刘长奇 黄亚继 刘培刚 王昕晔 邵志伟

(1 东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096)

(2 枣庄南郊热电有限公司，枣庄277100)

生物质能源已受到相关领域学者的强烈关注.目前国内外关于生物质热解制取液体燃料的研究正蓬勃发展.传统分析方法大多数仅对整个生产系统进行能量分析或者经济分析，但传统分析方法难以从环境投入及可持续发展的角度来评价整个生产过程.因此，需要建立一个全面完整的系统来评价生物质转化为液体燃料的整个生产过程，指导生物质能未来的发展.能值分析法将系统中的物质流、能量流、信息流、货币流和劳务流转换为统一的单位，用所有能量的最终来源太阳能的量来衡量，协调了人类社会和生态系统的关系，可以对整个生物质利用过程进行客观定量的评价.能值分析法可以为生态系统和工业系统中各种能流和物流进行综合分析提供统一标准，使原本2 个系统中能流、物流和其他生态流能够进行统一比较和分析.

自1988年Howard Odum 提出能值分析理论以来，能值分析理论在各个领域得到广泛应用.国外一些学者已对生物质热解制备液体燃料过程进行了能值分析.Spinelli 等［1］通过物质流分析、能耗分析和能值分析对直接从油籽植物中提取植物油作为内燃机燃料过程的环境影响进行评价;Dong等［2］运用能值理论对小麦秸秆生产生物乙醇进行分析;Cavalett 等［3］运用能值理论分析了大豆制生物柴油的过程;Bastianoni 等［4］对大型藻类制生物油过程进行分析.以上分析都表明生物质制备液体燃料过程需要投入大量不可再生资源，该过程不具有可持续性.Alonso-Pippo 等［5］对甘蔗渣热解制初级生物油进行了综合分析，结果表明从经济的角度分析，甘蔗渣是生物质制油的最佳原料.Liao 等［6］用热力学的能量分析、 分析及能值分析3 种不同方法对玉米秸秆制生物乙醇过程进行评价，发现运用不同的方法，可以得到不同的关于可持续性方面的结论.然而运用能值理论对生物质热解制油后加氢提质过程的研究却未见报道.

本文基于能值分析理论，分析了美国堪萨斯州玉米秸秆快速热解成初级生物油，再加氢精制为车用生物燃料的过程，将分析结果与生物质制备乙醇和生物柴油做对比，为寻求生物质转化为液体燃料的最佳途径，并为进一步提高生物质转化为车用燃料过程的环境性能和综合性能提供理论参考.

1 模型与过程

生物质快速热解是一种将生物质在缺氧情况下加热转化为气体、固体和液体产物的热化学过程，本研究采用Wright 等［7］所建立的模型.该模型模拟玉米秸秆快速热解成生物油，并精制为汽油和柴油的整个过程.假定生物质工厂每天消耗2 000 t 的玉米秸秆，生产过程如图1所示，处理步骤包括生物质预处理、快速热解、固体去除、生物油收集、燃烧和生物油精制.具体流程为:将含水量25%的生物质干燥至7%，粉碎至直径3 mm 左右后，送入热解反应器，热解后的产物经旋风分离器1 进行气固分离.固体被直接送入燃烧反应器提供热量，气体则进入冷凝器经水冷却，其中不凝结气体被送入热解反应器和燃烧反应器燃烧，冷凝下来的生物油经过液液萃取后分为油相和水相，水相油与蒸汽混合后送入高温水蒸气催化重整反应器，即转化成合成气，合成气被送入压力变换吸附分离器(PSA)分离出氢气，氢气与油相在高温反应釜中反应制得汽油和柴油，该过程的具体反应参数和步骤见文献［7］.本文所研究的2 个方案采用的氢气来源不同:方案1 中的氢气来自初级生物油水相重整;方案2 中的氢气来自外部市场购买，直接与初级生物油在高温反应釜中反应.其他过程则相同.

图1 玉米秸秆热解提质制车用燃料过程流程图

2 能值分析及计算

将整个生物质热解制精制油过程分为3 部分:玉米种植过程、玉米秸秆运输过程及玉米秸秆热解提质过程.

按照能值分析的步骤，首先绘制玉米秸秆转化为车用燃料过程能值流图(见图2)，然后列出方案1 和方案2 的能值分析表(见表1和表2)，进而计算其能值指标.表中，U 为投入物质能量的单位，分别表示J，g 和$;R 为自然环境投入的可再生能值;N 为自然环境投入的不可再生能值;FN为人类经济社会反馈投入的不可再生能值;FR为人类经济社会反馈投入的可再生能值;Y 为产出的能值;sej 为太阳能焦耳.

