基于生命周期评价的秸秆沼气集中供气工程能值分析

摘要

中国是农业大国，秸秆资源数量大、种类多、分布广。然而在农村地区，秸秆露天焚烧、废弃造成的大气污染、农业面源污染问题仍然存在。随着我国秸秆沼气技术的发展，秸秆沼气集中供气技术成为秸秆资源化利用的重要途径，是适应我国农村现阶段经济发展水平的实用技术，在秸秆资源丰富的农村地区得到推广和应用。实践表明，秸秆沼气集中供气技术，能够提高秸秆资源化利用效率，所产秸秆沼气可替代煤炭、液化气等化石能源，为农村提供优质、清洁的可再生能源，所产沼肥可用作有机肥。生物质资源在能源化生产和利用过程中也会消耗能量，排放污染物，因此对秸秆沼气集中供气工程的生态经济效益和环境影响进行科学合理的评价，对促进秸秆沼气的可持续发展具有重要意义。
　　能值分析方法考虑了自然环境资源对系统经济发展做出的贡献，将投入系统的物质、能量、货币、劳务等不同种类、不同单位的生态流，转换成为太阳能值，将其作为统一的标准来衡量和分析，弥补了经济分析和传统能量分析的不足。本研究采用能值分析方法和生命周期评价方法对秸秆沼气集中供气工程的生态经济性和可持续性进行评价。主要结论分述如下：
　　（1）对秸秆沼气集中供气工程投入资源的能量折算系数、能值转换率、污染物排放系数等进行考证分析并确定其取值。以15.83E+24sej/a能值基线为准，对秸秆沼气集中供气工程投入资源的能值转换率参数进行考证和分析。对玉米秸秆、小麦秸秆、农村劳动力的能值转换率进行核算，河南省安阳县小麦秸秆能值转换率、河北省青县玉米秸秆能值转换率和全国农村劳动力能值转换率，分别是1.10E+05sej/J、7.55E+04sej/J、2.56E+06sej/J。
　　（2）以河南省安阳县西街村秸秆沼气集中供气工程为例，对非满负荷运行条件下秸秆沼气工程能值投入产出进行了定量核算和分析。结果表明，该秸秆沼气工程能值投入中，购买资源能值投入占99.73％，秸秆能值投入占73.83%。与满负荷运行相比，在非满负荷运行的情况下，沼气、沼渣沼液以及―三沼‖的能值转换率皆有明显升高；工程的生态经济性、可持续发展性有所降低，环境负荷上升。要提高秸秆沼气集中供气工程的经济性、可持续性和环境外部性，必须努力实现工程的满负荷运行。
　　（3）以河北省青县耿官屯秸秆沼气集中供气工程为例，根据沼渣沼液处理方式不同，将其设定为常规情景（情景1）、现实情景（情景2）和假设情景（情景3），进而对3种不同情景的能值投入、产出及其能值评价指标进行比较分析。结果表明，由情景1到情景3，购买不可更新资源能值占总投入的比重显著提升；从各子系统能值投入比重看，秸秆收集与预处理子系统显著下降，沼肥利用子系统显著升高，其他各子系统有所下降。常规情景下，青县耿官屯秸秆沼气集中供气工程沼气能值转换率为2.50E+05sej/J；随着沼渣沼液加工利用水平的提高，沼肥的能值转换率、“三沼”能值转换率呈下降的趋势；可更新能值率 RER、可持续发展指数 ESI、能值反馈率FYR和处理废弃物能力EWR都、环境负载率ELR等指标，随着产业链条延长和系统边界的变化，不再适用于生产工艺和产品方案调整前后的能值比较分析。
　　（4）以河南省安阳县西街村秸秆沼气集中供气工程为例，以工程年产出沼气为功能单位，综合评估了秸秆沼气集中供气工程在全球变暖潜力、酸化潜力、气溶胶潜力、光化学烟雾潜力和人体毒性潜力5个方面的环境影响。将工程建设单元纳入秸秆沼气工程各生命周期边界，对工程建设单元、运行单元和产物利用单元的环境排放进行定量核算和分析。该秸秆沼气集中供气工程对全球环境的影响负荷为-137.72标准人当量，减排效果显著。煤炭增温和电力消耗是影响沼气工程环境排放的重要环节，选择低碳环保的沼气工程增保温方式和降低工程运行电耗是秸秆沼气集中供气工程工艺改进的重要内容。

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英文缩略表

第一章 绪 论

1.1 选题背景和意义

1.2 我国秸秆沼气工程发展现状

1.3 能值分析研究进展

1.4 生命周期评价研究进展

1.5 生命周期能值分析方法应用研究

1.6 主要研究内容、方法与技术路线

第二章 基本理论与方法

2.1 能值分析理论与方法

2.2 生命周期评价理论与方法

第三章 参数分析与取值

3.1 能量折算系数

3.2 能值转换率

3.3 污染物排放系数

3.4 本章小结

第四章 非满负荷运行条件下秸秆沼气集中供气工程能值分析

4.1 研究案例基本情况

4.2 能值分析方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

第五章 不同沼肥利用方式情景下的秸秆沼气集中供气工程能值分析

5.1 案例基本情况与情景设定

5.2 能值分析方法

5.3 数据来源

5.4 结果与分析

5.5 本章小结

第六章 基于LCA的秸秆沼气集中供气工程环境影响评价

6.1 案例基本情况

6.2 秸秆沼气集中供气系统LCA的目标和边界

6.3 秸秆沼气集中供气工程环境排放清单分析

6.4 秸秆沼气集中供气工程生命周期影响评价

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 问题与展望

7.3 创新点

参考文献

附录

致谢

作者简历