生物质发电LCA评价报告-广州能源所

中国政府/世界银行/全球环境基金
中国可再生能源规模化发展项目
“基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价”的咨询服务
项目总报告
中国科学院广州能源研究所
能源战略研究中心
二〇〇九年六月
项目组构成
组长：赵黛青研究员
副组长：马隆龙研究员
项目顾问：吴创之研究员，陈勇研究员项目组成员：
李莉助理研究员
廖翠萍副研究员
骆志刚助理研究员
林琳硕士研究生
殷砚硕士研究生
目录
1. 项目背景 (4)
2. 研究目标 (4)
3. 选择方法学 (6)
4. 项目实施过程 (8)
4.1 确定研究对象 (8)
4.1.1 国内外生物质发电技术发展现状 (8)
4.1.2 国内生物质发电项目实际开发情况 (11)
4.1.3 确定生物质发电研究对象 (15)
4.2 清单分析 (16)
4.2.1 清单分析范围 (16)
4.2.2 调研数据汇总 (17)
4.2.3 过程模型 (19)
4.2.4 基础模型 (25)
4.2.5 清单结果 (29)
4.3 综合评价与解释 (43)
4.3.1 评价指标定义 (43)
4.3.2 能源、环境、经济分析 (46)
4.4 不同技术路线的对比评价与解释 (54)
5. 研究结论汇总 (61)
6. 参考文献 (64)
项目总报告
1. 项目背景
“基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价”是“中国可再生能源规模化发展项目（CRESP，Chinese Renewable Energy Scale-up Programme）”的一个子项目。

CRESP是中国政府与世界银行（WB）及全球环境基金（GEF）合作开展的可再生能源政策开发和投资项目，该项目的宗旨是在调查我国可再生能源资源和借鉴发达国家可再生能源发展经验的基础上，研究制定我国可再生能源发展政策，支持可再生能源技术进步，建立可再生能源产业体系，逐步实现我国可再生能源的规模化发展。

CRESP项目管理办公室具体负责项目的组织实施工作。

“基于农林类生物质资源发电技术的全生命周期综合评价”作为CRESP项目的子项目，目的是运用全生命周期评价方法，基于部分农林类生物质资源，对几种常见的生物质发电技术进行经济、能效、环境影响等综合评价和对比，找出关键控制点，为探索生物质大规模开发利用模式搭建一个客观、公平、量化的评价平台，为政府部门制定相关的政策提供参考数据，促进生物质能的开发利用。

中科院广州能源研究所承担了该子项目的研究任务，按以下步骤实施：1）通过调研选择发电用生物质品种和发电技术路线→2）研究用于评价的方法学与模型→3）完成基于部分农林类生物质资源发电全生命周期综合评价→4）对不同生物质发电技术的能源、经济、环境进行综合对比评价→5）组织研讨会讨论并完善本任务的研究成果。

本报告按项目实施步骤的顺序，对研究内容与结论总结汇报如下。

2. 研究目标
本课题研究将回答“基于农林类生物质资源发电技术”在发展中遇到的一些问题，问题的提出阐述如下，如图1所示：
图1问题的提出
1) 生物质发电的发展驱动力是气候变化和能源供应，人们希望利用生物质实现发电，同时减排二氧化碳。

因此，本课题对“生物质发电技术”的评价，围绕“温室气体的减排效果”和“是否满足实现发电的必要条件”两个方面。

2) 对生物质发电的温室气体减排效果，现状是：因为生物质发电存在碳循环，同煤电比，大大减少了2CO 排放，但从生命周期角度来看，生物质发电2CO 净排放不为零。

因此，提出问题：生物质发电生命周期2CO 净排放为多少？
3) 实现供电的第一个条件是技术可行。

现状是：农林类生物质资源发电技术有直燃、气化、混燃三种，不但技术可行，而且在国内都有商业化的实际应用。

因此，评价的问题不是技术是否可行，而是三种技术路线在能源投入产出效率、技术经济性、环境影响三方面的比较。

4) 实现供电的第二个条件是资源有保障。

现状是：每个电厂在选址时，电厂周边生物质资源量是充足的，而且对生物质资源量与发电规模的匹配问题也进行了论证，可实际运行中还是遇到了秸秆收集难的问题，一方面表现在供应量不足，另一方面表现在秸秆收集成本高。

