文献阅读 | 生物质热解对中国2050年碳减排和可再生能源目标的潜在贡献

题目

Prospective contributions of biomass pyrolysis to China’s 2050 carbon reduction and renewable energy goals

作者

Qing Yang, Hewen Zhou, Pietro Bartocci, Francesco Fantozzi, Ondřej Mašek, Foster A. Agblevor, Zhiyu Wei, Haiping Yang, Hanping Chen, Xi Lu, Guoqian Chen, Chuguang Zheng, Chris P. Nielsen & Michael B. McElroy

期刊

Nature Communications

时间

2021年3月

一作

单位

State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, PR China.

链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21868-z

研究背景

为了实现《巴黎协定》中商定的将全球温度上升限制在2℃或可能1.5℃的目标，成本效益高的负排放技术（NETs）的广泛应用被认为是至关重要的。可选用的技术主要包括两个依靠光合作用的NETs。(1) 生物能源与碳捕获和储存（BECCS）和(2) 生物碳的生产和封存。对于长期的全球温度目标，BECCS是IPCC第五次评估报告中制定的情景中考虑的唯一重要的负排放技术。然而，这种技术发展缓慢，需要多年才能成熟。而如果我们要减少超额完成国际碳目标的风险，避免过高的减缓成本，并尽量减少与气候有关的负面影响，基本上需要立即开始部署负排放技术网络。本研究提出了一种随时可以实施的生物炭技术，该技术以生物质热解为基础，将生物炭封存在土壤中，并将相关的生物燃料作为能源和化学原料使用，提供了一种近期的技术选择，可以在BECCS的广泛部署变得更加可行之前应用。它具有较高的温室气体减排强度（见表1）、经济效益（包括避免昂贵的CCS设施）、环境效益（对空气质量和土壤质量）以及可广泛推广的操作规模。

表1. 比较热解系统的温室气体减排量（包括化石燃料的抵消）

生物质热解是一种成熟的热化学技术，将生物质转化为三种主要产品流：生物炭、热解气体和生物油。生物炭通常与肥料混合，然后返回到土壤中，它既是碳储存的媒介，也是对土壤的有益修正；热解气体和生物油是燃料：热解气体可用于发电，并作为家庭供暖和烹饪及其他应用的能源，而生物油也可作为燃料，但作为化学工业中煤焦油原料的替代品。目前有三种主要的生物质热解类型：快速、中速和慢速，本文重点介绍中国和最先进的生物质中速热解多联产（BIPP）系统。

分析表明，通过控制BIPP系统的变量，特别是热解温度和生产能力，可以从生物燃料的生产中获得积极的经济回报，同时由于富含碳的生物炭被应用于土壤中，可以获得显著的气候减缓效益。

研究方法

本研究开发了一个动态的混合评估模型（Aspen Plus与混合生命周期评估相结合），其中包括大量的实验数据（例如，由不同作物残渣生产的生物炭的O：C比率）和来自示范热解工厂的操作信息。探讨了BIPP系统的技术、经济和环境效应之间的权衡。考虑到不同省份的作物类型、销售价格和产量以及土壤特征，对省级的碳减排潜力和空气质量效益进行了详细分析。此外，还探讨了部署生物能源NETs（BIPP和/或BECCS）的不同方案，以确定加速近期温室气体减排和实现本世纪中期排放目标的最佳途径。

研究结论

BIPP系统的动态模拟

BIPP系统的能量和质量平衡取决于许多因素，包括生物质原料类型、加热速率和反应时间，此外还有热解峰值温度（本研究考虑的关键参数）。根据中国八种主要作物残留物类型（占90%以上的作物残留物）的组成参数，建立了一个模型，并使用Aspen Plus模拟器进行计算。本分析中探讨的物质流包括冷却水和用于加热热解反应器的生物质燃料。如图1a所示，生物质热解反应器所需的热量，由部分生物质原料燃烧产生的高温烟气提供，随着热解温度的提高而增加。该图表明，由于纤维素和半纤维素的分解，在250-450℃的热解温度范围内，燃料需求以较快的速度上升。在450℃以上，燃料消耗量上升的速度缓慢，主要与温度升高和木质素分解缓慢有关。图1b中的结果表明，功率消耗随着热解温度的增加呈上升趋势，与燃烧装置中的燃料消耗趋势一致。然而，当热解温度高于350℃时，在整个范围内的增长似乎不太线性。另一方面，该系统的潜在发电量随着热解温度的升高而增加，跟随热解气体的产量。总的来说，BIPP的净输出功率随着温度升高而增加。总电效率和净电效率在350-650℃之间是稳定的（图1c），但净电效率在250-350℃之间出现了较大的增长，这主要与集成BIPP系统所需的辅助功率的变化有关。

