢棄物（SW），并將清單內容進行歸類[5]。針對資源消耗評價，主要考慮蘋果樹修剪枝條直燃發電在生命周期中的資源物質消耗，包括標煤、天然氣、原油、脫硫石灰石、水和電力等，并未涉及廠房設備拆建等的資源物質消耗。

為了能夠對環境影響類型和資源消耗類型進行對比分析，并構造綜合評價指標，需要對清單數據進行特征化處理，得到標準化的環境影響潛值和資源消耗潛值，具體計算過程參見文獻[6]。

基于生命周期評價和層次分析法，建立了生命周期綜合評價模型，提出了環境影響、資源消耗及綜合性能等評價指標，并構件了層次結構圖，如圖1 所示。對于環境影響，將6 種環境影響類型的標準化環境影響潛值作為其二級指標層；對于資源消耗，將標準化資源消耗潛值作為其二級指標層；對于綜合性能而言，環境影響和資源消耗為其一級指標層。

圖1 層次結構Fig.1 Hierarchical chart

針對環境影響中，6種環境影響類型對總環境影響的作用不同，按照區域范圍大小，選擇了全球性、區域性、局地性和同等性4 種情況，通過層次分析法確定4 種視角下不同環境影響類型的權重，具體如表2所示[7]。

表2 環境影響類型權重Tab.2 Environmental impact type weight

如表3 所示，針對綜合性能，環境影響和資源消耗對其的作用也不相同，根據兩個指標大小對比，通過層次分析法確定3 種情況下各指標權重。

表3 環境影響和資源消耗權重Tab.3 Environmental impact and resource consumption weights

1.3 生命周期評價系統邊界

生命周期評價系統邊界從蘋果樹修剪枝條生長開始到直燃發電結束，分為生長、收集、運輸和發電4個階段。蘋果樹修剪枝條直燃發電環境影響考慮了各階段產生的直接排放和因資源消耗而造成的間接排放。

對評價模型做了如下假設和簡化：一是不包括各階段所用設備因制造所造成的資源消耗和環境影響；二是電廠運行階段所消耗的電由本系統自發電提供，除此之外所耗電均來自燃煤發電；三是發電階段的煙氣處理采用SDS+SCR 超低排放工藝。

系統功能單位為1 000 kW·h 電量所造成的污染物排放量和資源消耗量。生命周期系統邊界和物質交換如圖2 所示。

圖2 生命周期評價系統邊界和物質交換Fig.2 Life cycle assessment system boundary and material exchange

1.4 環境影響和資源消耗分析

生長階段中，環境影響和資源消耗需考慮3 個方面。一是蘋果樹修剪枝條光合作用對CO2的吸收固定。二是肥料生產及使用造成的環境影響，蘋果樹的氮肥、磷肥和鉀肥施用量分別為450、220 和300 kg/hm2，總氮流失率15%。三是考慮農藥施用過程中因流失所造成的環境影響，農藥施用量1.67 kg/hm2，流失率5%。另外，采用蘋果和修剪枝條的經濟價值進行蘋果樹修剪枝條的分配系數計算，其值0.050 4。

收集階段中，蘋果樹修剪枝條需要經過切割、打包、壓塊等處理，才可運輸。所需耗電設備主要包括破碎機、打包機和抓斗起重機，總耗電量18.20 kW·h/t 修剪枝條；所需油耗設備主要包括抓草機、鏟車及叉車，總油耗0.78 L 原油/t 修剪枝條。環境影響考慮了設備電耗及油耗所產生的污染物排放。

運輸階段中，蘋果樹修剪枝條來自果園，距離生物質發電廠較近。采用8 t 中型柴油貨車運輸，能源消耗追溯到一次能源原油和標煤，環境影響為貨車行駛過程污染物排放。貨車運輸距離為果樹修剪枝條收集半徑，收集半徑模型來源于文獻[8]，計算值28.31 km。

發電階段中，所產生的環境影響主要由蘋果樹修剪枝條的燃燒引起。假設未完全燃燒產物CO 在干煙氣中的占比為0.05%，而干煙氣中未消耗的過量O2的占比6%。采用SDS+SCR 煙氣超低排放改工藝時，NOx、SO2和PM10 的最大排放量不超過50、35 和10 mg/Nm3，并且可以通過排煙溫度回收提高3%的爐效。發電階段產生的固廢灰渣是灰分和未燃盡碳。

