一种生物质制取车用燃料的综合性能评价方法

作者：张毅

目前，生物质热解制取高品质液体燃料技术仍处于研发阶段，生物质汽油／柴油在技术开发、经济效益、污染排放等方面都已有了众多研究，在替代化石汽油／柴油时被认为具有极大的优势；近年来，利用生物质气化合成气通过一步法合成二甲醚的开发研究得到了快速发展。针对生物质不同转化途径进行全生命周期的评价分析并优化系统方案．对我国发展生物质能利用技术，建立可持续的能源系统具有重大意义。

    基于生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)，国内外有许多学者对生物质制取高品质液体燃料的工艺系统做了不同方面（环境性，经济性，生态性及综合影响）的评价分析。其中，环境性影响评价由于不同污染物造成的环境影响类型不同，总环境影响值的获得需要考虑不同环境影响类型的权重。目前赋权法主要有层次分析法、多目标决策法、货币法等。对综合影响进行评价时，有研究者对各项影响指标采用了无量纲处理后加权整合，亦有学者在各项影响评价中全部使用环境成本作为衡量指标，总体上综合评价的方法比较少。

    本文在LCA框架下，结合层次分析(AnalyticHierarchy Process，AHP)的方法建立了一种新的环境一经济综合评价模型，针对生物质气化合成二甲醚系统(Dimethyl Ether from Biomass，Bio-DME)与生物质加氢提质制汽油／柴油系统(Bio-oil Upgrading via Fast Pyrolysis and Hydroprocessing,Bio-UPO)两个对象，分别进行环境性、经济性和综合性能的评价，并将二者进行了对比与分析。

1评价对象

本文以生产规模为5万t/a的生物质气化制二甲醚系统及生物质热解加氢提质制汽油柴油系统为研究对象，所采用的生物质物料均为玉米芯，其成分分析见表1。

1.1 Bio-DME工艺流程

图1为两段式同定床生物质气化制二甲醚系统，其工艺流程主要有4个步骤：生物质气化、合成气净化、合成二甲醚、二甲醚的精馏提纯。

    生物质原料进入热解器热解后进入气化器，在高温下与富氧空气和水蒸气混合发生剧烈反应，生成富含CO，H2及少量有害杂质的生物质气化气；气化气经高温过滤除灰、间接冷却降温后送入气柜缓冲，再由一级吸附塔和脱氧塔进行预净化，经压缩后进人脱碳塔；脱C02后的合成气再压缩后进行深度净化，然后进入合成塔，采用同定床一步法合成二甲醚。合成产物精馏提纯后可得到DME成品。

1.2 Bio-UPO工艺流程

图2所示为生物质热解加氢制汽油／柴油系统，其工艺流程主要包括3个步骤：生物质热解、生物油重整制氢和生物油加氢提质。

    生物质快速热解采用串行流化床技术，两床之间通过床料进行热量传递，将热解和燃烧分开，热解产物经分离、冷凝、收集，获得可冷凝的生物油和不冷凝性气体；不冷凝性气体一部分循环送人热解反应器作为载气，一部分与补燃焦炭进入燃烧反应器燃烧供热。生物油分为两部分，水相用于催化重整制氢，催化重整获得的合成气经冷却分离获得H2，部分H2与油相部分在高压反应釜内进行催化加氢和催化裂解反应，产物经冷却和蒸馏分离后得到提质油产品汽油／柴油。

2清单分析

针对本文的两个对象，界定他们的评价范围分为生产上游，生产过程和生产下游3个阶段，如图3所示。其中，生产上游包括玉米的生长、玉米芯的收集和运输过程；生产过程包括生物质气化合成二甲醚的过程和生物质热解加氢制取汽油／柴油的过程；生产下游则是生产的产品( Bio-DME/Bio-UPO)全部用作车用燃料的消费过程。

