随着社会经济的发展，环境和能源问题日益严重，人类开始加快寻找替代能源的步伐。对替代能源的需求使生物质能成为全球热点。我国是一个农业大国，每年仅农作物秸秆产量达7亿t以上，其中可以作为能源利用的秸秆约3.995亿t。由于生物质资源极为丰富，且生物质能作为低碳燃料，硫、灰的含量低于目前大量使用的煤炭，很多学者认为生物质能将是新能源中最具开发性的一种绿色可再生能源。在各种生物质能的利用途径中，生物质发电技术是比较成熟的技术。加大生物质发电的开发力度，能有效利用生物质过剩资源，改善环境质量，有效减少温室气体的排放。
生物质发电的实际应用中也存在一些问题。以秸秆发电为例，尽管秸秆资源总量巨大，但其体积松散、能量密度低，特别是我国秸秆收购对象为单户农民，农户种植面积小，秸秆种类多样、分布分散。在原料获取和转化过程中，需要耗费大量的人力、物力进行收集、储存、运输，在生产出洁净能源的同时，也要消耗大量的能源，排放出污染物。因此应该结合生物质发电项目的特点对生物质发电的生命周期过程加以认识、判断、评价和控制。
生命周期评价(LCA，Life Cycle Assessment)是评价产品或行为过程在生命周期内对环境所产生影响的一种工具。生命周期评价通过对能量和物质的利用以及由此造成的废物排放进行辨识和量化，评估能量和物质利用以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会。本文基于生命周期评价方法，对秸秆直燃发电系统进行评价。辨别秸秆直燃发电过程中不同的阶段对环境的影响，全面地分析秸秆直燃发电的环境影响和能源消耗。
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1、研究内容与方法
1.1研究内容
本文以小麦秸秆为例，利用生命周期评价法分析秸秆直燃发电过程中的能量消耗及造成的环境影响。本文选取评价对象是装机容量25 MW的生物质秸秆直燃发电系统，采用秸秆直接燃烧发电工艺，将生物质能原料打包后直接燃烧。设定年发电时间为6 000 h，发电效率为16%。秸秆消耗量为1.4 kg/kWh。秸秆搜集半径约为40 km。本文以系统每生产1万kWh电能需要的能耗和所造成的环境影响进行计算和分析。
1.2生命周期评价研究方法
生命周期评价的方法是丹麦技术大学开发的工业产品设计方法(EDIP方法)，即采用政策目标距离法确定标准化基准和不同环境潜质的重要性权重。国内杨建新等人基于以上方法建立了中国的标准化基准和权重因子，定义了中国的区域污染当量因子。本文采用该生命周期评价方法，将清单分析中的结果按照环境影响类型进行分类划分，计算各种环境影响类型的潜值，然后进行标准化、加权网，据此分析和比较不同环境影响类型对环境损害的严重性，同时分析生物质发电系统的不同阶段产生的环境影响特点。
2、秸秆直燃发电系统的生命周期评价
2.1确定生命周期系统边界
在确定生命周期评价的边界系统时，考虑到数据可获性和数据质量等问题，生物质直燃发电设备制造和建设时的能耗和环境排放不计入边界系统内：同时，由于生物质发电系统是一种新型系统，还未达到报废年限，故暂未考虑生产设备回收报废单元阶段，仅研究本系统正常生产阶段。秸秆直燃发电系统的生命周期系统包括生物质秸秆生产阶段、生物质秸秆的运输阶段和燃烧发电阶段。系统边界划分如图1所示。
2.2清单分析
清单分析是生命周期评价的核心环节，生命周期清单分析中，对同时输出多种产品的单元系统要进行能流和污染排放物的分配。
2.2.1秸秆种植收获阶段
