生物質氣化系統的烔用值分析

張曉燕 楊晴 李佳碩 魏智宇 楊海平 陳漢平

摘要基于生態熱力學的最新進展，首次采用烔用值理論方法研究生物質氣化系統。以江蘇鹽城某20 MW生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電工程為研究案例，采用烔用值分析理論對其生態環境效益進行綜合評價，并計算了系統的烔用值評價指標，與風力發電系統、太陽能熱力發電系統、玉米酒精生產系統和沼氣綜合利用系統這幾個典型的可再生能源轉化利用系統進行對比分析。結果表明，生物質氣化系統的烔用值總輸入為1.04E+15 Jc/a，烔用值轉換率為2.64 Jc/J。人力勞務是生物質氣化系統烔用值投入的主要部分，占總烔用值投入的8604%。生物質氣化系統與其他可再生能源系統類似，都主要依賴于外購的資源，但對可再生資源的利用較高，具有較好的發展持續性和生態環境效益。

關鍵詞生物質氣化；烔用值分析；生態環境效益；可持續發展

中圖分類號S216文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）17-0184-06

AbstractBased on the latest progress of ecological thermodynamics， the exergy theory was firstly used to study biomass gasification system. With a 20 MW biomass gasification gas steam combined cycle power generation project in Yancheng City， Jiangsu Province as study case， the ecological environment benefits was comprehensively analyzed. The exergybased indicators of the biomass gasification system was calculated and compared with other renewable exergy conversion systems including wind power generation system， solar thermal power generation system， cornethanol production system and biogas system. The results showed that the total exergy inputs of the biomass gasification system is calculated to be 1.04E+15 Jc/a， and exergy conversion rate is 2.64 Jc/J. Labor inputs are the main contributor to total exergy inputs， taking up 8604%. Similar to other renewable exergy conversion systems， biomass gasification system is mainly supported by exergy purchased from outside. But it has advantages in sustainable development and ecoenvironmental benefits.

Key wordsBiomass gasification；Exergy analysis；Ecoenvironmental benefits；Sustainable development

基金項目國家自然科學基金項目（51576087，51376076）。

作者簡介張曉燕（1992—），女，山東鄒城人，碩士研究生，研究方向：生物質熱化學轉化系統的生態熱力學。*通訊作者，副教授，博士，從事可再生能源系統評價與優化研究。

收稿日期2017-03-17

我國作為一個農業大國，生物質資源豐富，大力發展清潔、高效的生物質能轉化技術對于我國應對氣候變化和實現低碳化能源發展道路具有重要意義[1]。作為一種重要的生物質能熱轉化利用方式，生物質氣化是在氣化劑存在的條件下，將組成生物質的碳氫化合物轉化為可燃氣體的過程[2-4]，生成的可燃氣既可進一步加工合成一些基礎的化工原料，還可以直接作為燃料進行燃燒或發電[5-7]。

生物質能雖然是可再生能源，但現階段其在轉化利用的過程中會不可避免地消耗化石能源，給環境和生態帶來一定的影響。國內外很多學者對生物質能利用技術的全生命周期環境影響進行分析研究，多集中在能源消耗強度和溫室氣體排放核算這兩方面[8-15]。在系統生態學研究方面，能值理論和方法將生態經濟系統內流動和儲存的各種不同類別的能量和物質轉換為統一標準的太陽能值，可以從復合系統角度對給定能源系統的環境負擔、可持續性、生態友好性等方面進行定量分析和評價[16-17]。楊晴[18]、韓菲等[19]與羅玉和等[20-21]對燃料乙醇生產系統、生物質熱解多聯產系統以及生物質氣化發電系統進行能值分析，并計算了其能值評價指標；李欣等[22]對2種秸稈能源利用方式進行了能值分析和對比評價。然而能值理論基于熱力學第一定律，無法從根本上消除重復計算的問題[23]，而且在能值轉化率的計算、反映經濟社會的發展需求等方面也受到一些學者的質疑[24-27]。