2.1生物质的生长阶段

    本阶段的环境影响主要考虑以下几个方面。

    ①生物质自身生长期光合作用对C02的同定。根据玉米芯含碳量可得其生长固碳率为

1 551.538 t(C02)/t。

    ②农田土壤温室气体的排放。玉米田为干田，故玉米的CH。排放为零，土壤温室气体C02和N20排放量分别为638.12，0.479 kg/t。

    ③化肥生产及使用所造成的环境排放。玉米产量为1.2 kg/m2，玉米的纯氮肥、磷肥、钾肥的施用量分别为0.034 4，0.011 4，0.039 45 kg/m2，其中总氮流失率为2.5%。

    ④农药使用所造成的环境排放。因农药使用量远小于化肥用量，故不考虑农药生产过程的排放：玉米的农药平均施用量为1 kg/t11si，农药流失率为18%。

玉米芯生长阶段所引起的环境影响应根据玉米、玉米秆和玉米芯的经济价值进行分配，计算得玉米芯的折算因子(K。。)为0.063 5，该阶段的清单见表2。

2.2生物质的收集阶段

    本阶段只考虑耗电量引起的间接环境排放。该阶段的耗电主要来源于铡切、打包过程，供电设备包括破碎机、打包机、秸秆起重机，单位质量生物质总耗电量为14.31 kWh/kg，根据我国发电过程污染排放量呵得该阶段的环境排放，见表2。

2.3生物质的运输阶段

    本阶段仅考虑运输过程中机动车的排放。假设生物质收集半径为20 km，运输工具为5t轻型货车，燃料为柴油，单位质量生物质油耗为3.498kg/t。根据St轻型货车的污染物排放系数计算运输阶段的环境排放，详见表2。

2.4生物质产品的生产阶段

2.4.lBio-DME的生产过程

    根据生物质气化制取二甲醚的工艺过程，采用两段式固定床富氧一水蒸气气化技术，如图1所示。根据模拟实验定条件：热解炉温度为550 cC，气化器内碳层温度为800℃，气化温度为860℃，常压：气化器内通人空气富氧浓度为90%，当量比为0.27，水蒸气配比为0.2；脱碳压力为1.4 MPa，合成塔压力为4.3 MPa，温度为270℃，出口温度为150℃：二甲醚提纯一级精馏压力为1.5 MPa，二级精馏压力为1 MPa。

    玉米芯制取二甲醚的生产过程中的污染物主要有大气污染物、废水及固体污染物。其中，大气污染物主要为气化合成阶段的反应排出的废气：固体废弃物的排放根据玉米芯的灰分以及碳转化率计算，假设固体废弃物的回收率为90%；另外，生产过程中需消耗氧气和电，且在制氧和发电过程中也有一部分气体污染物和同体废弃物的排放。对合成反应中未参与反应的其他可燃气体(CO，H2和CH4)进行燃烧处理，假设燃烧率为99%，剩下的1%作为废气排出：水体污染物清单根据工业废水排放标准计算。

2.4.2 Bio-UPO的生产过程

    玉米芯制取汽油／柴油的生产过程中的污染物排放根据Aspen plus软件模拟获得。系统模拟条件：热解反应器温度为500 cC．压力为0.1MPa;燃烧反应器温度为900 0C．压力为0.1 MPa;重整反应器温度为800℃，压力为1.38 MPa;加热炉温度为900℃，压力为0.1 MPa;水蒸气与生物油的摩尔比为6；催化加氢／催化裂解温度为370℃，压力为17.8 MPa;变压吸附装置目标气体回收率为90%；蒸馏塔温度为40℃，压力为0.5 MPa,生物油的水相／油相质量比为0.3 8:0.62。该工况下单位质量(kg)玉米芯的汽油／柴油产率为0.114kg，H2产率为0.013 kg;电耗所产生的环境影响作为间接排放计人生产过程：水体污染物与同体废弃物排放量计算同Bio-DME。详细清单见表2。

2.5生物质产品的消费阶段

    生物质转化的二甲醚与汽油／柴油统一作为车用燃料消费，二甲醚热值为27.6 MJ/kg，汽油／柴油热值为46 MJ/kg。

    生物燃料的油耗参考小型乘用车平均油耗：二甲醚的密度为870 g/L，含碳量为52.2%，以其作为小型乘用车的燃料，百公里油耗为15 L：汽油的密度为737 g/L，含碳量为88.89%，以其作为小型乘用车的燃料，百公里油耗为12 L：柴油的密度为856 g/L，含碳量为85.71%，以其作为小型乘用车的燃料，百公里油耗为8.4 L。假设各燃料完全燃烧，C02排放根据碳含量计算，二甲醚的燃烧暂不考虑CH4和N20的排放，其余污染物排放参考欧IV排放标准。