表1 方案1 能值分析表

2.1 玉米秸秆种植系统的能值分析

美国堪萨斯州玉米产量［8］为9 420 kg/hm2，玉米秸秆与玉米的产量大致相当［10］，该工厂每年所需的玉米为2 000 ×350=70 万t，而产生足够玉米原料所需土地为700 000/9.42=74 309.978 hm2，约74 310 hm2.将每公顷土地各能值投入［8］都乘以74 310，得到该种植系统各种投入要素(包括图2中所有箭头指向玉米种植过程的项目)的能值，详见表1和表2.

表2 方案2 能值分析表

图2 玉米秸秆转化为车用燃料过程能值流图

2.2 玉米秸秆运输系统的能值分析

该生产过程提供玉米秸秆的范围是一个半径为80.5 km［7］(50 英里)的圆，工厂在该区域的正中间.运送原料平均距离为56.9 km.卡车运输能量密度为1.12 MJ/(t·km)［11］，所需柴油量为1.12 ×106×56.9 ×700 000=44 600 GJ/a，可忽略司机的劳务.

2.3 玉米秸秆热解提质过程的能值分析

根据文献［7］的数据可以得到工业水、劳务管理(包括运行维护)、电力消耗、催化剂、厂房设备(按20年寿命平均分配到每一年)的投资额及精制生物油的产量.其中工业水和电力可以根据其单价算出其用量.根据文献［12］可以估算出美国电力结构为20%核电、10%左右水电和70%火电，将电力按比例分别换算为火电、核电和水电.能值分析表中的劳务管理是种植过程中的劳务部分和玉米秸秆热解提质过程中劳务管理的总和.工业水是种植过程中灌溉水和玉米秸秆热解提质过程中的工业水总和.用本方案估计美国2012年的能值/货币比率，其值为1.20 ×1012sej/$.加氢处理后的精制油热值大概在44 MJ/kg［13］.

3 分析与讨论

3.1 能值投入分析

图3为玉米秸秆快速热解提质制精制油生产系统各能值流占总能值投入的百分数.这一结果与胡尊燕［14］研究生物质热解制乙醇过程中能值投入比重分析一致，由图可见，氮肥是该系统能值投入的主要部分之一.要降低氮肥的能值投入量，可以尽量使用农家肥代替工业生产的氮肥，由于农家肥是可再生资源，对该系统可持续性发展十分有利;除此之外，可以通过科技进步提高氮肥生产水平，使氮肥能值转换率降低.另一个占比例较大的能值投入为工业水的能值投入，该投入主要包括2 部分:①生产过程中的工业用水.可通过在生产过程中加强管理和加强工厂工人节水教育，达到节约用水.②灌溉用水.应尽量修通水渠，引用河流湖泊中自然界产生的水.因为自然界产生的水能值转换率较低，可降低工业水的能值转换率.

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图3 制精制油生产系统各能值流占总能值投入百分数

图4为方案1 和方案2 的各类能值占总能值投入的百分数，可见该生产过程中占总能值投入比例较小的是自然环境中的可再生资源R 和不可再生资源N，表明该生产过程对环境依赖性很小.玉米秸秆制精制生物油整个生产过程需要消耗大量来自社会不可再生资源，如氮肥、电力、设备投资等，所以经济反馈能值投入(来自经济社会的可再生能值FR和非可再生能值FN)所占比重较大.工业系统不同于生态系统，工业系统与经济社会发展、科学技术进步，该生产过程所需设备的平均劳动生产率、管理与服务水平都密切相关，所以需要社会各个相关行业共同努力，才能降低该生产过程的能值投入.例如，水利行业可以兴修水利，将更多来自自然界的水运用到生物质种植系统中;化肥生产部门可以提高氮肥的生产效率;农业部门可以引导农民合理施肥，提高农作物对氮肥吸收效率等，这些措施都可以来降低经济反馈能值投入量.由此可见，生物质转化为液体燃料过程的发展，需要社会各个部门配合，单依靠能源部门远远不够.

图4 精制油生产系统各类能值占总能值投入百分数

3.2 能值指标分析

本文2 个方案的能值指标计算结果如表3所示.能值转换率Tr是指产品或服务的能值与产品或服务量的比值，可以用来比较生产同一产品不同生产系统的优劣，选择一种最合适的方案.能值转换率越低，表明生产等量产品或者服务消耗的太阳能越少，从太阳能投入角度来看，其更具有竞争力.本文研究的生产过程的能值转换率与化石燃料［15］(煤为6.71 ×104sej/J，天然气为8.05 ×104sej/J，原油为8.05 ×104sej/J)相比，需要更高的环境资源投入，能值转换率远大于化石燃料，这是因为生物燃料作为一种可再生的替代燃料，它的生产过程需要投入大量的能量、劳务、原材料和商品等，消耗较多能值.这也表明自然界产生化石燃料的过程比人为将生物质转化为燃料的过程要有效得多.

