生物質(zhì)快速熱解制車用燃料過程的能值分析

劉長奇 黃亞繼 劉培剛 王昕曄 邵志偉

(1 東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實驗室，南京210096)

(2 棗莊南郊熱電有限公司，棗莊277100)

生物質(zhì)能源已受到相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的強(qiáng)烈關(guān)注.目前國內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)熱解制取液體燃料的研究正蓬勃發(fā)展.傳統(tǒng)分析方法大多數(shù)僅對整個生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能量分析或者經(jīng)濟(jì)分析，但傳統(tǒng)分析方法難以從環(huán)境投入及可持續(xù)發(fā)展的角度來評價整個生產(chǎn)過程.因此，需要建立一個全面完整的系統(tǒng)來評價生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料的整個生產(chǎn)過程，指導(dǎo)生物質(zhì)能未來的發(fā)展.能值分析法將系統(tǒng)中的物質(zhì)流、能量流、信息流、貨幣流和勞務(wù)流轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的單位，用所有能量的最終來源太陽能的量來衡量，協(xié)調(diào)了人類社會和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系，可以對整個生物質(zhì)利用過程進(jìn)行客觀定量的評價.能值分析法可以為生態(tài)系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)中各種能流和物流進(jìn)行綜合分析提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使原本2 個系統(tǒng)中能流、物流和其他生態(tài)流能夠進(jìn)行統(tǒng)一比較和分析.

自1988年Howard Odum 提出能值分析理論以來，能值分析理論在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.國外一些學(xué)者已對生物質(zhì)熱解制備液體燃料過程進(jìn)行了能值分析.Spinelli 等［1］通過物質(zhì)流分析、能耗分析和能值分析對直接從油籽植物中提取植物油作為內(nèi)燃機(jī)燃料過程的環(huán)境影響進(jìn)行評價;Dong等［2］運(yùn)用能值理論對小麥秸稈生產(chǎn)生物乙醇進(jìn)行分析;Cavalett 等［3］運(yùn)用能值理論分析了大豆制生物柴油的過程;Bastianoni 等［4］對大型藻類制生物油過程進(jìn)行分析.以上分析都表明生物質(zhì)制備液體燃料過程需要投入大量不可再生資源，該過程不具有可持續(xù)性.Alonso-Pippo 等［5］對甘蔗渣熱解制初級生物油進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明從經(jīng)濟(jì)的角度分析，甘蔗渣是生物質(zhì)制油的最佳原料.Liao 等［6］用熱力學(xué)的能量分析、 分析及能值分析3 種不同方法對玉米秸稈制生物乙醇過程進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用不同的方法，可以得到不同的關(guān)于可持續(xù)性方面的結(jié)論.然而運(yùn)用能值理論對生物質(zhì)熱解制油后加氫提質(zhì)過程的研究卻未見報道.

本文基于能值分析理論，分析了美國堪薩斯州玉米秸稈快速熱解成初級生物油，再加氫精制為車用生物燃料的過程，將分析結(jié)果與生物質(zhì)制備乙醇和生物柴油做對比，為尋求生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料的最佳途徑，并為進(jìn)一步提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為車用燃料過程的環(huán)境性能和綜合性能提供理論參考.