3影响评价

本文结合LCA和AHP的方法，建立了反映经济一环境的综合评价模型，层次结构如图4。

其中，依据EDIP环境影响分类体系，考虑了6种环境影响类型，即全球变暖( Global Warming，GWP)、酸化(Ac:idification，AP)、富营养化(Eu-trophication，EP)、光化学污染(Photochemical 0一zone Formation，POF)、人体毒性(Human Toxicity，HTP)、固体废弃物(Solid Waste．SW)。在环境性分析中利用层次分析法，将6种环境影响类型设为环境性的指标层，总环境影响为目标层，得到环境性指标，即总环境影响值En,dk。在经济性评价中分别对产品的经济成本与预期价值进行分析，从而得到经济性指标，即产品的收益_P：最后，用环境性和经济性指标的比值来表示综合性能指标n,dk[即每万元的经济收益所产生的环境污染当量，单位为(人．a)/万元]，其计算公式为

3.1环境性

    因不同污染物对环境影响类型的作用不同，各环境影响类型对总环境影响值的贡献亦不同，且在不同视角下各个环境影响类型所占的权重也不一样，为获得各环境影响类型的影响潜值和总环境影响值，需对各环境影响类型的污染物进行特征化和标准化处理，见式(2):

式中：m为环境影响类型；NEP,。为第m种环境影响类型的标准化值，(人．a)/t；QnL,。为第m种环境影响类型中：物质的消耗或排放量，k卧；EE。为第m种环境影响类型中i物质的当量因子．kg/kg；RR。，为第m种环境影响类型中参考物质的人均年消耗或排放量，kg/(人．a)。

标准化后的环境影响潜值，经过加权可得到总环境影响值，其计算式为

式中：Endh为庇视角下，产品的总环境影响值，(人．a)/t；Wk．，，，为k视角下，第m种环境影响类型的权重．见表3。为比较两种产品，计算出它们单位热值(MJ)的总环境影响值End^’，最后计算得到总环境影响值（表4）。

    将两个对象的单位热值(MJ)的总环境影响值进行对比发现，在全球性视角下Bio-DME的值要大于Bio-UPO，在区域性和局地性视角下Bio-UPO的值都要大于Bio-DME，这是因为在全球性视角下，EP占的权重较小，Bio-UPO在生长和生产阶段的EP比Bio-DME大很多，所以EP的比重减小导致Bio-UPO的总环境影响值相对Bio-DME变小了。

3.2经济性

经济性分析的指标为产品的收益，计算公式如下：

式中：P为产品收益，元／t；P．为产品预期价值，元/t；C．．为产品经济成本，元／t。

    投资成本估算：以2012年末为参考时间，根据年产5万t二甲醚装置的2010年投资成本（P2010=41 773万元），考虑通货膨胀率，折算得到2012年末的投资成本（P2012=45 173万元）。不同规模但T艺相似的生物质制汽油柴油系统经规模指数法计算，得到提质油的2012年投资成本（P2012=97 000万元）。

    投资成本中30%为自有资金，不还本不计息，其余70%为银行贷款，中国银行贷款利率按6.8%计算，折旧年限为15 a．残值率为5%。玉米芯价格取300元／t．针对Bio-DME和Bio-UPO,催化剂消耗率为0.6 kg/t，价格分别为1.3，1.1万元／t，水消耗率分别为8 000，12 205 kg/t，电耗率分别为1 345，1 913 kWh/t，水和电的价格分别为3.1元／t和0.5元/kWh;工资为40 000元／（人．a），按100人计算，福利取工资的15%，维修费取固定资产的3%，保险费和其他费用取固定资产的1%，管理费用取工资和福利的15%。

