廣西木薯燃料乙醇項目能效評估

第24卷第2期.廣西農業(yè)、生物科。 學(xué)2005年6月Vol.24. NO.吃Journal of Guangxi Agric. and Biol. ScienceJune ,2005文章編號: 1008- 3464 (2005) 02 -0167-05廣西木薯燃料乙醇項目能效評估戴杜'，理河2，浦耿強'，王成燾'(1 上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200030;2廣西壯族自治區發(fā)展和改革委員會(huì )高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展處，廣西南寧530012)摘要:廣西具有豐富的木薯資源，以木薯為原料生產(chǎn)的燃料乙醇是-種可再生的燃料。采用凈能量和凈可再生能量?jì)蓚€(gè)指標評估木薯燃料乙醇系統的能量和可再生能量生產(chǎn)的效率，并對木薯乙醇在生命周期內與外界環(huán)境的能量交換進(jìn)行了統計,把能量消耗按照燃料和其副產(chǎn)品進(jìn)行了分配;以及按照是否再生進(jìn)行了分別統計。計算結果表明，使用木薯生產(chǎn)燃料乙醇在能量生產(chǎn)和再生能量生產(chǎn)上是可行的，木薯乙醇的凈能量為2.417 MJ/L.凈可再生能量是2.458 MJ/L;廣西的木薯資源每年能凈產(chǎn)出相當于3. 508萬(wàn)t汽油的可再生燃料。木薯單產(chǎn)和化肥用量是提高能源利用和再生能源的關(guān)鍵因素;加強副產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有利于提高系統的能效，使用可再生的有機肥代替化肥，能有效的提高系統的可再生性。關(guān)鍵詞:木薯;凈能量;凈可再生能量;可再生能源;燃料乙醇中圖分類(lèi)號: S216.2文獻標識碼: AEvaluation on energy and renewable energy productionefficiency of cassava in GuangxiDAI Du', LI He2，PU Geng - qiang'，WANG Cheng - tao'(1 College of Mechanical and Power Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030 ,China;2 Hi-technology Development Division ,Guangxi Development and Reform Comission ,Nanning 530012 ,China)Abstract : Guangxi has plentiful cassava resource, which is an ideal feedstock for production ofrenewable fuel ethanol. In this paper, net energy value (NEV ) and net renewable energy value(NREV ) are presented to assess energy and renewable energy production efficiencies of cassavaethanol system respectively. Energy exchanges of such system are estimated during its life cycle ;meanwhile , energy consumptions are allocated between fuel and its byproducts,and it is also dividedinto renewable part and nonrenewable part. The results show that cassava -ethanol system wasfeasible in energy and renewable energy utilization. The NEV and NREV of cassava- ethanol systemare 2.417 MJ/L and 2. 458 MJ/L respectively. It can annually produce renewable fuel ethanol as muchas 35. 08 thousand tons conventional gasoline, when cassava resource in Guangxi region is fullydeveloped. Yields and fertilizer uses are key factors to improve NEV and NREV in agriculturalprocess. Byproducts utilization helps to increase NEV，and replacement of chemical fertilizer withorganic fertilizer improves system renewable.中國煤化工Key words :cassava; net energy; net renewableMHCNMHG;fuelethanol收稿日期: 2005-01- 12修回日期: 2005-03- 31基金項目:歐盟第五框架項目“中國燃料乙醇生產(chǎn)對城郊農業(yè)和中小規模工業(yè)的影響研究”資助(ICA4-2002-10023)作者簡(jiǎn)介:戴杜(1976-)， 男，湖南長(cháng)沙人，博士研究生通訊作者:王成燾，教授; E-mail: trib@sjtu. edu.cn168廣西農業(yè)生物科學(xué)第24卷廣西具有 豐富的木薯資源，木薯種植面積和產(chǎn)量占全國的60%以上。