秸稈基生物天然氣工程的溫室氣體減排估算

周 珂 孔維濤 馮新新 王 環(huán) SEGLAH Afi Patience 謝 杰 孫 寧 高春雨*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.必奧新能源科技有限公司，北京 102400)

全球變暖是當(dāng)前全球普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)自1990起發(fā)布的歷次氣候變化評估報(bào)告均將當(dāng)前的氣候變暖問題歸結(jié)于人類活動(dòng)，尤其是溫室氣體的排放導(dǎo)致[1]。IPCC第4次評估報(bào)告表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是全球溫室氣體的重要排放源，排放的CH4和N2O分別占人類活動(dòng)排放的CH4和N2O總量的50%和60%[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年我國溫室氣體排放總量為76.67×108t，其中10.28%的溫室氣體排放量源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，但在CH4和N2O排放量中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)分別占56.66%和74.02%[3]。

《京都議定書》簽訂后，世界各國都在積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，利用可再生能源(生物質(zhì)能、核能等)逐步替代化石能源，以實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)[4]。我國作為負(fù)責(zé)任的大國，采取積極主動(dòng)的有效方式逐步實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)，推動(dòng)綠色能源的發(fā)展，完善可再生資源的市場配置，以期在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，力爭在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[5]。以生物質(zhì)能為代表的可再生能源是增速最快的能源，約占總能源增量的一半。生物質(zhì)能作為最穩(wěn)定的可再生能源，自帶化學(xué)儲(chǔ)能屬性，便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸及轉(zhuǎn)化，是未來唯一的可以作為燃料的零碳能源；同時(shí)可以通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為可燃?xì)獾犬a(chǎn)品，利用途徑多樣[6]。我國是世界上的能源消費(fèi)大國之一，并且預(yù)計(jì)將會(huì)成為最大的能源消費(fèi)市場，為了應(yīng)對全球氣候變暖，亟待進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型調(diào)整[7]。

生物天然氣(Bio-Natural Gas，BNG)是指以農(nóng)作物秸稈(簡稱秸稈)、畜禽糞污、餐廚垃圾、農(nóng)副產(chǎn)品加工廢水等各類城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵和凈化提純產(chǎn)生的綠色低碳清潔可再生的生物甲烷(Bio-methane)[8-10]。生物天然氣與壓縮天然氣的甲烷含量相當(dāng)，可通過管道輸送或壓縮用于生活燃料和車用燃料，還可以用于發(fā)電，被稱為代替汽油、天然氣、石油液化氣和煤炭最好的生物質(zhì)可再生能源[11]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的大量的生物質(zhì)廢棄物如秸稈、畜禽糞污等，為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新思路，即生物天然氣工程項(xiàng)目的開發(fā)，其中秸稈基生物天然氣工程頗受關(guān)注。我國的農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量巨大，是生物天然氣工程的重要原料來源，2020年，我國秸桿產(chǎn)量約為8.56億元，綜合利用率為86%。2009—2018年，我國秸稈產(chǎn)量增加1.27×104萬t，年增長率為2.01%，在2018年全國秸稈收集量中玉米秸稈貢獻(xiàn)最大，占全國秸稈總產(chǎn)量的32.34%[12]。同時(shí)，未得到充分利用的農(nóng)作物秸稈大部分被露天燃燒或隨意堆放自然腐解，導(dǎo)致大量CO2、氮氧化物及多環(huán)芳烴等有害氣體的產(chǎn)生，不僅危害人體健康，污染環(huán)境，更會(huì)加劇全球變暖的趨勢[13]。以作物秸稈為發(fā)酵原料來生產(chǎn)天然氣的工程項(xiàng)目，即秸稈基生物天然氣工程，既能實(shí)現(xiàn)化石能源替代，又能實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用，同時(shí)有助于能源和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的碳減排。發(fā)展生物天然氣產(chǎn)業(yè)，不僅可有效處置農(nóng)業(yè)廢棄物，促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)，還能緩解化石能源短缺，保障能源安全，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰及碳中和。生物天然氣工程的副產(chǎn)品如沼渣沼液還可用于生產(chǎn)有機(jī)肥，能夠帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益[11]。隨著能源危機(jī)和全球變暖問題的不斷加劇，大力發(fā)展可再生能源，減少碳排放的綠色發(fā)展道路已成為世界各國的共識(shí)。

