在燃煤电厂中协同燃烧生物质，并结合碳捕获与封存技术以实现净零排放的生命周期评估

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Life cycle assessment of co-firing biomass at coal-fired power plants with carbon capture and storage toward net-zero emissions

生物质掺烧与碳捕集封存（BECCS）协同燃煤电厂全生命周期减排潜力及临界掺烧比例研究。通过整合过程生命周期评估模型与不确定性分析，量化了煤种、生物质类型、碳捕集率及掺烧水平对净零排放的影响，发现90%碳捕集率下临界掺烧比例约15%-25%（能量基），提升碳捕集率至95%可降低5-8个百分点。

　　

吴婉莹|翟海波

怀俄明大学工程与物理科学学院，美国怀俄明州拉勒米市，WY 82071

摘要

将生物质与碳捕获和储存（BECCS）结合使用为燃煤电厂实现净零排放提供了技术选择。本研究估计了在燃煤电厂中混合燃烧生物质并采用BECCS的生命周期排放，并量化了其变化性和不确定性。在燃煤电厂中部署BECCS可以显著降低生命周期排放，以实现净零目标，但会降低电厂的运行效率，而这些效率受多种因素影响，包括煤炭类型、生物质类型、混合燃烧比例以及二氧化碳（CO₂）捕获率。为了达到净零排放，当二氧化碳捕获率为90%时，所需的生物质混合燃烧比例在能量基础上大约在15%到25%之间，具体取决于煤炭和生物质的类型。将二氧化碳捕获率从90%提高到95%，可以使所需生物质混合燃烧比例降低约5%到8%，这有助于减少对生物质资源的依赖，并促进在生物质资源有限的化石资源丰富地区大规模部署BECCS。研究结果有助于更好地理解BECCS的技术环境性能，并为燃煤电力行业的净零排放战略规划提供依据。

引言

煤炭是当今全球电力生产的主要来源。2024年，燃煤电厂占全球电力生产的35%，预计到2030年这一比例至少仍将达到25%（国际能源署，2024年，2025年）。在美国，截至2024年，未经缓解的燃煤发电占全国电力生产的16%，并且在未来电网中仍将继续发挥一定作用（能源信息署（EIA）2025a，能源信息署（EIA）2025b）。完全淘汰燃煤电厂非常困难，尤其是在依赖化石燃料的地区。将生物质与碳捕获和储存（CCS）结合使用为现有燃煤电厂实现净零排放提供了有前景的方案。特别是，这一技术路径可以在净零电力未来的背景下，使已投入使用的煤炭能源资产继续运行，同时提供灵活可靠的电力（翟海波，2026年）。最近的一项研究表明，全球范围内部署生物质与CCS的组合使用可以将全球滞留的化石燃料发电量减少45-69%，并将全球变暖控制在2°C以下（卢等人，2022年）。

许多研究已经探讨了将生物质与碳捕获和储存（BECCS）结合使用的生命周期影响（Buchheit等人，2021年；Fajardy和Dowell，2017年；Johnson等人，2022年；Lewis等人，2022年；Schakel等人，2014年；Wang等人，2021年、2022年、2025年；Xu等人，2021年；Yang等人，2019年）。这些研究发现，虽然BECCS可以帮助燃煤电厂实现净零或负温室气体（GHG）排放，但由于高间接氮排放和能源损失，也可能产生其他负面影响（Schakel等人，2014年；Wang等人，2025年；Yang等人，2019年）。因此，有必要探索实现燃煤电厂深度脱碳所需的适当生物质混合燃烧比例。然而，现有研究中关于燃煤电厂在CCS条件下实现净零排放所需的生物质混合燃烧比例存在较大不确定性，这一比例在质量基础上大约在25%到50%之间，受多种因素影响，如评估范围或系统边界、土地利用变化（LUC）、生物质类型和特性、煤炭类型和开采技术以及电厂运行条件（Buchheit等人，2021年；Fajardy和Dowell，2017年；Lewis等人，2022年；Salas等人，2024年；Schakel等人，2014年；Wang等人，2021年；Yang等人，2019年）。较低的电厂效率会增加混合燃烧电厂的总体燃料消耗。然而，大量生物质可以通过吸收二氧化碳（CO₂）来降低生命周期排放（Bennett等人，2021年；Cumicheo等人，2019年；Dowell和Fajardy，2017年；García-Freites等人，2021年）。此外，这种权衡还取决于煤炭类型、生物质类型和燃料供应。此外，生物质混合燃烧电厂从烟气中捕获的二氧化碳（CO₂）量也会影响实现净零排放所需的最低混合燃烧比例。然而，大多数现有研究仅考察了90%的二氧化碳捕获率。因此，需要在具有统一系统边界和一致方法假设的框架下，评估多个关键因素。

