秸秆生物炭的固碳减排潜力及其环境影响

刘 阳,靳晨生,张海亚,张新波*,张玉盼(.天津城建大学环境与市政工程学院,基础设施防护和环境绿色生物科技国际联合研究中心,天津 300384；.中国环境科学研究院水生态环境研究所,北京 5080)

自工业革命以来,人类活动对化石燃料依赖程度日益增加,而化石燃料的大规模使用,导致以CO2为代表的温室气体(GHG)排放量急剧增加[1],造成了一系列的环境问题,最为显著的表现是全球性大气温度的上升[2].全球性气候变暖,引发了诸如干旱、洪灾、海平面上升等极端的自然灾害,引起了政府、工业界、学术界的广泛关注.2015年《巴黎协定》[3]提出要将全球平均升温控制在较工业化前水平2℃以内,并为升温温度控制在1.5℃以内而努力.世界各国为此制定了多类型的碳减排政策,并构建相应的碳减排体系.目前,碳减排体系建设主要集中在低碳终端用能优化[4]和零碳电力结构调整[5]等方面.值得注意的是,除了大幅度减少碳排放量,负排放技术同样不可或缺[6-8],这也是双碳目标实现的关键之一,生物炭固碳封存作为一种利用土壤碳汇实现负排放的技术[9-10],由于其不以能源为导向,以碳的使用为技术主路线,在生物炭制备-利用过程中呈现出了典型的负碳排放特征[11],在固废资源化与碳减排方面具有重要的学术研究价值与实际应用前景.

限氧热解得到的秸秆生物炭作为一种富碳材料[12],由于其在无氧状态下进行生物质原料的低温(小于700℃)热解,减少了能量向热量的转化,避免了碳逃逸[13],实现了一定量的碳固定.同时在秸秆生物炭制备的过程中,产生的副产物(生物油和热解气)可作为高品质的能源,减少整体工艺中的能耗.结合农业应用,将生物炭施用于土壤后,秸秆生物炭的较大比表面积和石墨烯结构等可以有效改善土壤的通透性和水分的保持能力[12].并且,氮肥与生物炭配施可以提高作物对氮素需求与土壤氮素有效性的时间同步性,既可以调节氮素的利用,也减少氮素的流失率,进而缓解N2O 的释放,减少对环境的负面影响[14].另外,秸秆生物炭在无氧低温热解后,本身含有较高的无机碳(SIC)[15-16],无机碳量的增加可以改变土壤中碳组分,也就是生物炭的加入可以降低有机碳(SOC)的矿化率[17],减弱土壤与大气环境的交互作用.总体上,秸秆生物炭除自身固碳外,还可以发挥土壤碳库储存碳的能力[18-19],减少土壤向大气中N2O 的排放量.

有研究表明,以田间秸秆作为生物炭制备的原料来代替露天焚烧的处置方式具有更高的碳减排效益[20],生物炭独特的负碳排放效应已被关注.但是,秸秆生物炭在生产、利用和废弃等生命周期过程中所消耗的能源也会对碳减排产生不利影响;并且,生物炭长期的施用土壤,可能会对施加的环境造成未知危害.因此,需要识别和量化整个生命周期的碳排放和对环境的危害潜势.本研究基于生命周期评价(LCA)的基本方法,分析了生物炭制备、应用及废弃的全生命周期过程,通过收集公开发表的资料确定清单数据库,建立了从原材料生产制备到废弃阶段CO2排放的模型;通过评价系统中100年尺度下的全球变暖潜势(GWP100)对生物炭系统各个过程的碳释放和碳封存进行具体描述;借助GaBi 软件量化了其非生物耗竭潜势(ADP)、酸化潜势(AP)、富营养化潜势(EP)、人体毒性潜势(HTP)、光化学氧化潜势(POCP)和臭氧层耗竭潜势(ODP)等多种环境影响类别,对生物炭的环境效应进行了探讨与分析.本研究旨在探明生物炭在固碳封存过程中的固碳潜力和在实施过程中所产生的环境影响,为生物炭在固碳减排与资源化利用上提供一定的科学依据与参考.

1 研究方法与数据

1.1 秸秆生物炭的制备

本研究以田间废弃的小麦秸秆制备生物炭,在实验室中通过慢速热解法制备生物炭,准确获得生物炭的产率、含碳率等指标,以进行体系的评估.具体来讲,从田间收集的小麦秸秆(来自天津市东丽区),首先用去离子水清洗掉角壳和杂质,经过烘干、粉碎后,测定小麦秸秆的含水率为3.07%.在管式炉中以5 ℃/min的升温速度升温至500℃,进行限氧慢速热解,最终得到生物质残体的秸秆生物炭,生物炭产率为35.76%.取上述生物炭在750℃灼烧恒重后,获得生物炭的灰分为47.00%;然后,继续在950℃灼烧恒重后,获得生物炭的挥发份为18.00%;根据灰分、挥发份和含碳率关系[21],计算得到生物炭固碳率为35.00%.