目前，我國的生物天然氣工程主要分為以農(nóng)村家庭、農(nóng)業(yè)和工業(yè)為基礎(chǔ)的3類，其中秸稈基生物天然氣工程主要是以農(nóng)村家庭和農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，二者均以農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈或動(dòng)物糞便為原料進(jìn)行加工生產(chǎn)，主要包括秸稈收集、秸稈預(yù)處理和發(fā)酵、產(chǎn)物的分離和提純、產(chǎn)物的運(yùn)輸和利用4個(gè)過程。農(nóng)村家庭用生物天然氣工程具有鮮明的地區(qū)特色，以球形水壓式厭氧發(fā)酵罐為基礎(chǔ)進(jìn)行了多次修改，如江西省的回流式發(fā)酵罐、云南省的“蜿蜒分布式發(fā)酵罐”、湖南省的氣液分離的發(fā)酵罐等，并且還根據(jù)如廚房、農(nóng)場、廁所、水果等不同的原料采集模式設(shè)計(jì)了不同的生物天然氣生產(chǎn)流程。總的來說，農(nóng)村家庭用生物天然氣工程在全國各地均有分布，其中華北地區(qū)和西南地區(qū)的分布密度最大，產(chǎn)量最高[14]。以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的生物天然氣工程系統(tǒng)主要包括氣體儲(chǔ)存、發(fā)酵罐、生物液體儲(chǔ)存空間、氣體凈化系統(tǒng)、沼氣發(fā)電機(jī)和沼氣運(yùn)輸系統(tǒng)[14]，其中秸稈類發(fā)酵原料的發(fā)酵裝置宜采用完全混合式厭氧反應(yīng)器(CSTR)、豎向推流式厭氧反應(yīng)器(VPF)[14-15]。生物天然氣工程集中分布在我國華北華中地區(qū)，其中四川省，山東省，廣東省，浙江省，河南省的生物天然氣工程主要以農(nóng)業(yè)廢棄物作為主要原材料，是秸稈基生物天然氣工程的主要分布區(qū)域[16]。

據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)[17]，截至2019年，全國以農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料的沼氣工程達(dá)到10.265×104處。其中，生物天然氣工程44處，年產(chǎn)生物天然氣1.965×108m3。生物天然氣作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)[18]，越來越受到研究者的關(guān)注。國內(nèi)現(xiàn)有研究主要包括生物天然氣制備技術(shù)[8,19-21]、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與政策[9,20,22]、國際發(fā)展經(jīng)驗(yàn)[21,23-25]、溫室氣體(Greenhouse Gas，GHG)減排潛力[17,26,27]等方面內(nèi)容。少數(shù)研究者利用生命周期評估法(Life Cycle Assessment，LCA)對不同原料(秸稈，秸稈與畜禽糞污混合等)生物天然氣工程不同環(huán)節(jié)的環(huán)境排放情況進(jìn)行了分析[28-30]，郝麗娟等[31]則采用自愿減排方法學(xué)對北京某垃圾填埋氣提純生物天然氣項(xiàng)目的CO2減排效益進(jìn)行了評價(jià)?？傮w來看，在秸稈基生物天然氣工程的環(huán)境評價(jià)方面，現(xiàn)有研究基本采用LCA法分析項(xiàng)目不同階段的環(huán)境排放情況。綜合考慮基準(zhǔn)線排放情況以構(gòu)建秸稈生物天然氣工程溫室氣體減排定量估算方法，并結(jié)合典型案例開展秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排實(shí)證研究還較為少見。隨著我國秸稈禁燒政策的強(qiáng)力推進(jìn)，各地秸稈焚燒現(xiàn)象逐漸減少，但秸稈被隨意丟棄在村道、地頭、溝渠及曬場等場所任其自然腐解的現(xiàn)象卻相對較為嚴(yán)重[32-33]。秸稈自然腐解的溫室氣體排放雖然未被《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》納入溫室氣體排放清單中，但該過程的溫室氣體(CO2、N2O為主)排放量不可忽視，并且隨著進(jìn)一步政策監(jiān)管和秸稈廢棄問題的日趨嚴(yán)重，秸稈自然腐解將逐漸接近甚至取代秸稈焚燒成為秸稈處理方式中溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)者。但是并沒有足夠的研究探討在農(nóng)作物秸稈自然腐解曲線的基礎(chǔ)上秸稈基天然氣工程的減排效果，現(xiàn)有的方法學(xué)中并沒有形成完整的秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排量計(jì)算方法體系。因此，本研究擬采用GHG自愿減排方法學(xué)，在前期開展模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以秸稈廢棄自然腐解溫室氣體排放為基準(zhǔn)線的秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排計(jì)量方法，定量分析典型秸稈基生物天然氣工程的溫室氣體減排效果，并以河北省臨漳縣中環(huán)新威綠色科技有限公司秸稈基生物天然氣工程(以下簡稱臨漳縣秸稈基生物天然氣工程)為研究對象，以期為我國秸稈基生物天然氣工程減排量的估算提供理論依據(jù)與方法支撐。