图1. 每小时输入1吨生物质，温度在250-650℃之间变化的BIPP系统的性能。a.材料流：用于产生高温烟气的燃料输入，用于冷却生物炭的冷却水输入，以及生物炭产出；b.电力流：热解气体燃烧发电系统的发电量，整个系统的电力消耗，以及净发电量；c.电力效率：BIPP系统的总/净发电效率，定义为总/净发电量除以热解气体的能量输入。

在土壤中加入生物炭的BIPP以及用作能源和化学原料的生物燃料的经济可行性

多联产系统的规模（生物质原料能力）和运行温度是影响项目收入的两个最重要的因素，收入主要来自与生物炭共同生产的有商业价值的热解气体和生物油34。图2说明了关键因素对BIPP的净现值（NPV）的影响。结果表明，反应温度和生物质原料能力在很大程度上共同决定了系统的收益。为了达到分析目的，根据经济效益的趋势，将反应温度范围分为三个区域：低（250-420℃）、中（420-550℃）和高（550-650℃）。对于低温和中温区，BIPP系统的净现值总是负的，但低温区对生物质输入的变化最敏感。对于低温和中温区，净现值随着生物质原料投入的增加而减少。另一方面，在高温区，净现值增加，在生物质吞吐量超过6.0吨/小时时，净现值持续为正。总的来说，从技术经济的角度来看，研究建议这种将生物炭返回土壤并将生物燃料用于直接能源使用、发电和工业用途的BIPP系统应该在相对大的范围内开发，热解温度应在550和650℃之间。从经济角度来看，在较高温度（550℃以上）下运行的BIPP系统表现更好。因此，经济分析的结果表明，拟议的带有生物碳封存的新型BIPP系统可以在没有补贴的成熟碳市场上获得盈利。

图2. 净现值的双因素敏感性分析

一个示范性BIPP系统的生命周期温室气体排放

根据上述技术经济分析结果，本文选择了一个热解温度在525-650℃之间的示范性BIPP系统，并用于评估相关的生命周期温室气体净排放。生命周期温室气体净排放是指与作物种植（如土壤碳损失、肥料利用）、运输和材料投入的生产过程相关的生命周期温室气体排放，减去以生物炭形式固着在土壤中的碳和生物炭土壤效应所减少的温室气体排放之和。结果（图3b）显示，平均而言，对系统温室气体排放贡献最大的是工厂建设（42%），其次是运行和维护（25%）、水处理（13%，主要与废水产生的CH4₄有关）、农业加工（14%）和运输（6%）。图3c显示了农业加工的详细分类。该图显示，化肥（尤其是基于N和K的化肥）的间接排放，以及土壤有机碳（SOC）和化肥使用的直接温室气体排放（吨二氧化碳当量）是最重要的因素，每年分别释放649吨和457 吨二氧化碳当量。

图3. 采用生物炭封存的BIPP示范系统的温室气体排放

减少温室气体排放的空间分布和在全国范围内部署BIPP的经济可行性

为了确保本研究能够全面估计国家温室气体的减排量，结合实验结果对生物质和土壤类型的空间分布进行了计算。在中国的31个省份中，有8种典型的农业残留物被考虑到不同的销售价格。因此，八种生物炭被赋予不同的碳稳定性。在图4中，假设部署BIPP装置（基于所有可用生物质的可持续的33%，如补充说明14所解释），评估了省级每年的温室气体减排量。结果清楚地表明，生物质资源丰富的省份可能有很大的温室气体减排潜力，因为生物质资源的分布主要影响热解厂的安装数量，除了允许将碳作为生物炭固定在土壤中，还能进一步促进化石燃料替代的温室气体减排。国家温室气体排放量的减少可以达到54.27百万吨/年。BIPP的部署对中国中东部地区有特别重要的影响，该地区的温室气体排放量明显偏高（图4b）。研究发现，农作物秸秆的销售价格对经济性能起着重要作用。例如，河南省的BIPP系统的净现值很差，因为尽管有丰富的生物质，但小麦和水稻作物的价格相对较高。因此，山东、河北和吉林等省可以开发具有强大经济可行性的BIPP技术（图4b）。

图4. 温室气体减排的空间分布和全国部署BIPP系统的经济可行性。a.中国各省部署BIPP系统后的温室气体减排量比较; b.中国各省使用BIPP系统与生物炭封存可实现的全国温室气体年减排量份额（%）的重叠图（省略台湾、澳门和香港），以及全国净现值经济绩效份额（%）（黄色部门）,蓝色背景色调表示2014年的温室气体排放总量; c.BIPP系统的各种作物残余物在600℃下生产的生物炭的稳定性