因此，提出问题：秸秆供应不足、成本高的原因是什么？
5) 实现供电的第三个条件是发电盈利而且环境代价小。

现状是：生物质发电成本高，和煤电比缺少市场竞争力；从生命周期角度看，生物质发电除了能大大减少2CO 排放，还是有化石能源消耗和环境排放。

因此，提出问题：供电1kWh
付出了多少代价？即消耗了多少资源、能源？产生怎样的环境排放？哪些环节具有节能降耗、降低成本的潜力？
以上问题的研究结果，可以为生物质能利用技术的战略布局、制定相关政策提供量化的依据和参考。

3. 选择方法学
生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在的环境影响的汇编和评价[1]。

本课题选择LCA方法学作为研究方法，一方面因为生物质能量密度低，用于发电消耗量大，在进锅炉燃烧前的收集、运输、预处理等过程消耗的能源和环境排放不能忽略，因此，生物质发电的评价范围必须延伸到生物质发电全生命周期。

另一方面，如前叙述，本课题关注农林类生物质发电技术的能源效率、环境影响、经济成本三个方面，解决问题的思路是通过获得量化的数据与指标对关注的问题展开分析与评价，LCA方法符合本课题的研究思路。

而且LCA在国际上是比较成熟的方法学，自1997年先后颁布了ISO14040～14043国际标准。

因此，选择LCA方法学为本课题研究方法，将LCA方法扩展到包括能源效率、经济成本的综合评价。

LCA研究贯穿产品生命周期全过程，从获取原材料、生产、使用直至最终处置，汇编和量化的数据为系统过程输入和输出的物质或能量，包括原材料、能源、产品、排放物、废物。

实施框架包括目的与范围的确定、清单分析、影响分析和结果解释，LCA的结果可用于各类决策过程，如图2所示。

本课题研究应用LCA方法学确定研究实施步骤，如图3。

图2 LCA方法学框架[1]
图3 研究实施步骤
步骤1：确定研究目的
明确开展研究的理由、应用意图、沟通对象，依据研究结果将做何决定，需要什么信息，达到何种细节水平。

步骤2：确定研究对象
根据国内外生物质发电技术发展现状，结合国内项目的实际开发情况，选择代表性技术路线的应用实例为研究对象。

方法主要采用调研。

步骤3：清单分析
对确定的研究对象进行系统化描述，包括明确系统边界、单元过程、功能单位、假定条件、原始数据要求等，量化生物质种植、田间收集、加工处理与储存、运输至电厂、电厂建设与运行各个生命周期阶段的资源、能源消耗、环境排放、经济成本数据并汇总。

数据收集方法主要采用调研和模型计算。

通过清单分析，可以识别系统中哪些是能量和原材料消耗最多、排放最突出、经济成本高的单元过程。

步骤4：综合评价
基于清单分析的汇总数据，建立生物质发电能源效率、环境影响、经济性评
价指标，量化指标代表生物质发电的多方面属性，如能源加工转换效率、投入产出的社会效益、温室气体减排效果、技术经济效益等，通过专家研讨，确定各方面属性的权重，进而得出不同技术路线的对比结果。

步骤5：结果解释
结果解释是找出在生物质发电生命周期中，对能源消耗、环境影响、经济成本的主要影响因素，提出生物质发电技术改进的切入点。

敏感性分析是结果解释采用的一个方法。

4. 项目实施过程
4.1 确定研究对象
4.1.1 国内外生物质发电技术发展现状
农林类生物质资源发电主要是生物质直接燃烧发电、与煤等化石燃料混合燃烧发电和生物质气化发电三条技术路线。

