張 波 仲兆平 于 點 黃 蕩

(東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

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生物質快速熱解制取液體燃料的技術經(jīng)濟分析

張 波 仲兆平 于 點 黃 蕩

(東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

為考察生物油超臨界乙醇提質方法的能源效率和經(jīng)濟性能,建立了生物質快速熱解超臨界乙醇提質制取液體燃料工藝流程及其仿真模型.在仿真計算的基礎上,對液體燃料生產(chǎn)成本進行計算,將生物質快速熱解超臨界乙醇提質制取液體燃料與生物質熱解催化加氫和纖維素制乙醇方法進行對比,并通過敏感性分析研究了不同因素對液體燃料生產(chǎn)成本的影響.結果表明:液體燃料生產(chǎn)成本為6 052 元/t(216元/GJ),略高于生物質熱解催化加氫工藝,但明顯低于纖維素制乙醇工藝;對液體燃料生產(chǎn)成本影響最大的因素是生物油產(chǎn)率和乙醇價格,提高熱解過程中生物油產(chǎn)率和減少提質過程中乙醇消耗均有利于提高系統(tǒng)經(jīng)濟性能.

生物質;熱解;超臨界乙醇提質;技術經(jīng)濟

通過熱解將木質纖維素生物質中的纖維素、半纖維素和木質素轉化為初級生物油,再通過生物油的品位提升可制取液體燃料.我國生物質資源豐富,將其高效轉化為液體燃料,對于增加能源資源、緩解能源危機和減少環(huán)境污染具有重要意義[1].

生物質快速熱解是生物質于惰性氣體氛圍中,在壓力為0.1～0.5 MPa和溫度為500 ℃左右條件下,以104～105 ℃/s的高加熱速率和少于2 s的停留時間,使大分子生物質轉變?yōu)樾》肿託鈶B(tài)中間產(chǎn)物,然后通過快速冷凝將中間產(chǎn)物收集,從而得到液體產(chǎn)物的過程.生物質快速熱解制得的液體產(chǎn)物最大產(chǎn)率可達生物質原料干重的80%[2].因此這種方法得到了廣泛關注和應用.

生物油具有水分含量高、含氧質量分數(shù)高、酸性強、黏度大、熱值低、不穩(wěn)定性高等缺點[3],使得生物油的提質改性成為生物質轉化為液體燃料的關鍵問題,也是目前研究的發(fā)展趨勢.為制取穩(wěn)定且易燃的車用含氧液體燃料,鄭小明等[4]將超臨界條件引入到生物油提質改性過程中,利用超臨界流體優(yōu)異的傳熱傳質性能,使得反應條件比傳統(tǒng)的催化加氫和催化裂解提質方式更加溫和.生物油在超臨界醇(乙醇或甲醇)體系下提質效果最好,經(jīng)提質反應后生物油中絕大部分酸類能轉化為酯類物質,生物油的運動黏度和密度明顯下降,發(fā)熱量和pH值也得到提高[5].

雖然生物質快速熱解超乙醇提質技術已趨于成熟,但關于其經(jīng)濟性能方面的研究尚未見報道.經(jīng)濟評價的成本主要包括固定資產(chǎn)和運行費用,其中,固定資產(chǎn)包括設備購置即建設費用,運行費用包括原料費、電費、維護費用、職工工資等[6].本文基于生物油超臨界乙醇提質技術,建立生物質快速熱解超臨界乙醇提質制取液體燃料工藝流程,在仿真計算的基礎上,采用技術經(jīng)濟評價方法剖析生物質轉化為液體燃料過程中的經(jīng)濟性能,為發(fā)展高效、經(jīng)濟合理的生物質能源轉化技術提供理論指導.

1 工藝流程和仿真模型

1.1 工藝流程

生物質熱解制取液體燃料的主要步驟為預處理、熱解、氣固分離、生物油收集、焦炭和不可凝氣體燃燒以及生物油提質,如圖1所示.本文建立的生物質快速熱解超臨界乙醇提質制取液體燃料詳細工藝流程如圖2所示,假設整個系統(tǒng)每天的生物質(干基)處理量為500 t.

