生物質(zhì)制氫與煤制氫過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與生命周期評(píng)價(jià)

周天，趙葉靜，劉志強(qiáng)，李國(guó)選，崔培哲，楊聲

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島，266042)

氫作為一種重要的多功能清潔能源載體，在減少溫室氣體排放、維護(hù)能源安全、保護(hù)環(huán)境等方面受到了全世界的關(guān)注[1]，發(fā)展前景廣闊。目前，許多研究和能源政策都集中在氫經(jīng)濟(jì)方面，而氫氣生產(chǎn)是其中重要的一環(huán)。中國(guó)傳統(tǒng)化石燃料制氫技術(shù)主要包括煤制氫和天然氣重整制氫[2]。隨著化石燃料逐漸減少，社會(huì)對(duì)溫室效應(yīng)的關(guān)注度不斷提升，可再生能源制氫能夠減輕環(huán)境壓力[3]，因此，發(fā)展?jié)摿薮?，其中生物質(zhì)以其綠色、低碳、清潔、可再生的特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。目前，煤制氫與生物質(zhì)制氫是氫能工業(yè)發(fā)展的重要主題[4-8]。與煤制氫相比，生物質(zhì)制氫雖然降低了化石燃料的使用，但是生產(chǎn)成本高，氫氣生產(chǎn)率低，因此，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合分析對(duì)這2種制氫方式進(jìn)行比較。而生命周期評(píng)價(jià)(LCA)[9-11]能對(duì)成本效益、能源消耗和環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，是一種評(píng)價(jià)系統(tǒng)環(huán)境影響的有力方法，目前已經(jīng)應(yīng)用于煤制氫和生物質(zhì)制氫進(jìn)程[12]。COHCE 等[13]在灰熔聚流化床氣化的基礎(chǔ)上分析了煤制氫過(guò)程的生命周期，發(fā)現(xiàn)采用碳捕集與儲(chǔ)存技術(shù)(CCS)的煤制氫能耗比不采用CCS 的煤制氫能耗高2.32%，而溫室氣體排放低81.72%。VERMA 等[14]開發(fā)了1個(gè)LCA模型，用于估算有/無(wú)碳捕獲和存儲(chǔ)的地下煤炭氣化(UCG)生產(chǎn)氫氣過(guò)程中的溫室氣體排放，發(fā)現(xiàn)采用UCG-CCS技術(shù)制氫的生命周期溫室氣體排放比蒸汽甲烷重整(SMR)系統(tǒng)的低。程婉靜等[15]采用生命周期成本分析，以煤制氫為起點(diǎn)，結(jié)合不同儲(chǔ)運(yùn)方式和加氫站應(yīng)用分析了煤氣化和煤熱解這2種技術(shù)下煤制氫產(chǎn)業(yè)鏈的生命周期經(jīng)濟(jì)性水平。KALINCI 等[16]通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)比較了生物制氫系統(tǒng)中下吸式氣化爐(DG)和循環(huán)流化床氣化爐(CFBG)的化石能源消耗率和溫室氣體排放量等性能，發(fā)現(xiàn)DG 溫室氣體減排成本為0.0172 $/g，而CFB系統(tǒng)為0.24$/g。目前關(guān)于煤制氫和生物質(zhì)制氫工藝能源消耗和環(huán)境影響方面的綜合評(píng)價(jià)與定量分析較少，為此，本文作者針對(duì)生物質(zhì)制氫過(guò)程和煤制氫過(guò)程進(jìn)行流程模擬，從總投資成本和生產(chǎn)成本角度對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析和比較，從能源消耗和溫室氣體排放方面對(duì)其生命周期進(jìn)行分析。

