基于采伐剩余物的生物质固体燃料生态效益分析
周媛 郑丽凤 周新年 巫志龙 周成军 罗伟 林玥霏
摘要：
以采伐剩余物为原料发展生物质固体燃料技术，能有效缓解我国林木质资源浪费和能源匮乏现象。采用简化LCA法和IPCC法，对以采伐剩余物为原料的生物质固体燃料技术应用，从收集直至转化为可利用能源的全过程生态效益进行评价。结果表明：采伐剩余物在生物质发电过程产生的总碳排放为0.82 t/hm2，碳汇为17.55 t/hm2，净碳为16.73 t/hm2，净固定CO2为61.38 t/hm2，表现出“碳汇功能”；产生碳排放最多的是加工成型阶段，占总碳排放的68.97%；其次是燃料使用阶段，占14.94%；运输阶段受运距影响，在原材料运距20 km产生的碳排放占5.57%；成品运距30 km，产生的碳排放占7.21%；人工收集阶段产生的碳排放最少，占3.31%。能量效率为0.032，转化效率较高。从生态效益角度来看，生物质固体成型燃料技术具有较大的优势。
关键词：
环境学；采伐剩余物；生物质固体燃料；生态效益；碳汇
中图分类号：S 792；F326.2文獻标识码：A文章编号：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
在环境污染和能源需求的双重驱动下，我国林木生物质能源利用已初具存在条件和发展空间[1]，林木生物质能的利用，不仅可以有效缓解能源压力，还可有效减少资源浪费与环境污染等问题。国际上对林木生物质能的利用主要是将其转化为电能、液体燃料和固体成型燃料，以期在一定范围内减少或替代矿物燃料的使用[2-3]。我国林木生物质能的利用方式和转化技术相对落后，农村大部分地区仍将农林废弃物直接燃烧利用，转化率低且利用不便。因此，从我国林业发展现状出发，发展林木生物质能源产业显得尤为重要[4]。
生物质固体燃料便于运输和存储，节能环保，燃烧效率高，是生物质能源开发利用的主要方向之一[5-6]。国外生物质固体燃料技术始于20世纪初，德国、丹麦、芬兰等欧盟国家十分重视林木生物质能源的转化利用，将各类林业废弃物加工成生物质固体燃料，用作能源，广泛应用于供电、供热及热电联产等[1，7-9]。近年来，越来越多的学者展开了对其环境减排效应的研究。Madlener[10]、Asep[11]、Guest[12]、Jppinen[13]、Gustavsson[14]等对国外生物质固体燃料利用及碳减排能力进行探讨，指出了生物质固体燃料利用具有很大的发展潜力。李平[15]、刘媛[16]、魏文[17]、张宝心[18]、李运泉[19]等从环境效益等方面分析了生物质固体燃料利用的可行性和风险性，结果表明：生物质固体燃料技术具有一定的节能减排、优化环境和提高生态效益等优势。但这些研究主要以秸秆、果壳及甘蔗渣为对象，以采伐剩余物为对象进行生物质固体燃料的环境效益评价的研究较少。
（4）成品运输阶段。
成品燃料的运输一般采用柴油货车，在运输过程中能源强度与原材料基本相同（表7），假设平均运距为30 km[26]，计算成品运输过程的碳排放，见表8。
从对固体成型燃料生命周期中的成品运输过程中，能源消耗和碳排放的研究和分析可以看出，在采用柴油货运车运输的情况下，一次能源消耗65.05 MJ/t，电力能源消耗10.80 MJ/t，共计造成7.08 kg/t碳排放。
（5）燃料使用阶段。
我国生物质固体成型燃料的应用主要在工农业用能和生活用能两方面。生活用能主要是取暖和炊事，工农业用能目前主要应用在设施农业生产供热、利用生物质锅炉对办公区域供热和工业发电[15，38]。我国南方地区生物质燃料主要用于工农业用能，由于生物质发电已具有一定规模，故以生物质固体成型燃料发电为例，计算燃料使用过程投入的能源量和产生的碳排放见表9和表10。
在生物质固体燃料发电阶段，能源的总消耗量为6.053 g/kWh，产生的污染气体排放量为17.3 g/kWh，其中碳排放量高达17.08 g/kWh，占总污染气体排放的98.7%。据现有研究分析[39-41]，每吨固体燃料可发电860 kWh，因此，生物质固体燃料使用阶段产生的碳排放为14.68 kg/t。