最近的CCS研究表明，将二氧化碳捕获率从90%提高到95%甚至99%，可以在不显著增加成本的情况下减少现场排放（Du等人，2021年；Feron等人，2019年；Jiang等人，2020年；Zhai和Rubin，2022年）。因此，为了实现净零排放，部署超过90%二氧化碳捕获率的深度CCS可以降低燃煤电厂对生物质资源的需求。然而，现有关于BECCS的研究主要集中在90%的二氧化碳捕获率上（Bressanin等人，2021年；Fan等人，2023年；Negri等人，2021年；Sun等人，2025年；Wang等人，2021年、2022年；Xing等人，2021年；Yang等人，2019年）。因此，需要系统研究来量化二氧化碳捕获率与实现净零排放所需的生物质混合燃烧比例之间的权衡。

现有研究通常基于确定性方法估算生命周期排放。然而，这些研究在主要参数和系统边界上往往做出不同的假设，因此生命周期排放的变化性没有以一致的方式或在一个共同的平台上进行量化。此外，现有研究往往未能量化数据和假设的不确定性。换句话说，现有研究经常忽略生命周期排放的不确定性，这可能会误导决策。

本研究的总体目标是探讨将生物质与CCS结合使用以实现燃煤电厂深度脱碳和净零排放的潜力。具体而言，主要目标是：（1）估算和描述在采用CCS或深度CCS的燃煤电厂中混合燃烧生物质的生命周期排放；（2）量化生命周期排放的变化性和不确定性；（3）探索在生命周期基础上实现净零排放所需的生物质混合燃烧比例，并进一步揭示其依赖的关键因素。本研究结合了基于过程的生命周期模型、CCS分析、电厂建模和不确定性分析，然后应用综合评估框架来系统量化生命周期排放的变化性和不确定性。本研究在共同的评估框架下考察了多个关键因素，包括煤炭类型和开采方法、生物质类型和混合燃烧比例以及二氧化碳（CO₂）捕获率。本研究旨在提高对生物质与CCS结合使用的技术环境性能的理解，并为燃煤电力行业的净零排放战略规划提供依据。

本文的其余部分介绍了基于燃料的生命周期排放模型及其相关不确定性分析、确定性和概率形式的生命周期排放主要结果、实现净零排放所需的最低生物质混合燃烧比例，以及结论性意见。

方法与材料

本研究提出了一个基于过程的生物质-煤炭混合燃烧电厂的生命周期温室气体排放模型，包括确定性和概率形式。本节概述了生命周期模型，描述了估算生命周期各阶段相关排放因素的方法，并介绍了不确定性分析的方法。

结果与讨论

本节首先介绍了与土地利用和燃料供应相关的燃料属性和排放因素，然后探讨了电厂性能和生命周期排放。此外，本节还探讨了实现净零排放所需的最低生物质混合燃烧比例。除了确定性分析外，本节还提供了生命周期排放的概率估计。

结论

本研究对采用CCS的燃煤电厂中混合燃烧生物质以实现净零排放进行了基于过程的生命周期评估，并在一个共同框架下考察了多个关键因素对生命周期排放的影响。采用CCS的煤-生物质混合燃烧电厂的生命周期排放受生物质混合燃烧比例、煤炭类型、生物质类型和二氧化碳（CO₂）捕获率的影响。为实现生命周期净零排放所需的最低生物质混合燃烧比例

数据可用性

更多描述、方法、图表和表格可在补充文件中找到。IECM工具可在以下链接公开获取：https://www.uwyo.edu/iecm/download-iecm.html

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吴婉莹：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。翟海波：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、软件、资源管理、项目协调、资金获取、正式分析、概念化。