1 流程模擬

由于中國(guó)秸稈產(chǎn)量十分豐富，且相較于其他能源價(jià)格低廉，因此，本文選用秸稈作為生物量進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析[17]，結(jié)果見(jiàn)表1[10,18-19]?；贏spen Plus模擬生物質(zhì)制氫和煤制氫過(guò)程，得出不同原料制氫工藝流程圖分別如圖1 和圖2 所示。生物質(zhì)制氫過(guò)程單元主要包括生物質(zhì)預(yù)處理單元(BPU)、空分單元(ASU)、氣化單元(GU)、水煤氣變換單元(WGSU)、低溫甲醇洗單元(RU)、克勞斯單元(CU)、變壓吸附單元(PSAU)、燃?xì)夂驼羝麥u輪發(fā)電單元(GSTU)。其主要工藝流程為：氣化劑(氧氣、蒸汽)與生物質(zhì)原料通過(guò)生物質(zhì)預(yù)處理單元處理后送到生物質(zhì)氣化裝置中進(jìn)行生物質(zhì)氣化反應(yīng)，并生成原料合成氣，此時(shí)，合成氣中仍含有焦油、氨氣、苯酚等雜質(zhì)，利用水蒸氣將雜質(zhì)洗去后送入水煤氣變換單元。水煤氣變換氣通常包含酸性氣體以及大量的雜質(zhì)，需要進(jìn)一步純化。經(jīng)過(guò)純化后的合成氣被送入變壓吸附裝置中進(jìn)行氣體分離。與此同時(shí)，可以利用酸氣脫除裝置將分離出的H2S氣體回收以生產(chǎn)硫磺。

圖1 生物質(zhì)制氫工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of biomass-to-hydrogen

圖2 煤制氫工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of coal-to-hydroge

表1 秸稈與煤的工業(yè)分析與元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal and biomass(mass fraction) %

同樣地，煤制氫過(guò)程主要由7個(gè)單元即空分單元(ASU)、氣化單元(GU)、水煤氣變換單元(WGSU)、低溫甲醇洗單元(RU)、克勞斯單元(CU)、變壓吸附單元(PSAU)、燃?xì)夂驼羝麥u輪機(jī)單元(GSTU)組成。種制氫工藝各單元的關(guān)鍵模型及性能方法見(jiàn)表2[20-23]，工藝規(guī)范見(jiàn)表3[20-23]，各單元工藝規(guī)范見(jiàn)表4[20-23]，表格中單元名稱與圖1和圖2相對(duì)應(yīng)。

表2 各單元的模型和物性方法Table 2 Model and property method of each unit

表3 生物制氫和煤制氫的工藝規(guī)范[20-23]Table 3 Specifications of BTH and CTH process[20-23]

表4 各單元工藝規(guī)范[20-23]Table 4 Specifications of each unit[20-23]

設(shè)定年制氫能力為1.8×108m3，生物質(zhì)制氫工藝原料消耗量為10 990 kg/h，而煤制氫工藝原料消耗量為6 430 kg/h，這2 種工藝各單元的模擬輸出如表5所示。為保證模擬結(jié)果的可靠性，將模擬得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[6,17,23-25]中的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者較吻合。

表5 生物質(zhì)制氫工藝和煤制氫工藝的模擬結(jié)果(摩爾分?jǐn)?shù))Table 5 Simulation results of biomass-to-hydrogen process and coal-to-hydrogen process(mole fraction) %

2 生命周期評(píng)價(jià)

目前，生命周期評(píng)價(jià)(LCA)已被納入ISO14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)，該方法已成為工藝流程設(shè)計(jì)和國(guó)際環(huán)境控制的主要評(píng)價(jià)手段。LCA 的實(shí)施以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 14040,2006)為指導(dǎo)，可以對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的投入、產(chǎn)出和潛在環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。LCA包括目標(biāo)和范圍定義、庫(kù)存分析、影響評(píng)估和解釋4個(gè)方面。

本文主要針對(duì)制氫工藝的環(huán)境評(píng)估，通過(guò)確定制氫過(guò)程的系統(tǒng)邊界和功能單元，收集各階段的能耗以及溫室氣體排放情況，以計(jì)算煤制氫工藝和生物制氫工藝的能源消耗以及溫室氣體排放。