表3 生物质制备液体燃料不同过程的能值指标

方案1 与方案2 的玉米种植过程和玉米运输过程完全相同，但玉米秸秆的热解提质过程不同.2 种方案的能值投入总量相差不大，而2 种方案的能值转换率却不同.2 个方案的能值投入主要区别在于:方案1 用工厂自产的氢气与初级生物油反应提质，设备投入和维护运行时投入的人力、物力、财力较多，方案2 虽然没有生产氢气这方面的投入，但购买氢气所投入的能值基本与方案1 生产氢气过程投入的能值相当，故其投入能值总量相当.方案1 产生的一部分初级生物油用于生产氢气，导致参与加氢提质的初级生物油量减少，所以方案2 采用市场上购买的氢气与初级生物油反应产生的精制生物油的量比方案1 大很多，进而导致计算得出方案2 的能值转换率较低.从能值转换率角度出发，方案2 比方案1 更合理.

能值产出率(emergy yield ratio)EEYR为系统产出能值与反馈能值之比，即

式中，F 为人类经济社会反馈投入的能值，F=FN+FR，能值产出率与生产效率成正比，其值越高，表明一定的反馈能值投入生产出的产品能值越高.2 种方案的能值产出率都低于化石燃料［15］(煤为8 ～10.5，天然气为6.8 ～10.3，原油为3.2～11.1)，这说明该生产过程系统生产效率较低，相同的能值投入生产出的产品能值较低.本文研究过程的EEYR＞1，说明产品能值大于投入能值，2 个方案的生产过程均满足向经济活动提供基础能源.但是其能值产出率相对化石能源而言，其能源开发与利用的效率较低，能源开发利用的竞争力不足.

环境负载率(environmental loading ratio)EELR为系统投入的不可再生资源能值总量与投入的可再生资源能值总量之比，即

2 种方案都有较低的EELR值(EELR＜2)，表明该过程对环境影响有很大的区域可以稀释或者对环境影响很低;该生产过程对环境系统压力很小，同时在经济系统中的能值利用较强，对环境影响很小，所以本研究可以证明生物质能源是比较清洁的能源，对整个地球环境保护具有很重大的意义.从环保的角度出发，应当大力发展生物质能.

生产系统可持续性是社会关注的热点，同时生物质能利用是否可持续也是该领域的争论点之一.与其他分析方法相比，能值分析方法的优势是可以将工业系统的可持续发展能力量化.可持续发展系数就是衡量生产系统可持续性的指标，其定义为系统能值产出率与环境负载率之比，即

式中，ERSI为可持续发展系数.可持续发展系数值可分为3 个等级:①难以在较长时间内发展(EESI＞5);②可持续发展性属中等水平(1 ＜EESI＜5);③可持续发展性较差，属于消费型经济系统(EESI＜1).本文研究的2 个方案EESI值都稍大于1，则从能值分析角度说明了该系统可持续性属于中等水平，但是该指标处于中等水平与较差等级的分界线上，因而该过程在较长时间内也难以发展.

3.3 生物质制备液体燃料不同过程的比较

将玉米秸秆热解精制油的2 个方案与玉米燃料乙醇［16］、生物柴油［17］的能值指标进行比较，结果如表3所示.从能值分析的角度来看，本文中方案2 的能值转换率最低，说明投入等量的太阳能，方案2 生产的液体燃料所含的能量更多，所以方案2 最具有优势.本文2 个方案的能值产出率最小，说明玉米秸秆热解精制油系统生产效率最低.其环境负载率EELR同样最低，表明与其他2种转化方式相比，本文研究的生物质制备液体燃料系统对环境影响最小，从环境保护的角度出发，本文研究的2 个方案同样更具有优势.玉米秸秆热解精制油系统可持续发展系数EESI最高，与另外2 种生物质能源相比，该生产过程可持续发展性更具竞争力.为了能提高其与其他制备液体燃料过程的竞争力，本研究方案应减少经济方面的投入，选择合理场地降低投资成本，同时提高可再生资源的比重，尽量多利用可再生资源代替不可再生资源.

4 结论

1)为减少能值投入，应尽量使用农家肥，提高氮肥生产效率，降低氮肥的能值转换率;且应该节约用水，尽量用自然界中能值转换率较低的水资源.

2)玉米秸秆热解提质制备精制生物油与化石燃料相比，其能值转换率较高，说明化石燃料比生物质热解提质制精制油更加有效，但是化石燃料具有不可再生性，生物质可再生，从长远来看，当化石燃料逐渐减少时，生物质燃料就会展现出优势.

3)玉米秸秆热解提质制备的精制生物油过程的经济投入远大于环境投入，环境负载率较低，对环境污染小，其可持续发展性属于中等水平.

4)从能值分析角度看，在生物质制备液体燃料过程中，方案2 比玉米燃料乙醇和生物柴油更具有优势，是生物质转化为液体燃料的最佳途径.

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