一種生物質制取車用燃料的綜合性能評價方法
作者：張毅
目前，生物質熱解制取高品質液體燃料技術仍處于研發(fā)階段，生物質汽油／柴油在技術開發(fā)、經濟效益、污染排放等方面都已有了眾多研究，在替代化石汽油／柴油時被認為具有極大的優(yōu)勢；近年來，利用生物質氣化合成氣通過一步法合成二甲醚的開發(fā)研究得到了快速發(fā)展。針對生物質不同轉化途徑進行全生命周期的評價分析并優(yōu)化系統(tǒng)方案．對我國發(fā)展生物質能利用技術，建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)具有重大意義。
基于生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)，國內外有許多學者對生物質制取高品質液體燃料的工藝系統(tǒng)做了不同方面（環(huán)境性，經濟性，生態(tài)性及綜合影響）的評價分析。其中，環(huán)境性影響評價由于不同污染物造成的環(huán)境影響類型不同，總環(huán)境影響值的獲得需要考慮不同環(huán)境影響類型的權重。目前賦權法主要有層次分析法、多目標決策法、貨幣法等。對綜合影響進行評價時，有研究者對各項影響指標采用了無量綱處理后加權整合，亦有學者在各項影響評價中全部使用環(huán)境成本作為衡量指標，總體上綜合評價的方法比較少。
本文在LCA框架下，結合層次分析(AnalyticHierarchy Process，AHP)的方法建立了一種新的環(huán)境一經濟綜合評價模型，針對生物質氣化合成二甲醚系統(tǒng)(Dimethyl Ether from Biomass，Bio-DME)與生物質加氫提質制汽油／柴油系統(tǒng)(Bio-oil Upgrading via Fast Pyrolysis and Hydroprocessing,Bio-UPO)兩個對象，分別進行環(huán)境性、經濟性和綜合性能的評價，并將二者進行了對比與分析。
1評價對象
本文以生產規(guī)模為5萬t/a的生物質氣化制二甲醚系統(tǒng)及生物質熱解加氫提質制汽油柴油系統(tǒng)為研究對象，所采用的生物質物料均為玉米芯，其成分分析見表1。
1.1 Bio-DME工藝流程
圖1為兩段式同定床生物質氣化制二甲醚系統(tǒng)，其工藝流程主要有4個步驟：生物質氣化、合成氣凈化、合成二甲醚、二甲醚的精餾提純。
生物質原料進入熱解器熱解后進入氣化器，在高溫下與富氧空氣和水蒸氣混合發(fā)生劇烈反應，生成富含CO，H2及少量有害雜質的生物質氣化氣；氣化氣經高溫過濾除灰、間接冷卻降溫后送入氣柜緩沖，再由一級吸附塔和脫氧塔進行預凈化，經壓縮后進人脫碳塔；脫C02后的合成氣再壓縮后進行深度凈化，然后進入合成塔，采用同定床一步法合成二甲醚。合成產物精餾提純后可得到DME成品。
1.2 Bio-UPO工藝流程
圖2所示為生物質熱解加氫制汽油／柴油系統(tǒng)，其工藝流程主要包括3個步驟：生物質熱解、生物油重整制氫和生物油加氫提質。
生物質快速熱解采用串行流化床技術，兩床之間通過床料進行熱量傳遞，將熱解和燃燒分開，熱解產物經分離、冷凝、收集，獲得可冷凝的生物油和不冷凝性氣體；不冷凝性氣體一部分循環(huán)送人熱解反應器作為載氣，一部分與補燃焦炭進入燃燒反應器燃燒供熱。生物油分為兩部分，水相用于催化重整制氫，催化重整獲得的合成氣經冷卻分離獲得H2，部分H2與油相部分在高壓反應釜內進行催化加氫和催化裂解反應，產物經冷卻和蒸餾分離后得到提質油產品汽油／柴油。
2清單分析
針對本文的兩個對象，界定他們的評價范圍分為生產上游，生產過程和生產下游3個階段，如圖3所示。其中，生產上游包括玉米的生長、玉米芯的收集和運輸過程；生產過程包括生物質氣化合成二甲醚的過程和生物質熱解加氫制取汽油／柴油的過程；生產下游則是生產的產品( Bio-DME/Bio-UPO)全部用作車用燃料的消費過程。
2.1生物質的生長階段
本階段的環(huán)境影響主要考慮以下幾個方面。
①生物質自身生長期光合作用對C02的同定。根據玉米芯含碳量可得其生長固碳率為
1 551.538 t(C02)/t。
