PDF《秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价》

第32 卷 增刊

1 农业工程学报Vol.

32 Supp.1

2016 年1月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan.

2016 261 秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价 霍丽丽,赵立欣 ,孟海波,姚宗路,丛宏斌,王冠(农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125) 摘要:为探究秸秆类生物质热解转化生物炭及热解气过程的能源转化过程的效率、经济性及温室气体排放,该文依据 全生命周期评价分析原理,建立秸秆类生物质气炭联产全生命周期 3E(economic,energy and environment)模型,对以 玉米秸秆为原料的生物质气炭联产过程进行全生命周期分析,评价范围从作物种植到生物气炭产物的利用,系统分为玉 米作物种植阶段、秸秆从田间到转化工厂的收储运阶段、生物质气炭转化阶段、生物质气炭应用阶段等

4 个阶段,并对 比分析了横流移动床生物质气炭联产和竖流移动床生物质气炭联产

2 种工艺技术优劣.结果表明,横流移动床生物质气 炭联产的净能量

6 542.2 MJ/t,能量产出投入比为 4.5,其中,居能源消费的前三位的是种植氮肥、种植农机油耗、热解 电耗,分别占总能耗的 30.8%、20.4%、17.2%;

气炭联产转化的总成本 319.4 元/t,其中热解气炭转化阶段成本最高,约 占总成本 34.0%,产品收入 567.6 元/t,纯利润 248.2 元/t;

能源消耗过程的温室气体 CO2 当量排放量 18.05 g/MJ,经生物 炭还田固碳,CO2 当量减排量约为

40 g/MJ.竖流移动床生物质气炭联产技术能源效益较横流略低,但经济效益较高,2 种生物质热解气炭联产技术各具优势,可根据产品应用特点选择最适宜的转化工艺方案.2 种气炭联产技术具有一定的 经济效益,而且均有较大的节能、减少温室气体排放的效益,具有一定的推广应用价值. 关键词:生物质;

秸秆;

温室气体;

排放;

生命周期评价 doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z1.036 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2016)-Supp.1-0261-06 霍丽丽,赵立欣,孟海波,姚宗路,丛宏斌,王冠. 秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价[J]. 农业工程学报,2016, 32(Supp.1):261-266. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z1.036 http://www.tcsae.org Huo Lili, Zhao Lixin, Meng Haibo, Yao Zonglu, Cong Hongbin, Wang Guan. Life cycle assessment analysis for cogeneration of fuel gas and biochar[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.1): 261-266. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z1.036 http://www.tcsae.org

0 引言近年来,秸秆类生物质能开发利用形成了一定规模, 开发了生物质直燃发电、成型燃料和液体燃料等多元化 利用技术,在替代化石能源、促进环境保护、带动农民 增收等方面发挥了积极作用[1] . 但目前仍存在能源转化效 率不高等问题,未来随着秸秆热解气炭联产等生物质多 元产品的转化与利用技术的不断进步,生物质能利用将 逐步从单一产品转向多元化产品利用模式,实现秸秆的 综合高效的梯级循环利用目标. 生物质气炭联产是通过热解过程,在隔绝或少量空 气条件下,利用热能切断生物质大分子中的化学键,生 成气体、液体和固体小分子物质的过程[2-3] .目前,中国 秸秆类生物质气炭联产技术正处于中试转化阶段,包括 固定床生物质热解多联产技术、横流移动床生物质热解 多联产技术、竖流移动床生物质热解多联产技术等[4] .热 收稿日期:2014-12-19 修订日期:2015-03-20 基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201303095-1) ;

中英可持续农业 创新协作网(SAIN) . 作者简介:霍丽丽,女,博士,主要从事生物质能源开发利用研究.北京 农 业部规划设计研究院,100125.Email:[email protected] 通信作者:赵立欣,女,研究员,主要从事农村能源、生物质资源开发利 用研究.北京 农业部规划设计研究院,100125. Email:[email protected] 解后的多种产品综合利用效果已凸显优势,能源利用效 率较好,其产物生物质气可转化为电、生物燃气等,炭 产物可开发能源、炭基肥等不同产品,可替代部分化石 能源,减少 CO2 及污染物的排放,对环境有较好的促进 作用[5-8] . 但是,目前对生物质气炭联产技术的全生命周期经济 性、能源消耗没有科学的定量评价,产品利用及副产物对 环境影响不明确, 如姜志翔利用 SWOT 方法, 对生物炭的 应用进行系统分析,利用全生命周期方法探讨生物炭的固 碳减排潜力,其边界选取从生物质收集开始到生物炭还田 应用为止,缺少对作物生长过程的考虑,且生物炭转化过 程参考均为理论转化数据, 与实际工程数据有一定偏差[9] . 张阿凤研究不同用量的生物炭与肥料配施对农田固碳与 作物产量的影响,定量分析出生物炭施用减低了次年稻麦 轮作生态系统-大气 CO2 年际的净交换[10] . 本文采用全生命周期评价分析原理,延续了生物质 液体燃料和固体成型燃料生命周期评价系统[11-12] ,同时 增加了全生命周期成本与经济性评价模型,建立秸秆类 生物质气炭联产全生命周期 3E(economic,energy and environment)模型,针对目前产业化应用的

2 种生物质 热解多联产技术,进行生产成本、能源转化及温室气体 排放等方面的评价与比较,提出能源潜力优势较好的气 炭联产技术,为正确评价中国秸秆类生物炭转化技术可 持续发展提供参考依据. 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