1 模型與過程

生物質(zhì)快速熱解是一種將生物質(zhì)在缺氧情況下加熱轉(zhuǎn)化為氣體、固體和液體產(chǎn)物的熱化學(xué)過程，本研究采用Wright 等［7］所建立的模型.該模型模擬玉米秸稈快速熱解成生物油，并精制為汽油和柴油的整個過程.假定生物質(zhì)工廠每天消耗2 000 t 的玉米秸稈，生產(chǎn)過程如圖1所示，處理步驟包括生物質(zhì)預(yù)處理、快速熱解、固體去除、生物油收集、燃燒和生物油精制.具體流程為:將含水量25%的生物質(zhì)干燥至7%，粉碎至直徑3 mm 左右后，送入熱解反應(yīng)器，熱解后的產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器1 進(jìn)行氣固分離.固體被直接送入燃燒反應(yīng)器提供熱量，氣體則進(jìn)入冷凝器經(jīng)水冷卻，其中不凝結(jié)氣體被送入熱解反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器燃燒，冷凝下來的生物油經(jīng)過液液萃取后分為油相和水相，水相油與蒸汽混合后送入高溫水蒸氣催化重整反應(yīng)器，即轉(zhuǎn)化成合成氣，合成氣被送入壓力變換吸附分離器(PSA)分離出氫氣，氫氣與油相在高溫反應(yīng)釜中反應(yīng)制得汽油和柴油，該過程的具體反應(yīng)參數(shù)和步驟見文獻(xiàn)［7］.本文所研究的2 個方案采用的氫氣來源不同:方案1 中的氫氣來自初級生物油水相重整;方案2 中的氫氣來自外部市場購買，直接與初級生物油在高溫反應(yīng)釜中反應(yīng).其他過程則相同.

圖1 玉米秸稈熱解提質(zhì)制車用燃料過程流程圖

2 能值分析及計算

將整個生物質(zhì)熱解制精制油過程分為3 部分:玉米種植過程、玉米秸稈運(yùn)輸過程及玉米秸稈熱解提質(zhì)過程.

按照能值分析的步驟，首先繪制玉米秸稈轉(zhuǎn)化為車用燃料過程能值流圖(見圖2)，然后列出方案1 和方案2 的能值分析表(見表1和表2)，進(jìn)而計算其能值指標(biāo).表中，U 為投入物質(zhì)能量的單位，分別表示J，g 和$;R 為自然環(huán)境投入的可再生能值;N 為自然環(huán)境投入的不可再生能值;FN為人類經(jīng)濟(jì)社會反饋投入的不可再生能值;FR為人類經(jīng)濟(jì)社會反饋投入的可再生能值;Y 為產(chǎn)出的能值;sej 為太陽能焦耳.

表1 方案1 能值分析表

2.1 玉米秸稈種植系統(tǒng)的能值分析

美國堪薩斯州玉米產(chǎn)量［8］為9 420 kg/hm2，玉米秸稈與玉米的產(chǎn)量大致相當(dāng)［10］，該工廠每年所需的玉米為2 000 ×350=70 萬t，而產(chǎn)生足夠玉米原料所需土地為700 000/9.42=74 309.978 hm2，約74 310 hm2.將每公頃土地各能值投入［8］都乘以74 310，得到該種植系統(tǒng)各種投入要素(包括圖2中所有箭頭指向玉米種植過程的項目)的能值，詳見表1和表2.

表2 方案2 能值分析表

圖2 玉米秸稈轉(zhuǎn)化為車用燃料過程能值流圖

2.2 玉米秸稈運(yùn)輸系統(tǒng)的能值分析

該生產(chǎn)過程提供玉米秸稈的范圍是一個半徑為80.5 km［7］(50 英里)的圓，工廠在該區(qū)域的正中間.運(yùn)送原料平均距離為56.9 km.卡車運(yùn)輸能量密度為1.12 MJ/(t·km)［11］，所需柴油量為1.12 ×106×56.9 ×700 000=44 600 GJ/a，可忽略司機(jī)的勞務(wù).

2.3 玉米秸稈熱解提質(zhì)過程的能值分析

根據(jù)文獻(xiàn)［7］的數(shù)據(jù)可以得到工業(yè)水、勞務(wù)管理(包括運(yùn)行維護(hù))、電力消耗、催化劑、廠房設(shè)備(按20年壽命平均分配到每一年)的投資額及精制生物油的產(chǎn)量.其中工業(yè)水和電力可以根據(jù)其單價算出其用量.根據(jù)文獻(xiàn)［12］可以估算出美國電力結(jié)構(gòu)為20%核電、10%左右水電和70%火電，將電力按比例分別換算為火電、核電和水電.能值分析表中的勞務(wù)管理是種植過程中的勞務(wù)部分和玉米秸稈熱解提質(zhì)過程中勞務(wù)管理的總和.工業(yè)水是種植過程中灌溉水和玉米秸稈熱解提質(zhì)過程中的工業(yè)水總和.用本方案估計美國2012年的能值/貨幣比率，其值為1.20 ×1012sej/$.加氫處理后的精制油熱值大概在44 MJ/kg［13］.