②農田土壤溫室氣體的排放。玉米田為干田，故玉米的CH。排放為零，土壤溫室氣體C02和N20排放量分別為638.12，0.479 kg/t。
③化肥生產及使用所造成的環(huán)境排放。玉米產量為1.2 kg/m2，玉米的純氮肥、磷肥、鉀肥的施用量分別為0.034 4，0.011 4，0.039 45 kg/m2，其中總氮流失率為2.5%。
④農藥使用所造成的環(huán)境排放。因農藥使用量遠小于化肥用量，故不考慮農藥生產過程的排放：玉米的農藥平均施用量為1 kg/t11si，農藥流失率為18%。
玉米芯生長階段所引起的環(huán)境影響應根據玉米、玉米稈和玉米芯的經濟價值進行分配，計算得玉米芯的折算因子(K。。)為0.063 5，該階段的清單見表2。
2.2生物質的收集階段
本階段只考慮耗電量引起的間接環(huán)境排放。該階段的耗電主要來源于鍘切、打包過程，供電設備包括破碎機、打包機、秸稈起重機，單位質量生物質總耗電量為14.31 kWh/kg，根據我國發(fā)電過程污染排放量呵得該階段的環(huán)境排放，見表2。
2.3生物質的運輸階段
本階段僅考慮運輸過程中機動車的排放。假設生物質收集半徑為20 km，運輸工具為5t輕型貨車，燃料為柴油，單位質量生物質油耗為3.498kg/t。根據St輕型貨車的污染物排放系數計算運輸階段的環(huán)境排放，詳見表2。
2.4生物質產品的生產階段
2.4.lBio-DME的生產過程
根據生物質氣化制取二甲醚的工藝過程，采用兩段式固定床富氧一水蒸氣氣化技術，如圖1所示。根據模擬實驗定條件：熱解爐溫度為550 cC，氣化器內碳層溫度為800℃，氣化溫度為860℃，常壓：氣化器內通人空氣富氧濃度為90%，當量比為0.27，水蒸氣配比為0.2；脫碳壓力為1.4 MPa，合成塔壓力為4.3 MPa，溫度為270℃，出口溫度為150℃：二甲醚提純一級精餾壓力為1.5 MPa，二級精餾壓力為1 MPa。
玉米芯制取二甲醚的生產過程中的污染物主要有大氣污染物、廢水及固體污染物。其中，大氣污染物主要為氣化合成階段的反應排出的廢氣：固體廢棄物的排放根據玉米芯的灰分以及碳轉化率計算，假設固體廢棄物的回收率為90%；另外，生產過程中需消耗氧氣和電，且在制氧和發(fā)電過程中也有一部分氣體污染物和同體廢棄物的排放。對合成反應中未參與反應的其他可燃氣體(CO，H2和CH4)進行燃燒處理，假設燃燒率為99%，剩下的1%作為廢氣排出：水體污染物清單根據工業(yè)廢水排放標準計算。
2.4.2 Bio-UPO的生產過程
玉米芯制取汽油／柴油的生產過程中的污染物排放根據Aspen plus軟件模擬獲得。系統(tǒng)模擬條件：熱解反應器溫度為500 cC．壓力為0.1MPa;燃燒反應器溫度為900 0C．壓力為0.1 MPa;重整反應器溫度為800℃，壓力為1.38 MPa;加熱爐溫度為900℃，壓力為0.1 MPa;水蒸氣與生物油的摩爾比為6；催化加氫／催化裂解溫度為370℃，壓力為17.8 MPa;變壓吸附裝置目標氣體回收率為90%；蒸餾塔溫度為40℃，壓力為0.5 MPa,生物油的水相／油相質量比為0.3 8:0.62。該工況下單位質量(kg)玉米芯的汽油／柴油產率為0.114kg，H2產率為0.013 kg;電耗所產生的環(huán)境影響作為間接排放計人生產過程：水體污染物與同體廢棄物排放量計算同Bio-DME。詳細清單見表2。
2.5生物質產品的消費階段
生物質轉化的二甲醚與汽油／柴油統(tǒng)一作為車用燃料消費，二甲醚熱值為27.6 MJ/kg，汽油／柴油熱值為46 MJ/kg。
生物燃料的油耗參考小型乘用車平均油耗：二甲醚的密度為870 g/L，含碳量為52.2%，以其作為小型乘用車的燃料，百公里油耗為15 L：汽油的密度為737 g/L，含碳量為88.89%，以其作為小型乘用車的燃料，百公里油耗為12 L：柴油的密度為856 g/L，含碳量為85.71%，以其作為小型乘用車的燃料，百公里油耗為8.4 L。假設各燃料完全燃燒，C02排放根據碳含量計算，二甲醚的燃燒暫不考慮CH4和N20的排放，其余污染物排放參考歐IV排放標準。
3影響評價