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1 生物质气炭联产全生命周期系统 1.1 生物质气炭联产技术 生物质气炭联产转化是热解过程中生物质中的碳氢 化合物转化成生物炭、木醋液、可燃气等固液气三态产 物[12] .不同工艺下,其热解产物及产品能量有所不同. 本研究针对现有产业化应用的横流移动床生物质热解多 联产(热解炭化过程原料水平式移动,一般加螺旋器) 和竖流移动床生物质热解多联产技术(热解炭化过程原 料纵向移动,一般靠重力落料),工艺流程见图 1. a. 横流移动床 a. Cross flow b. 竖流移动床 b. Vertical flow 图1生物质热解多联产技术工艺流程 Fig.1 Technical process for fuel gas &

biochar generation 横流移动床生物质热解多联产技术包括农作物秸秆 等生物质进行破碎、干燥、送入热解炉中,在隔绝空气 条件下,进行干馏热解,产出生物质炭;

热解产生的生 物质气经二次裂解除焦生成净化气体,部分裂解气回流 为热解炉提供热源,二次裂解气与回流气混合成生物燃 气,由于部分回流气二次燃烧,混合后的生物燃气热值 较低,难以直接通入管道供气,而低值生物燃气提纯投 资和成本相对较高,结合本工程坐落在工业园区的优势, 直接采用了蒸汽锅炉将其转化为工业用蒸汽产品.目前 已示范应用于安徽凤阳. 竖流移动床生物质热解多联产技术主要包括,农作 物秸秆等生物质进行破碎、干燥、送入热解炉中,在隔 绝空气条件下,进行干馏热解,产出生物质炭;

生物质 气经过净化装置的冷却、脱焦、过滤、除尘和除酸后, 产出清洁优质燃气,送入贮气柜中,经生物质燃气输配 系统送到用户使用,剩余的燃气通过内燃机发电机组进 行发电;

同时,由多级冷却、分离并保留出来木焦油、 木醋液装桶入库然后集中销售或进行深加工.

2 种气炭联产技术进行分析,2 种技术区别在于,横 流移动床生物质热解多联产技术核心工作单元热裂解炉 技术原理与竖流移动床生物质热解多联产技术相同,主 要产品为生物燃气和生物炭,该技术工艺通过对木焦油 的二次裂解,提高了生物燃气综合转化率,但生物燃气 热值相对较低 6~8 MJ/m3 . 竖向移动床生物质热解多联产 技术,主要产品为生物燃气、生物炭、木焦油和木醋液 等,该技术工艺对生物燃气进行了多级分离和净化提纯, 生物燃气热值较高,约为

13 MJ/m3 .2 种工艺技术各有优 劣,本研究对横流移动床生物质热解多联产和竖流移动 床热解多联产技术进行能量投入产出、经济成本以及温 室气体排放等方面系统的评价其综合效益. 1.2 全生命周期评价系统 生物质气炭联产全生命周期 3E 评价,首先建立生物 质气炭联产全生命周期评价体系框架,明确划分各个阶 段的输入输出参数与评价指标;

明确各阶段能源输入输 出量,考虑经济、能源及环境因素,建立经济、能源、 环境影响评价清单,计算全生命周期过程的需求与排放;

评价生物质气炭联产全生命周期过程的成本、资源需求、 能量转化效率、经济及环境效益等,以及分析影响的敏 感因素,科学评价秸秆类生物质气炭联产技术应用的综 合效益.目前已示范应用于湖北鄂州. 1.2.1 模型的建立 生物质气炭联产全生命周期范围从作物种植到生物 气炭产物的利用,系统分为作物种植阶段、秸秆从田间 到转化工厂的收储运阶段、生物质气炭转化阶段、生物 质气炭应用阶段等

4 个阶段,见图 2.该周期系统分析假 设作物生长过程吸收的碳与生命结束排放的碳是可循环 的.本研究忽略秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价 中所占比例较小的因素,如秸秆类生物质气炭联产厂房、 设备建设的耗能、人工、生物炭还田转换的能量、以及 产品应用忽略使用的设备效率和能耗等.本研究以目前 秸秆收储范围较合理,工程经济效益较佳的规模测算, 即按照秸秆原料利用量为

5 万t规模测算. 图2生物质气炭联产全生命周期模型 Fig.2 Life cycle assessment analysis (LCA) model of technology for fuel gas &

biochar Generation 1.2.2 评价指标 1)净能量与能量产出投入比 净能量为生物质气炭联产产出的产品应用过程所释 放的能量与生物质气炭联产转化的全生命周期过程消耗 的总能量之差.能量产出投入比为生物质气炭联产产出 的产品应用过程所释放的能量与生物质气炭联产转化所 消耗的总能量之比 NE BE HEi 1) 增刊

1 霍丽丽等:秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价

263 BE HEi η = ∑ . (2) 式中 NE 为净能量,MJ/t;

BE 为生物质气炭联产产出的 产品应用过程所释放的能量,MJ/t;

HEi 为生物质气炭联 产转化的全生命周期过程中,第i种物质消耗的能量, MJ/t;

η 为能量产出投入比. 2)全生命周期成本 生物质气炭联产系统的生命周期成本 (LCC) 包括系 统规划、概念设计成本、初步设计成本、设计与开发成 本、生产成本、维护成本,生产经营成本、以及产品应 用成本等 LCC j f C S = ? ∑ . (3) 式中 LCC 为生物质气炭联产转化总成本,万元;

Cj 为生 产经营过程中消耗的各种成本,包括原材料、燃料动力、 人工、固定资产折旧、无形资产摊销、维护与修理、经 营管理、销售管理、财务费用等,万元;

Sf 为副产品销售 收入,万元. 3)温室气体 CO2 当量排放 温室气体包含 CO

2、CH

4、N2O,3 种温室气体的全 球........