烔用值分析是基于熱力學第二定律的系統分析方法，其在能值分析的理論框架上進行了提升，從源頭克服了能值分析重復計算的問題，由北京大學陳國謙教授首次提出[23]，并應用到我國農業生態經濟系統的評估[28]、國民經濟的生態要素核算[29]、水質的測定[30]及濕地的生態評估[31]等方面。此外，姜昧茗[32]采用烔用值理論研究城市系統演化機理，對我國典型城市資源烔用耗進行了歷史核算和預測；季曦[25]以北京為案例，將基于烔用值理論的網絡核算、系統生態模擬和調控應用于實際的城市生態系統分析和管理。在對具體的生態系統的分析研究中，楊晴[18]在其博士論文中嘗試將烔用值分析引入到具體的能源系統研究中去，以分析具體能源系統生態代價和負擔；Wu等[33]和Ling Shao等[27]采用體現宇宙烔用分析的方法，分別對我國的一個沼氣系統和人工濕地污水處理系統進行了可再生性評估。但目前對生物質氣化系統的烔用值方面的分析研究尚少見。

為了從系統生態學角度客觀評估生物質氣化系統的綜合生態環境效益，筆者以江蘇鹽城的某20 MW生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電工程為研究案例，采用烔用值分析理論對生物質氣化系統進行分析研究。

1研究案例與方法

1.1生物質氣化系統概況

該試驗所研究的20 MW生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電工程位于江蘇省鹽城市所屬的建湖縣境內，該地區生物質資源豐富，有大量農林廢棄物，稻殼、稻草及混合材料可作為該項目的生物質原料。該項目采用生物質氣化發電技術，總裝機規模為20 MW，包括36臺500 kW燃氣內燃機組，4臺500 kW螺桿膨脹發電機組，4臺4 MW流化床氣化爐以及4臺9.5 t/h飽和汽余熱鍋爐。總投資1.84億元，施工期1.5 a，運行壽命20 a。如圖1所示，在生物質氣化發電系統中，首先將生物質粗燃料通過秸稈粉碎機破碎，與成品燃料一起進入卸料坑，然后經過螺旋給料機和輸送機進入爐前料倉。隨后生物質原料在流化床氣化爐中進行氣化反應，生成的氣化氣進入旋風分離器，氣體中攜帶的顆粒經旋風分離器分離后由分離器下部料腿將固體顆粒返回流化床，重新進行氣化反應。燃氣則由分離器上部出口進入后部的兩級噴淋塔和兩級文氏塔等凈化裝置，進行除塵、除灰等凈化過程，然后通過電捕焦器進一步除去焦油后進入氣柜儲存。在一定的輸氣壓力下，燃氣被輸送到內燃機做功，排放的尾氣經余熱鍋爐進行余熱回收，生成的飽和蒸汽通過管路進入螺桿膨脹機做功。項目年利用生物質超過18萬t，可增加農民收入近1 800萬元；年發電量約12×107 kW·h，具有較好的經濟效益。由于可以利用氣化發電系統的余熱蒸汽，綜合效益更加顯著，同時還可減輕秸稈焚燒對環境的污染。

1.2研究方法

烔用（Exergy，Ex）這一術語由Rant在1956年首次提出，是指系統在與周圍環境達到平衡過程中所能做的最大功[34]，定義如下：

式中，T0指的是環境的熱力學溫度；Stoteq是系統在熱平衡下的熵；Stot是系統的熵。它體現了熱力學第二定律的核心概念，是能量“質”和“量”2個屬性的統一[18]。基于烔用的分析方法起初用于熱力學系統，隨后被拓展到熱經濟學系統。Szargut[35-37]提出積累烔用（Cumulative Exergy Consumption，CExC）的概念，主要用于衡量工業過程中產品制造所消耗的不可再生自然資源。Sciubba[38-39]通過將勞動力、資本和環境成本等考慮在內，對積累烔用概念進行了拓展，提出了拓展烔用（Extended Exergy）的概念。在自然生態系統領域，Jrgensen等[40-42]提出生態烔用的概念，作為生態系統健康和可持續發展的表征因子，因烔用具有“資源”“緩沖能力”和“環境影響”三位一體的角色，在資源核算、生態模擬和污染物環境影響評估方面受到很多學者的重視。