在全国范围内部署带有生物炭封存功能的BIPP所带来的空气质量效益

部署BIPP系统除了带来二氧化碳减排效益外，在减少空气污染方面也有很大的潜力，其有助于实现中国近期的空气质量目标。在这项研究中，本文考虑了三种假设部署BIPP系统后减少空气污染的潜在途径，包括：由于使用热解产品取代了传统的排放源，如火力发电、焦炉煤气和煤焦油的使用而产生的替代效应（在BIPP系统中用于产生热解热量的燃烧生物质流的新空气污染排放减少）；以及通过减少国内生物质废物的燃烧和田间生物质的露天燃烧而避免的污染。结果表明，部署BIPP系统可以大大减少中国的空气污染，包括减少SO₂、NO_x、BC和初级PM_2.5的排放。模拟结果表明，在全国范围内部署BIPP可以促使二氧化硫年排放量减少0.14百万吨（0.72%），氮氧化物减少0.41百万吨（1.85%），BC减少0.07百万吨（5.33%），PM_2.5减少1.76百万吨，相当于2014年全国PM_2.5总排放量的19.32%。此外，BIPP的部署可以在区域内产生更明显的效果，特别是在华北和华东的山东、河北和河南三省，这些地方目前正遭受严重的空气污染（图5）。在上述三省部署BIPP系统有可能减少二氧化硫（减少1.76%）、氮氧化物（减少5.06%）、PM_2.5（减少37.22%）和BC（减少9.97%）。

图5. 通过在全国范围内部署带有生物炭封存功能的BIPP系统，每年减少的空气污染物排放量（二氧化硫、氮氧化物、PM2.5和BC）

BIPP技术部署的情景分析

本文制定了七种部署BIPP的情景，可以分为两组。第一组 “适度发展生物负排放技术”（情景1-5）包括假设在不同的可持续生物质分配中部署生物负排放技术的方案，同时考虑到中国收集和利用农作物秸秆的使用方法和政策；第二组 “最大生物负排放技术潜力”（情景6-7），假设最佳条件，旨在通过开发生物碳和生物燃料的可持续生物质资源的全部潜力，使中国对减缓气候变化的贡献最大化（表2）。请注意，情景2-4和6-7假设2030年后BIPP和BECCS的协调发展：在这些情景下，一部分BIPP系统将通过改造、改变关键反应参数和在烟气出口添加CCS技术直接转变为BECCS系统；其余尚未转变为BECCS系统的BIPP系统将在2030年后与CCS耦合。这些方案中的BIPP系统是以上面分析的系统为基础的，包括收集和运输农作物秸秆以及将生物炭应用到田间。

表2. 2020-2050年期间中国每年可用于生物负排放技术（BIPP和/或BECCS）的生物质原料分配

与BaU情况相比，七个温室气体减排方案的结果见图6。在 “适度发展生物负排放技术”情景（1-5）中，很明显，到2030年的累计温室气体减排量随着2020年至2030年BIPP部署的增长而增加，这可以为能源使用的去碳化和2030年前大气中二氧化碳的积累放缓做出重要贡献。在中期（2030-2050年），尽管BECCS被认为有相当大的二氧化碳负排放，但结果显示，与从2030年开始逐步部署BECCS（情景1）相比，早期部署更多的BIPP，包括生物炭生产与一些BECCS的协调（情景2-4）可以有更大的累计温室气体减排。从中期来看，BIPP最初的最高生物量投入与BECCS的进一步部署相协调（情景4），到2050年底可以达到8620百万吨二氧化碳当量的减排量，比2020-2050年期间仅有BECCS或仅有BIPP但有生物炭封存的情景（情景1和情景5）分别多4555百万吨和4590百万吨二氧化碳当量。

图6. 与BAU和累积温室气体排放相比，2020-2050年期间的累积温室气体排放减少

最大方案代表了使用BIPP与生物炭生产和封存来减少温室气体排放的更雄心勃勃的选择。其结果因可用的生物质原料而异。与bau相比，100%使用农业残余物的情景（情景6），以及包括能源作物和森林残余物的情景（情景7），到2030年可分别提供1860百万吨或3156百万吨二氧化碳当量的年度减排潜力。此外，情景7的温室气体减排潜力到2050年可达到218.03亿吨二氧化碳当量，其中从净生命周期分析中推断出的负排放将达到114.84亿吨二氧化碳当量。因此，在全国范围内，在2030年前部署BIPP的 “适度”或“最大”方案，与bau相比，可以减少198-3156百万二氧化碳当量的温室气体。这些方案可以使2005年单位GDP的碳排放减少2-61%，这可以接近甚至几乎达到中国为《巴黎协定》提出的NDC排放目标中的1.5℃升温限制的目标。

这些行动有三个主要优点：第一，它可以减少与部署BECCS有关的不确定性和风险，同时减轻任何超额完成近期限碳目标的趋势；第二，它利用基于BIPP的生物炭/生物燃料生产和BECCS之间的协同作用，促进更大的温室气体减排，甚至在中期实现负排放；第三，部署BIPP将为收集和分配农业原料提供激励，以便随着时间推移扩大BECCS应用。

编辑：王明皓

排版：江琴

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