2.1 系統(tǒng)邊界和功能單元

煤制氫和生物質(zhì)制氫生產(chǎn)系統(tǒng)的生命周期邊界如圖3所示。煤制氫系統(tǒng)邊界主要包含3個(gè)子系統(tǒng)：1)煤炭開采、加工和運(yùn)輸(SS1)；2)煤炭預(yù)處理和氣化(SS2)；3)制氫、凈化和輸運(yùn)(SS3)。生物質(zhì)制氫過(guò)程的邊界包含3個(gè)子系統(tǒng)：1)生物質(zhì)秸稈的生產(chǎn)與運(yùn)輸(SS1)；2) 秸稈預(yù)處理和氣化(SS2)；3)制氫、凈化和輸運(yùn)(SS3)。本文主要考慮子系統(tǒng)的碳排放、碳排放過(guò)程中的生命周期能耗以及溫室氣體排放，其中，系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)的主要能量輸入包括煤炭、柴油、電力等，溫室氣體主要考慮CO2，N2O和CH4的排放。

圖3 系統(tǒng)生命周期邊界Fig.3 Life cycle boundary of system

功能單元是生命周期評(píng)價(jià)中定義輸入和輸出的統(tǒng)一單元，其作用是為評(píng)估系統(tǒng)性能提供一定標(biāo)準(zhǔn)。在本研究中，將制氫過(guò)程中每小時(shí)產(chǎn)生的1 004.5 kg氫氣定義為1個(gè)功能單元。

2.2 生命周期能耗

生命周期能耗由所有過(guò)程能源消耗和相應(yīng)的一次化石消費(fèi)因子之和決定[9,26]，其計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。表6 所示為獲得1 MJ 過(guò)程能源需要消耗的化石能源。

表6 獲得1 MJ過(guò)程能量所消耗的化石能源[9,26]Table 6 Primary fossil energy consumption for obtaining 1 MJ process energy[9,26] MJ

式中：Ψ為生命周期能源消耗；E為過(guò)程能源消耗；P為相應(yīng)的一次化石消費(fèi)因子；i=1，2，…，5，分別對(duì)應(yīng)資源開采和加工、資源運(yùn)輸、氫氣生產(chǎn)、氫氣壓縮凈化和氫氣運(yùn)輸過(guò)程；j=1，2，…，6，分別對(duì)應(yīng)過(guò)程能源、煤炭、汽油、柴油、天然氣和電的類型；k=1，2，…，4，分別對(duì)應(yīng)一次能源、煤炭、石油和天然氣的類型。

2.3 生命周期溫室氣體排放

生命周期評(píng)價(jià)中溫室氣體排放考慮了CO2，N2O 和CH4的直接排放與間接排放[3]。其中，直接排放的溫室氣體是指使用化石能源過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體，而間接排放的溫室氣體則是指化石能源的生產(chǎn)加工以及運(yùn)輸過(guò)程中排放的廢氣。結(jié)合表7[9,26]，得到全生命周期溫室氣體排放的計(jì)算方法如下：

表7 CO2，N2O和CH4的直接因子和間接因子[3,27]Table 7 Direct and indirect factors of CO2,CH4 and N2O[3,27]

式中：ωCO2，ωN2O和ωCH4分別為溫室氣體CO2，N2O 和CH4的 排 放 量；μCO2，μN(yùn)2O和μCH4分 別 為CO2，N2O 和CH4的直接排放量；νCO2，νN2O和νCH4分別為溫室氣體CO2，N2O 和CH4的間接排放量；DCO2,j，DN2O,j和DCH4,j分別為CO2，N2O和CH4的直接排放因子；ICO2,j，IN2O,j和ICH4,j分別為CO2，N2O和CH4的間接排放因子。

