生物質(zhì)熱解液化技術的生命周期評價

沈 崢 宋遠博 高玉磊 姜繼康 顧敏燕 司慧萍*

(1.同濟大學 新農(nóng)村發(fā)展研究院,上海 201804;2.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

近年來,我國正在諸如氣候變化等世界性議題中扮演愈發(fā)重要的參與者、貢獻者和引領者的角色[1-2]。中華人民共和國財政部在2020年兩會提交的報告[3]中指出,未來我國將持續(xù)推動做好“碳達峰”和“碳中和”工作,繼續(xù)支持全面鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,提升秸稈綜合利用水平。開發(fā)秸稈類生物質(zhì)能利用技術正逐漸成為我國清潔能源的主要發(fā)展方向之一[4]。

近年來,秸稈類生物質(zhì)能開發(fā)技術快速發(fā)展,開發(fā)了生物質(zhì)發(fā)電[5]、制備生物柴油[6]、制備生物質(zhì)燃料[7]、生物質(zhì)產(chǎn)沼氣[8]和生物質(zhì)制氫[9]等多種工藝,在替代化石能源、防止環(huán)境污染和增加經(jīng)濟效益等方面發(fā)揮了積極作用[10]。生物質(zhì)熱解加氫精制汽油和柴油是生物質(zhì)制烴類燃料技術的一種,被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)可再生工藝之一[11]。生物原油組分復雜,難以直接利用,因此需要分質(zhì)轉化或者提煉加工后才能實際使用,其中生物油加氫精制是最普遍的使用方法[12-14]。目前國內(nèi)已經(jīng)有1種生物質(zhì)熱解液化技術路線,能夠?qū)U棄秸稈等生物質(zhì)高效、分質(zhì)轉化為高附加值的生物汽、柴油,極具工業(yè)化潛力。因此,需對該技術的經(jīng)濟性、能源消耗進行科學的定量評價,并明確產(chǎn)品利用及副產(chǎn)物對環(huán)境的影響[15]。

全生命周期評價是一種評估產(chǎn)品全生命周期中能耗、經(jīng)濟和環(huán)境影響的綜合評價方法,自20世紀50年代產(chǎn)生后逐漸運用到環(huán)境、經(jīng)濟和技術等領域[16]。相比歐美國家,我國關于生命周期理論研究起步較晚,進度相對滯后[17]。在可再生能源領域,我國已有研究對生物質(zhì)產(chǎn)沼氣[18]、產(chǎn)燃料乙醇[19]和制取航空煤油[20]等技術進行了不同維度的生命周期評價,但總體上還未形成一套統(tǒng)一、高效的評價框架,不同評價結果間難以進行技術比對[15,21]。本研究擬采用全生命周期評價分析原理,對生物質(zhì)熱解液化技術的生產(chǎn)成本、能源轉化及溫室氣體排放等方面進行評價,為正確評價我國秸稈類生物質(zhì)轉化技術可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 生物質(zhì)熱解液化技術簡介

生物質(zhì)熱解液化技術是生物質(zhì)制烴類燃料技術的一種,是生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下高溫分解生成焦炭、生物油和不凝性氣體的過程[22]。生物質(zhì)熱解液化技術能夠?qū)⒔斩挼鹊推肺坏纳镔|(zhì)(熱值約為12.00～15.00 MJ/kg)轉化成大量高品位的生物油(熱值約為15.00～18.00 MJ/kg),是一種極具發(fā)展前景的生物質(zhì)綜合利用工藝[23-24]。生物質(zhì)熱解液化技術流程見圖1。

圖1 生物質(zhì)熱解液化技術工藝流程Fig.1 Biomass pyrolysis and liquefaction technology process

2 生命周期評價過程

生物質(zhì)熱解液化技術全生命周期評價過程為:首先建立生物質(zhì)熱解液化技術全生命周期評價體系模型,明確本模型內(nèi)的評價指標;其次明確各階段需要統(tǒng)計的能量、經(jīng)濟和環(huán)境數(shù)據(jù),建立評價清單;然后采用指標計算、評價生物質(zhì)熱解液化全生命周期過程的能源效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,指出本工藝在能源、經(jīng)濟和環(huán)境方面的主要影響因素;最終評價秸稈類生物質(zhì)熱解液化轉化技術應用的綜合效益。

2.1 模型建立

本研究的目的是分析生物質(zhì)熱解液化技術在處理廢棄秸稈過程中的經(jīng)濟效益、能源效益和環(huán)境效益,故生物質(zhì)熱解液化技術生命周期體系包括秸稈的收集和運輸、干燥和粉碎、生物質(zhì)熱解、熱解殘渣回用和余熱利用。生物質(zhì)熱解液化技術生命周期模型見圖2。