本文結合LCA和AHP的方法，建立了反映經濟一環(huán)境的綜合評價模型，層次結構如圖4。
其中，依據EDIP環(huán)境影響分類體系，考慮了6種環(huán)境影響類型，即全球變暖( Global Warming，GWP)、酸化(Ac:idification，AP)、富營養(yǎng)化(Eu-trophication，EP)、光化學污染(Photochemical 0一zone Formation，POF)、人體毒性(Human Toxicity，HTP)、固體廢棄物(Solid Waste．SW)。在環(huán)境性分析中利用層次分析法，將6種環(huán)境影響類型設為環(huán)境性的指標層，總環(huán)境影響為目標層，得到環(huán)境性指標，即總環(huán)境影響值En,dk。在經濟性評價中分別對產品的經濟成本與預期價值進行分析，從而得到經濟性指標，即產品的收益_P：最后，用環(huán)境性和經濟性指標的比值來表示綜合性能指標n,dk[即每萬元的經濟收益所產生的環(huán)境污染當量，單位為(人．a)/萬元]，其計算公式為
3.1環(huán)境性
因不同污染物對環(huán)境影響類型的作用不同，各環(huán)境影響類型對總環(huán)境影響值的貢獻亦不同，且在不同視角下各個環(huán)境影響類型所占的權重也不一樣，為獲得各環(huán)境影響類型的影響潛值和總環(huán)境影響值，需對各環(huán)境影響類型的污染物進行特征化和標準化處理，見式(2):
式中：m為環(huán)境影響類型；NEP,。為第m種環(huán)境影響類型的標準化值，(人．a)/t；QnL,。為第m種環(huán)境影響類型中：物質的消耗或排放量，k臥；EE。為第m種環(huán)境影響類型中i物質的當量因子．kg/kg；RR。，為第m種環(huán)境影響類型中參考物質的人均年消耗或排放量，kg/(人．a)。
標準化后的環(huán)境影響潛值，經過加權可得到總環(huán)境影響值，其計算式為
式中：Endh為庇視角下，產品的總環(huán)境影響值，(人．a)/t；Wk．，，，為k視角下，第m種環(huán)境影響類型的權重．見表3。為比較兩種產品，計算出它們單位熱值(MJ)的總環(huán)境影響值End^’，最后計算得到總環(huán)境影響值（表4）。
將兩個對象的單位熱值(MJ)的總環(huán)境影響值進行對比發(fā)現，在全球性視角下Bio-DME的值要大于Bio-UPO，在區(qū)域性和局地性視角下Bio-UPO的值都要大于Bio-DME，這是因為在全球性視角下，EP占的權重較小，Bio-UPO在生長和生產階段的EP比Bio-DME大很多，所以EP的比重減小導致Bio-UPO的總環(huán)境影響值相對Bio-DME變小了。
3.2經濟性
經濟性分析的指標為產品的收益，計算公式如下：
式中：P為產品收益，元／t；P．為產品預期價值，元/t；C．．為產品經濟成本，元／t。
投資成本估算：以2012年末為參考時間，根據年產5萬t二甲醚裝置的2010年投資成本（P2010=41 773萬元），考慮通貨膨脹率，折算得到2012年末的投資成本（P2012=45 173萬元）。不同規(guī)模但T藝相似的生物質制汽油柴油系統(tǒng)經規(guī)模指數法計算，得到提質油的2012年投資成本（P2012=97 000萬元）。
投資成本中30%為自有資金，不還本不計息，其余70%為銀行貸款，中國銀行貸款利率按6.8%計算，折舊年限為15 a．殘值率為5%。玉米芯價格取300元／t．針對Bio-DME和Bio-UPO,催化劑消耗率為0.6 kg/t，價格分別為1.3，1.1萬元／t，水消耗率分別為8 000，12 205 kg/t，電耗率分別為1 345，1 913 kWh/t，水和電的價格分別為3.1元／t和0.5元/kWh;工資為40 000元／（人．a），按100人計算，福利取工資的15%，維修費取固定資產的3%，保險費和其他費用取固定資產的1%，管理費用取工資和福利的15%。
3.3綜合性能
