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魏一鸣教授和博士生杨波关于生物质掺烧电厂生命周期评估的论文发表在国际期刊《Applied Energy》

作者:ceep    来源:ceep    日期:2019-08-29

 

  魏一鸣教授领衔的国家重点研发计划项目(2016YFA0602600)“气候变化经济影响综合评估模式研究”之成果“Life cycle environmental impact assessment of fuel mix-based biomass co-firing plants with CO2 capture and storage”,近日发表于国际期刊《Applied Energy》。该期刊是世界能源领域着名学术期刊,目前影响因子8.426,高被引论文ESI全球工程期刊排名第4,谷歌学术全球学术期刊第67,旨在为清洁能源转换技术、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。文章第一作者杨波是中心2016级博士研究生,魏一鸣教授是该文的通讯作者。
  作为一种碳中性的可再生能源,在燃煤电厂掺烧生物质可有效降低碳排放强度,从而减少电力行业的温室气体排放。然而掺烧生物质造成多种类别的环境影响是阻碍其规模化部署的主要原因之一。本研究结合综合环境控制模型(IECM)和生命周期评估软件(GaBi)为10种情景的电厂建立了生命周期评价模型,量化分析了生物质掺烧(PBC/PB)电厂的性能参数以及掺烧比(CFR)对各种环境类别的影响程度。其中整个生命周期涉及原料(煤炭和生物质)获取、原料运输、电厂能量转化、CCS以及盐水处理等环节。由于高能量密度的燃料不仅可以降低运输成本,在能源转化过程中还能显着的提高发电效率,本研究采用经过烘焙粒化(TOP)后的生物质颗粒作为掺烧燃料,并充分考虑了燃料加工过程中的环境负担。除此以外,本研究选用600MW超临界电厂为研究对象,并配置了先进的脱硝(SCR),除尘(ESP),脱硫(FGD)以及CCS工艺以达到火电厂超低排放标准。

图1. 研究框架


图2. 生物质掺烧电厂的配置


图3. 生物质掺烧电厂生命周期内的全球温升潜势

 

  研究发现,掺烧生物质可以优化全球温升潜势(GWP)、非生物资源枯竭潜势(ADP)和酸化潜势(AP)三个类别的环境影响。其中PBC(25%)+CCS电厂整个生命周期内可实现近零排放,仅为22kg CO2-e/MWh。PB+CCS电厂可实现877kg CO2-e/MWh的负排放。电厂掺烧生物质,尤其是完全燃烧生物质发电,可以显着降低电厂对化石燃料的依赖性,可从根本上解决电力行业能源安全问题。然而,电厂及其上下游间接排放的酸性气体使得掺烧生物质对AP的优化程度较弱。
  掺烧生物质加剧了富营养化潜势(EP)、毒性潜势(TP)、光化学臭氧形成潜势(POCP)及臭氧枯竭潜势(ODP)等7个类别的环境影响,这些环境负担与掺烧比呈现正相关性,其中生物质获取环节负有主要责任。由此可见,电厂掺烧生物质导致环境负担发生明显转移。通过生命周期影响评价发现有如下主要原因:生物质培育环节会排放大量高温升潜势的N2O;生物质烘焙和粒化环节的间接排放;MEA制备环节释放的NH3和环氧乙烯;CCS技术导致的能源惩罚;CO2地质封存和盐水处理环节较高的能耗。

图4. 其他九个类别的环境性能评估

 

  政府部门应利用多种政策引导和经济激励手段,妥善解决生物质原料的供应问题,积极鼓励电力行业改造升级现有锅炉,逐步推广生物质掺烧技术,通过提高生物质能的比重来推动能源结构优化升级。发电行业在全面监测污染物排放的同时,需要将挥发性有机物纳入总量控制范围,并进一步强化其污染物排放控制措施。此外,技术研发部门还需通过技术进步优化生物质掺烧电厂生命周期的环境效益。如培育耐旱高产的高热值能源作物,减少肥料使用量,从源头上降低生物质培育环节对环境造成的影响;优化生物质加工处理工艺,降低其能源消耗;开发并使用高效清洁的新型CCS技术,如膜分离、CaL、固体吸附等捕集技术。
  无论采用何种途径增加生物质掺烧电厂的环境效益并减少其环境负担转移,都需要政府、企业以及技术研发部门的共同努力,为生物质掺烧项目扫除障碍,促使电力行业深度脱碳,以实现其减排目标。本文提出的结论与意见可能对其他工业部门的深度脱碳有所启示。

 

原文链接:
http://authors.elsevier.com/authorforms/APEN113483/a675c8cef36c6fd52d63e71864207a11

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113483

Bo Yang Yi-Ming Wei*, Yunbing Hou, Hui Li, Pengtao Wang, 2019. Life cycle environmental impact assessment of fuel mix-based biomass co-firing plants with CO2 capture and storage. Applied Energy. 252:113483.