圖2 生物質(zhì)熱解液化技術生命周期模型Fig.2 Life cycle model of biomass pyrolysis and liquefaction technology

由于本技術較為復雜,為便于研究分析,本研究提出以下假設:

1)不計生產(chǎn)過程中影響較小的間接效應,如廠房建設、設備制造與回收、設備效率和人工等對環(huán)境的影響;由于本技術目的是處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多余的廢棄秸稈,故不考慮農(nóng)作物種植等過程;

2)秸稈考慮收集半徑為10.00 km;

3)生產(chǎn)原料為濕秸稈,含水率35.00%,經(jīng)烘干后含水率下降為約10.00%,稱為“干燥秸稈”;

4)生物質(zhì)干燥和熱解所需熱量由熱解過程中產(chǎn)生的不凝氣再燃燒提供,不凝氣燃燒后的尾氣直接排放到環(huán)境中;

5)本技術涉及到的裝置是秸稈熱解液化加氫裝置,處理秸稈3萬t/a,由合作企業(yè)河南百優(yōu)福生物能源有限公司提供。為了方便統(tǒng)計實際收益,后續(xù)計算均以1.00 t秸稈為單位;

6)本技術最終產(chǎn)物為生物質(zhì)熱解后得到的熱解液和熱解殘渣回用后生產(chǎn)的煙氣凈化材料,不再考慮后續(xù)的熱解液加氫等工藝流程。

2.2 評價指標

1)凈能量與能量產(chǎn)出投入比。凈能量為生物質(zhì)熱解液化產(chǎn)出的產(chǎn)品應用過程所釋放的能量與生物質(zhì)熱解液化的生命周期過程消耗的總能量之差。能量產(chǎn)出投入比為熱解分質(zhì)轉化產(chǎn)出的產(chǎn)品應用過程所釋放的能量與生物質(zhì)熱解液化所消耗的總能量之比:

NE=BE-∑HEi

(1)

(2)

式中:NE為凈能量,MJ/t;BE為生物質(zhì)熱解液熱值,MJ/t;HEi為生物質(zhì)熱解分質(zhì)轉化的生命周期過程中,第i種物質(zhì)的能耗,MJ/t;η為能量產(chǎn)投比。

2)全生命周期成本。生物質(zhì)熱解分質(zhì)轉化系統(tǒng)的生命周期成本(LCC)包括人力成本、維護成本和生產(chǎn)成本等:

LCC=∑Cj-Sf

(3)

式中:LCC為生物質(zhì)熱解分質(zhì)轉化總成本,萬元;Cj為生物質(zhì)熱解分質(zhì)轉化的生命周期過程中第j項目的成本,萬元;Sf為經(jīng)熱解分質(zhì)轉化后所得的各種產(chǎn)品銷售的收入,萬元。

3)溫室氣體CO2當量排放。溫室氣體包含CO2、CH4和N2O,3種溫室氣體的全球增溫潛力系數(shù)分別為1.00、23.00和296.00[25],CO2當量為3種溫室氣體與增溫潛力系數(shù)的乘積:

HFi=∑(HEi·λ)

(4)

式中:HFi為第i種物質(zhì)CO2當量排放,g/MJ;λ為各類能源消耗占總能源能耗的比例。

3 結果與分析

3.1 能量投入及產(chǎn)出

為方便統(tǒng)計生物質(zhì)熱解液化技術各過程的能量投入和產(chǎn)出,特列出各過程的物質(zhì)和能量清單。其中涉及電力、水、堿和汽油的投入,同時伴隨尾氣、廢水堿液、熱解液和煙氣凈化材料的產(chǎn)出(表1)。

表1 生物質(zhì)熱解液化技術各過程輸入和輸出的物質(zhì)及能量清單Table 1 List of materials and energy input and output of biomass pyrolysis and liquefaction technology

經(jīng)計算,生物質(zhì)熱解液化技術能耗總量為2 304.67 MJ,熱能能耗占總能耗的85.93%(圖3)。其中,秸稈干燥和生物質(zhì)熱解是主要耗能過程,其汽油、電能和熱能能耗之和分別占總能耗的31.52%和62.26%,原因在于這2個過程對熱量的需求量較高。

圖3 生物質(zhì)熱解液化技術各過程汽油、 電能和熱能能耗占總能耗的比例Fig.3 Proportion of gasoline, electric energy and thermal energy consumption in the total energy consumption of each process of biomass pyrolysis and liquefaction technology