1 秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排計(jì)量方法的建立

本研究中的溫室氣體減排量計(jì)算方法參照了國家發(fā)改委發(fā)布的關(guān)于GHG自愿減排方法學(xué)，以及《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的清潔發(fā)展機(jī)制(Clean Development Mechanism)方法學(xué)和IPCC的《國家溫室氣體清單編制指南》，以秸稈廢棄自然腐解情景下的溫室氣體排放為基準(zhǔn)線，在確定秸稈基生物天然氣工程項(xiàng)目邊界的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算秸稈基生物天然氣工程的基準(zhǔn)線排放量、項(xiàng)目排放量及泄漏量，從而得出整個(gè)工程的溫室氣體凈減排量。秸稈基生物天然氣工程本質(zhì)上是生物質(zhì)能工程中的一種。秸稈基生物天然氣工程的生產(chǎn)和利用過程遵循物質(zhì)守恒，本質(zhì)上沒有固碳減碳的效應(yīng)，但是秸稈資源若不充分利用，不管是焚燒還是自然腐解，最終都會(huì)產(chǎn)生碳排放，因此對秸稈資源的收集利用是屬于源頭減排；使用生物天然氣可以減少化石能源的消耗，由生物天然氣替代的使用量可算作終端替代減排量。因此，本研究中秸稈基生物天然氣工程總的減排量，是由源頭減排量和終端替代減排量之和減去生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放量共同決定。

1.1 項(xiàng)目邊界確定

秸稈基生物天然氣工程項(xiàng)目邊界及主要溫室氣體排放源(表1)如下：

1)秸稈基生物天然氣工程不存在時(shí)秸稈廢棄自然腐解排放。試驗(yàn)表明[34]，該環(huán)節(jié)排放的主要溫室氣體包括CH4和N2O；

2)生物天然氣、生物有機(jī)肥、食品級(jí)CO2的替代排放。該環(huán)節(jié)排放的主要溫室氣體為CO2；

3)秸稈、生物天然氣等物料和產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的消耗。該環(huán)節(jié)排放的主要溫室氣體為CO2；

4)生物天然氣生產(chǎn)過程中的化石能源、工程用電等消耗。該環(huán)節(jié)排放的主要溫室氣體同樣為CO2；

5)秸稈基生物天然氣工程中的項(xiàng)目泄露。該環(huán)節(jié)排放的主要溫室氣體包括CH4和CO2。

1.2 基準(zhǔn)線排放量計(jì)算方法

基準(zhǔn)線排放量包括農(nóng)作物秸稈自然腐解溫室氣體排放量，以及不存在秸稈基生物天然氣工程的情景下，生物天然氣替代化石能源的排放量、生物有機(jī)肥與食品級(jí)CO2生產(chǎn)溫室氣體排放量。該項(xiàng)目中的基準(zhǔn)線排放量計(jì)算式如下：

表1 秸稈基生物天然氣工程項(xiàng)目邊界內(nèi)的主要溫室氣體排放源Table 1 Main greenhouse gas emission sources within the boundary of straw BNG project

BE=BEstraw+BEbiogas+BEfertilizer+BECO2

(1)

式中：BE為基準(zhǔn)線排放量，t；BEstraw為秸稈自然腐解溫室氣體排放量，t；BEbiogas為生物天然氣替代化石能源溫室氣體排放量，t；BEfertilizer為生物有機(jī)肥替代化肥溫室氣體排放量，t；BECO2為生產(chǎn)食品級(jí)CO2溫室氣體排放量，t。

1.2.1秸稈自然腐解溫室氣體排放量計(jì)算方法

本研究采用農(nóng)作物秸稈自然腐解的溫室氣體排放量作為秸稈基生物天然氣工程的原料基準(zhǔn)線排放量，式為：

BEstraw=(25EFCH4,straw+298EFN2O,straw)×
(1-Wstraw)×Fstraw

(2)

式中：EFCH4,straw為秸稈自然腐解CH4排放系數(shù)，t/t；EFN2O,straw為秸稈自然腐解N2O排放系數(shù)，t/t；Wstraw，秸稈含水率，%；Fstraw為工程秸稈消納量，t。

1.2.2生物天然氣替代排放量

生物天然氣替代排放量是指與秸稈基生物天然氣工程產(chǎn)生的天然氣同等熱值的化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體排放量，計(jì)算方法如下：

BEbiogas=Fbiogas×NCVb×EFn

(3)