生命周期溫室氣體排放潛能可用CO2當(dāng)量排放量G表示[27]：

2.4 生命周期清單分析

2.4.1 煤制氫的過(guò)程

1)煤炭開采、加工和運(yùn)輸階段。目前，中國(guó)每年煤炭生產(chǎn)量超過(guò)3.5 億t。近10 年來(lái)，約有25%的煤炭經(jīng)過(guò)加工實(shí)現(xiàn)了清潔開采。根據(jù)文獻(xiàn)[28]，每1 MJ 采煤加工過(guò)程的能源消耗如表8 所示。中國(guó)煤的平均運(yùn)距為600 km，包括鐵路運(yùn)輸500 km和汽車公路運(yùn)輸100 km，煤炭運(yùn)輸過(guò)程的驅(qū)動(dòng)能源主要為柴油、汽油和電力，氫運(yùn)輸距離為長(zhǎng)途公路300 km。各運(yùn)輸方式的能源強(qiáng)度如表9所示。

表8 資源提取加工、制氫、制氫壓縮機(jī)的能耗Table 8 Energy consumptionin process of resourceextraction,hydrogenproductionandhydrogenproductioncompressor

表9 資源運(yùn)輸和氫運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸距離和能量強(qiáng)度Table 9 Transportation distance and energy intensity of resource transportation and hydrogen transportation

2) 制氫階段。CTH-SS2 中每小時(shí)可制氫1 004.5 kg，消耗6 430 kg 煤炭。煤炭的低熱值為22.2 MJ·kg-1，故煤制氫工藝中制氫階段的過(guò)程能耗為14 2746 MJ。在此階段，煤炭不僅是生產(chǎn)氫氣的原材料，同時(shí)也用于蒸汽以及電力生產(chǎn)。在CTH-SS2 中，溫室氣體的主要來(lái)源是生產(chǎn)過(guò)程中的尾氣直接排放。煙道內(nèi)每小時(shí)可排放CO2尾氣13 794.3 kg。根據(jù)工藝原理，煙道內(nèi)幾乎不存在N2O和CH4，因此，本系統(tǒng)不予考慮。

3)氫氣凈化及輸送階段。高純度(99.97%)氫氣主要由變壓吸附裝置生產(chǎn)，其生產(chǎn)能力為1 004.5 kg/h。氫壓縮過(guò)程中消耗電力1.52 MW，其中，0.86 MW 的電力副產(chǎn)品氫能可用于氫壓縮機(jī)組(見(jiàn)表10)，所以，僅需要耗電0.66 MW(即2 380.7 MJ·h-1)，如表8 所示(假定公路汽車輸運(yùn)氫的距離為300 km)。

表10 制氫工藝的關(guān)鍵參數(shù)Table 10 Key parameters for hydrogen production process

2.4.2 生物制氫過(guò)程

1)秸稈的生產(chǎn)與運(yùn)輸階段。中國(guó)秸稈資源十分豐富，每年的秸稈產(chǎn)量將近10 t。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，每采掘加工1 MJ 玉米秸稈的工藝能耗如表8 所示。本文中，玉米秸稈的平均傳輸距離為汽車公路運(yùn)輸100 km及鐵路運(yùn)輸500 km，與煤炭的平均傳輸距離相同，均為600 km。也就是說(shuō)，生物質(zhì)制氫過(guò)程與煤制氫過(guò)程的驅(qū)動(dòng)能量相等。

2) 制氫階段。BTH-SS2 中每小時(shí)可制氫氣1 004.5 kg，消耗10 990 kg 生物質(zhì)秸稈。而此生物質(zhì)原料的低熱值為14.1 MJ·kg-1，因此，能源消耗為154 959 MJ，見(jiàn)表8。從圖2 可知，制氫階段中尾氣的直接排放造成了大量的溫室氣體排放，煙道內(nèi)尾氣CO2每小時(shí)排放量為23 576.9 kg(見(jiàn)表10)。與煤制氫過(guò)程相同，煙道內(nèi)基本不存在N2O和CH4，因此，在本分系統(tǒng)中不考慮。