為使能量效益最大化,本技術將熱解過程中的不凝氣燃燒,利用其燃燒產(chǎn)生的熱能進行余熱利用,剩余的能耗缺口由電能加熱補充。這樣既避免熱解過程中副產(chǎn)物的資源浪費,又節(jié)省電能和工藝運行成本。使用余熱供能的方式,整個技術運行僅需外加能耗324.07 MJ,極大的節(jié)省了能源消耗。

由合作企業(yè)河南百優(yōu)福生物能源有限公司實際測量,本技術生產(chǎn)的熱解液高位熱值(HHV)為15.00～18.00 MJ/kg,典型值為16.00 MJ/kg。經(jīng)計算,生物質(zhì)熱解液化技術的凈能量為6 619.93 MJ/t,能量產(chǎn)出投入比為20.43,產(chǎn)出遠大于投入能量,能源效益較高。

3.2 經(jīng)濟成本

生物質(zhì)熱解液化技術的總成本為555.36 元/t,收入為844.74 元/t,利潤為289.38 元/t(表2)。

表2 生物質(zhì)熱解液化技術各過程的成本及收入Table 2 Cost and income of each process of biomasspyrolysis and liquefaction technology

進一步分析生物質(zhì)熱解液化技術的經(jīng)濟成本結果見圖4。其中堿的投入成本占總成本的比例為20.42%,主要用來處理生物質(zhì)熱解過程中產(chǎn)生的熱解殘渣。處理后得到的熱解液和煙氣凈化材料可作營收。經(jīng)計算并結合表2數(shù)據(jù),銷售利潤率高達52.11%,堿的較高成本投入帶來較高的收益。

圖4 生物質(zhì)熱解液化技術各過程不同 種類成本占總成本的比例Fig.4 Proportion of different kinds of cost in the total cost of biomass pyrolysis and liquefaction technology

3.3 溫室氣體排放

生物質(zhì)熱解液化技術溫室氣體排放主要有3種途徑(圖5)。其中:汽油消耗的氣體和電能消耗的氣體排放信息源于CLCD數(shù)據(jù)庫[26];不凝氣燃燒的氣體組分包括CO2、H2O和空氣,源于實際測量。生物質(zhì)熱解液化技術CO2當量排放為34.10 g/MJ,其中不凝汽燃燒的CO2當量排放為26.00 g/MJ,占總CO2當量排放比例的76.25%;其次是電能消耗,CO2當量排放為8.00 g/MJ;汽油消耗造成的CO2當量排放僅為0.10 g/MJ。

圖5 電能、汽油和不凝氣消耗CO2當量 排放占總CO2當量排放的比例Fig.5 Proportion of CO2 equivalent emissions of electric energy, gasoline and non condensing steam con- sumption in total CO2 equivalent emissions

進一步分析生物質(zhì)熱解液化技術的溫室氣體排放,其中秸稈干燥和生物質(zhì)熱解是部分或全部使用不凝氣燃燒產(chǎn)生的熱能(圖6),因此這2個過程的CO2當量排放根據(jù)使用熱能比例分配。可見生物質(zhì)熱解的溫室氣體排放量最高,為21.66 g/MJ;其次是秸稈干燥,CO2當量排放是9.54 g/MJ。

圖6 生物質(zhì)熱解液化技術各過程的CO2當量排放Fig.6 CO2 equivalent emissions from various processes of biomass pyrolysis and liquefaction technology

為探究生物質(zhì)熱解液化技術在減少溫室氣體排放方面的表現(xiàn),可將其與其他技術的CO2當量排放作比較。有研究表明[27],燃料乙醇帶來的碳排放量為34.00～56.00 g/MJ,生物柴油碳排放量為39.00～76.00 g/MJ。因此,生物質(zhì)熱解液化技術在本生命周期內(nèi)的環(huán)境效益較高。

4 結 論

本研究建立了秸稈類生物質(zhì)生命周期模型,定量分析了生物質(zhì)熱解液化技術運行過程中能源投入、經(jīng)濟成本和溫室氣體排放情況,得出如下結論:

1)生物質(zhì)熱解液化技術處理濕秸稈的凈能量為6 619.93 MJ/t,能量產(chǎn)出投入比為20.43;各類能耗中循環(huán)余熱占比為85.93%,體現(xiàn)了本技術綠色、可循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展理念。

2)生物質(zhì)熱解液化技術處理濕秸稈的總成本約為555.36元/t,總收入844.74元/t,純利潤約為289.38元/t,銷售利潤率達52.11%,經(jīng)濟效益較好。

3)生物質(zhì)熱解液化技術的溫室氣體CO2當量排放為34.10 g/MJ,略低于其他技術,具備較好的溫室氣體減排潛力。

生物質(zhì)熱解液化技術具備一定的能源、經(jīng)濟和環(huán)境效益,是一種可行的廢棄生物質(zhì)再生技術,適宜推廣應用。