3 分析與討論

3.1 能值投入分析

圖3為玉米秸稈快速熱解提質(zhì)制精制油生產(chǎn)系統(tǒng)各能值流占總能值投入的百分?jǐn)?shù).這一結(jié)果與胡尊燕［14］研究生物質(zhì)熱解制乙醇過程中能值投入比重分析一致，由圖可見，氮肥是該系統(tǒng)能值投入的主要部分之一.要降低氮肥的能值投入量，可以盡量使用農(nóng)家肥代替工業(yè)生產(chǎn)的氮肥，由于農(nóng)家肥是可再生資源，對該系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展十分有利;除此之外，可以通過科技進(jìn)步提高氮肥生產(chǎn)水平，使氮肥能值轉(zhuǎn)換率降低.另一個占比例較大的能值投入為工業(yè)水的能值投入，該投入主要包括2 部分:①生產(chǎn)過程中的工業(yè)用水.可通過在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)管理和加強(qiáng)工廠工人節(jié)水教育，達(dá)到節(jié)約用水.②灌溉用水.應(yīng)盡量修通水渠，引用河流湖泊中自然界產(chǎn)生的水.因為自然界產(chǎn)生的水能值轉(zhuǎn)換率較低，可降低工業(yè)水的能值轉(zhuǎn)換率.

本文擬以體驗學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，提出一個包含不同教學(xué)形式的商務(wù)英語體驗學(xué)習(xí)教學(xué)活動設(shè)計框架，為《綜合商務(wù)英語》課教學(xué)提供一個整體的教學(xué)方法，以適應(yīng)不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)生，提高學(xué)生的參與度和學(xué)業(yè)成績，讓學(xué)生以體驗的方式學(xué)習(xí)商務(wù)英語，從而提高商務(wù)交際能力。

圖3 制精制油生產(chǎn)系統(tǒng)各能值流占總能值投入百分?jǐn)?shù)

圖4為方案1 和方案2 的各類能值占總能值投入的百分?jǐn)?shù)，可見該生產(chǎn)過程中占總能值投入比例較小的是自然環(huán)境中的可再生資源R 和不可再生資源N，表明該生產(chǎn)過程對環(huán)境依賴性很小.玉米秸稈制精制生物油整個生產(chǎn)過程需要消耗大量來自社會不可再生資源，如氮肥、電力、設(shè)備投資等，所以經(jīng)濟(jì)反饋能值投入(來自經(jīng)濟(jì)社會的可再生能值FR和非可再生能值FN)所占比重較大.工業(yè)系統(tǒng)不同于生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，該生產(chǎn)過程所需設(shè)備的平均勞動生產(chǎn)率、管理與服務(wù)水平都密切相關(guān)，所以需要社會各個相關(guān)行業(yè)共同努力，才能降低該生產(chǎn)過程的能值投入.例如，水利行業(yè)可以興修水利，將更多來自自然界的水運(yùn)用到生物質(zhì)種植系統(tǒng)中;化肥生產(chǎn)部門可以提高氮肥的生產(chǎn)效率;農(nóng)業(yè)部門可以引導(dǎo)農(nóng)民合理施肥，提高農(nóng)作物對氮肥吸收效率等，這些措施都可以來降低經(jīng)濟(jì)反饋能值投入量.由此可見，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料過程的發(fā)展，需要社會各個部門配合，單依靠能源部門遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.