3.3综合性能

    由上述计算可知，假设产品单位热值的预期价值为163元／MJ，则可得二甲醚与提质油单位质量的预期收益分别为559，502元／t。它们在不同视角下的综合性能指标见表5。

    由表5可见，无论在哪个视角下．Bio-UPO的综合性能指标都要大于Bio-DME，即制取汽油／柴油的单位产品收益的环境影响总是大于制取二甲醚的影响，故考虑到环境污染问题，对比生物质热解加氢制取汽油／柴油，采用生物质富氧水蒸气一气化、一步法合成二甲醚这一工艺路线更优。

4结果讨论与分析

4.1不同视角下各环境影响类型的分布

图5为不同视角下各环境影响类型的分布。由图5可见，对于Bio-DME和Bio-UPO，虽然在不同视角下不同类型的环境影响所占比例不完全相同，但是各个视角下的主要的环境影响类型是一致的。全球性视角下AP和GWP是主要环境影响类型，它们占总环境影响的份额分别为44.7%，35.6%和43.3%，31.8c/O2而区域性和局地性视角下GWP比重都明显降低，AP和POF在区域性视角下成为了最主要的环境影响类型：SW在局地性视角下所占比重明显增加，和POF共同成为了主要的影响类型。

    环境影响类型这样分布的主要原因是：生物质在生长阶段会进行光合作用，起到固定CO2的作用，使GWP显著降低，但在生产阶段中，除了反应过程中有CO2的直接排放，还有大量因电力等能源消耗而造成的间接CO2排放，故全球性视角下GWP所占权重很大。此外，全球性视角下．AP与GWP所占比重基本相当，是因为在生长阶段时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产过程中的间接排放，以及在生产阶段中电力等能源消耗造成的较多NO，和S02的间接排放。综上可知，在生物质制取液体燃料的工艺中，其他资源的使用是造成环境影响的重要原因。

4.2不同阶段各环境影响类型的分布

图6为不同阶段各环境影响类型的分布，由图6可知，对于不同环境影响类型，生长阶段、生产阶段和消费阶段的影响普遍较大，而收集和运输阶段几乎可忽略。

    对于GWP来说，影响较大的阶段是生长阶段和生产阶段，各占将近一半：而对于AP．POF和HTP而言，影响较大的阶段为生产阶段和消费阶段。这是因为会导致POF的CH。，NO。，SO2，CO，HC，PM10这几种大气污染物的排放主要来自于生产阶段和消费阶段．NO。和S02的排放还是导致AP和HTP的主要原因；而SW的产生基本上全部来源于生产阶段，针对Bio-DME,Bio-UPO所占比例分别为97.2%，92.7%。

    对于EP，生长阶段的影响占有很大的比重，这是因为在生物质生长阶段中化肥与农药的使用常伴随着氮和农药的大量流失：而针对Bio-UPO,生产阶段的影响也很大，这是由其工艺性造成的，该系统中生物质热解后需要进行提质处理，由此有较大的COD和NH3-N排放。

    综上显示，改善环境性能应该主要关注生长阶段、生产阶段和消费阶段，在生长阶段减少化肥和农药的使用，在生产阶段优化工艺流程减少污染物的排放，在消费阶段提高车用燃料的燃烧效率，采取以上措施来减少这3个阶段的环境影响都可以有效降低整个工艺系统的环境影响。

4.3经济成本的分布与收益

图7为两个工艺过程的经济成本分布图。

    由图7可见，针对Bio-DME和Bio-UPO,原料费用都占了最大的份额，分别为40.15%和38.60%，主要原因是工艺过程中的原料消耗量较大；其次为电费和折旧费，所占份额分别为17.86%，13.67%和14.38%，17.56%；此外，财务费用的比重也较多。通过对比可知．Bio-DME的电费比Bio-UPO要少，这是因为前一工艺系统中的耗电量更少。