1.2 生命周期的系统与目标范围

本研究目标是评估慢速热解的秸秆生物炭在生产制备和田间施用过程中的环境行为潜势及相关的碳效益.系统边界图如1所示,界定范围从原料田间秸秆的收集开始到生物炭施用于田间结束,其中包括秸秆的收集与转运、热解场所的建造与运维、生物质残体的热解、生物炭的转运和生物炭田间施用等过程,据此核算固碳潜力和环境危害潜势.

在边界范围内,生物炭在收集、转运的过程中,评估应考虑运输设施的能源消耗,其主要为化石能源的输入和燃烧化石能源后的温室气体输出.生物炭在制备过程中,评估应考虑原料干燥、热解过程的电能消耗以及冷凝设施的水资源消耗;另外,将热解厂的建造及热解系统运维所产生的环境影响放到此生命周期阶段.生物炭在田间施用过程中,其被用作农田的土壤改良剂,评估中应考虑作物产量的增加量、肥料施用的减少量、土壤N2O 排放及有机碳含量的减少值等多种环境效益.在抵消能源消耗中,将热解产生的生物油和生物气用于抵消燃煤发电,输入到整个生物炭应用阶段.因此,系统输入主要有燃煤电力、柴油、建筑材料、自来水等;系统输出主要有生物炭、可再生能源电力及温室气体等.本研究生命周期建模是在 GaBi 软件(http://www.gabisoftware.com/china/index/)中实现,建立秸秆收集、秸秆转运、生物炭制备、生物炭田间施用和抵消燃煤发电6 个数据流程模块,将各个输入、输出的数据进行界定(图1),并将数据进程链接到数据模块上,基础数据采用DATABASE2020.

图1 系统边界图Fig.1 System boundary diagram

1.3 研究数据来源

在系统边界内的所有物质和能量数据均基于一个功能单位(1t 秸秆生物炭)进行收集,收集数据的时间单位为1年.清单数据主要来自国内外文献,一般选取典型值或平均值,常见的能源消耗值,根据燃料的热值和利用率进行合理推算.

1.4 生命周期清单

根据上述系统边界,对秸秆生物质原料收集、转运和生物炭制备、运输以及应用过程中的生命周期清单数据进行收集、分析和选取,如表1所示,各个环节的数据分析与处理如下.

表1 基于1 功能单位生物炭的生命周期清单Table 1 Life cycle inventory based on 1t of biochar

1.4.1 生物质收集 在进行生物质残体制备生物炭材料时,首先需要在田间进行农作物残体的收集.在小麦秸秆收储运的计算分析中,有研究报道在田间收集并打捆1t 秸秆的能耗约为351～588MJ[22],由于秸秆是我国典型的农业生物质残体,本研究中田间收集秸秆的能耗取用平均值469.5MJ,也就是1t秸秆田间运输消耗9.70kW·h[23].根据秸秆原料与生物炭的转化产率,1 功能单位的生物炭在生物质收集阶段的能耗为392.34kW·h.

1.4.2 生物质转运 运输过程的主要物质投入为运输车辆消耗的柴油.根据农业部门的相关资料表明,农用卡车运输油耗率为0.06L/(t·km)[24],设置热解场所距田间20km,计算得到秸秆到热解厂的油耗为1.2L/t.根据柴油的平均密度和功能单位,转运秸秆的总油耗为0.96kg/t.同时,在进行秸秆运输的过程会不可避免地造成收集所得原料质量的损失,本研究中将秸秆的质量损失率设定为1.00%.

1.4.3 慢速热解 生物炭的制备是对秸秆进行慢速热解,此过程需考虑热解厂的建设和热解设备的安装等,如果长期运行还要考虑热解系统运维所需的物质和能源的投入.本研究以处理规模为生物炭1000t/a 的热解工厂的建设和运维进行评估分析,运行时间为20年,占地面积10000m2.依据 Yang 等[25]对中国生物质热解工厂建设和运维的评估分析数据,在本生命周期清单中,基于建设和运维1000t/a 生物炭的规模下,生产1t 秸秆生物炭需要23.62kg 的砖,0.0072m3混凝土及1.07kg 的钢.在热解和冷凝过程中,每年 1t 田间秸秆生物质原料还需投入205.47kW·h 的电能和272040kg 的自来水[26].