3)氫氣凈化運(yùn)輸階段。高純度(99.96%)氫氣由變壓吸附裝置生產(chǎn)，其質(zhì)量為1 004.5 kg。氫壓縮過(guò)程消耗電1.52 MW，額外的0.86 MW 電力的副產(chǎn)品氫可用于氫壓縮機(jī)組(表10)，只有0.66 MW(即2 380.7 MJ·h-1)電需要購(gòu)買(見(jiàn)表8，同樣假定氫的公路傳輸距離為300 km)。

3 結(jié)果與討論

3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1.1 設(shè)備投資總額

總資本投資包括直接投資與間接投資、流動(dòng)運(yùn)營(yíng)投資與固定資本投資[29]，其中，流動(dòng)運(yùn)營(yíng)投資用于維持日常運(yùn)營(yíng)，固定資本投資為工廠設(shè)備費(fèi)用。這2種制氫系統(tǒng)所需的設(shè)備投資計(jì)算式為

式中：I1為參比系統(tǒng)設(shè)備投資；I2為現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備投資；Q1為參比系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模；Q2為現(xiàn)有系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模；n為規(guī)模指數(shù)，本文中，n取定值0.6；θ為區(qū)域因子。其中，參比系統(tǒng)的設(shè)備投資和規(guī)模值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[25,30-31]。

制氫過(guò)程的總投資資本根據(jù)下式計(jì)算：

式中：ψ為總投資資本；κ為設(shè)備投資；R為比率因子；l為投資的組成部分。

利用式(7)計(jì)算得到煤制氫過(guò)程與生物質(zhì)制氫過(guò)程的總投資資本，如圖4所示。生物質(zhì)制氫流程的總投資資本為1.2×109元，煤制氫流程的總投資資本為9.5×108元，兩者總投資資本具有一定可比性。對(duì)于同樣規(guī)模的氣化爐，生物質(zhì)制氫工藝的投資資本約為煤制氫工藝投資資本的1.2倍。這主要是由于，一方面，生物質(zhì)制氫工藝與煤制氫工藝相比原材料的消耗更大，另一方面，生物質(zhì)制氫工藝中氣化爐的體積更大。所以，當(dāng)生物質(zhì)制氫工藝和煤制氫工藝的生產(chǎn)能力相同時(shí)，前者的總投資資本為后者的1.2倍。

圖4 生物質(zhì)制氫工藝和煤制氫工藝總投資資本Fig.4 Total capital investment in biomass-to-hydrogen and coal-to-hydrogen

3.1.2 生產(chǎn)成本

公用工程成本和原料成本是生產(chǎn)成本的主要組成部分。計(jì)算生產(chǎn)成本的部分假設(shè)見(jiàn)表11[30]。假定時(shí)間為25 a，殘值為4%，采用直線法計(jì)算折舊成本。生產(chǎn)成本的計(jì)算式為

表11 生產(chǎn)成本計(jì)算的假設(shè)[26,28]Table 11 Assumptions of production cost calculation[26,28]

式中：CR為原材料成本；CO為運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本；CU為公用事業(yè)成本；CP為工廠間接成本；CD為折舊成本；CA為管理成本；CS為銷售和分銷成本。

將計(jì)算得到的生產(chǎn)成本進(jìn)行進(jìn)一步分解，如圖5 所示。1 m3生物質(zhì)制氫工藝生產(chǎn)成本為0.306元，而煤制氫工藝的生產(chǎn)成本為0.370元，前者的生產(chǎn)成本比后者低17.3%。從圖5 可知：原材料成本、設(shè)備費(fèi)和折舊費(fèi)在生產(chǎn)成本中占比較高。在生物質(zhì)制氫過(guò)程中，原材料消耗占比最大，為總生產(chǎn)成本的44.7%，其次是折舊和設(shè)備費(fèi)，分別占20.2%和17.8%。盡管原料消耗大，但由于生物質(zhì)價(jià)格低廉，因此，生物質(zhì)制氫生產(chǎn)成本仍較低。同樣地，在煤制氫工藝中，原材料消耗占總生產(chǎn)成本的51.4%；其次是設(shè)備費(fèi)，占總生產(chǎn)成本的22.0%，而折舊費(fèi)所占比例為13.6%。