由上述計算可知，假設產品單位熱值的預期價值為163元／MJ，則可得二甲醚與提質油單位質量的預期收益分別為559，502元／t。它們在不同視角下的綜合性能指標見表5。
由表5可見，無論在哪個視角下．Bio-UPO的綜合性能指標都要大于Bio-DME，即制取汽油／柴油的單位產品收益的環(huán)境影響總是大于制取二甲醚的影響，故考慮到環(huán)境污染問題，對比生物質熱解加氫制取汽油／柴油，采用生物質富氧水蒸氣一氣化、一步法合成二甲醚這一工藝路線更優(yōu)。
4結果討論與分析
4.1不同視角下各環(huán)境影響類型的分布
圖5為不同視角下各環(huán)境影響類型的分布。由圖5可見，對于Bio-DME和Bio-UPO，雖然在不同視角下不同類型的環(huán)境影響所占比例不完全相同，但是各個視角下的主要的環(huán)境影響類型是一致的。全球性視角下AP和GWP是主要環(huán)境影響類型，它們占總環(huán)境影響的份額分別為44.7%，35.6%和43.3%，31.8c/O2而區(qū)域性和局地性視角下GWP比重都明顯降低，AP和POF在區(qū)域性視角下成為了最主要的環(huán)境影響類型：SW在局地性視角下所占比重明顯增加，和POF共同成為了主要的影響類型。
環(huán)境影響類型這樣分布的主要原因是：生物質在生長階段會進行光合作用，起到固定CO2的作用，使GWP顯著降低，但在生產階段中，除了反應過程中有CO2的直接排放，還有大量因電力等能源消耗而造成的間接CO2排放，故全球性視角下GWP所占權重很大。此外，全球性視角下．AP與GWP所占比重基本相當，是因為在生長階段時化肥的使用造成了大量的NO。和SO2的排放，包括氮肥的流失和化肥生產過程中的間接排放，以及在生產階段中電力等能源消耗造成的較多NO，和S02的間接排放。綜上可知，在生物質制取液體燃料的工藝中，其他資源的使用是造成環(huán)境影響的重要原因。
4.2不同階段各環(huán)境影響類型的分布
圖6為不同階段各環(huán)境影響類型的分布，由圖6可知，對于不同環(huán)境影響類型，生長階段、生產階段和消費階段的影響普遍較大，而收集和運輸階段幾乎可忽略。
對于GWP來說，影響較大的階段是生長階段和生產階段，各占將近一半：而對于AP．POF和HTP而言，影響較大的階段為生產階段和消費階段。這是因為會導致POF的CH。，NO。，SO2，CO，HC，PM10這幾種大氣污染物的排放主要來自于生產階段和消費階段．NO。和S02的排放還是導致AP和HTP的主要原因；而SW的產生基本上全部來源于生產階段，針對Bio-DME,Bio-UPO所占比例分別為97.2%，92.7%。
對于EP，生長階段的影響占有很大的比重，這是因為在生物質生長階段中化肥與農藥的使用常伴隨著氮和農藥的大量流失：而針對Bio-UPO,生產階段的影響也很大，這是由其工藝性造成的，該系統(tǒng)中生物質熱解后需要進行提質處理，由此有較大的COD和NH3-N排放。
綜上顯示，改善環(huán)境性能應該主要關注生長階段、生產階段和消費階段，在生長階段減少化肥和農藥的使用，在生產階段優(yōu)化工藝流程減少污染物的排放，在消費階段提高車用燃料的燃燒效率，采取以上措施來減少這3個階段的環(huán)境影響都可以有效降低整個工藝系統(tǒng)的環(huán)境影響。
4.3經濟成本的分布與收益
圖7為兩個工藝過程的經濟成本分布圖。
由圖7可見，針對Bio-DME和Bio-UPO,原料費用都占了最大的份額，分別為40.15%和38.60%，主要原因是工藝過程中的原料消耗量較大；其次為電費和折舊費，所占份額分別為17.86%，13.67%和14.38%，17.56%；此外，財務費用的比重也較多。通過對比可知．Bio-DME的電費比Bio-UPO要少，這是因為前一工藝系統(tǒng)中的耗電量更少。
綜上顯示，提高生物質工藝經濟性的最有效途徑是改進工藝路線，降低生物質原料的消耗量，并降低生產過程中的電耗；此外，還可以通過降低固定投資的方法來降低經濟成本。
4.4敏感性分析
本文的生物質轉化工藝選取玉米芯作為原料，其價格的變動以及產品預期價值的變動會對最后產物的經濟收益產生影響，從而對最后的綜合性能指標造成影響。
4.4.1玉米芯價格和產品預期價值對產品收益的影響