虽然麦秸是小麦种植过程中的副产物，但它可以用于造纸、堆肥、还田或作为饲料，有一定的经济价值。基于此，按经济价值将小麦种植过程中的能耗和环境排放分配给小麦秸秆的生产。按照此种分配方式，参照目前小麦和麦秸的销售价格，设小麦秸秆生产阶段的能量消耗和污染物排放占整个小麦种植过程中的lO%。
2.2.2生物质运输阶段
假设秸秆的主要运输工具为柴油拖拉机．主要消耗能源为柴油(单位里程耗油为35L/100 km)．单车平均运量为8t．柴油的热值为44 MJ/kg。假设秸秆收集半径为40 km，运输每吨麦秸所需的平均能量为65.6 MJ，则运输生产1万kWh电能的小麦秸秆所消耗柴油的能量为918.4 MJ。在运输阶段，认为污染物排放为柴油在生产和燃烧的过程中的排放。根据柴油生产和燃烧的排放系数，可以计算出运输过程中的污染物排放量（表1）。
2.2.3秸秆燃烧发电阶段
电厂运行发电过程主要包括秸秆的预处理和秸秆燃烧发电2个阶段。
预处理阶段主要包括粉碎、干燥和成型阶段。假设预处理阶段消耗的能量完全由燃煤提供，通过产生C02量可推算出所消耗标准煤数量，进而推算出S02，NO，和粉尘的排放量。研究结果表明，燃烧100 kg小麦秸秆在预处理阶段耗煤量为4.72 kg，在秸秆直燃发电系统中，燃烧发电过程的能量由系统自身的发电量提供，不需要耗能。在预处理阶段燃烧100 kg秸秆排放CO2 11.8 kg，S020.09 kg，NO. 0.06 kg，烟尘0.59 kg。发电过程中燃烧100 kg小麦秸秆排放CO2 135.76 kg，S02 0.15kg，NO。0.57 kg，烟尘5.59 kg。由此，可以计算出，在发电过程中每发电l万kWh．消耗燃煤660.8 kg，排放C02 20 658.46 kg,SOz 33.60 kg,NO,88.20 kg，烟尘865.20 kg。
2.3清单汇总
2.3,1秸秆直燃发电系统生命周期能源消耗
在整个秸秆直燃发电系统中，燃烧发电过程的能量由系统自身的发电量提供，在计算总能耗时，仅仅计算秸秆获取、运输和秸秆预处理阶段的能耗。
计算结果如下：秸秆直燃发电系统每发电1万kWh，秸秆在获取阶段、运输阶段和预处理阶段能量的输入分别为791.5 MJ，918.4 MJ，13 830.5 MJ。总能量输入为l5 340.2 MJ。
2.3.2秸秆直燃发电系统生命周期环境污染物排放
将秸秆直燃发电各个阶段的数据进行汇总，得到小麦秸秆直燃发电系统全生命周期污染物的输出数据（表2）。发电l万kWh的小麦秸秆，在秸秆的种植过程中可以吸收C02 24 101 kg，因此在计算C02排放量时应该减去种植过程中的C02吸收量。
2.4影响评价
影响评价主要是对识别出的环境影响进行定性或定量的评价．从而确定研究系统的资源消耗与污染物排放对其外部环境的影响。
在对环境排放清单进行环境影响潜值的计算过程中，本研究主要考虑全球变暖，环境酸化和富营养化及烟尘这4种环境影响。
2.4.1环境影响潜值计算
环境影响潜值指整个系统中所有同类环境排放影响的总和。同类污染物通过当量系数转换为参照物的环境影响潜值（表3），气候变化以C02为参照物转化为全球变暖潜力，环境酸化以S02为参照物．富营养化以N03-为参照物分别计算。式中：EP(m)为产品生命周期中第m种环境影响潜值；EP (m)n为第n种排放物的第m种环境影响潜值；Q (m)n为第n种物质的排放量；EF(m)n为第n种排放物的第m种环境影响的当量因子。各种环境影响的影响潜值如表4所示。
2.4.2标准化计算