式中：Fbiogas為工程生物天然氣產(chǎn)量，m3；NCVb為生物天然氣凈熱值，GJ/m3；EFn為標(biāo)準(zhǔn)煤排放因子，即每產(chǎn)生1 GJ熱量的溫室氣體CO2排放量，t/GJ。

1.2.3沼渣沼液替代排放量與固碳量計(jì)算

沼渣沼液替代排放量是指與生產(chǎn)沼渣沼液等量的氮、磷、鉀化肥需要消耗煤炭、天然氣、石油等化石能源的溫室氣體排放量，計(jì)算式如下：

(4)

式中：FN為生物有機(jī)肥中氮肥含量，t；EFN為氮肥生產(chǎn)的溫室氣體排放系數(shù)，即每生產(chǎn)1 t氮肥的溫室氣體CO2排放量；FP為生物有機(jī)肥中磷肥含量，t；EFP為磷肥生產(chǎn)溫室氣體排放系數(shù)，即每生產(chǎn)1 t磷肥的溫室氣體CO2排放量，t/t；FK為生物有機(jī)肥中鉀肥含量，t；EFK為鉀肥生產(chǎn)溫室氣體排放系數(shù)，即每生產(chǎn)1 t鉀肥的溫室氣體CO2排放量，t/t；Cstraw為秸稈含碳量,%。

1.2.4食品級(jí)CO2替代排放量

食品級(jí)CO2替代排放量是指生產(chǎn)同等質(zhì)量的食品級(jí)CO2消耗的化石能源所排放的溫室氣體排放量，計(jì)算式如下：

BECO2=FS×EFc+FS

(5)

式中：FS為食品級(jí)CO2的生產(chǎn)量，t；EFc為生產(chǎn)食品級(jí)CO2的溫室氣體排放系數(shù)，t/t。

1.3 項(xiàng)目運(yùn)行排放量計(jì)算方法

秸稈基生物天然氣工程生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放主要包括運(yùn)輸過程中(包括秸稈、生物天然氣等的運(yùn)輸過程)的排放，工程運(yùn)行過程中(包括原料預(yù)處理、沼氣發(fā)酵、沼氣提純、生物有機(jī)肥生產(chǎn)等過程)消耗化石燃料和電力的排放。計(jì)算式為：

PE=PEtrs+PEfossil+PEelectric

(6)

式中：PE為生物天然氣生產(chǎn)過程溫室氣體排放量，t；PEtrs為運(yùn)輸過程中的溫室氣體排放量，t；PEfossil為工程運(yùn)行過程中消耗化石燃料所排放的溫室氣體量，t；PEelectric為工程運(yùn)行中所耗電能的溫室氣體排放量，t。

1.3.1運(yùn)輸過程排放量計(jì)算方法

運(yùn)輸過程排放量指的是秸稈、生物天然氣等運(yùn)輸環(huán)節(jié)消耗燃料產(chǎn)生的溫室氣體排放量。借鑒CDM方法學(xué)“工具12”，運(yùn)輸過程中的溫室氣體排放量為運(yùn)輸活動(dòng)的燃料消耗、燃料凈熱值以及化石燃料的CO2排放因子三者的乘積[35]，計(jì)算式如下：

PEtrs=∑iFTtrs,i×NCVi×EFi

(7)

式中：FTtrs,i為第i種燃料運(yùn)輸活動(dòng)的燃料消耗，t；NCVi為第i種燃料的凈熱值，GJ/t；EFi為第i種燃料的CO2排放因子，即每產(chǎn)生1 GJ熱量的溫室氣體CO2排放量，t/GJ。

1.3.2工程運(yùn)行消耗化石燃料的溫室氣體排放量計(jì)算方法

工程運(yùn)行消耗化石燃料的溫室氣體排放量是指工程運(yùn)行過程中消耗的所有化石燃料溫室氣體排放總和，包括原料預(yù)處理、沼氣發(fā)酵、沼氣提純、生物有機(jī)肥生產(chǎn)等過程。借鑒CDM方法學(xué)“工具03”工程運(yùn)行消耗化石能源的溫室氣體排放量為該工程所使用化石能源的凈熱值以及其CO2排放因子與該工程所消耗的化石能源數(shù)量的乘積[36]，計(jì)算式如下：

PEfossil=∑mFFm×NCVm×EFm

(8)

式中：FFm為工程運(yùn)行消耗的第m種類型化石燃料的數(shù)量，t；NCVm為第m種類型化石燃料的凈熱值，GJ/t；EFm為第m種類型化石燃料的CO2排放因子，即每產(chǎn)生1 GJ熱量的溫室氣體CO2排放量，t/GJ。