圖5 生物質(zhì)制氫工藝和煤制氫工藝的生產(chǎn)成本Fig.5 Production cost of biomass-to-hydrogen and coalto-hydrogen

生物質(zhì)制氫和煤制氫工藝的生產(chǎn)成本之比根據(jù)式(9)計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。圖6中，橫坐標(biāo)為煤炭?jī)r(jià)格，從200元/t到1 200 元/t不等。生物質(zhì)價(jià)格從100 元/t 到800 元/t 不等，對(duì)生物質(zhì)荷煤炭的成本進(jìn)行分析。圖6中水平虛線表示生物質(zhì)制氫的生產(chǎn)成本等于煤制氫的生產(chǎn)成本。在虛線以上，生物質(zhì)制氫的生產(chǎn)成本高于煤制氫生產(chǎn)成率；在虛線以下，煤制氫的生產(chǎn)成本高于生物質(zhì)制氫生產(chǎn)成本。

圖6 生物質(zhì)制氫和煤制氫過(guò)程的生產(chǎn)成本占比分析Fig.6 Production cost ratio analysis of BTH process and CTH process

式中：γ為生產(chǎn)成本的占比；CBTH為生物質(zhì)制氫的生產(chǎn)成本；CCTH為煤制氫的生產(chǎn)成本。

從圖6可以看出，在玉米秸稈等生物質(zhì)產(chǎn)品價(jià)格不變的正常情況下，生產(chǎn)成本的占比會(huì)隨著煤炭等化石燃料產(chǎn)品價(jià)格的持續(xù)上漲而大幅增加。但在煤炭等化石燃料的產(chǎn)品價(jià)格不變的正常情況下，生產(chǎn)成本的占比卻隨著玉米秸稈等生物質(zhì)原燃料價(jià)格的上漲而降低，這意味著生物質(zhì)價(jià)格的進(jìn)一步上漲減少了生物質(zhì)制氫和煤制氫之間的生產(chǎn)成本差距。隨著原料價(jià)格的變化，生物質(zhì)制氫工藝的波動(dòng)小于煤制氫工藝的波動(dòng)。結(jié)果表明，在較低的原料價(jià)格下，生物質(zhì)制氫和煤制氫工藝的經(jīng)濟(jì)性能沒(méi)有顯著差異。然而，在原材料價(jià)格較高的情況下，經(jīng)濟(jì)性能會(huì)有很大的不同。因此，可以得出這樣的結(jié)論：生物質(zhì)制氫過(guò)程在抗價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)方面比煤制氫過(guò)程具有更好的性能。

3.1.3 碳稅

在不同碳稅價(jià)格下，生物質(zhì)和煤炭的價(jià)格如圖7 所示，其中，橫坐標(biāo)為生物質(zhì)價(jià)格，從100 元/t到400 元/t不等，碳稅從0 元/t到600 元/t不等；縱坐標(biāo)為煤炭?jī)r(jià)格，從0 元/t 到700 元/t 不等。煤制氫過(guò)程的煤炭?jī)r(jià)格隨著碳稅增加而降低?？紤]到生物質(zhì)在整個(gè)生命周期中的二氧化碳平衡，生物質(zhì)價(jià)格不會(huì)隨著碳稅的變化而發(fā)生顯著變化，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)屬于碳中性的能源，所以，生物質(zhì)能源的大量使用不會(huì)向大氣中排放額外的碳，并且煤制氫工藝比生物質(zhì)制氫工藝產(chǎn)生的溫室氣體更多，因此，在考慮碳稅的市場(chǎng)中，生物質(zhì)制氫過(guò)程顯示出更好的性能。