本文選取的生物質原料為樟子松,其工業(yè)分析和元素分析如表1所示，其中元素分析所用原料為干燥基，工業(yè)分析則為空干基.在預處理部分,生物質首先破碎至平均粒徑10 mm,經(jīng)空氣干燥,生物質中的含水量降至13.9%,再經(jīng)錘式粉碎機碾磨至平均粒徑為3 mm.在滿足一定的水分和粒徑要求后,生物質進入熱解反應器,在550 ℃，0.1 MPa條件下熱解生成熱解氣和焦炭.焦炭經(jīng)旋風分離器從熱解氣中分離出來,進入燃燒器燃燒，所產(chǎn)生熱量的一部分提供熱解反應,一部分則用來發(fā)電.熱解氣的冷卻采用2個連續(xù)的換熱器[7],第1個換熱器以水為冷卻介質，生產(chǎn)的飽和蒸汽用來發(fā)電.第2個換熱器以冷空氣為冷卻介質,換熱后的熱空氣可以用于生物質的初始干燥預處理.熱解氣冷卻后生物油冷凝下來并被收集和貯存,不可凝氣體則經(jīng)壓縮后循環(huán),一部分進入燃燒器,另一部分作為熱解過程的載氣.

圖1 生物質熱解制取液體燃料系統(tǒng)流程示意圖

圖2 生物質快速熱解超臨界乙醇提質系統(tǒng)流程示意圖

元素分析成分質量分數(shù)/%工業(yè)分析成分含量/%Cd45．92Mad13．90Hd5．95FCad12．06Od47．70Vad73．74Nd0．10Aad0．30Cld0Sd0．03

注:Mad,Vad,Aad分別為生物質的水分、揮發(fā)分和灰分.

在提質部分,生物油在55 ℃，9 kPa條件下進行減壓蒸餾[8],分離成輕質組分和重質組分.水蒸氣重整制氫工藝參考文獻[9],根據(jù)Marquevich等[10]提出的生物油水蒸氣重整反應機理,重整反應器內發(fā)生的反應可由下式表示:

式中,m,n,k為生物油中H，C和O元素的摩爾分數(shù).重整反應器內水蒸氣重整反應如表2所示.

表2 重整反應器內的水蒸氣重整反應

輕質組分與高溫蒸汽按1∶1的比例混合后,在700 ℃，1.38 MPa條件下催化重整,制得的氫氣經(jīng)變壓吸附和壓縮后作為重質組分提質的氫源,多余的產(chǎn)物作為副產(chǎn)品.在重質組分的提質過程中,乙醇與生物油重質組分的混合比例(簡稱醇/油比)為2∶1,反應條件為260 ℃，8.5 MPa,在Pt/SZr催化劑催化下進行提質改性[11].提質后的產(chǎn)物經(jīng)溶劑回收將乙醇和水分離后得到液體燃料.制氫過程中會排放富含CO和CH4的馳放氣,重質組分提質過程中也會有一定量的氣體和焦炭生成,可采用余熱鍋爐進行能量回收以提高系統(tǒng)能量利用效率.余熱鍋爐生產(chǎn)的過熱蒸汽用來發(fā)電,為生產(chǎn)過程提供所需的電量,多余的電量則作為副產(chǎn)品出售.

1.2 仿真模型

為獲得系統(tǒng)中物流和能流的相關數(shù)據(jù)(溫度、壓力、焓等),本文選用仿真軟件Aspen Plus對整個流程進行模擬.樟子松熱解產(chǎn)物分布采用浙江大學能源清潔利用國家實驗室實驗數(shù)據(jù)[12],根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的熱解產(chǎn)物分布如表3所示.重質組分超臨界乙醇提質的產(chǎn)物分布則采用文獻[8-9]公布的實驗結果.

表3 熱解產(chǎn)物分布

為簡化流程和準確模擬,仿真過程中作如下假設:① 燃燒器和水蒸氣重整反應器穩(wěn)定運行,且完全達到熱力學平衡狀態(tài);② 旋風分離器效率為100%,也就是不考慮生物油中的固體顆粒,并且所有灰分、N元素和S元素都轉移到焦炭中;③ 不考慮系統(tǒng)中因流動造成的壓損,生物質顆粒溫度均勻,無梯度;④ 燃燒過程中空氣過量系數(shù)設為1.2.各單元模擬采用模塊如表4所示.