1.3.3工程運(yùn)行消耗電能溫室氣體排放量計(jì)算方法

工程運(yùn)行消耗電能溫室氣體排放量是指該區(qū)域生產(chǎn)同等電能而產(chǎn)生的溫室氣體排放量。借鑒CDM方法學(xué)“工具07”電力消耗溫室氣體排放量為秸稈基生物天然氣工程所在區(qū)域電網(wǎng)的CO2排放因子與該工程消耗的電網(wǎng)電力乘積[37]，計(jì)算式如下：

PEelectric=FEe×EFe

(9)

式中：FEe為工程運(yùn)行消耗的總電量，MWh；EFe為該區(qū)域電網(wǎng)的CO2排放因子，即每產(chǎn)生1MWh電能的溫室氣體CO2排放量，t/MWh。

1.4 工程泄漏排放量計(jì)算方法

本研究將秸稈生物天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、供氣和利用過程中因物理泄漏引起的溫室氣體排放作為泄漏排放量，包括秸稈生物天然氣泄漏及食品級(jí)CO2的泄露。計(jì)算方法如下：

LE=FWw×WCH4×DCH4×GWPCH4+LECO2

(10)

式中：LE為工程泄漏排放量，t；FWw為生物天然氣泄露總量，m3；WCH4為泄露生物天然氣甲烷含量，%；DCH4為生物天然氣甲烷密度，t/m3；GWPCH4為甲烷的全球增溫潛勢，t/t；LECO2為秸稈基生物天然氣工程食品級(jí)CO2泄漏量，t。

1.5 秸稈基生物天然氣工程溫室氣體凈減排計(jì)算方法

秸稈基生物天然氣工程溫室氣體凈減排量等于基準(zhǔn)線排放量減去項(xiàng)目排放量及工程泄露排放量。計(jì)算式如下：

E=BE-PE-LE

(11)

式中：E為秸稈基生物天然氣工程溫室氣體凈減排量，t；BE為基準(zhǔn)線排放量，t；PE為生物天然氣生產(chǎn)過程溫室氣體排放量，t；LE為工程泄漏排放量，t。

2 對河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排量測算

以河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程為例，運(yùn)用本研究中構(gòu)建的秸稈基生物天然氣工程溫室氣體排放計(jì)量方法開展實(shí)證研究。

2.1 工程概況

臨漳縣秸稈基生物天然氣工程以玉米秸稈為原料生產(chǎn)生物天然氣、有機(jī)肥料、食品級(jí)CO2等產(chǎn)品。項(xiàng)目采用橫向塞流式干法發(fā)酵工藝，配套建設(shè)原料儲(chǔ)存庫、集裝箱式厭氧反應(yīng)器、沼氣凈化提純設(shè)備、有機(jī)肥加工車間等設(shè)施。每年可生產(chǎn)生物天然氣1.346×107m3(CH4含量85%，高位發(fā)熱量34 MJ/m3)、食品級(jí)CO22.1×104t，生物有機(jī)肥7×104t，年處理玉米秸稈(含水率65%)13×104t，冬季可滿足5 000戶居民炊事取暖耗能。

該工程流程分為原材料供應(yīng)單元、干法發(fā)酵單元、沼氣凈化提純和生物有機(jī)肥加工單元3個(gè)部分。首先對農(nóng)作物秸稈進(jìn)行收集集中后進(jìn)行預(yù)處理；經(jīng)過預(yù)處理之后的發(fā)酵原材料會(huì)通過橫向塞流式干法發(fā)酵方式完成發(fā)酵過程；最后根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的用途不同進(jìn)行收集儲(chǔ)存，其中發(fā)酵殘?jiān)桶l(fā)酵液會(huì)被用作生物有機(jī)肥參與到下一輪的物質(zhì)循環(huán)過程，發(fā)酵產(chǎn)生的氣體主要是由CH4和CO2組成，經(jīng)過變壓吸附后生產(chǎn)出食品級(jí)的CO2和生物天然氣。

①原材料供應(yīng)單元；②干法發(fā)酵單元；③沼氣凈化提純和生物有機(jī)肥加工單元。① Straw supply unit;② Dry fermentation unit;③ Biogas purification and bio organic fertilizer production unit.圖1 河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程流程圖Fig.1 Process flow chart of straw bio-natural gas project in Linzhang County,Hebei Province