直燃现状
（1）应用广泛，发展迅速。

目前，生物质发电三条技术路线中，直燃发电技术最为成熟，应用也最广泛。

但因受到燃料供给的限制，与燃煤电站相比，生物质直燃发电规模小，大多在20MW～50MW，一般锅炉热效率可达90%，系统发电效率大多为20%～30%。

北美和欧洲的生物质直燃发电技术已经得到成熟应用，而且多采用热电联供。

丹麦15家大型生物质直燃发电厂，提供的电力供应占丹麦全国5%；丹麦近十几年新建的热电联产项目都是以生物质为燃料；德国截至2005年，拥有140多个区域热电联产的生物质电厂，同时有近80个此类电厂在规划设计或建设阶段[2]。

我国的生物质直燃发电正处于商业化初级发展阶段。

2005年底，以农林废弃物为原料的规模化并网发电项目几乎是空白。

2006年开始，生物质直燃发电项目迅速发展，当年全国核准的生物质发电项目总装机容量达128.4万千瓦[3]，基本上都是直燃发电项目，发电规模大多为12MW和25MW，北方地区部分项目为生物质热电联产。

（2）国外用废木料，国内用秸秆。

美国的大部分生物质发电以森林废弃物为原料，森林废弃物主要来源于木材
加工厂或城市固体废弃物的木料剩余物。

废木料价格远低于化石燃料，具有经济优势，但燃料供给的不确定性也造成燃料价格变化大。

德国的生物质发电，能源投入的58%来自木材，41%来自沼气，3%来自液体生物质燃料(如生物柴油等)。

[4]
丹麦的生物质发电主要用林业废弃物和秸秆，2007年用于发电的林业废弃物为17998120GJ，秸秆消耗量为13489000GJ。

[5]
我国的生物质直燃发电项目大多用农作物秸秆为燃料，可分为灰色秸秆和黄色秸秆，棉花秆、木屑、林间杂木、桑树条等密度较大的木本类植物属灰色秸秆，需破碎加工后输送至炉膛内燃烧；玉米、小麦、高梁等草本类植物属黄色秸秆，因其体积大、重量轻、密度小，需要打捆至规定的体积和重量后输送至炉膛内燃烧。

（3）国外生物质直燃锅炉技术成熟，国产秸秆锅炉正在研发。

目前，国外生物质直燃锅炉技术和设备都比较成熟，火床炉和流化床两种炉型应用最为广泛。

在燃用稻草和麦杆的锅炉开发利用方面，丹麦处于世界领先；在利用多种生物质燃料的流化床锅炉方面，芬兰公司处于世界领先。

我国应用的生物质直燃锅炉一部分是引进技术、国内制造，一部分是完全自主研发的国产生物质直燃锅炉。

引进技术主要是丹麦BWE公司的秸秆生物发电技术，目前国内应用的系统主要有两个规模，一种是130t/h的振动炉排高温高压锅炉配25MW的发电机组，一种是48t/h的振动炉排高温高压锅炉配12MW的发电机组。

国产生物质直燃锅炉尚处于起步阶段，推出了循环流化床、往复炉排、水冷振动炉排等多种炉型的秸秆燃烧锅炉，在参数选取上大多数锅为中温中压参数，目前国产系统大多是75t/h锅炉配12MW的发电机组。

国外的秸秆发电锅炉，主要针对单一秸秆的燃烧，不适应我国秸秆种类较多的情况。

国内开发的循环流化床燃烧锅炉可以燃烧水稻、小麦、玉米、棉花、花生、大豆、油菜、稻壳、树皮及桑树枝条等多种秸秆。

（4）我国在秸秆燃料收储运环节缺乏经验。

生物质发电技术涉及生物质的收集、打包/破碎、运输、贮存等诸多环节。

与国外相比，我国生物质发电技术起步晚，产业基础薄弱，在秸秆燃料收储运环节缺乏运行经验，主要体现在经营和技术2个方面。

在经营方面，与发达国家农场为主的农业生产方式不同，我国农业生产以农
户为主，生物质资源分散，保证生物质电厂的燃料供应成为目前诸多生物质发电厂亟需解决的问题。

在技术方面，主要是农机设备设备制造亟待改进，目前秸秆发电所需的打包机、切碎机以及其他上料设备，运行稳定性差，生产能力小，影响生物质发电的经济运行，需按照生物质发电的实际情况进行改进。

