生物質能產品生命周期內能耗與排放測算

趙 濤，張國晨，林 濤

(天津大學 管理與經濟學部，天津 300072)

1 生物質能產品生產系統分析

目前生物質能產品種類日趨多樣化，其主要產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生物質能公司為例進行分析研究。

圖1 NMJ公司生物質能產品生產系統示意圖

從圖1可知，NMJ生產系統具有如下特點：

（1）原料的充分利用。在生產過程中對原料果實、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、適應性強等特點，其果實是生產生物柴油的主要投入原料；其枝條可以經過處理提煉出木質纖維素，作為燃料乙醇的生產原料，也可以將其直接燃燒用于熱電聯產系統進行發電及生產用熱的；文冠果葉可以銷售給茶葉生產商家，經其加工生產成茶葉。

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

（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過程均會有廢渣和廢液的排出，這些廢渣和廢液都要經過污水處理系統，凈化后中水回用，實現了公司內的水循環。生物甲醇的生產過程會有熱量的釋放，這種廢熱會被熱電聯產系統利用，同時通過秸稈燃燒，產生蒸汽和發電。公司的熱用戶主要是燃料乙醇制取系統和生物甲醇制取系統的生產用汽，所有生產用電用戶為整個公司。本文將生物質能產品的生命周期分為原料生產、原料收儲運、生物質能源制取和產品運輸與使用四個階段，在此基礎上進行能耗與排放測算。

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）微藻藻種為某境內的淡水湖、河流、水塘的小球藻；（2）培養器皿為光能自養型全封閉式反應器，進行循環生產；（3）每臺光反應器產50噸/晝夜懸浮液，含干物質1.5公斤/噸，出油量54%，每年工作按300天計算，產油量為50*1.5*54%*300=12150KG/年=12.15噸/年。全線共10臺，所以每年生物柴油產量約為120噸；（4）微藻生產過程中有CO2的吸收，并伴隨微藻的光合作用產生O2。在微藻生物柴油生命周期的各個階段均有CO2和少量其它氣體排放。本文對每產生1噸生物柴油的能耗及排放進行測算和分析，每年微藻制備生物柴油生命周期四個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

通過對每年單臺全封閉光反應系統生產的薇藻可制成12.15噸柴油的全生命周期的能源消耗及排放分析，根據各種能源的標準煤轉化系數和排放系數（表2），可測算1噸生物柴油生命周期內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）秸稈屬于其農作物收獲子實后的農林廢棄物，中國農作物秸稈產量約為7億t/a[3]，所以在其獲取階段忽略能源消耗；（2）采用化學合成技術，乙醇產量達到223kg/t。所以每產生1噸燃料乙醇需要約5噸秸稈。在秸稈收取階段，秸稈作為農林廢棄物，可以忽略此階段能源消耗與排放測算。在秸稈運輸階段，能源消耗主要考慮將秸稈運至工廠所消耗的運輸車輛的石化能源消耗和排放。取將秸稈運至工廠的平均運輸半徑為50km，單車運量為8噸，油耗為35L/100KM。故運輸秸稈所消耗的汽油的質量為50*2*0.35*0.725=25.375KG，在燃料乙醇制取階段，NMJ公司采用化學合成技術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。在燃料乙醇運輸與使用階段，取工廠到消費地的運輸半徑為300km，故耗油量=0.0706*300*2*0.72=0.031t。

表2 各種能源的標準煤轉化系數和排放系數

表3 每噸微藻制生物柴油生命周期內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排放量最大的環節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，預處理過程消耗能源較多，化學試劑的投入過大，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?；緱l件為：（1）秸稈作為農林廢棄物，所以忽略獲取秸稈所消耗的能源；（2）最終產品生物甲醇用于生物柴油的生產，其使用階段的能源消耗和排放已在生物柴油部分計算。故在此只考慮秸稈運輸階段和生物甲醇制取階段的能源消耗與排放。

在秸稈運輸階段，以秸稈為原料，利用氣化方法合成生物甲醇，甲醇產量約為35%[4]，故生產1t生物甲醇需要2.86t秸稈。根據秸稈制燃料乙醇部分的敘述，可得該階段消耗汽油的質量為50*2*0.35*0.725=25.375KG。在生物甲醇制取階段，該公司甲醇生產過程需要粉碎設備，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過程中采用的粉碎裝置型號相同。生產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排放的環節是制取階段。這主要是由于粉碎設備和氣化鍋爐消耗能源；運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際情況決定的，因為該公司生產的生物甲醇主要用于生物柴油的生產，其使用過程的排放物已在生物柴油生命周期內計算。

表5 每噸生物甲醇生命周期內能源消耗以及排放情況

5 結論

本文將生物質能產品的生命周期分為四個階段：原料生產、原料收儲運、生物質能源制取和產品運輸與使用，對微藻制生物柴油、秸稈制燃料乙醇、秸稈制甲醇三種產品的生產過程的能源消耗和排放物進行測算，通過對各個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，為企業節能減排提供測算依據。

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

[2]李仲來.氫氣的制取及化工應用[J].小氮肥設計技術,2004,25(4).

[3]馬晶，張鑒達，申哲民.秸稈生產燃料乙醇的研究發展[J].環境監控與預警，2010,2(3).

[4]郭昌倫.乙醇汽油汽車燃料消耗量的計算[J].經驗交流，2011.(457).