2.2 數(shù)據(jù)獲取

計(jì)算過程中所需的參數(shù)和數(shù)據(jù)主要通過工程監(jiān)測、文獻(xiàn)查閱等方式獲取。工程監(jiān)測數(shù)據(jù)包括秸稈基生物天然氣工程生產(chǎn)的生物天然氣含量、熱值，生物有機(jī)肥氮磷鉀養(yǎng)分含量、秸稈含水率，工程運(yùn)行過程中化石能源消耗量、電力消耗量、工程運(yùn)行泄漏量以及農(nóng)作物秸稈消耗量等；文獻(xiàn)查閱獲取的數(shù)據(jù)主要有生物有機(jī)肥生產(chǎn)的排放系數(shù)、地區(qū)電網(wǎng)發(fā)電的排放因子、玉米秸稈自然腐解GHG排放系數(shù)等。獲取的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

2.3 對河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排測算的結(jié)果與分析

本研究中構(gòu)建的秸稈基天然氣工程溫室氣體減排量計(jì)算方法參照國家發(fā)改委發(fā)布的關(guān)于GHG自愿減排方法學(xué)，CDM方法學(xué)及IPCC的《國家溫室氣體清單編制指南》，結(jié)合當(dāng)下我國農(nóng)作物秸稈主要以堆放自然腐解為主，通過計(jì)算秸稈自然腐解排放量、天然氣和生物有機(jī)肥替代排放量以及CO2生產(chǎn)排放量確定臨漳縣秸稈基生物天然氣工程基準(zhǔn)線排放量，通過文獻(xiàn)查閱和實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算秸稈基天然氣工程的項(xiàng)目排放量，泄露排放量。通過計(jì)算基準(zhǔn)線排放量、項(xiàng)目排放量和泄露排放量確定臨漳縣秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排量。

表2 河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程GHG減排量計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of greenhouse gas emission reduction in straw bio-nature gas project in Linzhang County,Hebei Province

2.3.1基準(zhǔn)線排放量

據(jù)式(1)計(jì)算可知，臨漳縣秸稈基生物天然氣工程2019年基準(zhǔn)線排放量(以CO2計(jì))為125 325.58 t。其中秸稈自然腐解基準(zhǔn)線排放量2 083.65 t，占基準(zhǔn)線排放的1.66%；生物天然氣替代排放量25 673.60 t，占基準(zhǔn)線排放的20.49%；生物有機(jī)肥替代和食品級(jí)CO2替代排放量(CO2)分別為71 738.33 和25 830 t，分別占基準(zhǔn)線排放的57.24%和20.61%。

2.3.2項(xiàng)目排放量

臨漳縣秸稈基生物天然氣工程項(xiàng)目排放主要包括2個(gè)方面：一方面是項(xiàng)目運(yùn)行運(yùn)輸過程化石燃料排放；另一方面是項(xiàng)目運(yùn)行消耗電能排放。根據(jù)式(7)和(9)計(jì)算可知，2019年，該工程因運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放量(以CO2計(jì))527.46 t，工程運(yùn)行中因耗電產(chǎn)生的溫室氣體排放量為11 537.14 t。根據(jù)式(6)計(jì)算可知，該工程運(yùn)行過程溫室氣體排放量為12 064.60 t。其中，因用電產(chǎn)生的溫室氣體排放占工程運(yùn)行總排放量的95.68%，是工程運(yùn)行過程中主要的溫室氣體排放源。

2.3.3泄露排放量

工程泄露主要發(fā)生在提純設(shè)備油氣分離后，排污時(shí)可能帶走部分生物天然氣。在生產(chǎn)食品級(jí)CO2及生物天然氣的其他環(huán)節(jié)，也會(huì)有微量泄露，在本研究中忽略不計(jì)。工程監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2019年臨漳縣秸稈基生物天然氣工程生物天然氣泄漏量673 m3(CH4含量為85%)。根據(jù)式(10)計(jì)算可知，該工程泄露排放量(CO2)10.24 t，占項(xiàng)目排放量的0.08%。

2.3.4溫室氣體減排量

綜上可知，2019年臨漳縣秸稈基生物天然氣工程基準(zhǔn)線排放量(CO2)125 325.58 t，約相當(dāng)46 416.88 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量；項(xiàng)目排放量12 064.60 t，約相當(dāng)于4 468.37 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量；泄露排放量10.24 t，約相當(dāng)于3.79 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量。臨漳縣秸稈基生物天然氣工程溫室氣體排放量見表3，其中CH4的CO2轉(zhuǎn)化當(dāng)量為25，N2O的CO2轉(zhuǎn)化當(dāng)量為298[32]。

