生物質(zhì)能產(chǎn)品生命周期內(nèi)能耗與排放測算

趙 濤，張國晨，林 濤

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072)

1 生物質(zhì)能產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)分析

目前生物質(zhì)能產(chǎn)品種類日趨多樣化，其主要產(chǎn)品包括以油料作物為原料的生物柴油以及以秸稈為原料的生物甲醇和燃料乙醇，本文為以NMJ生物質(zhì)能公司為例進(jìn)行分析研究。

圖1 NMJ公司生物質(zhì)能產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

從圖1可知，NMJ生產(chǎn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）原料的充分利用。在生產(chǎn)過程中對原料果實(shí)、秸稈和葉子的全方位利用。以文冠果為例，文冠果作為一種理想的油料作物，具有含油量高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其果實(shí)是生產(chǎn)生物柴油的主要投入原料；其枝條可以經(jīng)過處理提煉出木質(zhì)纖維素，作為燃料乙醇的生產(chǎn)原料，也可以將其直接燃燒用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電及生產(chǎn)用熱的；文冠果葉可以銷售給茶葉生產(chǎn)商家，經(jīng)其加工生產(chǎn)成茶葉。

（2）副產(chǎn)品的回收利用。在纖維素制乙醇和生物甲醇的制取過程中均會(huì)有堆肥的產(chǎn)生，堆肥作為有機(jī)肥料，可以再次使用于該公司的油料作物種植基地，可以節(jié)約購買肥料的成本；生物柴油的制備過程會(huì)產(chǎn)生甘油、粕等副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品有專門的回收機(jī)構(gòu)，通過銷售這些副產(chǎn)品還能增加公司的經(jīng)濟(jì)收益，也是變相的降低生產(chǎn)成本。

（3）廢棄物的再處理、再利用。生物柴油、燃料乙醇和生物甲醇的生產(chǎn)過程均會(huì)有廢渣和廢液的排出，這些廢渣和廢液都要經(jīng)過污水處理系統(tǒng)，凈化后中水回用，實(shí)現(xiàn)了公司內(nèi)的水循環(huán)。生物甲醇的生產(chǎn)過程會(huì)有熱量的釋放，這種廢熱會(huì)被熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)利用，同時(shí)通過秸稈燃燒，產(chǎn)生蒸汽和發(fā)電。公司的熱用戶主要是燃料乙醇制取系統(tǒng)和生物甲醇制取系統(tǒng)的生產(chǎn)用汽，所有生產(chǎn)用電用戶為整個(gè)公司。本文將生物質(zhì)能產(chǎn)品的生命周期分為原料生產(chǎn)、原料收儲(chǔ)運(yùn)、生物質(zhì)能源制取和產(chǎn)品運(yùn)輸與使用四個(gè)階段，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行能耗與排放測算。

2 微藻制生物柴油的能耗和排放測算

以年產(chǎn)120噸的微藻生物柴油為例，基本條件為：（1）微藻藻種為某境內(nèi)的淡水湖、河流、水塘的小球藻；（2）培養(yǎng)器皿為光能自養(yǎng)型全封閉式反應(yīng)器，進(jìn)行循環(huán)生產(chǎn)；（3）每臺(tái)光反應(yīng)器產(chǎn)50噸/晝夜懸浮液，含干物質(zhì)1.5公斤/噸，出油量54%，每年工作按300天計(jì)算，產(chǎn)油量為50*1.5*54%*300=12150KG/年=12.15噸/年。全線共10臺(tái)，所以每年生物柴油產(chǎn)量約為120噸；（4）微藻生產(chǎn)過程中有CO2的吸收，并伴隨微藻的光合作用產(chǎn)生O2。在微藻生物柴油生命周期的各個(gè)階段均有CO2和少量其它氣體排放。本文對每產(chǎn)生1噸生物柴油的能耗及排放進(jìn)行測算和分析，每年微藻制備生物柴油生命周期四個(gè)階段的原材料和能耗見表1。

甲醇的耗煤量為199kg（煤）/kg（甲醇），耗電量為0.04 KW·h/kg。另外，純度99.8%的氫氣采取中國制造的電解槽SDJ2500-50制取[2]，電耗為5.1KW·h/m3，故30 m3氫氣耗電為153 KW·h。

表1 每年微藻制生物柴油各階段的原材料和能耗

通過對每年單臺(tái)全封閉光反應(yīng)系統(tǒng)生產(chǎn)的薇藻可制成12.15噸柴油的全生命周期的能源消耗及排放分析，根據(jù)各種能源的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化系數(shù)和排放系數(shù)（表2），可測算1噸生物柴油生命周期內(nèi)能源消耗以及排放情況（表3）。