以上分析中，所需的化肥、電力、原油和貨車運輸的資源消耗和環境影響清單均來源于而中國生命周期基礎數據庫（CLCD）[7,9]。

1.5 生命周期清單

根據蘋果樹修剪枝條直燃發電的生命周期邊界及物質交換情況，將上述各階段的環境影響和資源消耗清單數據進行匯總，具體如表4 所示。

為了研究蘋果樹修剪枝條直燃發電相對于燃煤發電的優劣，引入由超臨界燃煤發電機組構成的燃煤發電系統的相關數據，給出了燃煤發電生命周期資源和環境清單[10]。該系統采用貧煤（含硫量0.877%）作為燃料，機組容量2×100 萬kW，年發電時間5 000 h，發電效率42%，年煤炭消耗量362.80 萬t。該發電系統的具體計算結果如表5 所示。

表5 燃煤發電系統生命周期清單Tab.5 Life cycle inventory of coal-fired power generation system

2 結果和討論

2.1 環境影響評價分析

2.1.1 不同發電系統環境影響類型分布

兩種發電系統的環境影響潛值對比如圖3 所示，圖中橫坐標單位含義為每生產1 萬kW·h 電量，每人每年對環境所產生影響的特征化潛值。與燃煤發電相比，蘋果樹修剪枝條直燃發電在GWP、AP、EP、HTP 和SW 這5 種環境影響類型中具有較為明顯的優勢，其環境影響潛值分別僅占燃煤發電的3.47%、81.05%、86.41%、1.83%和89.94%。而對于POF，蘋果樹修剪枝條直燃發電為燃煤發電的183.85%，是唯一負面作用較大的指標。綜合對比表明，采用蘋果樹修剪枝條直燃發電比燃煤發電對環境更加友好，尤其體現在GWP、EP 和HTP。

圖3 兩種發電系統環境影響潛值對比Fig.3 Comparison of environmental impact potential of two power generation systems

2.1.2 不同視角下各環境影響類型分布

圖4 為蘋果樹修剪枝條直燃發電在不同視角下的環境影響程度，其總環境影響潛值最低為全球性視角下的0.138 （人·年）/（萬kW·h），最高為局地性視角下的0.329 （人·年） /（萬kW·h），主要是因為SW 對局地性的影響顯著。綜合4 個視角，蘋果樹修剪枝條直燃發電對環境的主要影響總體為SW>AP>POF。

圖4 不同視角下環境影響類型分布Fig.4 Distribution of environmental impact types from different perspectives

2.1.3 不同階段中各環境影響類型分布

圖5 給出了蘋果樹修剪枝條直燃發電生命周期內各階段環境影響類型的分布情況，用以進一步分析污染物排放的作用大小及其產生的原因。

圖5 不同環境影響類型在各階段的分布Fig.5 Distribution of different environmental impact types at different stages

在GWP 方面，蘋果樹修剪枝條直燃發電在發電階段因燃燒所排放的溫室氣體，幾乎全部來源于蘋果樹生長階段通過光合作用固定的碳量，其值1.74 t CO2/t修剪枝條。相對于燃煤發電，蘋果樹修剪枝條直燃發電對GWP 的影響可以忽略不計。作為唯一的可再生碳源，生物質可以成為煤炭的有效替代能源，用于火力發電系統。

在EP 方面，蘋果樹修剪枝條直燃發電在生長階段的占比高達99.82%，其主要原因在于果樹在生長階段時氮肥施用后的總氮流失。過量的氮肥施用可能會導致向大氣排放的N2O 增加，以及對地下水和地表水的潛在污染。因此，優化氮肥管理可以在盡可能減少環境問題的同時，提高水果產量。

在AP、POF、HTP 和SW 方面，蘋果樹修剪枝條直燃發電在發電階段都占據了主導地位，其占比分別為71.02%、84.85%、74.11%和97.71%。蘋果樹修剪枝條在燃燒過程中，除了大量溫室氣體的排放外，還會釋放NOx、SO2和PM10，這些都是引起AP、POF和HTP 的主要因素。另外，發電階段產生的SW 主要為燃燒后留下的生物質灰和煙氣處理后的煙氣脫硫石膏。

發電階段是蘋果樹修剪枝條直燃發電對環境造成負面影響的最主要階段。蘋果樹修剪枝條的燃燒，不可避免的會引起污染物的排放。目前，我國在對大氣污染物排放方面，已經擁有了較為完善的政策和實施方案。但是對于固體廢棄物的處理，還需要進一步探索[11-12]。