根據(jù)式(11)計(jì)算，2019年臨漳縣秸稈基生物天然氣工程凈減排量113 250.74 t，約相當(dāng)于41 944.72 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量，溫室氣體減排優(yōu)勢明顯。該工程年消耗秸稈13萬t，年產(chǎn)生物天然氣1 346萬m3。據(jù)此計(jì)算，該工程每消耗1 t秸稈(含水率65%)，將會(huì)減少871.16 kg的CO2排放，每生產(chǎn)利用1 m3的生物天然氣，將會(huì)減少8.41 kg CO2排放。

表3 臨漳縣秸稈基生物天然氣工程溫室氣體排放量Table 3 Greenhouse gas emissions in Linzhang straw bio-nature gas project t

3 討 論

3.1 生物天然氣工程項(xiàng)目排放

本研究構(gòu)建的秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排估算方法是結(jié)合我國對于農(nóng)作物秸稈利用的現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地選擇了農(nóng)作物秸稈自然腐解溫室氣體排放量作為基準(zhǔn)線，并采用CDM方法學(xué)計(jì)算排放量的步驟和排放因子法構(gòu)建的。隨著我國對于秸稈禁燒力度的加大，農(nóng)作物秸稈在未能完成充分利用時(shí)，最大可能將會(huì)被堆積廢棄，采用秸稈自然腐解基準(zhǔn)線更符合我國國情，能夠更精確的核算秸稈基生物天然氣工程的溫室氣體減排量。

本研究選取的秸稈基生物天然氣工程95%以上的項(xiàng)目排放來自電力消耗，這與Liu等以我國內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁旗的玉米秸稈基生物天然氣工程為例研究結(jié)果類似，該研究運(yùn)用LCA法對該工程全生命周期的溫室氣體排放情況進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示項(xiàng)目電力消耗在全生命周期排放中起主導(dǎo)作用[29]。在河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程中電力消耗主要集中在沼氣發(fā)酵和沼氣提純階段，在不考慮農(nóng)作物秸稈自然腐解溫室氣體基準(zhǔn)線排放的情況下，秸稈基生物天然氣工程每生產(chǎn)1 m3的生物天然氣(CH4含量≥85%)CO2排放量為0.90 kg。在項(xiàng)目排放各環(huán)節(jié)中，沼氣提純過程對環(huán)境排放影響最大，CO2排放量約占項(xiàng)目排放量的53.4%；其次為沼氣發(fā)酵階段，CO2排放量約占項(xiàng)目排放量的34.4%；沼渣沼液有機(jī)肥生產(chǎn)階段和工程運(yùn)輸階段(包括秸稈運(yùn)輸與生物天然氣運(yùn)輸)CO2排放量約占項(xiàng)目排放量的7.9%和4.4%。吳媛媛等[28]研究河北省、年產(chǎn)生物天然氣3.95×106m3(CH4含量≥95%)的玉米秸稈沼氣生物天然氣工程發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目運(yùn)行階段，每生產(chǎn)1 m3生物天然氣，CO2排放量約0.82 kg，該數(shù)值略低于本研究估算結(jié)果(0.90 kg/m3)。吳媛媛等[28]研究案例在生產(chǎn)天然氣過程中CO2排放量略低于本研究估算結(jié)果的原因可能是由于本研究中運(yùn)輸階段耗油量較高，且考慮了沼渣沼液生產(chǎn)有機(jī)肥多次運(yùn)輸所致。與本研究結(jié)果相似，吳媛媛等[28]的研究發(fā)現(xiàn)在項(xiàng)目排放各環(huán)節(jié)中，對環(huán)境排放影響最大的單元也是沼氣提純過程，但其沼氣提純過程的CO2排放量約占項(xiàng)目排放量的72.7%，高于本研究估算的比例(53.4%)。這可能與甲烷提取純度高低等因素有關(guān)；該研究中沼氣發(fā)酵階段CO2排放量約占整個(gè)項(xiàng)目排放量的19.4%，低于本研究估算的項(xiàng)目排放比例(34.4%)，可能與其選取的沼氣發(fā)酵工藝有關(guān)；此外，該研究的生物天然氣工程采用了傳統(tǒng)的全混濕法發(fā)酵工藝，而本研究案例中采用的則為橫向塞流式干法發(fā)酵工藝。與本研究和上述研究結(jié)果不一致的是，許海朋等[42]研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的濕法發(fā)酵工藝與干法發(fā)酵工藝相比，具有用水多、能耗高的缺點(diǎn)[42]。究其原因分析如下：吳媛媛等[28]和許海朋等[42]分別研究的案例中的生物天然氣工程均位于北方地區(qū)(河北省)，在冬季低溫情況下，濕法發(fā)酵工藝前期加溫用能可能較高，由于含水量較高，傳熱可能會(huì)更均勻；當(dāng)發(fā)酵罐加溫到一定溫度后，濕法發(fā)酵與干法發(fā)酵相比，更容易保持溫度，后期加溫用能反而有降低的可能性。