圖4 精制油生產(chǎn)系統(tǒng)各類能值占總能值投入百分?jǐn)?shù)

3.2 能值指標(biāo)分析

本文2 個方案的能值指標(biāo)計算結(jié)果如表3所示.能值轉(zhuǎn)換率Tr是指產(chǎn)品或服務(wù)的能值與產(chǎn)品或服務(wù)量的比值，可以用來比較生產(chǎn)同一產(chǎn)品不同生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)劣，選擇一種最合適的方案.能值轉(zhuǎn)換率越低，表明生產(chǎn)等量產(chǎn)品或者服務(wù)消耗的太陽能越少，從太陽能投入角度來看，其更具有競爭力.本文研究的生產(chǎn)過程的能值轉(zhuǎn)換率與化石燃料［15］(煤為6.71 ×104sej/J，天然氣為8.05 ×104sej/J，原油為8.05 ×104sej/J)相比，需要更高的環(huán)境資源投入，能值轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)大于化石燃料，這是因為生物燃料作為一種可再生的替代燃料，它的生產(chǎn)過程需要投入大量的能量、勞務(wù)、原材料和商品等，消耗較多能值.這也表明自然界產(chǎn)生化石燃料的過程比人為將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料的過程要有效得多.

表3 生物質(zhì)制備液體燃料不同過程的能值指標(biāo)

方案1 與方案2 的玉米種植過程和玉米運(yùn)輸過程完全相同，但玉米秸稈的熱解提質(zhì)過程不同.2 種方案的能值投入總量相差不大，而2 種方案的能值轉(zhuǎn)換率卻不同.2 個方案的能值投入主要區(qū)別在于:方案1 用工廠自產(chǎn)的氫氣與初級生物油反應(yīng)提質(zhì)，設(shè)備投入和維護(hù)運(yùn)行時投入的人力、物力、財力較多，方案2 雖然沒有生產(chǎn)氫氣這方面的投入，但購買氫氣所投入的能值基本與方案1 生產(chǎn)氫氣過程投入的能值相當(dāng)，故其投入能值總量相當(dāng).方案1 產(chǎn)生的一部分初級生物油用于生產(chǎn)氫氣，導(dǎo)致參與加氫提質(zhì)的初級生物油量減少，所以方案2 采用市場上購買的氫氣與初級生物油反應(yīng)產(chǎn)生的精制生物油的量比方案1 大很多，進(jìn)而導(dǎo)致計算得出方案2 的能值轉(zhuǎn)換率較低.從能值轉(zhuǎn)換率角度出發(fā)，方案2 比方案1 更合理.

能值產(chǎn)出率(emergy yield ratio)EEYR為系統(tǒng)產(chǎn)出能值與反饋能值之比，即

式中，F(xiàn) 為人類經(jīng)濟(jì)社會反饋投入的能值，F(xiàn)=FN+FR，能值產(chǎn)出率與生產(chǎn)效率成正比，其值越高，表明一定的反饋能值投入生產(chǎn)出的產(chǎn)品能值越高.2 種方案的能值產(chǎn)出率都低于化石燃料［15］(煤為8 ～10.5，天然氣為6.8 ～10.3，原油為3.2～11.1)，這說明該生產(chǎn)過程系統(tǒng)生產(chǎn)效率較低，相同的能值投入生產(chǎn)出的產(chǎn)品能值較低.本文研究過程的EEYR＞1，說明產(chǎn)品能值大于投入能值，2 個方案的生產(chǎn)過程均滿足向經(jīng)濟(jì)活動提供基礎(chǔ)能源.但是其能值產(chǎn)出率相對化石能源而言，其能源開發(fā)與利用的效率較低，能源開發(fā)利用的競爭力不足.

環(huán)境負(fù)載率(environmental loading ratio)EELR為系統(tǒng)投入的不可再生資源能值總量與投入的可再生資源能值總量之比，即

2 種方案都有較低的EELR值(EELR＜2)，表明該過程對環(huán)境影響有很大的區(qū)域可以稀釋或者對環(huán)境影響很低;該生產(chǎn)過程對環(huán)境系統(tǒng)壓力很小，同時在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的能值利用較強(qiáng)，對環(huán)境影響很小，所以本研究可以證明生物質(zhì)能源是比較清潔的能源，對整個地球環(huán)境保護(hù)具有很重大的意義.從環(huán)保的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展生物質(zhì)能.

