生物质热解多联产系统的能值分析

韩菲¹，柳锋²，杨晴^1,3，陈德民¹，王贤华¹，杨海平¹，陈汉平¹

　　(1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉430074；2.上海电气集团股份有限公司，上海201199；3.华中科技大学能源与动力T程学院新能源科学与工程系，武汉430074)

　　摘要：以湖北省天门市杨林办集中供气示范站为研究对象，采用能值分析理论对生物质热解多联产系统的生态效益进行综合评价。研究结果表明：生物质热解多联产系统每年投入总能值为1.04×10⁴seJ，其中可再生能值投入比例为7.31％，能值转换率为3.97×10⁴seJ／J，电力与劳务消耗是生物质热解多联产系统能值投入的主要部分，占总能在投入的85.79％。

　　0引言

　　生物质可替代化石能源，缓解气候变化。根据我国“十二五”规划中高度重视生物质多元化利用技术，提高生物质能利用效率。生物质固定床干馏釜热解多联产技术作为一种新型的生物质能热转化技术，可通过热解将生物质转化为气、炭、油3种产物，具有较好的经济效益，同时提高了能源利用率，受到广泛关注。然而作为一个能量转换过程，系统必然会消耗生态资源，造成一定的生态影响，因此有必要对生物质热解多联产系统的生态效益进行分析研究。能值分析方法是以自然资源为基础，将投入系统的不同单位、不同形态的资源转化为统一形式，对系统生态效益进行分析的方法。在对生物质能利用系统能值分析方面，胡艳霞等运用能值理论对生物质气化站与沼气站进行评价，为工程推广提供科学依据；杨睛等圳对燃料乙醇生产系统进行能值分析，建立了基于植物生物质能的评价指标体系；罗玉和等应用能值分析方法，对生物质气化、直燃发电系统进行了分析评价，建立生物质气化、直燃发电能值指标体系。

　　为科学评估生物质热解多联产系统的综合生态经济效益，本文以湖北天门市集中供气示范站为研究对象，采用能值分析理论评价生物质热解多联产系统。

　　1研究系统概况及研究方法

　　1.1生物质热解多联产系统概况

　　本文所研究示范站位于湖北省天门市，总占地面积1.8万m。年产棉花秸秆5000t，稻壳2000t，林业废材1000t，实际可利用的原料量达8000t。集中示范工程年处理生物质原料2555t，原料供应充足，其中约500t用于燃烧以提供干馏釜热解所需热量，约2055t用于热解。如图1所示，在生物质热解多联产系统中，首先将生物质原料进行粉碎、干燥、制棒成型，然后将成型原料送人干馏炭化釜中，在隔绝空气的还原性气氛下进行热解并生产生物炭。热解过程中释放出大量挥发分，经分离、冷却与净化等装置，产生生物质燃气，进入储气柜；木焦油和木醋液冷却后，分别储存在木焦油与木醋液储存池。该示范站年产生物质燃气547500m³，生物质燃气进入储气柜，检测达到国家人工煤气标准后，经燃气输配系统，送达用户，供示范区域内1000户居民使用；年产生物炭547.50t，干馏釜内的生物炭经自然冷却后取出，包装后进行销售，生物炭可用作燃料，也可用于提高土壤肥力，缓解气候变化；年产木焦油9l_25t，木焦油装桶入库供后续加工及销售，目前利用化学方法将木焦油转化为生物柴油具有良好的发展前景；年产木醋液547.50t，酸度为4％～6％，可作有机肥，可促进植物生长、防治病虫害等，目前市场应用广泛。

　　1.2研究方法

　　所谓能值，是指一流动或储存的能量所包含的另一种类别能量的数量。一般认为太阳能是其他形式能源的基础，任何资源形成所需的太阳能量就是其所具有的太阳能值，故常以太阳能作为分析计算的媒介，将所有投入系统的资源通过能值转换率转化为同一形式的太阳能值。能值转换率即每单位能量或物质所具有的能值，其大小决定该物质或能值在系统中所占的能量等级的高低。生物质热解多联产系统能值分析通常有以下4个步骤：

　　1)确定生物质热解多联产系统的系统边界，绘制能值流动图；

　　2)根据能值流动图，列出系统内部和边界上通过的要素清单；

　　3)根据系统要素的原始数据清单和对应的能值转换率并对相同类型的要素进行归纳，如图2所示。图中RR表示本地免费可再生资源，NR表示本地免费不可再生资源，RP表示购买的可再生资源，NP表示购买的不可再生资源，Y表示研究所关注的系统产品；

　　4)计算可再生能源系统的能值评价指标。这些指标反映自然资源价值和人类社会经济发展以及人与自然、环境与经济的关系，也是进行系统综合分析及社会经济发展决策的重要参考指标体系。