3.2 生物天然氣工程溫室氣體減排

本研究估算出河北省臨漳縣秸稈基生物天然氣工程的凈減排量達(dá)到113 250.74 t CO2，相當(dāng)于近41 944.72 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量，具有很好的溫室氣體減排潛力。該工程每生產(chǎn)利用1 m3生物天然氣(CH4含量≥85%)，將減少8.41 kg CO2排放；每消耗1 t干秸稈，將減少2.49 t的CO2排放。該值遠(yuǎn)高于吳媛媛等[28]的研究結(jié)果(每消耗1 t干秸稈，減少約397.83 kg的CO2排放)。造成這種差異的主要原因是本研究利用排放因子法計(jì)算本案例中的基準(zhǔn)線排放量及利用CDM方法學(xué)中的計(jì)算減排量的步驟對臨漳縣的天然氣工程進(jìn)行減排計(jì)算，而吳媛媛等[28]的研究結(jié)果是基于生命周期評價(jià)方法計(jì)算對應(yīng)案例的減排量。不同的碳核算方法得到的減排量會(huì)有偏差，排放因子法具有成熟的核算式和活動(dòng)數(shù)據(jù)、排放因子數(shù)據(jù)庫等優(yōu)勢，計(jì)算出的基準(zhǔn)線更具有代表性。

綜上，本研究在分析生物天然氣工程項(xiàng)目運(yùn)行階段溫室氣體排放環(huán)節(jié)，重點(diǎn)考慮了運(yùn)輸階段、工程運(yùn)行階段的化石能源消耗，并據(jù)此從整體上對項(xiàng)目運(yùn)行階段溫室氣體排放進(jìn)行了估算。然而，并未按照原料預(yù)處理、厭氧發(fā)酵、沼氣提純等不同環(huán)節(jié)進(jìn)行逐項(xiàng)核算。在后續(xù)研究中應(yīng)再進(jìn)行細(xì)化研究；玉米秸稈自然腐解溫室氣體排放因子測定試驗(yàn)中，僅考慮了陸地堆放的情景，暫未考慮水體淹育情景；另外，在選取參數(shù)方面，本研究部分采用了IPCC的默認(rèn)值，為使秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排量計(jì)算更為準(zhǔn)確，今后還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)參數(shù)研究。最后，可考慮開展不同地區(qū)、不同農(nóng)作物秸稈、不同工藝模式的秸稈基生物天然氣工程減排量定量估算，加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈基生物天然氣工程生態(tài)補(bǔ)償、綜合效益評估等方面的研究。

4 結(jié) 論

本研究主要結(jié)論如下：

1)本研究參考UNFCCC方法學(xué)和IPCC國家溫室氣體清單指南，以試驗(yàn)監(jiān)測為基礎(chǔ)，基于農(nóng)作物秸稈自然腐解基準(zhǔn)線，建立了秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排計(jì)量方法。該方法包括項(xiàng)目邊界、基準(zhǔn)線排放、項(xiàng)目排放、泄露排放等指標(biāo)?；鶞?zhǔn)線包括秸稈基生物天然氣工程不存在時(shí)的秸稈自然腐解排放基準(zhǔn)線，生物天然氣和食品級(jí)CO2替代排放基準(zhǔn)線，生物有機(jī)肥固碳和化肥替代排放基準(zhǔn)線；項(xiàng)目排放包括運(yùn)輸過程化石燃料排放、項(xiàng)目運(yùn)行過程電力消耗排放等；泄漏量包括秸稈生物天然氣泄漏及食品級(jí)CO2的泄露。

2)以河北省邯鄲市臨漳縣秸稈基生物天然氣工程作為例，運(yùn)用本研究構(gòu)建的秸稈基生物天然氣工程溫室氣體減排計(jì)量方法進(jìn)行估算，該工程溫室氣體年減排量(以CO2計(jì))達(dá)到113 250.74 t，約相當(dāng)于41 944.72 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量。這表明實(shí)施規(guī)模化秸稈基生物天然氣工程具有明顯的減排效果。在基準(zhǔn)線排放、項(xiàng)目排放和泄露排放中，基準(zhǔn)線排放量最高，達(dá)到125 325.58 t；項(xiàng)目排放量次之，年排放量12 064.60 t。項(xiàng)目排放以電力耗能排放為主，占項(xiàng)目排放總量的95%以上；泄露排放量最少，相當(dāng)于項(xiàng)目排放量的0.08%。