圖7 不同碳稅條件下生物質(zhì)和煤炭的相關(guān)價(jià)格Fig.7 Related price of biomass and coal under conditions with various carbon tax

3.1.4 能效分析

以年產(chǎn)1.8×108m3的煤制氫和生物質(zhì)制氫工藝為基礎(chǔ)，通過(guò)模擬計(jì)算，得到原料和公用工程的消耗量。根據(jù)這些類型消耗的較低熱值，可通過(guò)下式計(jì)算過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換效率：

式中：η為能量轉(zhuǎn)換效率；VH2為產(chǎn)出氫氣的低位熱值；VE為產(chǎn)電量；Vr為輸入原料的低位熱值。

生物質(zhì)制氫工藝的能量流如圖8 所示。從圖8可見(jiàn)：空分單元(ASU)、生物質(zhì)預(yù)處理裝置(BPU)、氣化單元(GU)、水煤氣變換單元(WGSU)、酸性氣體脫除單元(RU)、變壓吸附單元(PSAU)、克勞斯單元(CU)和燃?xì)夂驼羝麥u輪機(jī)單元(GSTU)的能量效率分別為58.00%，97.37%，64.60%，90.60%，95.80%，98.80%，45.20%和88.62%。煤制氫的能量流程圖如圖9 所示。從圖9 可見(jiàn)：空分單元(ASU)、氣化單元(GU)、水煤氣變換單元(WGSU)、酸性氣體脫除單元(RU)、變壓吸附單元(PSAU)、克勞斯單元(CU)和燃?xì)夂驼羝麥u輪機(jī)單元(GSTU)的能量效率分別為57.70%，68.90%，91.90%，96.40%，98.90%，52.20%和88.80%。

圖8 生物質(zhì)制氫工藝的能流圖Fig.8 Energy flowchart of biomass to hydrogen process

圖9 煤制氫工藝的能流圖Fig.9 Energy flowchart of coal to hydrogen process

3.2 生命周期評(píng)價(jià)分析

3.2.1 生命周期能源消耗

根據(jù)表5、表7 和表8，由式(1)計(jì)算得到煤制氫過(guò)程與生物質(zhì)制氫過(guò)程的生命周期能耗。煤制氫過(guò)程每功能單元中的能源消費(fèi)總量為4.78×1011J，生物質(zhì)制氫過(guò)程為1.18×1011J。對(duì)煤制氫過(guò)程與生物質(zhì)制氫過(guò)程不同階段的生命周期能耗進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10 所示。從圖10 可見(jiàn)：對(duì)于煤制氫工藝，其制氫能力為1 004.5 kg·h-1，煤炭的開采與運(yùn)輸階段每生產(chǎn)1 004.5 kg氫氣的全生命周期能耗為1.83×1011J；而對(duì)于同樣的制氫能力，生物質(zhì)制氫工藝中秸稈生產(chǎn)與運(yùn)輸階段的生命周期能源消耗為5.82×1010J。故在煤制氫工藝的第一階段需要6 430 kg煤炭，而生物質(zhì)制氫工藝的第一階段需要10 990 kg 玉米秸稈。由于采煤與加工煤過(guò)程較復(fù)雜，消耗能量較多，而生物質(zhì)(玉米秸稈)的生產(chǎn)與加工較簡(jiǎn)單，不需要消耗大量能量，這使得煤制氫過(guò)程所獲原材料質(zhì)量較生物質(zhì)制氫過(guò)程低41.5%，而能源消耗比生物質(zhì)制氫工藝高2.15倍。