圖8所示為玉米芯價格和產品預期價值對產品收益的影響。當產品預期價值為163元/MJ．原料價格為300～450元／t時，產品收益隨經濟成本的變化趨勢如圖8(a)所示：當原料成本為300元／t，產品預期價值為120～170元/MJ時，產品收益隨預期價值的變化趨勢如圖8(b)所示。
由圖8我們可以清楚地看到，產品的經濟收益與玉米芯價格呈反比例關系，與產品預期價值呈正比例關系。由圖8(a)可見，當玉米芯價格分別大于405，356元／t時，Bio-DME，Bio-UPO經濟收益將分別降至0以下。由于生物質原料成本在總成本中占有較大的份額，故降低生物質原料價格可以有效地降低經濟成本，進而提高產品收益，使綜合影響性能指標減小。由圖8(b)可見，當產品單位熱值的預期價值分別大于143 ,152元/MJ時，Bio-DME，Bio-UPO的經濟收益才為正值，即系統(tǒng)才可以盈利。
4.4.2玉米芯價格和產品預期價值對綜合性能指標的影響
兩個對象在3個視角下的趨勢曲線基本一致，故以全球性視角下(k=1)的Bio-DME和Bio-UPO為例，當產品的預期價值為163元/MJ，產品的綜合性能指標隨玉米芯價格變化的趨勢如圖9(a)所示；當原料成本為300元／t，產品的綜合性能指標隨產品預期價值變化的趨勢如圖9(b)所示。
由圖9可知，對Bio-DME和Bio-UPO來說，當產品預期價值為163元/MJ，玉米芯價格分別低于340，380元／t時：或當原料成本為300元／t．產品的預期價值分別低于150，160元/MJ時，降低玉米芯價格或提高預期價值，可獲得較高的產品收益，從而有效降低工藝系統(tǒng)每萬元經濟收益的環(huán)境影響：但隨著玉米芯價格的進一步降低或預期價值的進一步提高，其改善效果便會越來越弱。
5結論
本文以Bio-DME和Bio-UPO兩個生物質工藝系統(tǒng)為對象，基于LCA建立了環(huán)境一經濟的綜合評價模型，以每萬元經濟收益的環(huán)境影響當量來表征綜合性能。
結果表明，本文所評價的兩個對象在各視角下環(huán)境影響類型所占份額不同，但主要影響類型一致：全球性視角下，GWP和AP是主要的環(huán)境影響類型；區(qū)域性視角下，AP和POF是主要環(huán)境影響類型；局地性視角下SW和POF是主要的環(huán)境影響類型：減少化肥和農藥的使用，優(yōu)化工藝流程、減少其他形式能源的消耗，提高生物質轉化率，提高車用燃料的燃燒效率，都可以有效降低系統(tǒng)的環(huán)境影響，提升經濟效益：設計工況下Bio-DME和Bio-UPO的經濟收益分別為20，11兀／MJ;Bio-DME和Bio-UPO在全球性、區(qū)域性和局地性視角下的綜合性能指標分別為3.98. 3.16. 2.04（人．a）／萬元和6.31，5.89，4.84（人．a）／萬元：針對Bio-DME和Bio-UPO，當玉米芯價格分別低于405，356元／t或產品的預期價值分別大于143，152元/MJ時，系統(tǒng)才可開始盈利。相比之下，在使用玉米芯作為生物質原料時，Bio-DME的綜合性能比Bio-UPO更好。
6摘要：針對生產規(guī)模為5萬t／a的生物質氣化合成二甲醚系統(tǒng)和生物質熱解加氫提質制汽油柴油系統(tǒng)，基于生命周期評價方法，結合層次分析法建立了新的環(huán)境一經濟綜合性能評價模型，分別對兩個系統(tǒng)的環(huán)境性、經濟性和綜合性能指標進行分析對比。結果表明：在全球性視角下的環(huán)境負荷最大；全球變暖、酸化和光化學污染是主要的環(huán)境影響類型：生長階段、生產階段和消費階段對環(huán)境影響的作用最大；設計工況下兩個系統(tǒng)在全球性、區(qū)域性、局地性視角下的綜合性能指標分別為3.98，3.16，2.04（人．a）／萬元和6.31，5.89，4.84(人．a)/萬元，對比可見生物質氣化合成二甲醚系統(tǒng)產生每萬元經濟收益的環(huán)境影響更低，故綜合性能更好。
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