表4 各單元模塊

2 經(jīng)濟性計算方法

2.1 投資費用計算

利用仿真計算可得到各操作單元進出口的詳細物流和能流數(shù)據(jù),以及生產(chǎn)過程中的電量消耗.利用得到的數(shù)據(jù),采用生產(chǎn)規(guī)模指數(shù)法估算設備購置費用,這種方法的誤差為±30%[14]，計算式為

(1)

式中,Cnew為新設備的購置費用;C0為已知設備的購置費用;Snew為新設備的生產(chǎn)規(guī)模;S0為已知設備的生產(chǎn)規(guī)模;a為生產(chǎn)規(guī)模指數(shù).系統(tǒng)主要設備購置費用如表5所示[7,9,15].

表5 生物質熱解超臨界乙醇提質系統(tǒng)主要設備費用

在使用表5中的數(shù)據(jù)時,需根據(jù)當年的美元對人民幣的匯率兌換成人民幣,再利用中國統(tǒng)計年鑒上公布的固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)折算成現(xiàn)在的國內設備費用,計算式為

Cequip=RσCnew

(2)

式中,Cequip為根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模指數(shù)法計算得到的設備購置費用,;Cnew為設備購置費用，2012年人民幣價格，元;R為參考年份當年美元對人民幣匯率;σ為參考年份當年對某一年固定資產(chǎn)投資價格指數(shù)(通過中國統(tǒng)計年鑒公布數(shù)據(jù)查詢).

投資費用除設備購置費外,還包括建筑工程費、安裝費、工藝管路費以及其他費用,因此在計算投資費用時,還需將設備購置費乘以一個系數(shù).根據(jù)文獻[9]中的數(shù)據(jù),取該系數(shù)值為5.46，計算式為[16]

Kinvest=ξKequip

(3)

式中,Kinvest為投資費用;Kequip為總設備購置費用;ξ為系數(shù),本文中取值為5.46.

2.2 生產(chǎn)成本計算

計算可變生產(chǎn)成本采用的數(shù)據(jù)如表6所示,生物質價格參照文獻[17]取為350 元/t,乙醇、氫氣、Pt/SZr催化劑的單價通過供應商的平均報價得到,焦炭單價采用與其低位發(fā)熱量相當?shù)拿簝r格,電價根據(jù)江蘇省電網(wǎng)電價銷售表上的一般工商業(yè)電價,取值為0.867元/(kW·h),水蒸氣重整制氫所需的催化劑費用參考文獻[6]計算.固定生產(chǎn)成本主要考慮財務費用、維護成本、保險費、職工工資、管理成本.本文中液體燃料生產(chǎn)成本的計算參數(shù)取為:假設30%為自有資金,不還本不計息,70%為銀行貸款,計算利息;運行維護成本、保險費、職工工資分別取值為項目資產(chǎn)總投資的3%,1%,1%,管理成本為職工工資的15%;年運行時間為7 200 h,折舊年限為15年,殘值率為7%.其中部分參數(shù)引自文獻[18].

表6 計算可變運行成本采用的數(shù)據(jù)

3 計算結果和分析

3.1 模擬結果

生物質快速熱解超臨界乙醇提質系統(tǒng)的質量流動和能量流動如圖3所示.物流的能量包括化學燃燒熱和物理顯熱,化學燃燒熱按高位發(fā)熱量進行計算,物理顯熱則為物流的實際焓值與標準狀態(tài)(0.1 MPa,25 ℃)下的焓值之差.