    综上显示，提高生物质工艺经济性的最有效途径是改进工艺路线，降低生物质原料的消耗量，并降低生产过程中的电耗；此外，还可以通过降低固定投资的方法来降低经济成本。

4.4敏感性分析

    本文的生物质转化工艺选取玉米芯作为原料，其价格的变动以及产品预期价值的变动会对最后产物的经济收益产生影响，从而对最后的综合性能指标造成影响。

4.4.1玉米芯价格和产品预期价值对产品收益的影响

图8所示为玉米芯价格和产品预期价值对产品收益的影响。当产品预期价值为163元/MJ．原料价格为300～450元／t时，产品收益随经济成本的变化趋势如图8(a)所示：当原料成本为300元／t，产品预期价值为120～170元/MJ时，产品收益随预期价值的变化趋势如图8(b)所示。

    由图8我们可以清楚地看到，产品的经济收益与玉米芯价格呈反比例关系，与产品预期价值呈正比例关系。由图8(a)可见，当玉米芯价格分别大于405，356元／t时，Bio-DME，Bio-UPO经济收益将分别降至0以下。由于生物质原料成本在总成本中占有较大的份额，故降低生物质原料价格可以有效地降低经济成本，进而提高产品收益，使综合影响性能指标减小。由图8(b)可见，当产品单位热值的预期价值分别大于143 ,152元/MJ时，Bio-DME，Bio-UPO的经济收益才为正值，即系统才可以盈利。

4.4.2玉米芯价格和产品预期价值对综合性能指标的影响

两个对象在3个视角下的趋势曲线基本一致，故以全球性视角下(k=1)的Bio-DME和Bio-UPO为例，当产品的预期价值为163元/MJ，产品的综合性能指标随玉米芯价格变化的趋势如图9(a)所示；当原料成本为300元／t，产品的综合性能指标随产品预期价值变化的趋势如图9(b)所示。

    由图9可知，对Bio-DME和Bio-UPO来说，当产品预期价值为163元/MJ，玉米芯价格分别低于340，380元／t时：或当原料成本为300元／t．产品的预期价值分别低于150，160元/MJ时，降低玉米芯价格或提高预期价值，可获得较高的产品收益，从而有效降低工艺系统每万元经济收益的环境影响：但随着玉米芯价格的进一步降低或预期价值的进一步提高，其改善效果便会越来越弱。

5结论

    本文以Bio-DME和Bio-UPO两个生物质工艺系统为对象，基于LCA建立了环境一经济的综合评价模型，以每万元经济收益的环境影响当量来表征综合性能。

结果表明，本文所评价的两个对象在各视角下环境影响类型所占份额不同，但主要影响类型一致：全球性视角下，GWP和AP是主要的环境影响类型；区域性视角下，AP和POF是主要环境影响类型；局地性视角下SW和POF是主要的环境影响类型：减少化肥和农药的使用，优化工艺流程、减少其他形式能源的消耗，提高生物质转化率，提高车用燃料的燃烧效率，都可以有效降低系统的环境影响，提升经济效益：设计工况下Bio-DME和Bio-UPO的经济收益分别为20，11兀／MJ;Bio-DME和Bio-UPO在全球性、区域性和局地性视角下的综合性能指标分别为3.98. 3.16. 2.04（人．a）／万元和6.31，5.89，4.84（人．a）／万元：针对Bio-DME和Bio-UPO，当玉米芯价格分别低于405，356元／t或产品的预期价值分别大于143，152元/MJ时，系统才可开始盈利。相比之下，在使用玉米芯作为生物质原料时，Bio-DME的综合性能比Bio-UPO更好。

6摘要：针对生产规模为5万t／a的生物质气化合成二甲醚系统和生物质热解加氢提质制汽油柴油系统，基于生命周期评价方法，结合层次分析法建立了新的环境一经济综合性能评价模型，分别对两个系统的环境性、经济性和综合性能指标进行分析对比。结果表明：在全球性视角下的环境负荷最大；全球变暖、酸化和光化学污染是主要的环境影响类型：生长阶段、生产阶段和消费阶段对环境影响的作用最大；设计工况下两个系统在全球性、区域性、局地性视角下的综合性能指标分别为3.98，3.16，2.04（人．a）／万元和6.31，5.89，4.84(人．a)/万元，对比可见生物质气化合成二甲醚系统产生每万元经济收益的环境影响更低，故综合性能更好。