●混燃现状
（1）多采用直接与煤混合燃烧发电。

目前，生物质混合燃烧发电技术在美国和欧盟等发达国家得到比较普遍的应用，已经建设了许多示范工程，生物质混合燃烧发电技术大多应用在燃煤发电厂，装机容量在50MW～850MW之间，少数系统为5MW～50MW。

美国应用的主要是直接混合燃烧发电，生物质气化混合燃烧发电在欧洲有应用，但实例仍然很少。

美国以木质废弃物与烟煤粉煤混燃居多，生物质混燃的质量比例一般在20%以下。

在瑞典、芬兰等国，通常采用沸腾流化床或循环流化床混合燃烧锅炉，泥煤、林业废弃物、树皮及木材加工废料等都可以一起混烧。

（2）我国对混合燃烧发电的设备开发和技术应用处于实践摸索中。

我国的生物质混合燃烧发电技术现处于研究示范阶段。

有两个煤与农林废弃物混燃发电的应用实例，一是山东枣庄华电国际十里泉发电厂的秸秆–煤粉混合燃烧改造项目，改造机组规模为140MW，锅炉为400t/h，2台的输入热负荷为3万千瓦的秸秆专用燃烧器是从丹麦BWE公司进口的，设计秸秆掺烧按热值计不超过20%。

项目自投入运行稳定，每年可掺烧秸秆约10万吨。

二是协鑫集团下属的宝应协鑫生物质环保热电有限公司和连云港协鑫生物质发电有限公司，这2个热电厂的装机容量都是2×15MW，都进行了75t/h循环流化床锅炉掺烧稻壳、锯木屑的技术改造，经过改造的锅炉掺烧生物质热值比设计上可实现30%，实际试验中可以达到80%。

●气化现状
（1）配不同类型的发电机组，发电规模不同。

气化发电小于500kW为小型；大于5MW为大型；期间视为中型。

小型生物质气化发电系统一般采用固定气化设备，可利用木片、谷壳、玉米秸秆等各类生物质为燃料，动力机多为内燃发动机。

中型生物质气化发电系统一般采用流化床气化工艺。

大型生物质气化发电系统都用循环流化床气化炉，一般是两级发电，在燃气轮机发电机组发电后，由蒸汽轮机二次发电，之后再利用其余热。

小型和中型的系统效率大体为12%～30%，大型发电机组的系统效率为30%～50%。

对中、大型气化发电，当余热得到充分利用时，其总效率约是发电效率的2倍左右[6]。

（2）生物质气化发电商业应用较少。

小型生物质气化发电技术非常成熟，但因劳动强度大，使用不方便在发达国家应用非常少，主要集中在发展中国家。

中型气化发电系统技术较成熟，但设备造价和发电成本都很高，在发达国家应用也很少。

在瑞典、美国、巴西、丹麦、意大利、英国、澳大利亚有一些大型生物质气化发电示范工程。

但大型生物质气化发电系统的技术远未成熟，主要的应用仍停留在示范和研究的阶段[6]。

（3）我国MW级生物质气化发电技术处于国际领先地位。

“九五”期间我国开发出了兆瓦级生物质气化发电系统，该系统利用循环流化床气化技术，能处理废木料、秸秆、稻草、稻壳、甘蔗渣等不同种类的生物质原料，可根据原料数量、用电需求匹配“一炉单机”、“一炉多机”，系统发电效率为16～18%，该系统在国内已推广20多套，并出口到缅甸、柬埔寨、泰国、印度等东南亚国家。

在此基础之上，“十五”期间我国完成了6MW生物质气化—内燃机—蒸汽联合循环系统的开发示范，项目位于江苏兴化，以100多家大米厂的稻壳为原料，气化效率最高达78%，系统发电效率最高达27.8%，本示范工程的性能价格比达到了国际领先水平。