标准化是将各种类型的影响潜值无量纲化。本文采用文献《产品生命周期评价方法及应用》中的标准化方法和基准，即用1990年全社会资源消耗总量和环境潜在总影响分别作为标准化基准。标准化的环境影响潜质体现了相对于整个社会活动所造成总的环境影响而言。生物质发电系统的资源消耗、环境污染潜值究竟有多大。标准化后的环境影响潜值单位为：标准人当量。
标准化的计算公式：式中：NEP(m)为第m种环境影响潜值标准化后的值；EP(m)为生物质气化发电系统中的第，，1种环境影响潜值；职(m)为标准化基准，是1990年全社会的第m种环境影响潜值。
2.4.3加权评估及环境影响负荷
标准化的影响潜值可以反映潜在环境影响量的大小，但还不能比较不同环境影响类型的相对严重性，通过针对不同影响类型对环境的损伤程度赋予不同权重，可以更加合理地评价生物质直燃发电系统的环境影响。权重的确定采用“目标距离”方法，即某种环境影响的严重性用该环境影响全社会当前水平与全社会给定的目标水平之间的比值来表示权重。
权重因子的确定公式：
WF(m)=ER(m)baseIER(m)aim (3)式中：W“m）为第m种环境影响类型的权重因子；E (m)base为1990年第J种环境影响潜值；ER(m)aim为2000年第m种环境影响潜值。
秸秆直燃发电项目的环境影响潜值标准化和加权分析后的结果如表5所示。
根据权重对标准化后的环境影响潜值进行加权分析，得出在秸秆直燃发电过程中的主要环境影响加权后的环境影响潜值。加权后结果表明，在秸秆直燃发电过程中，产生的主要环境影响为烟尘的排放，其次为NO，排放产生的富营养化。
将各种影响潜值相加可以计算出其总环境影响负荷为35.18人当量。总环境影响负荷是对系统全生命周期产生的环境影响的一种量化结果。利用该量化结果可以对不同生产原料或系统生产等量产品产生的环境影响进行比较，确定可利用的最佳原料、工艺及途径。
3、结论
①在秸秆直燃发电系统中，每发电l万kWh消耗的总能耗为15 340 MJ，其中预处理阶段的能量消耗为13 830.5 MJ，占总能耗的90%。因此应该改进预处理设备技术，提高系统效率，减少资源的消耗，提高秸秆直燃发电的经济性。
②本文生命周期评价的秸秆直燃发电系统每发电1万kWh向大气排放S02 37.39 kg，NO.90.37 kg。我国当前火力发电每发电1万kWh向大气排放C02 10 t．S02 80 kg，NO；50 kg，虽然秸秆直燃发电系统氮氧化物的排放量有所增加，但其他有害气体比常规的火力发电少得多。此外，生物质在燃烧过程中排放出的C02与其生长过程中所吸收的C02相平衡。同时，由于燃烧生物质剩余物减少了其自然腐烂所产生的CH4，通常认为CH4气体的温室效应为C02的21倍，进一步减少了温室气体的排放。所以，可以认为生物质直燃发电是目前电力发展中可行的减排温室气体的手段。
③秸秆直燃发电的全球变暖的影响潜值为0.71．富营养化影响潜值为4.95，酸化的影响潜值为0.2．烟尘的影响潜值为23.92。烟尘的影响潜值大于全球变暖、酸化和富营养化的影响潜值，说明在秸秆直燃发电过程中产生较多的烟尘。国家应该积极制定相应的环境标准，强制电厂完善除尘设备，减少烟尘的排放量。
④秸秆是重要的生物质能源，用途广泛，可以利用生命周期评价对秸秆资源化利用的不同途径进行综合比较评价，确定秸秆的最佳利用途径和转化工艺。目前的LCA主要侧重环境影响和资源消耗潜值。今后在运用LCA方法过程中，还应注重通过物流、能流、人工、土地等核算秸秆资源化利用的价值流和价值驱动力，进行经济性、环境影响和资源消耗的综合生命周期评价。还应该建立科学的基于生命周期的经济、环境、能源、决策分析模型，对生命周期评价的应用领域进一步地扩充和提升，为环境管理提供有效的工具。