（6）总碳排放。
经计算，生物质固体成型燃料在整个生命周期内产生的总碳排放为98.29 kg/t，各阶段产生的碳排放如图2所示。
由图2可知，在整个生命周期中，加工成型阶段产生的碳排放最多，为67.79 kg/t，约占总碳排放的68.97%；其次是燃料使用阶段，占14.94%；在剩余物收集阶段，由于是人工收集作业，未直接消耗一次能源，产生的碳排放最少，约占总碳排放的3.31%。
2.3碳平衡分析
据公式（6）计算碳平衡结果，见表11。
由表11可知，剩余物压缩成固体燃料过程产生的净碳汇为16.73 t/hm2，可净固定CO2为61.38 t/hm2，表现出“碳汇功能”。
2.4能量效率
能量效率比是用来表示输出的生物质能源与输入能源之间的关系，是反映能源利用的有效性指标。能量效率比值越小，则能源的转化效率越高。根据公式（7）计算可得，生物质固体成型燃料的燃料热值为14 600 MJ/t，总能量投入为475.85 MJ/t，能量效率为0.032。燃煤发电能量总投入为1 149.94 MJ/t，总产出为20 908 MJ/t，能量效率为0.055[26]。可见，相比与燃煤发电（生物质固体成型燃料的能量效率0.032低于燃煤发电0.055，能量效率比值越小，能源的转化效率越高），生物质固体燃料发电的能源转化效率较高。
3结论与讨论
从整个生命周期入手，对基于采伐剩余物的林木生物质固体燃料压缩成型工艺的生态效益评估，结果表明以采伐剩余物为原料的生物质固体燃料若发电利用，产生的总碳排放为0.82 t/hm2，碳汇为17.55 t/hm2，净碳为16.73 t/hm2，净固定CO2为61.38 t/hm2，表现出“碳汇功能”。其中，加工成型阶段（使用环模式成型機进行压块和制粒），产生的碳排放最多，占总碳排放的68.97%；其次是燃料使用阶段（即发电阶段），占总碳排放的14.94%；原材料运输阶段（运距20 km）产生的碳排放占总碳排放的5.57%；成品运输阶段（运距30 km），产生的碳排放占总碳排放的7.21%；人工收集阶段产生的碳排放最少，占3.31%。与燃煤发电（0.055）相比，该种利用方式的能量效率为0.032，能量效率比值越小，能源的转化效率越高越表现出较高的能量转化率。相关研究表明[15，26]，不仅仅是生物质发电，生物质固体燃料在取暖、炊事及供热等方面也能表现出一定的生态效益。
从对生物质固体燃料压缩成型整个生命周期的能量与碳排放研究分析来看，产生碳排放最多的是加工成型阶段，其次是燃料使用阶段，这两阶段产生的碳排放主要是电力消耗产生的。因此，如何有效降低生产设备的能耗，是控制加工过程能量投入的关键。若要降低整个过程的碳排放，最主要的是控制这两个阶段的能量投入，优化生产过程。在运输阶段，运距对碳排放密切相关。文中通过建立相关模型（公式（8）），借鉴已有研究的参数设定[24，35]，确定原料的运输距离为20 km，并假定成品的运输距离为30 km，若运输距离增加，此过程的碳排放随之增加，反之，则减少。运输阶段碳排放还受剩余物可移出比例、运输费率及原料价格、国家补贴等影响[21-22]。剩余物可移出比、运输费率及成本的减少都会使原料运输距离的增加，从而增加此过程的碳排放。
在我国利用采伐剩余物为原料发展生物质固体燃料技术，可以解决长期火烧迹地引起的环境污染，减少化石燃料的排放量，有利于节能减排和遏制气候环境恶变，具有一定的环境可行性。但目前，生物质固体燃料仍处示范阶段，缺少具体的数据资料和实践经验的支撑，文中更多的是进行理论性探讨，评价数据只是表示全国平均水平，希望后期随着项目实践经验的积累以及人们对生物质能源的认识程度的增强，能够更加完善和充实研究内容。为了更全面分析利用的可行性，进一步扩展利用方式，进行全面的生物质固体燃料综合评价。
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