2.2 資源消耗評價分析

對蘋果樹修剪枝條直燃發電生命周期中的資源消耗數據進行了處理，其中不同類別和不同階段的資源消耗占比分別如表6 和表7 所示。蘋果樹修剪枝條直燃發電的資源消耗潛值0.014 6 （人·年） /（萬kW·h） ，僅為燃煤發電的3.01%。由表5 可知，在蘋果樹修剪枝條直燃發電中，脫硫石灰石占比最大（47.00%） ， 其 次 是 電 力（ 38.68%） 和 原 油（13.66%）。由表6 可知，對于蘋果樹修剪枝條直燃發電而言，資源消耗主要集中在收集階段和發電階段，占比分別為38.68%和47.04%，在收集階段主要為蘋果樹修剪枝條在果園處理和收集時機械設備的電耗和油耗，而在發電階段主要為脫硫石灰石的消耗。

表6 不同類別資源消耗占比Tab.6 Proportion of resource consumption in different types單位：%

表7 不同階段資源消耗占比Tab.7 Proportion of resource consumption in different stages單位：%

2.3 綜合性能評價分析

采用層次分析法將環境影響和資源消耗加權合并，可以得到蘋果樹修剪枝條直燃發電和燃煤發電兩種發電系統的各12 種情況下的份額和綜合性能指標，圖6顯示了兩種發電系統在其中的上下限。

圖6 不同權重下占比分布及綜合性能指標Fig.6 Proportion distribution and comprehensive performance index under different weights

由圖6 可知，對于蘋果樹修剪枝條直燃發電，不論資源消耗的權重值大小如何，環境影響都起到了主導作用，其最小占比82.35%。如前所述，蘋果樹修剪枝條直燃發電因SW 而對局地環境的影響較大。另外，蘋果樹修剪枝條直燃發電的綜合性能指標最大值僅為燃煤發電最小值的57.25%，說明蘋果樹修剪枝條這一類生物質，相對于不可再生的煤炭，在燃燒發電方面有較為明顯的優勢。

2.4 敏感性分析

為進一步分析蘋果樹修剪枝條直燃發電對環境影響、資源消耗和綜合性能的影響因素，針對各指標進行了敏感性分析。

根據圖6 的數據，選擇最不利的情況對綜合性能指標進行分析（局地性，環境影響>資源消耗）。選取原料消耗率、固體廢棄物總量、CO 排放、電力消耗、原油消耗和脫硫石灰石消耗等因素進行敏感性分析，具體如圖7 所示。

圖7 綜合性能敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of comprehensive performance

由圖7 可知，綜合性能對固體廢棄物總量和原料消耗率的敏感性較大，對CO 排放的敏感性較小，而對脫硫石灰石、原油和電力的消耗基本不敏感。表明對SW 的管理與再利用，是有效降低環境負荷的手段之一。另外，原料消耗率與生物質鍋爐的效率和生物質原料的燃料品質直接正相關。目前，生物質鍋爐的效率（18.7%）相對于成熟的超臨界燃煤發電機組的效率（42%），還有非常大的提升空間。同時，對生物質原料的多種預處理工藝也能提升其燃料品質。

3 結束語

將生命周期評價和層次分析法相結合，建立了基于環境影響和資源消耗的蘋果樹修剪枝條直燃發電的生命周期綜合評價模型，對其進行了分析評價。同時，將評價結果與燃煤發電對比，并就其中的關鍵指標進行了敏感性分析。

（1）蘋果樹修剪枝條直燃發電的總環境影響潛值0.013 8～0.032 9（人·年） /（萬kW·h） ，并呈現局地性>同等性>區域性>全球性的特征。SW 是蘋果樹修剪枝條直燃發電的主要環境影響類型，其次為AP 和POF。從生命周期各階段來看，環境影響主要來自生長階段和發電階段。

（2）蘋果樹修剪枝條直燃發電的資源消耗潛值0.014 6（人·年） /（萬kW·h）。從階段和資源種類占比情況來看，蘋果樹修剪枝條直燃發電資源消耗主要來源于發電階段的脫硫石灰石消耗；其次為收集階段的電力消耗和原油消耗。

（3）蘋果樹修剪枝條直燃發電的綜合評價指標0.055～0.022 5（人·年） /（萬kW·h）。其環境影響對綜合性能的作用要遠大于資源消耗。另外，蘋果樹修剪枝條直燃發電的綜合評價指標最大值僅為燃煤發電最小值的57.25%，表現出較好的優越性。

（4）敏感性分析表明，蘋果樹修剪枝條直燃發電的綜合性能對固體廢棄物總量和原料消耗率最為敏感，資源消耗帶來的影響可忽略不計。對固體廢棄物的有效管理和處置，以及對生物質鍋爐和燃料品質的改進，能進一步提升蘋果樹修剪枝條直燃發電的環境效益。