生物质经5℃ /min慢速升温到500℃,限氧热解后会产生生物炭、生物油及生物热解气3 种产物.通过本研究生物炭制备实验,得到3 种生物质产品的平均产率分别为生物炭35.76%,生物油29.17%,生物热解气35.07%.

1.4.4 生物炭转运 生物炭运输过程类似于秸秆的转运过程,主要物质投入为运输车辆消耗的柴油.装卸与运输过程也会不可避免地造成收集所得原料质量的损失,将此过程质量损失率设定为 1.00%.

1.4.5 抵消燃煤发电 秸秆在制备生物炭的过程中,生物裂解油和生物热解气作为其副产物可用于电力生产,抵消运输和热解过程中部分能源消耗.依据Baloch 等[27]、Laird 等[28]的生物油和热解气的相关研究结果,本研究选用两者的热值分别为17.5 和6MJ/kg.在目前文献报道中,生物油和热解气的发电效率为26%～35%[29],因此本研究将生物油和热解气的电力转化率设定为30%.

1.4.6 生物炭田间施用 秸秆生物炭作为炭基肥料进行田间施用,可以减少氮磷肥料的施用量、增加肥料的利用率[30].针对肥料施用减少率的核算,依据文献报道,本研究对肥料的施用量选取相对保守值,即生物炭的施用可使氮磷化肥的使用减少20.00%[31].并且,在田间施加生物炭后,实验室和现场试验的研究结果均表明,生物炭可促使土壤N2O的排放量降低约54.00%[14].Bonilla 等[32]研究了降雨梯度对作物N2O 排放率影响,在生长季的秸秆类农田中,N2O 平均排放率为0.71～0.82kg/(hm2·a).本研究考虑到北方地区的秸秆类农田,生长季的降雨量较少,选取N2O 排放率为0.71kg/(hm2·a).根据对我国秸秆资源利用的研究,同时考虑我国北方的农业现状,施加生物炭的增产量取0.73t/hm2,1t 生物炭可增加还田面积大约为250hm2[33].针对土壤SOC 矿化率减少的研究,Zhang 等[34]报道了在15～35℃的环境,施用生物炭与氮相互作用,能够减少土壤SOC 矿化率10.20%～22.00%和6.85%～30.4%.本研究中选取相对保守值,即生物炭能够减少15.00%的SOC矿化率.依据杨秋爽等[26]对我国华北地区农田中SOC 的平均储量统计,本研究中设定土壤中的SOC 初始值为42t/hm2(在0～30cm 的土壤表层).在进行评估核算时,采用生物炭的施用比例为50t/hm2[35],实验土壤面积设定为1000hm2.

1.5 固碳减排潜力评估

秸秆生物炭系统的固碳潜力计算依据上述生命周期清单提供的相关设定值,通过评价系统100年尺度下的全球变暖潜势(GWP100)对生物炭系统各个过程的碳释放和碳封存进行具体描述.生物质收集、生物质转运、慢速热解、生物炭转运等生命过程只需考虑相关原材料和能源的输入,而在抵消燃煤发电和田间施用这两个生命阶段,还需要考虑相关碳产品产生的固碳效益.具体来讲,在抵消燃煤发电环节,需要对生物油和热解气的电力转化量进行碳减排量核算;在田间施用环节,需要对生物炭在促进农作物增产的可固碳量和对N2O 的释放抑制等方面进行碳减排量核算.因此,本研究从生物炭自身的土壤封存量、作物的固碳量、N2O 抑制排放量进行了固碳潜力评估,如公式1～5所示.

式中:Eo/g是生物油/热解气转化的电力,kW·h;Mo/g是为生物油/热解气质量,kg;CVo/g是为生物油/热解气热值,MJ/kg;CEo/g是为生物油/热解气电力转化效率,%.

式中:Ccs是土壤碳封存,kgCO2e;Mb是生物炭质量,kg;Cb是生物炭碳含量,%;Csc是生物炭稳定碳含量,%;3.67 是C-CO2转化系数.

式中:Cci是作物产量增加带来的碳封存,kgCO2e;rb是生物炭施用比例,t·hm2;yc是农作物增产量,t/hm2;Cc是作物中碳含量,%;Sc是生物炭还田面积.

式中:AJ是减少N2O 排放量,kg;Sc是作物种植面积,hm2;PN是N2O 平均排放量,kg;Rj是N2O 排放量降低率,%.

式中:RSOC是减少SOC 矿化带来的碳封存,kgCO2e;R是土壤SOC 平均储量,t/hm2;rSOC是SOC 矿化减少率,%.