通過對能值方法和積累烔用理論的綜合，Chen[23]提出了多尺度的基于體現宇宙烔用概念的烔用值理論，認為地球生態系統賴以生存的動力是宇宙烔用（Cosmic Exergy），而不是狹隘的太陽能值，烔用值是形成某項產品或服務直接和間接投入的宇宙烔用總量。宇宙烔用可以定義為作為輻射熱機的地球系統在以太陽輻射為高溫熱源和以宇宙微波背景輻射為低溫熱源之間達到平衡過程所能達到的最大的功[23]。由于過程的不可逆性，烔用總是被消耗的，非能量一樣永遠守恒。而社會的所有真實活動都是不可逆的，因此烔用是維持社會-經濟-生態復雜系統所消耗的真正資源，不同于能值，它具有可加性，而且不會被重復計算[33]。

基于生態熱力學的最新進展——烔用值理論，筆者對生物質氣化系統的烔用值分析，主要分為以下幾個步驟：

（1）確定生物質氣化系統的系統邊界，根據烔用路語言繪制系統示意圖，烔用路語言由Chen等[23，32，43-45]在Odum的能路語言的基礎上發展而來。生物質氣化系統的烔用值流動圖如圖2所示。

（2）根據生物質氣化系統的特性，將相同類別的烔用值輸入歸類，使生物質氣化系統的烔用值系統圖簡化為圖3。其中，Ires代表本地可利用的免費資源，由免費可再生資源Iresr和不可再生資源Iresu組成；Ieco表示系統從外界購入的商品和服務，也分為可再生部分Iecor與不可再生部分Iecou；EI代表系統對環境輸出的環境影響；Ienv代表虛擬的環境投入；Y代表系統產出的成品電力。

（3）最后計算出生物質氣化系統的烔用值綜合評價指標，各指標的定義及解釋如下：

①烔用值總消耗（U）。

②凈烔用值產量比（Iceo/Y）。凈烔用值產量比是衡量資源使用方式或經濟生產方式是否具備經濟性的指標。比值小于1，則說明系統生產過程中產出的烔用值大于經濟購買的烔用值（外購化石燃料和其他商品勞務等），即系統生產具有一定的經濟效益。但該指標只能描述系統的經濟效益，系統的生產效率還要結合其他指標，考慮其他方面的烔用值消耗。

③烔用值投資比（Iresu+Iecou）/（Iresr+Iecor）。一個經濟系統要具備競爭力，必須有合理的資源利用結構。烔用值投資比是指免費、低品質的可再生資源和購買的高品質資源之比，它必須是合理的配比。如果一個可再生能源轉換系統主要依賴不可再生資源，烔用值投資比則高，其經濟模式穩定性和可持續性都較差，還會對本地的環境造成嚴重的負荷。

④烔用值來源結構。

免費資源烔用值使用量比：Ires/U；

免費可再生烔用值使用量比：Iresr/U；

購入烔用值使用量比：Ieco/U；

購入可再生烔用值使用量比：Iecor/U。

本地免費資源烔用值使用量比和本地可再生烔用值使用量比表明自然可再生資源對本地經濟的貢獻程度；購入烔用值使用量比、購入可再生資源使用量比以及購入勞務烔用值使用量比表示系統的烔用值自給情況或者說是對外來資源的依賴程度。如果過分依賴外來資源，那么發展的穩定性在很大程度上取決于市場的情況，能源市場的動蕩就可能對該可再生能源系統的發展產生很大的影響。

⑤烔用值交易。

烔用值交易是以輸出與輸入的烔用值之比（Y/Ieco）來衡量，該比值可以表征資源交易的公平程度。像農業初級產品、燃料和礦物等產品的貨幣價格只代表了人類種植和開采它們所付出的勞動，并未考慮自然界的投入，因而不能以貨幣來衡量交易的公平性。

⑥自然環境承載力。

自然環境承載力主要由環境影響烔用值比和環境影響與可再生資源烔用值比2個比值來表征。環境影響與總烔用值消耗之比可以說明資源烔用值的有效使用度，其比值越大說明該系統資源使用有效性越差；環境影響與可再生資源烔用值的比值則說明資源消耗結構與環境影響的關系，其值越大，說明可再生資源使用比重越低，則該系統產生量有相對嚴重的環境影響。