3 秸稈制燃料乙醇的能耗和排放測算

以秸稈為原料的燃料乙醇為例，基本條件為：（1）秸稈屬于其農(nóng)作物收獲子實(shí)后的農(nóng)林廢棄物，中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為7億t/a[3]，所以在其獲取階段忽略能源消耗；（2）采用化學(xué)合成技術(shù)，乙醇產(chǎn)量達(dá)到223kg/t。所以每產(chǎn)生1噸燃料乙醇需要約5噸秸稈。在秸稈收取階段，秸稈作為農(nóng)林廢棄物，可以忽略此階段能源消耗與排放測算。在秸稈運(yùn)輸階段，能源消耗主要考慮將秸稈運(yùn)至工廠所消耗的運(yùn)輸車輛的石化能源消耗和排放。取將秸稈運(yùn)至工廠的平均運(yùn)輸半徑為50km，單車運(yùn)量為8噸，油耗為35L/100KM。故運(yùn)輸秸稈所消耗的汽油的質(zhì)量為50*2*0.35*0.725=25.375KG，在燃料乙醇制取階段，NMJ公司采用化學(xué)合成技術(shù)來完成秸稈乙醇基燃料的制造，過程需要通入水蒸氣與氧氣作為氣化劑，處理5噸秸稈此階段消耗電能為37 KW·h。在燃料乙醇運(yùn)輸與使用階段，取工廠到消費(fèi)地的運(yùn)輸半徑為300km，故耗油量=0.0706*300*2*0.72=0.031t。

表2 各種能源的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化系數(shù)和排放系數(shù)

表3 每噸微藻制生物柴油生命周期內(nèi)能源消耗以及排放情況

通過以上對1噸燃料乙醇的全生命周期的能源消耗及排放分析，可得1噸燃料乙醇生命周期內(nèi)能耗以及排放情況如表4所示。

由表4可知，秸稈制燃料乙醇的耗能最多和CO2排放量最大的環(huán)節(jié)是燃料乙醇的制取階段，主要是由于粉碎裝置與氣化裝置耗能引起的，預(yù)處理過程消耗能源較多，化學(xué)試劑的投入過大，造成了廢棄物排放比較大。

表4 每噸燃料乙醇生命周期內(nèi)能源消耗以及排放情況

4 秸稈制甲醇的能耗和排放測算

NMJ公司制取甲醇的主要目的是用于生物柴油的生產(chǎn)。基本條件為：（1）秸稈作為農(nóng)林廢棄物，所以忽略獲取秸稈所消耗的能源；（2）最終產(chǎn)品生物甲醇用于生物柴油的生產(chǎn)，其使用階段的能源消耗和排放已在生物柴油部分計(jì)算。故在此只考慮秸稈運(yùn)輸階段和生物甲醇制取階段的能源消耗與排放。

在秸稈運(yùn)輸階段，以秸稈為原料，利用氣化方法合成生物甲醇，甲醇產(chǎn)量約為35%[4]，故生產(chǎn)1t生物甲醇需要2.86t秸稈。根據(jù)秸稈制燃料乙醇部分的敘述，可得該階段消耗汽油的質(zhì)量為50*2*0.35*0.725=25.375KG。在生物甲醇制取階段，該公司甲醇生產(chǎn)過程需要粉碎設(shè)備，氣化鍋爐、氣體凈化裝置及甲醇合成裝置。其中粉碎裝置與燃料乙醇生產(chǎn)過程中采用的粉碎裝置型號相同。生產(chǎn)1t生物甲醇此階段消耗電能為37 KW·h，耗煤199t。綜上所述，可得1噸生物甲醇生命周期內(nèi)能源消耗以及排放情況如表5所示。

由表6可知，秸稈制生物甲醇的主要耗能與CO2排放的環(huán)節(jié)是制取階段。這主要是由于粉碎設(shè)備和氣化鍋爐消耗能源；運(yùn)輸及燃燒過程的能源消耗和CO2排放量為0，主要是由該公司的實(shí)際情況決定的，因?yàn)樵摴旧a(chǎn)的生物甲醇主要用于生物柴油的生產(chǎn)，其使用過程的排放物已在生物柴油生命周期內(nèi)計(jì)算。

表5 每噸生物甲醇生命周期內(nèi)能源消耗以及排放情況

5 結(jié)論

本文將生物質(zhì)能產(chǎn)品的生命周期分為四個(gè)階段：原料生產(chǎn)、原料收儲(chǔ)運(yùn)、生物質(zhì)能源制取和產(chǎn)品運(yùn)輸與使用，對微藻制生物柴油、秸稈制燃料乙醇、秸稈制甲醇三種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的能源消耗和排放物進(jìn)行測算，通過對各個(gè)階段的能耗與排放分析，識別主要耗能階段及造成能耗的原因，為企業(yè)節(jié)能減排提供測算依據(jù)。

[1]侯堅(jiān)，張培棟等.基于生命周期評價(jià)的化學(xué)法合成生物柴油能耗與CO2凈排放評價(jià)方法[J].可再生能源，2009,27(4).

[2]李仲來.氫氣的制取及化工應(yīng)用[J].小氮肥設(shè)計(jì)技術(shù),2004,25(4).

[3]馬晶，張鑒達(dá)，申哲民.秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的研究發(fā)展[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010,2(3).

[4]郭昌倫.乙醇汽油汽車燃料消耗量的計(jì)算[J].經(jīng)驗(yàn)交流，2011.(457).