1.6 环境影响潜势评估

秸秆生物炭系统的环境危害潜势估算同样依据上述生命周期清单提供的相关设定值,对生物炭系统各个生命阶段的环境危害程度进行具体描述.生物质收集、生物质转运、慢速热解、生物炭转运、抵消燃煤发电等生命过程的环境影响按照GaBi 软件设定的流程进行,即主要考虑相关原材料使用和能源消耗对环境造成的压力,本研究选取ADP、EP、HTP、ODP、AP 和POCP 这6 种主要环境影响指标来进行评估.此外,在田间施用环节,需要考虑生物炭与化肥共同施用所减少的化肥量所产生的环境影响,如公式6所示.

式中:AN是减少的氮肥质量,kg;Af,N是田地氮肥施用量,kg;Sc是作物种植面积,hm2;RN是氮肥施用减少率,%.

1.7 系统敏感性分析

为了识别生物炭系统中的关键参数,更好地指导生物炭的应用实践,对 LCA 结果进行了敏感性分析(表2).在各个评价指标中,选取GWP100,ADP和HTP 三个重要指标分别代表系统在固碳潜力和环境危害的影响.根据系统每个参数变化的灵敏度系数来确定系统中的关键参数,各个参数值浮动值设定为±20%,当对某一参数进行敏感性分析时,仅在LCA 模型中更改该参数的值,而其他参数保持不变,如公式7所示.另外,本研究中生物炭产率和碳含率是通过实验获得的固定值,因此没有进行敏感性分析.

表2 敏感性过程参数Table 2 Sensitivity process parameters

式中:SCEI是参数对环境影响值(GWP100/ADP/HTP)的灵敏度系数,%;EI-20%是参数值减少20%时获得的环境影响值(GWP100/ADP/HTP)kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe;EI+20%是参数值增加20%时获得的环境影响值(GWP100/ADP/HTP),kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe;EIbase是参数为基准值时获得的环境影响值(GWP100/ADP/HTP),kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe.

2 结果与讨论

2.1 固碳减排潜力分析

本研究生物炭系统的固碳减排潜力通过评价系统中的GWP100 系数来评估,固碳潜力评估针对于1 功能单位的生物炭进行评估,LCA 模型计算结果如表3所示.当前能源结构仍以化石燃料为主[36],因此需要将化石燃料的输入换算为CO2的输出.

表3 生物炭生命周期固碳潜力分析指数Table 3 Biochar life cycle carbon sequestration potential analysis index

在进行固碳减排潜力测算时,由于生物质收集、转运过程和生物炭转运过程均是依靠农业机械进行转运或运输,消耗了柴油、汽油等燃料,因此将这三个生命周期阶段一起进行固碳效益统计分析.根据LCA 模型计算结果可知,秸秆残体在田间进行收储所消耗的能源产生了141.97kgCO2e的碳排放量,秸秆残体和生物炭的转运过程产生了 25.59 和9.14kgCO2e的碳排放量.

在慢速热解制备生物炭过程中,热解厂建设、热解和冷凝等过程的能源和资源消耗,共计产生了128.75kgCO2e的碳排放量.对于慢速热解产生的生物油和热解气,可抵消燃煤发电所需的化石燃料,如前文所述,本研究将生物油和生物热解气的电力转化率设定为30%,大约获得了1682.08kW⋅h 发电量.因此,慢速热解制备生物炭阶段共实现了97.78kgCO2e的碳固定.随着生物油和热解气高效利用研究的深入,更高品质的燃料在不断被开发,电力转化效率将会进一步得到提高[37-38],其固碳效益也将会更加显著.

在生物炭田间施用播撒过程中,将生物炭与其他土壤添加剂掺入土壤里,除了自身的固碳作用外,还可以有效改善土壤的性质,在促进农作物增产、减少化肥施用、抑制N2O 释放等方面具有间接的固碳效益[39].根据LCA 模型的计算结果可知,土壤固定的碳封存量为655.10kg CO2e,农作物产量增加可实现固碳量为4420.52kgCO2e,减少SOC 带来的碳封存量为462.42kgCO2e,共计实现固碳量为5.53×103kgCO2e;N2O减排量为0.383kg,根据N2O-CO2的转换关系[40],间接实现了114.25kgCO2e的碳减排.在此生命周期过程,减去施用生物炭的能源消耗(49.51kW·h)造成的碳排放量,田间施用生命周期过程实现了5.58×103kgCO2e的碳固定.