2結果與分析

該研究基于烔用值分析方法，對生物質氣化系統進行烔用值核算，評價生物質氣化系統的綜合生態環境效益。根據生物質氣化系統的烔用值流動圖，對生物質氣化系統的生命周期消耗清單（表1）進行綜合衡量，進而計算烔用值指標，通過一系列指標全面分析生物質氣化系統的生態特征，反應系統的烔用值生態特性。

表1列出了生物質氣化系統的烔用值清單。整個生物質氣化系統的烔用值總輸入為1.04E+15 Jc/a，氣化電廠的廠用電率為9%，則系統產出的電力為3.93E+14 J/a，計算可得生物質氣化系統的烔用值轉換率為2.64 Jc/J。由于系統消耗的電力可由自身提供而非外界購入，因此生物質氣化系統的電力消耗不予考慮。生物質氣化系統的各烔用值流占總烔用值投入的百分比如圖4所示，可以看出，系統在運行維護過程中投入的人力與勞務是生物質氣化系統烔用值投入的主要部分，占總烔用值投入的86.04%。這主要是由于生物質氣化技術還不夠成熟，氣化發電效率比較低，工廠自動化水平不高，需要投入大量的人力。因此，生物質氣化系統應充分吸收煤氣化相關的成熟技術，鼓勵關于生物質氣化技術的科學研究，推進生物質氣化技術的改進與優化，提高自動化水平，這不僅可以減少工廠人力與勞務的投入，同時還可以有效減少運行維護過程中的水耗，進一步降低生物質氣化系統的烔用值投入。

根據表2中的數據計算可得：

表2列出了生物質氣化系統的主要烔用值評價指標的計算結果，并且與其他能源轉化利用系統的烔用值評價指標做了簡單對比，由于數據的可得性，該研究只取了風力發電系統、太陽能熱力發電系統、玉米酒精生產系統和沼氣綜合利用系統這4個可再生能源轉化利用系統。

其中，凈烔用值產量比是衡量資源使用方式或經濟生產方式是否具備經濟性的指標，生物質氣化系統的凈烔用值產量比大于1，說明該系統生產過程中經濟購買的烔用值大于自身產出的烔用值，其經濟效益還有待提高。烔用值投資比表示投入系統的不可再生資源與可再生資源之比，體現了系統的資源利用結構的合理性。生物質氣化系統的烔用值投資比不到0.05，說明該系統消耗的不可再生資源遠低于可再生資源，而風力發電系統、太陽能熱力發電系統、玉米酒精生產系統和沼氣綜合利用系統的烔用值投資比均大于1，對于不可再生資源的依賴更強。因此，相對這幾個可再生能源轉化利用系統，生物質氣化系統具有較好的發展可持續性。在烔用值來源結構方面，除了沼氣利用系統，幾個可再生系統的購入烔用值使用量比都非常大，說明它們的運行主要依賴于外來資源，而系統的烔用值自給能力不足，發展的穩定性很大程度上會受到外界能源市場的影響。這主要與系統在原料生產、場地建設、運行維護過程中投入的大量物質和勞動力有關。而沼氣系統的自然資源投入相對較多，因此其免費資源烔用值使用量比高于其他幾個系統。自然環境承載力主要由2個比值來表征，環境影響烔用值比可說明資源烔用值的有效使用度，比值越大說明系統的資源使用有效性越差；而環境影響與可再生資源烔用值比可說明資源消耗結構與環境影響的關系，值越大說明可再生資源的使用比重越低，對環境的影響越大。對于生物質氣化系統、風力發電系統、太陽能熱力發電系統、玉米酒精生產系統和沼氣綜合利用系統，環境影響烔用值比和環境影響與可再生資源烔用值比這2個比值都較低，說明系統對環境造成的影響較小，具有較好的生態環境效益。

綜合來看，生物質氣化系統對外界資源的依賴較大，自身的烔用值自給能力不足，但對于可再生資源烔用值的利用較高，具有較好的發展可持續性和環境友好性。隨著國家對可再生能源發展的重視與鼓勵，加上生物質轉化利用在技術改革、工藝創新、 生產效率上的逐步改進，生物質氣化系統的生態環境效益將越來越好。