4.1.2 国内生物质发电项目实际开发情况
开发大环境
（1）国内的生物质发电项目开发环境是积极鼓励的，而且建设重点明确。

2006年1月1日起实施的《中华人民共和国可再生能源法》明确了“可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域”，“国家鼓励和支持可再生能源并网发电”。

依据《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》规定，生物质发电项目可享受电价补贴。

这一系列的法律法规与实施细则极大地提高了各地发展生物质发电产业的积极性。

2007年8月公布的《可再生能源中长期发展规划》明确了农林生物质发电建设重点：在粮食主产区建设以秸秆为燃料的生物质发电厂，或将已有燃煤小火电机组改造为燃用秸秆的生物质发电机组。

在大中型农产品加工企业、部分林区和灌木集中分布区、木材加工厂，建设以稻壳、灌木林和木材加工剩余物为原料的生物质发电厂。

在“十一五”前3年，建设农业生物质发电(主要以秸秆为燃料)和林业生物质发电示范项目各20万千瓦。

到2010年，农林生物质发电(包括蔗渣发电)总装机容量达到400万千瓦，到2020年达到2400
万千瓦。

在宜林荒山、荒地、沙地开展能源林建设，为农林生物质发电提供燃料。

（2）项目在粮食主产区迅速得到开发
本课题统计了国内在2006～2007两年之间新建的生物质发电项目，项目数量近40个，基本上都是直燃发电项目，项目大多分布在东北、华北、华东粮食主产区，见图4。

河北、山东、新疆的生物质发电项目主要用棉花秆，黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古三省的生物质发电项目主要用玉米秆，河南的项目有用小麦和玉米秆为主的，也有用棉花秆为主的，江苏的生物质发电项目主要用小麦和水稻秆。

图4 国内生物质发电项目分布情况
直燃的代表性技术路线与实例
国内生物质直燃发电项目的代表性技术路线见表1，生物质燃料主要用棉花秆、玉米秆、小麦秆和水稻秆；发电机组配置主要有三种情况：130t/h锅炉配25MW发电机组，48t/h锅炉配12MW发电机组，75t/h锅炉配12MW发电机组；
调研的33个直燃发电项目中，只有江苏宿迁和江苏句容秸秆直燃发电项目采用了循环流化床锅炉，其余都是生物质专用炉排炉，而且大部分是引进丹麦BWE的振动炉排炉技术，采用国内制造。

表1 国内生物质直燃发电项目的代表性技术路线
直燃的应用实例比较多，从燃料种类、发电规模方面，选择了4个具有代表性的项目简述如下：
山东单县项目：山东单县生物质直燃发电项目是国家发改委批准的我国第一家利用秸秆发电的示范项目，由国能生物发电有限公司投资建设。

山东单县项目装机为1×25MW单级抽凝式汽轮发电机组，配丹麦技术的1×130t/h生物质专用振动炉排高温高压锅炉，燃料以破碎后的棉花秸秆为主，可掺烧部分树枝、桑条、果枝等林业废弃物。

该项目从2006年12月开始并网发电,2007年发电量2.29亿千瓦时。

江苏宿迁项目：江苏宿迁生物质直燃发电项目是我国第一个全部利用国产技术的秸秆直燃发电示范项目，由中国节能投资公司投资建设。

建设规模为2×75t/h中温中压燃烧秸秆锅炉，配置1台12MW冷凝式汽轮发电机组和1台12MW 抽凝式汽轮发电机组，该项目利用的秸秆为稻壳、麦秆、玉米秆、棉花秆等废弃物，于2007年4月28日成功上网发电，自投产到2008年7月供电量达1.176亿kWh，消耗秸秆18万吨。

吉林辽源项目：吉林辽源生物发电项目是我国第一个完全以玉米秸秆为燃料的生物发电项目，由国能辽源生物发电有限公司出资建设。

该项目建设规模为2×25MW的供热发电机组，配备2×130t/h振动炉排高温高压锅炉。

于2007年11月底实现并网运行。

内蒙古沙柳发电项目：内蒙古毛乌素生物质热电有限公司投资建设了一个以沙柳等沙生灌木平茬剩余物为原料的生物质热电厂，位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗，是利用林业废弃物生物质发电的典型代表。