生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)性是社會關(guān)注的熱點(diǎn)，同時生物質(zhì)能利用是否可持續(xù)也是該領(lǐng)域的爭論點(diǎn)之一.與其他分析方法相比，能值分析方法的優(yōu)勢是可以將工業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力量化.可持續(xù)發(fā)展系數(shù)就是衡量生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)性的指標(biāo)，其定義為系統(tǒng)能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率之比，即

式中，ERSI為可持續(xù)發(fā)展系數(shù).可持續(xù)發(fā)展系數(shù)值可分為3 個等級:①難以在較長時間內(nèi)發(fā)展(EESI＞5);②可持續(xù)發(fā)展性屬中等水平(1 ＜EESI＜5);③可持續(xù)發(fā)展性較差，屬于消費(fèi)型經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)(EESI＜1).本文研究的2 個方案EESI值都稍大于1，則從能值分析角度說明了該系統(tǒng)可持續(xù)性屬于中等水平，但是該指標(biāo)處于中等水平與較差等級的分界線上，因而該過程在較長時間內(nèi)也難以發(fā)展.

3.3 生物質(zhì)制備液體燃料不同過程的比較

將玉米秸稈熱解精制油的2 個方案與玉米燃料乙醇［16］、生物柴油［17］的能值指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示.從能值分析的角度來看，本文中方案2 的能值轉(zhuǎn)換率最低，說明投入等量的太陽能，方案2 生產(chǎn)的液體燃料所含的能量更多，所以方案2 最具有優(yōu)勢.本文2 個方案的能值產(chǎn)出率最小，說明玉米秸稈熱解精制油系統(tǒng)生產(chǎn)效率最低.其環(huán)境負(fù)載率EELR同樣最低，表明與其他2種轉(zhuǎn)化方式相比，本文研究的生物質(zhì)制備液體燃料系統(tǒng)對環(huán)境影響最小，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，本文研究的2 個方案同樣更具有優(yōu)勢.玉米秸稈熱解精制油系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展系數(shù)EESI最高，與另外2 種生物質(zhì)能源相比，該生產(chǎn)過程可持續(xù)發(fā)展性更具競爭力.為了能提高其與其他制備液體燃料過程的競爭力，本研究方案應(yīng)減少經(jīng)濟(jì)方面的投入，選擇合理場地降低投資成本，同時提高可再生資源的比重，盡量多利用可再生資源代替不可再生資源.

4 結(jié)論

1)為減少能值投入，應(yīng)盡量使用農(nóng)家肥，提高氮肥生產(chǎn)效率，降低氮肥的能值轉(zhuǎn)換率;且應(yīng)該節(jié)約用水，盡量用自然界中能值轉(zhuǎn)換率較低的水資源.

2)玉米秸稈熱解提質(zhì)制備精制生物油與化石燃料相比，其能值轉(zhuǎn)換率較高，說明化石燃料比生物質(zhì)熱解提質(zhì)制精制油更加有效，但是化石燃料具有不可再生性，生物質(zhì)可再生，從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)化石燃料逐漸減少時，生物質(zhì)燃料就會展現(xiàn)出優(yōu)勢.

3)玉米秸稈熱解提質(zhì)制備的精制生物油過程的經(jīng)濟(jì)投入遠(yuǎn)大于環(huán)境投入，環(huán)境負(fù)載率較低，對環(huán)境污染小，其可持續(xù)發(fā)展性屬于中等水平.

4)從能值分析角度看，在生物質(zhì)制備液體燃料過程中，方案2 比玉米燃料乙醇和生物柴油更具有優(yōu)勢，是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料的最佳途徑.

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