生物质能产品生命周期内能耗与排放测算

2013-10-20张国晨

统计与决策 2013年1期

关键词：能源消耗生命周期柴油

赵涛，张国晨，林涛

(天津大学管理与经济学部，天津 300072)

1 生物质能产品生产系统分析

目前生物质能产品种类日趋多样化，其主要产品包括以油料作物为原料的生物柴油以及以秸秆为原料的生物甲醇和燃料乙醇，本文为以NMJ生物质能公司为例进行分析研究。

图1 NMJ公司生物质能产品生产系统示意图

从图1可知，NMJ生产系统具有如下特点：

（1）原料的充分利用。在生产过程中对原料果实、秸秆和叶子的全方位利用。以文冠果为例，文冠果作为一种理想的油料作物，具有含油量高、适应性强等特点，其果实是生产生物柴油的主要投入原料；其枝条可以经过处理提炼出木质纤维素，作为燃料乙醇的生产原料，也可以将其直接燃烧用于热电联产系统进行发电及生产用热的；文冠果叶可以销售给茶叶生产商家，经其加工生产成茶叶。

（2）副产品的回收利用。在纤维素制乙醇和生物甲醇的制取过程中均会有堆肥的产生，堆肥作为有机肥料，可以再次使用于该公司的油料作物种植基地，可以节约购买肥料的成本；生物柴油的制备过程会产生甘油、粕等副产品，这些副产品有专门的回收机构，通过销售这些副产品还能增加公司的经济收益，也是变相的降低生产成本。

（3）废弃物的再处理、再利用。生物柴油、燃料乙醇和生物甲醇的生产过程均会有废渣和废液的排出，这些废渣和废液都要经过污水处理系统，净化后中水回用，实现了公司内的水循环。生物甲醇的生产过程会有热量的释放，这种废热会被热电联产系统利用，同时通过秸秆燃烧，产生蒸汽和发电。公司的热用户主要是燃料乙醇制取系统和生物甲醇制取系统的生产用汽，所有生产用电用户为整个公司。本文将生物质能产品的生命周期分为原料生产、原料收储运、生物质能源制取和产品运输与使用四个阶段，在此基础上进行能耗与排放测算。

2 微藻制生物柴油的能耗和排放测算

以年产120吨的微藻生物柴油为例，基本条件为：（1）微藻藻种为某境内的淡水湖、河流、水塘的小球藻；（2）培养器皿为光能自养型全封闭式反应器，进行循环生产；（3）每台光反应器产50吨/昼夜悬浮液，含干物质1.5公斤/吨，出油量54%，每年工作按300天计算，产油量为50*1.5*54%*300=12150KG/年=12.15吨/年。全线共10台，所以每年生物柴油产量约为120吨；（4）微藻生产过程中有CO2的吸收，并伴随微藻的光合作用产生O2。在微藻生物柴油生命周期的各个阶段均有CO2和少量其它气体排放。本文对每产生1吨生物柴油的能耗及排放进行测算和分析，每年微藻制备生物柴油生命周期四个阶段的原材料和能耗见表1。

甲醇的耗煤量为199kg（煤）/kg（甲醇），耗电量为0.04 KW·h/kg。另外，纯度99.8%的氢气采取中国制造的电解槽SDJ2500-50制取[2]，电耗为5.1KW·h/m3，故30 m3氢气耗电为153 KW·h。

表1 每年微藻制生物柴油各阶段的原材料和能耗

通过对每年单台全封闭光反应系统生产的薇藻可制成12.15吨柴油的全生命周期的能源消耗及排放分析，根据各种能源的标准煤转化系数和排放系数（表2），可测算1吨生物柴油生命周期内能源消耗以及排放情况（表3）。

3 秸秆制燃料乙醇的能耗和排放测算

以秸秆为原料的燃料乙醇为例，基本条件为：（1）秸秆属于其农作物收获子实后的农林废弃物，中国农作物秸秆产量约为7亿t/a[3]，所以在其获取阶段忽略能源消耗；（2）采用化学合成技术，乙醇产量达到223kg/t。所以每产生1吨燃料乙醇需要约5吨秸秆。在秸秆收取阶段，秸秆作为农林废弃物，可以忽略此阶段能源消耗与排放测算。在秸秆运输阶段，能源消耗主要考虑将秸秆运至工厂所消耗的运输车辆的石化能源消耗和排放。取将秸秆运至工厂的平均运输半径为50km，单车运量为8吨，油耗为35L/100KM。故运输秸秆所消耗的汽油的质量为50*2*0.35*0.725=25.375KG，在燃料乙醇制取阶段，NMJ公司采用化学合成技术来完成秸秆乙醇基燃料的制造，过程需要通入水蒸气与氧气作为气化剂，处理5吨秸秆此阶段消耗电能为37 KW·h。在燃料乙醇运输与使用阶段，取工厂到消费地的运输半径为300km，故耗油量=0.0706*300*2*0.72=0.031t。

表2 各种能源的标准煤转化系数和排放系数

表3 每吨微藻制生物柴油生命周期内能源消耗以及排放情况

通过以上对1吨燃料乙醇的全生命周期的能源消耗及排放分析，可得1吨燃料乙醇生命周期内能耗以及排放情况如表4所示。

由表4可知，秸秆制燃料乙醇的耗能最多和CO2排放量最大的环节是燃料乙醇的制取阶段，主要是由于粉碎装置与气化装置耗能引起的，预处理过程消耗能源较多，化学试剂的投入过大，造成了废弃物排放比较大。

表4 每吨燃料乙醇生命周期内能源消耗以及排放情况

4 秸秆制甲醇的能耗和排放测算

NMJ公司制取甲醇的主要目的是用于生物柴油的生产。基本条件为：（1）秸秆作为农林废弃物，所以忽略获取秸秆所消耗的能源；（2）最终产品生物甲醇用于生物柴油的生产，其使用阶段的能源消耗和排放已在生物柴油部分计算。故在此只考虑秸秆运输阶段和生物甲醇制取阶段的能源消耗与排放。

在秸秆运输阶段，以秸秆为原料，利用气化方法合成生物甲醇，甲醇产量约为35%[4]，故生产1t生物甲醇需要2.86t秸秆。根据秸秆制燃料乙醇部分的叙述，可得该阶段消耗汽油的质量为50*2*0.35*0.725=25.375KG。在生物甲醇制取阶段，该公司甲醇生产过程需要粉碎设备，气化锅炉、气体净化装置及甲醇合成装置。其中粉碎装置与燃料乙醇生产过程中采用的粉碎装置型号相同。生产1t生物甲醇此阶段消耗电能为37 KW·h，耗煤199t。综上所述，可得1吨生物甲醇生命周期内能源消耗以及排放情况如表5所示。

由表6可知，秸秆制生物甲醇的主要耗能与CO2排放的环节是制取阶段。这主要是由于粉碎设备和气化锅炉消耗能源；运输及燃烧过程的能源消耗和CO2排放量为0，主要是由该公司的实际情况决定的，因为该公司生产的生物甲醇主要用于生物柴油的生产，其使用过程的排放物已在生物柴油生命周期内计算。