　　2结果与分析

　　运用能值分析方法，评价生物质热解多联产系统的综合生态效益。根据能值分析的步骤，首先，确定系统边界，绘制能值流动图如图3所示。列出生物质热解多联产系统要素清单(表1)，进而计算能值指标。

　　如表1所示，该系统投入的总能值为1.04×10⁴seJ，系统产出的能量为2.62×10¹³J，计算可得系统能值转换率为3.97×10⁴seJ／J。生物质热解多联产系统各能值流占总能值投入的比例如图4所示，电力与劳务消耗是生物质热解多联产系统能值投入的主要部分，占总能值投入的85.79％。电力消耗过高一方面是由于农作物秸秆固定床干馏釜技术在原料成型制备过程中消耗电力过多，因此需进一步改进和提升热解多联产技术，以降低电力消耗；另一方面是电的能值转换率高而导致电力的能值投入较高，由于煤炭是目前电力生产的主要能源来源，因此应增加可再生能源发电的比例，逐步改变电力生产结构，从而降低电的能值转换率。另外，应适当提高农作物种植业的机械化水平、改进生物质热解多联产技术(如利用过程系统模拟软件对该系统过程的设备参数、操作参数等进行优化)，降低劳务的能值投入。

　　生物质热解多联产系统各类能值占总能值投人的比例如图5所示，RR、NR的投入比例分别为7.30％、0.01％，这说明自然环境对系统的能值投入较小，系统对自然环境的依赖程度较小。购人的NP的投入比例为64.07％，因为生物质热解多联产系统再生产过程中需消耗很多来自社会的不可再生资源，如化肥、电、设备等，购入的可再生能值投人为28.61％，其中劳务是主要的可再生能值。

　　表2列出了生物质热解多联产系统的各项能值指标计算结果。能值产出率是衡量系统产出对经济贡献的指标，该系统的能值产出率EYR为1.08，化石能源与矿物质的能值产出率通常为3～7，因此生物质热解多联产系统来自自然环境的能值投入较少，而来自社会的能值投人较多。虽然生物质热解多联产系统的能值产出率低于传统的化石能源，但随着化石能源的日益枯竭，开采难度逐渐增大，化石燃料的能值产出率降低；而生物质热解多联产系统随着技术改革、工艺创新、生产效率的逐渐提高，产业规模日益扩大，因此生物质热解多联产系统的能值产出率与化石燃料的能值产出率的差距将逐渐缩小。另一方面，生物质作为一种可再生能源，可再生周期较短，而化石能源是不可再生能源，它是自然界长期演变过程中能量积聚的结果。

　　生物质热解多联产系统的环境负载率ELR为1.78。通常来说，环境负载率ELR<2，表明过程对环境的影响小；210，表明过程对环境的影响较大，若系统长期在高环境负载率下运行，将对环境造成严重影响。因此，生物质热解多联产系统对环境造成的影响较小，是一种较为环保的新型热解技术。该系统的能值自给率ESR为0.07，说明在该系统能值投入中本地资源所占比例较小，系统对本地资源的需求较小。

　　将生物质热解多联产系统与其他生物质能利用系统的能值指标进行比较，结果见表3。与其他系统相比，该系统能值产出率较小，说明产出相同的能量，该系统从外界购人的能值比例较大，自然资源所占能值比例较小，该系统环境负载率较低，因此该系统对环境造成的影响最小。系统生产过程中需投入可再生能源与不可再生能源，能值自给率反映可再生能值占总能值投人的比例，热解多联产系统的环境自给率值较低，表明系统生产过程中投入了大量不可再生能源，因此需进行工艺改革和技术创新，以降低热解多联产系统不可再生能源投入比例。相比于其他几种系统，除沼气生产系统外，该系统ESI值最高，具有较好的可持续性。因此，热解多联产系统具有较好可持续发展性。由表3可知，沼气系统的综合生态效益优于生物质热解多联产系统，这是因为沼气系统的能值投人主要来源于自然资源，购入资源投入较少，因此能值产出率与可持续发展指数均高于生物质热解多联产系统。

　　3结论

　　本文以湖北省天门市杨林办集中供气示范站为例，采用能值分析方法对生物质热解多联产系统进行评价。生物质热解多联产系统通过热解把生物质原料转化为气、炭、油3种产物，该系统每年总能值投人为1.04×10¹⁸seJ，能值转换率为3.97×10⁴seJ／J。电力与劳务消耗是该系统能值投入的主要部分，占总能值投入的85.79％，因此降低电力与劳务消耗是提高系统适用性的必要选择。相比于其他生物质能利用系统，该系统对环境的影响较小，具有较好的可持续发展性。从能值角度来看，应进一步提高生物质热解多联产系统的竞争力，关键在于减少生产过程中能源消耗；另一方面，应改变能源结构，多利用可再生能源。