基于上述分析可知,生物炭系统的全生命周期阶段,可以实现5.50×103kgCO2e的碳减排量.其中,对碳减排量贡献最大生命周期阶段是田间施用过程(5.58×103kgCO2e固定量)和抵消燃煤发电过程(226.53kgCO2e固定量).而生物炭制备的慢速热解是最大的碳排放过程(128.75kgCO2e排放量)和生物质收集过程(141.97kgCO2e碳排放量),碳排放量主要来自热解工厂的建设和运维.由于生物炭系统减少了碳排放量,全球气候变化也出现了缓解的现象.

2.2 生物炭系统的环境行为与过程分析

生物炭系统的环境影响评估是通过生物炭对环境的危害潜势来体现.由表4 可知,秸秆残体生物炭系统能够较好地缓解ADP 和EP,分别减少了5.15×10-5kgSbe和5.35×10-3kgPO43-e.分析认为,具有较大比表面积和多种微量元素的生物炭与化肥共同施用于田间后,改善了土壤性质,可以有效减少氮肥的施用量[41].经清单分析,1 功能单位生物炭可减少1092.4kg 的氮肥施用量,显著降低了非生物资源的耗费.并且,土壤中化肥施用量的减少,相当于降低了土壤养分流失导致水体富营养化的环境风险.

表4 生命周期各个环节的污染指标Table 4 Pollution indicators for each life cycle segment

值得注意的是,在增加人体毒性潜势环境指标上,根据LCA 计算结果,生物炭系统增加了2.01kg DCBe,田间施用过程对此类环境指标影响贡献最大.分析认为,在生物炭田间施用后,生物炭随着地表径流、灌溉和降雨等作用进入土壤、水环境中.生物炭热解过程中产生的持久性自由基(PFRs)会刺激细胞产生活性氧(ROS)[42],ROS 在细胞内的过度积累,影响细胞的代谢甚至造成细胞的凋零死亡[43].此外,生物炭作为一种粒径较小的材料,其生态足迹难以预测[44],一旦进入生物体内,易于细胞表面聚集粘附或调节细胞内的氧化应激[45],产生生物毒性.与此同时,在生物炭运输和制备过程中消耗的能源,所产生的温室气体对环境的侵害也对该类指标增加起到了一定作用.生物炭系统对ODP(8.28×10-14kg R11e)、AP(0.0576kgSO2e)和POCP(7.38kgC2H4e)也产生了负面环境效益,主要由于生物炭在制备过程中的能源消耗(燃煤发电)所导致,尽管负面影响有限,但在生物炭制备方式上应给予一定关注.

2.3 敏感性分析

本研究中生物炭产率和碳含量是通过实验获得的固定值,因此没有进行敏感性分析.通过对生命周期阶段中其他主要参数进行敏感性分析计算后,发现对GWP100 敏感性最大的过程参数是生物油、热解气的电力转换效率,转化率从24%增加36%时,GWP100SCEI敏感性系数达到了42.8%,其次是热解过程的能源投入,GWP100SCEI敏感性系数达到了42.6%,田间生物炭的施用比例也对系统固碳潜力产生了一定影响(GWP100SCEI=0.4%),而生物质收集、转运和生物炭转运过程,由于耗能在系统中占比较小,主要参数调整不会影响GWP100 的变化.对ADP和HTP 敏感性最高的过程参数是热解过程的能源投入,当系数从-20%到+20%变化时,其分别增长了53.6%和22.7%.

本研究仅是针对秸秆生物炭制备和以土壤施用为应用场景进行的碳减排和环境影响的量化研究与探讨,不同生物质原料制备的生物炭和应用场景所具有的固碳潜力和环境效应也会有所不同.随着污泥、餐厨垃圾等多类型生物炭研究的深入开展,以及其作为吸附剂、催化剂、建筑材料等应用场景的拓展,未来的研究中需要建立更加完善的LCA 评估模型.并且,大数据和人工智能的发展将会进一步提高固碳潜力和环境影响量化与评估的准确性和适用性.

3 结论

3.1 生物炭以自身实现生物性碳封存的独特固碳方式,展现出了较大的固碳潜力和应用前景.根据LCA 测算和分析,每年1 功能单位的秸秆生物炭系统可以实5.50×103kgCO2e的碳减排.在整个生命周期中,抵消燃煤发电过程和生物炭田间施用过程是最主要的固碳环节,慢速热解制备生物炭是系统中最大的排碳环节,其次为生物质的收集及运输过程,生物炭的田间施用碳排放量较小.

3.2 在环境影响的危害潜势方面,秸秆生物炭系统能够较好地缓解了ADP 和EP,对ODP、AP、POCP和HTP 产生了较小的负面影响.基于此,在生物炭的资源化与碳减排的研究,生物炭的生态足迹应给予关注,这将有利于明确生物炭所造成的多类型环境影响潜势.