该项目为2×15MW的发电机组，配备国产2×75t/h炉排炉，是国产技术装备，具有自主知识产权，该项目于2009年2月试运成功。

混燃的代表性技术路线与实例
国内秸秆混燃发电技术以山东十里泉项目和协鑫生物质混烧项目为例，将代表性的技术特点列入表2。

表2 国内生物质混燃发电项目技术特点
山东十里泉项目：十里泉发电厂秸秆发电项目是国内第一个秸秆和煤粉混合直接燃烧的项目。

为2005年5月在#5机组(锅炉容量为400t／h，配套机组容量140MW) 实施的秸秆–煤粉混合燃烧技术改造项目，改造后增加了一套秸秆收购、储存、粉碎、输送设备，同时增加两台输入热负荷为30MW的秸秆专用燃烧器。

锅炉原有系统和参数不变，秸秆燃烧输入功率为60MW，占锅炉热容量的18.5％，秸秆耗用量为14.4吨/小时，可以替代原煤10.4吨/小时。

项目于2005年底12月16日投产运行至今。

江苏宝应协鑫项目：2005年l2月江苏宝应协鑫生物质环保热电有限公司实施了生物质掺烧技改项目工程。

该电厂是协鑫(集团)控股有限公司投资兴建的热电联产项目。

一期工程为2×15 MW高温次高压抽汽凝汽式汽轮发电机组。

配3×75 t/h次高温次高压循环流化床锅炉。

电厂对现有2台循环流化床锅炉进行了生物质掺烧改造，从2006年3月开始进行以稻壳、锯木屑为主的生物质燃料的正常掺烧，到2006年12月底，全年掺烧生物质达2.6万t，日最高掺烧量达305.72 t，通过生物质掺烧系统实际最大掺烧能力的试验验证，短时间掺烧生物质量可达80%(以燃料热值计)，超过了30%的设计掺烧量标准。

气化的代表性技术路线与实例
中科院广州能源所开发的生物质气化发电系统在国内最具代表性，“九五”期间开发的MW级生物质气化发电系统是循环流化床气化技术，能处理废木料、秸秆、稻草、稻壳、甘蔗渣等多种生物质原料，匹配内燃机，可“一炉单机”、“一炉多机”，系统发电效率为16～18%，在此基础之上，在江苏兴化实施了6MW 生物质气化—内燃机—蒸汽联合循环系统项目，目前是国内气化发电规模最大的项目。

江苏兴化项目：该项目是国家“十五”863课题支持建设的生物质气化发电示范工程，采用生物质气化—内燃机—蒸汽联合循环系统的工艺路线，配置为一台生物质循环流化床气化炉（20MWt）+11×450kW的内燃机发电机组（一台备用）+一台余热锅炉+一台1500kW蒸汽轮机发电机组，总装机容量6MW。

项目
利用兴化100多家大米厂的稻壳为原料，2005年11月通过试运行，试运行过程中气化效率最高达78%，燃气机组发电效率最高达29.8%，系统发电效率最高达27.8%。

4.1.3 确定生物质发电研究对象
经过以上对国内外技术现状及国内实际情况的分析，对直燃、气化、混燃技术路线分别确定了研究对象，列入表3。

表3农林类生物质发电技术生命周期综合评价研究对象
对生物质直燃发电，代表性的发电技术和资源利用不能在一个项目上完全体现，所以，研究对象是一个系统和多个技术条件，如图5所示。

以棉花秆代表灰色秸秆，以玉米秆代表黄色秸秆，利用棉花秆发电，预处理方式为破碎，利用玉米秆发电，预处理方式为打捆。

图5 生物质直燃发电研究对象
山东十里泉项目是典型的现有燃煤小火电机组改造为混烧秸秆机组，具有推广价值，所以确定它为生物质混燃发电的研究对象。

江苏兴化项目采用生物质气化—内燃机—蒸汽联合循环系统，发电规模为国
打捆，破碎 棉花秆、玉米秆、麦秆，稻秆
不同的运输距离
高温高压，中温中压
发电系统 技术条件。