生物質快速熱解過程生物油產(chǎn)率為50%,生物油經(jīng)減壓蒸餾后,重質組分收率為30%，而輕質組分收率為70%.生物油中的絕大部分水富集進入輕質組分,而重質組分的含水量僅為1.68%.重質組分的超臨界乙醇提質過程的液體燃料收率達到85.9%,液體燃料的高位發(fā)熱量為28 MJ/kg.提質過程消耗的乙醇量約為進料量的120%,這是由于乙醇不僅與酸類物質發(fā)生酯化反應,還發(fā)生脫水反應和縮醛反應，從而轉變?yōu)槠渌镔|[19],因此乙醇消耗量較大.超臨界乙醇提質反應過程為部分脫氧,因此提質過程消耗的氫氣量較少,約為進料量的2.4%,與催化加氫提質方式(消耗的氫氣量約為進料量的5%左右)相比要小[20].整個系統(tǒng)除消耗生物質和乙醇原料外,無需外加能量.輕質組分水蒸氣重整制氫過程的氫氣轉化率為6.65%,制取的氫氣作為重質組分提質的氫源,且有剩余氫氣可作為副產(chǎn)品出售;系統(tǒng)生產(chǎn)的電量不僅可以滿足自身消耗,還可向外輸出.另外,通過計算得到生物質干燥熱量消耗為1.3 MJ/kg,生物質熱解熱量消耗為5.38 MJ/kg,所需能量分別占輸入生物質能的14.6%和35.08%.

3.2 經(jīng)濟性分析結果

本文經(jīng)濟性分析主要結果如表7所示.在生物質生產(chǎn)規(guī)模為500 t/d時,液體燃料生產(chǎn)成本為6 052 元/t,而液體燃料高位發(fā)熱量為28 MJ/kg,因此可換算得到生產(chǎn)1 GJ能量所需成本為216 元.根據(jù)文獻[17,19，21]中的數(shù)據(jù)可得,生物質熱解催化加氫方法、纖維素制乙醇方法和煤制油方法液體燃料生產(chǎn)成本分別為186,263和262 元/GJ (已折合為當前人民幣水平).由此可見,本文方法在經(jīng)濟性上雖略低于生物質熱解催化加氫方法,但相比于纖維素制乙醇以及煤制油方法有較大的優(yōu)勢.

圖3 生物質快速熱解超臨界乙醇提質系統(tǒng)的質量和能量流動圖

表7 生物質快速熱解抽取液體燃料經(jīng)濟性分析結果

總設備購置費用的構成如表8所示.由表可知,對總設備購置費用貢獻最大的是水蒸氣重整制氫,達到了32.0%,其次為預處理、熱解和冷卻,分別為16.9%,16.7%和12.3%.設備購置費不僅與總投資費用有關,并且以折舊費的形式計入生產(chǎn)成本,會直接影響系統(tǒng)經(jīng)濟性能.水蒸氣重整制氫設備購置費最高,主要是由于工藝較復雜且技術尚未成熟.這使得系統(tǒng)單位投資費用增大,折舊費變高,進而增加生產(chǎn)成本,因此需要發(fā)展成熟、經(jīng)濟的生物油制氫技術.

表8 總設備購置費用的構成

液體燃料生產(chǎn)成本包括生物質和乙醇的原料成本、催化劑費用、折舊費、固定成本以及副產(chǎn)品收益,液體燃料生產(chǎn)成本的構成如圖4所示.生物油重質組分的提質需要消耗大量的乙醇,因此乙醇對液體燃料生產(chǎn)成本貢獻最大,為2 845元/t.系統(tǒng)輸出的副產(chǎn)品主要是氫氣和電,其收益對生產(chǎn)成本的貢獻為-1 470 元/t.若能進一步提高氫氣產(chǎn)量且加強熱量回收以生產(chǎn)更多的電量,將有利于提升系統(tǒng)經(jīng)濟性能.

圖4 液體燃料生產(chǎn)成本的構成

3.3 生產(chǎn)規(guī)模對生產(chǎn)成本的影響

生產(chǎn)規(guī)模對液體燃料生產(chǎn)成本的影響如圖5所示.從圖中可以看出,生產(chǎn)規(guī)模對于系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響明顯.生產(chǎn)規(guī)模從100 t/d增加到900 t/d,生產(chǎn)成本下降了30%,但是下降的趨勢隨生產(chǎn)規(guī)模的增加越來越平緩.因此,在技術可行的條件下盡量擴大系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模，有利于降低生產(chǎn)成本.

3.4 敏感性分析

進行敏感性分析可以確定影響生產(chǎn)成本的最主要因素,本文主要考察了生物質價格、乙醇價格、氫氣價格、生物油產(chǎn)率、催化劑消耗量、投資費用和醇/油比對液體燃料生產(chǎn)成本的影響,結果如表9所示.從表中可以看出,對液體燃料生產(chǎn)成本影響最大的是乙醇價格,其次分別是生物油產(chǎn)率、催化劑消耗量、投資費用、氫氣價格和生物質價格.