對(duì)于同樣的運(yùn)輸距離，煤制氫過(guò)程和生物質(zhì)制氫過(guò)程在資源運(yùn)輸階段和輸送階段每生產(chǎn)1 004.5 kg氫氣的生命周期能耗分別為6.34×109J和1.86×109J。從圖10 可以看出，在制氫階段，兩者有所不同，煤制氫過(guò)程全生命周期能耗為3.23×1010J，而生物質(zhì)制氫過(guò)程則為3.07×1010J。產(chǎn)生這一差異的原因主要是氣化過(guò)程消耗了大量能量如蒸汽、煤炭和電力。

從圖6 可見(jiàn)煤制氫工藝在氫氣凈化階段生產(chǎn)1 004.5 kg 氫氣的生命周期能耗為2.63×1011J，而從圖10 可知生物質(zhì)制氫工藝該階段的生命周期能耗為2.88×1010J。由于分離和凈化過(guò)程對(duì)電力、蒸汽等能量的需求較大，而這些能量主要由化石能源提供，因此，制氫過(guò)程投入階段主要為資源生產(chǎn)加工以及氫氣凈化和運(yùn)輸(見(jiàn)圖6)。

圖10 生命周期能耗分布Fig.10 Life cycle energy consumption distribution

3.2.2 生命周期溫室氣體排放

對(duì)煤制氫過(guò)程與生物質(zhì)制氫過(guò)程生命周期進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)表6～8，利用式(2)～(5)對(duì)過(guò)程中溫室氣體排放進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖11 所示。從圖11可見(jiàn)：對(duì)于1個(gè)功能單元來(lái)說(shuō)，在煤制氫過(guò)程中煤炭開采和運(yùn)輸階段排放的CO2溫室氣體為12.15 t，而生物質(zhì)制氫過(guò)程中秸稈生產(chǎn)和運(yùn)輸階段排放的CO2溫室氣體為2.13 t。對(duì)于同樣的運(yùn)輸距離，兩者在資源運(yùn)輸階段排放的生命周期CO2溫室氣體均為0.18 t，氫氣運(yùn)輸階段排放的CO2溫室氣體均為0.066 t。

圖11 生命周期溫室氣體排放Fig.11 Life cycle greenhouse gas emissions

在制氫階段，煤制氫過(guò)程與生物質(zhì)制氫過(guò)程產(chǎn)生的全生命周期CO2溫室氣體排放為31.57 t 和1.71 t。在氫氣凈化階段，煤制氫過(guò)程產(chǎn)生的CO2溫室氣體排放為8.37 t，而生物質(zhì)制氫過(guò)程為1.57 t。結(jié)合前面生命周期能耗分析可知，由于此階段中氫氣分離和純化過(guò)程需要消耗大量化石能源，會(huì)導(dǎo)致潛在的溫室氣體排放。從圖11 可以看出，全生命周期溫室氣體排放主要來(lái)源于資源加工、生產(chǎn)運(yùn)輸和制氫階段。

4 結(jié)論

1)從總投資、生產(chǎn)成本等方面進(jìn)行了績(jī)效比較分析，生物質(zhì)制氫法的總成本低于煤制氫法的總成本。隨著生物質(zhì)價(jià)格的進(jìn)一步提高，生物質(zhì)制氫和煤制氫的生產(chǎn)成本差距將加大。

2)生物質(zhì)制氫過(guò)程的溫室氣體排放量相比煤制氫過(guò)程的排放量較低，而煤制氫過(guò)程的生命周期能耗相比生物質(zhì)制氫過(guò)程的生命周期能耗高2.15倍。對(duì)比煤制氫和生物質(zhì)制氫過(guò)程在生命周期中的能耗和溫室氣體排放結(jié)果，生物質(zhì)制氫過(guò)程對(duì)于實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和解決能源危機(jī)具有重要的指導(dǎo)意義。

3)總體來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)制氫過(guò)程將在未來(lái)能源系統(tǒng)發(fā)展中發(fā)揮重大作用，對(duì)生物制氫和煤制氫這2種工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和評(píng)價(jià)對(duì)提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。