3結論

該研究以江蘇鹽城的20 MW生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電工程為研究對象，采用烔用值分析方法對生物質氣化系統的綜合生態經濟效益進行評價。生物質氣化系統將生物質原料轉化為可燃的合成氣，進而用于發電或其他用途。系統年產出電力3.93E+14 J，烔用值轉化率為2.64 Jc/J。人力勞務投入是系統烔用值投入的主要部分，占到了總烔用值投入的86.04%。改進生物質氣化技術，降低人力的消耗是系統優化的關鍵。通過計算烔用值評價指標，并且與風力發電系統、太陽能熱力發電系統、玉米酒精生產系統和沼氣綜合利用系統這幾個典型的可再生能源轉化利用系統對比發現，生物質氣化系統與其他可再生能源系統類似，都主要依賴于外購的資源，但對可再生資源的利用較高，具有較好的發展持續性和生態環境效益。

參考文獻

[1] 國家能源局.生物質能發展“十三五”規劃[Z].2016.

[2] 馬隆龍.生物質氣化技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3] 郭華，祝濤，王吉平.生物質氣化技術的研究進展[J].廣州化工，2014（18）：35-37.

[4] 陳冠益，高文學，顏蓓蓓，等.生物質氣化技術研究現狀與發展[J].煤氣與熱力，2006，26（7）：20-26.

[5] RUIZ J A，JUREZ M C，MORALES M P，et al.Biomass gasification for electricity generation：Review of current technology barriers[J].Renewable & sustainable energy reviews，2013，18（2）：174-183.

[6] LIN Y，TANAKA S.Ethanol fermentation from biomass resources：Current state and prospects[J].Applied microbiology and biotechnology，2006，69（6）：627-642.

[7] KWANT K W.Status of Biomass Gasification in countries participating in the IEA and GasNet activity August 2004[R].2004.

[8] CARDONE M，MAZZONCINI M，MENINI S，et al.Brassica carinata as an alternative oil crop for the production of biodiesel in Italy：Agronomic evaluation，fuel production by transesterification and characterization[J].Biomass & bioenergy，2003，25（6）：623-636.

[9] ACHTEN W M J，ALMEIDA J，FOBELETS V，et al.Life cycle assessment of Jatropha biodiesel as transportation fuel in rural India[J].Applied energy，2010，87（12）：3652-3660.

[10] CHEN H，CHEN G Q.Energy cost of rapeseedbased biodiesel as alternative energy in China[J].Renewable energy，2011，36（5）：1374-1378.

[11] FLECK B，HUOT M.Comparative lifecycle assessment of a small wind turbine for residential offgrid use[J].Renewable energy，2009，34（12）：2688-2696.

[12] YANG H P，YANG Q，HAN F，et al.Comprehensive evaluation of biomass energy technologies in China[J].Journal of technology innovations in renewable Energy，2014，3（3）：85-93.

[13] YANG Q，CHEN G Q.Nonrenewable energy cost of cornethanol in China[J].Energy policy，2012，41（1）：340-347.

[14] YANG Q，HAN F，CHEN Y Q，et al.Greenhouse gas emissions of a biomassbased pyrolysis plant in China[J].Renewable & sustainable energy reviews，2016，53：1580-1590.

[15] 陳德民，柳鋒，楊晴，等.生物質直燃系統的能耗分析和溫室氣體排放[J].太陽能學報，2016，37（3）：553-558.

[16] ODUM H T.Environmental accounting：EMERGY and environmental decision making[J].Child development，1996，42（4）：1187-1201.

[17] 付曉，吳鋼，劉陽.生態學研究中的烔用分析與能值分析理論[J].生態學報，2004，24（11）：2621-2626.

[18] 楊晴.可再生能源的系統生態熱力學核算[D].北京：北京大學，2011.

[19] 韓菲，柳鋒，楊晴，等.生物質熱解多聯產系統的能值分析[J].太陽能學報，2015，36（12）：3060-3065.