圖5 生產(chǎn)規(guī)模對液體燃料生產(chǎn)成本的影響

表9 500 t/d生物質快速熱解超臨界乙醇提質系統(tǒng)敏感性分析

3.5 敏感性分析

生物油收率從50%下降到40%,液體燃料生產(chǎn)成本從6 052 元/t增加到6 790 元/t,是由于生物油收率的下降導致液體燃料產(chǎn)率減少,并且使得系統(tǒng)單位投資費用和固定成本迅速增加.相反地,生物油收率從50%增至60%,生產(chǎn)成本將降至5 549元/t,因此提高生物質熱解過程液態(tài)產(chǎn)物收率有利于改善系統(tǒng)經(jīng)濟性能.另外,乙醇價格從3 500 元/t增至5 500 元/t,生產(chǎn)成本從5 418 元/t增加至6 688 元/t,而醇/油比從2∶1增至8∶1,生產(chǎn)成本僅從5 968 元/t增加至6 123 元/t.這說明以醇/油比對液體燃料生產(chǎn)成本的影響遠小于乙醇價格,并且乙醇價格向上波動的幾率很大,因此在研究過程中除需降低醇/油比以減小提質設備的規(guī)模外,還需降低乙醇的消耗量以應對乙醇價格上升帶來的風險.

4 結論

1) 建立生物質快速熱解超臨界乙醇提質制取液體燃料工藝及其仿真模型,仿真計算結果表明，系統(tǒng)可完全實現(xiàn)自供熱和電,除消耗清潔可再生的生物質和乙醇原料外,無需消耗化石燃料,并且還可對外輸出氫氣和電,具有可行性.

2) 經(jīng)濟性分析結果顯示目前系統(tǒng)液體燃料生產(chǎn)成本約為6 052 元/t(216 元/GJ),略高于生物質熱解催化加氫工藝,但比纖維素制乙醇工藝明顯要低.

3) 生產(chǎn)成本中乙醇和生物質原料成本、固定運行成本占較大比重,通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)對生產(chǎn)成本影響最大的因素是生物油產(chǎn)率和乙醇價格.為降低生產(chǎn)成本,改善經(jīng)濟性能,應進一步提高生物油的產(chǎn)率,減少提質過程中的乙醇消耗量或者采用更廉價的但又不影響提質效果的原料作為乙醇的替代品,在技術可行的情況下應盡量擴大生產(chǎn)規(guī)模.

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Techno-economic analysis of biomass fast pyrolysis to liquid fuels

Zhang Bo Zhong Zhaoping Yu Dian Huang Dang

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the energy efficiency and the economic performance of bio-oil upgrading method in supercritical ethanol, the process and its simulation model for the production of liquid fuels by biomass fast pyrolysis and bio-oil upgrading in supercritical ethanol were established. On the base of the simulation, the system energy conversion efficiency and the fuel production cost were calculated and compared with the catalytic hydrogenation of biomass pyrolysis and cellulose-into-ethanol processes for liquid fuels. The effects of different factors on fuel production cost were also researched by the sensitivity analysis. Results show that fuel production cost is 6 052 RMB/t(216 RMB/GJ) slightly higher than that of catalytic hydrogenation process but significantly lower than that of cellulose-into-ethanol process. The bio-oil yield during the process of pyrolysis and the ethanol price have the greatest impact on fuel production cost, enhancing bio-oil yield and reducing the consumption of ethanol during the process of bio-oil upgrading can improve economic performance of the system.

biomass; pyrolysis; upgrading in supercritical ethanol; techno-economics

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.020

2016-04-06. 作者簡介: 張波(1989—)，男，博士生；仲兆平(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，zzhong@seu.edu.cn.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB2015052)、國家自然科學基金資助項目(51276040).

張波，仲兆平,于點,等.生物質快速熱解制取液體燃料的技術經(jīng)濟分析[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(6):1227-1233.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.020.

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1001-0505(2016)06-1227-07