[20] 羅玉和，丁力行.生物質直燃發電CDM項目可持續性的能值評價[J].農業工程學報，2009，25（12）：224-227.

[21] 羅玉和，樓波，丁力行.清潔發展機制下生物質氣化發電的能值分析[J].太陽能學報，2010，31（9）：1124-1128.

[22] 李欣，婁世玲，楊麒，等.基于生命周期能值分析的秸稈能源化利用方式的對比評價[J].環境工程學報，2016，10（8）：4607-4614.

[23] CHEN G Q.Exergy consumption of the earth[J].Ecological modelling，2005，184（2/3/4）：363-380.

[24] 黃素逸.能源監測與評價[M].北京：中國電力出版社，2013.

[25] 季曦.生態經濟的熱力學烔用值理論及其在城市系統模擬和調控中的應用[D].北京：北京大學，2008.

[26] 魏勝文，陳先江，張巖，等.能值方法與存在問題分析[J].草業學報，2011，20（2）：270-277.

[27] SHAO L，CHEN G Q.Exergy based renewability assessment：Case study to ecological wastewater treatment[J].Ecological indicators，2015，58：392-401.

[28] CHEN G Q，JIANG M M，YANG Z F，et al.Exergetic assessment for ecological economic system：Chinese agriculture[J].Ecological modelling，2009，220（3）：397-410.

[29] 周江波.國民經濟的體現生態要素核算[D].北京：北京大學，2008.

[30] HUANG L Q，CHEN G Q，ZHANG Y，et al.Exergy as a unified measure of water quality[J].Communications in nonlinear science & numerical simulation，2007，12（5）：663-672.

[31] CHEN Z M，CHEN B，CHEN G Q.Cosmic exergy based ecological assessment for a wetland in Beijing[J].Ecological modelling，2011，222（2）：322-329.

[32] 姜昧茗.城市系統演化的生態熱力學烔用值分析[D].北京：北京大學，2007.

[33] WU X F，CHEN G Q，WU X D，et al.Renewability and sustainability of biogas system：Cosmic exergy based assessment for a case in China[J].Renewable & sustainable energy reviews，2015，51：1509-1524.

[34] WALL G.EXERGYA USEFUL CONCEPT WITHIN RESOURCE ACCOUNTING[R].Gteborg， Sweden ： Institute of Theoretical Physics， Chalmers University of Technology and University of Gteborg，1977.

[35] SZARGUT J.Application of exergy for the calculation of ecological cost[J].Bulletin of the polish academy of sciences，technical sciences，1986，34（7）：475-480.

[36] SZARGUT J.Analysis of cumulative exergy consumption[J].International journal of energy research，1987，11（4）：541-547.

[37] SZARGUT J.Minimization of the consumption of natural resources[J].Bulletin of the polish academy of sciences，technical sciences，1978，26（6）：41-46.

[38] SCIUBBA E.Extended exergy accounting applied to energy recovery from waste：The concept of total recycling[J].Energy，2003，28（13）：1315-1334.

[39] SCIUBBA E，BASTIANONI S，TIEZZI E.Exergy and extended exergy accounting of very large complex systems with an application to the province of Siena，Italy[J].Journal of environmental management，2008，86（2）：372-382.

[40] JRGENSEN S E.Exergy and ecological buffer capacities as measures of ecosystem health[J].Ecosystem health，1995，1（3）：150-160.

[41] JRGENSEN S E.Evolution and exergy[J].Ecological modelling，2007，203（3/4）：490-494.

[42] JRGENSEN S E.Description of aquatic ecosystems development by ecoexergy and exergy destruction[J].Ecological modelling，2007，204（1/2）：22-28.

[43] CHEN G Q.Scarcity of exergy and ecological evaluation based on embodied exergy[J].Communications in nonlinear science & numerical simulation，2006，11（4）：531-552.

[44] 陳彬.生態烔用理論及其在黃河流域生態模擬中的應用[D].北京：北京大學，2004.

[45] CHEN G Q，CHEN Z M.Carbon emissions and resources use by Chinese economy 2007：A 135sector inventory and inputoutput embodiment[J].Communications in nonlinear science & numerical simulation，2010，15（11）：3647-3732.