木薯是亞熱帶多年生的高產(chǎn)薯類(lèi)作物，耐干旱、耐貧瘠，適應性強，是生產(chǎn)燃料乙醇的理想原料。燃料乙醇是一-種可再生燃料，可在專(zhuān)用的乙醇發(fā)動(dòng)機中使用，也可以按照-定的比例添加到汽油或者柴油中混合使用，增加燃料的含氧量,使燃燒更充分，降低燃燒中的CO2等污染物的排放。利用廣西木薯為原料生產(chǎn)、使用燃料乙醇，不但有助于優(yōu)化廣西的能源消費結構，保護生態(tài)環(huán)境，還能拓寬農業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，為廣西農民增收開(kāi)辟新途徑[1.2]，增強廣西的可持續發(fā)展能力。燃料乙醇的能源和可再生能源生產(chǎn)效率是燃料乙醇項目可行性的一個(gè)重要因素，這也是政府決策的一一個(gè)重要參考。生命周期分析(Life Cycle Analysis, LCA)是一種用于評價(jià)產(chǎn)品或系統在其整個(gè)生命周期中，即從原材料的獲取，產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用直至產(chǎn)品使用后的處置過(guò)程中，對環(huán)境影響和能量消耗的技術(shù)和方法[3]，燃料系統的凈能量(Net Energy Value, NEV)[4]是燃料的熱值與生產(chǎn)該種燃料過(guò)程中所需的能量投入的差值。燃料系統的凈能量大于0,說(shuō)明有凈的能量剩余，能源生產(chǎn)是有效的。本文將凈能量和凈可再生能量(Net Renewable Energy Value， NREV)組合成一對評價(jià)指標，基于生命周期分析方法分析廣西木薯燃料乙醇項目的能量和可再生能量生產(chǎn)效率。1木薯燃料乙醇生命周期木薯燃料乙醇生命周期是從木薯種植到燃料乙醇在發(fā)動(dòng)機氣缸內燃燒為止的過(guò)程。燃料乙醇生命周期主要包括木薯種植和乙醇生產(chǎn)2個(gè)大部分，見(jiàn)圖1。木薯種植指土壤準備、耕種、收獲、把木薯干片運送到乙醇廠(chǎng)的全過(guò)程。它包括整地、播種、施肥、除草、收獲、運輸、秸稈處理等步驟，整個(gè)過(guò)程中輸入了種子、化肥、除草劑、殺蟲(chóng)劑、柴油等物質(zhì)，輸出燃料乙醇和副產(chǎn)品(高蛋白飼料DDGS、CO2)。木薯(干片)乙醇生產(chǎn)特性見(jiàn)表1。燃料乙醇生產(chǎn)包括預處理、液化、糖化、發(fā)酵、蒸餾、脫水、后處理等步驟。投入了原材料、酵母等各種輔料，以及電、煤、天然氣等動(dòng)力能源，生產(chǎn)出燃料乙醇、DDGS和CO2。種菌準備PrerernentPor-remoment農業(yè)成科本屬干片水。雄Agkutuntwtui J Casindiydteo H TI Byrodaca Dlyanime dontering圖1木薯燃料乙醇生命周期框架Fig.1 Life cycle framework of cassava fuel ethanol表1木薯(干片)乙醇生產(chǎn) 特性Table 1 Production features of cassava ethanol產(chǎn)地單產(chǎn)/kg. (hm2)-1含水量/% .淀粉含量/%轉化率施肥量/kg. (hm')-ProductionYieldMoistureStarchA rount of fertilizer appliedsitecontentconten中國煤化工P2O。K2O廣西Guangxi13333l37.MYHCNMHG5450225注:數據來(lái)源于廣西欽州10萬(wàn)t木薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化項目，使用木薯良種。轉化率是指木薯干片轉化成95. 5%純度的乙醇的重量比率。Note: Data is collected from 100 thousand ton ethanol production in Qinzhou, Guangxi， with improved cassavavariety used. Conversion rate refers cassava dry chip needed with respect to ethanol (95. 5% volumetric purity )produced in weight.第2期戴杜等:廣西木薯燃料乙醇項目能效評估169為了便于統計,將木薯燃料乙醇生命周期劃分為5個(gè)過(guò)程:木薯種植.乙醇生產(chǎn)、乙醇變性、運輸和配送。變性是指在乙醇出廠(chǎng)前,按照國家標準51的規定,加入1. 96% ~4.96%的汽油,防止用于食用乙醇。配送是指把燃料乙醇通過(guò)加油機器加入到車(chē)輛中。運輸過(guò)程是指以上過(guò)程中所有的運輸環(huán)節。2凈能量和凈可再生能量木薯燃料乙醇系統與外部環(huán)境的能量交換滿(mǎn)足等式:E,+E= Er+ E:+ Ep(1)式中: E、Er分別為太陽(yáng)能、木薯生產(chǎn)和乙醇生產(chǎn)過(guò)程的能耗之和; Ep、EB、ED分別為燃料所含能量、副產(chǎn)品所含能量、能量損耗。其中E;可以按照最終主副產(chǎn)品能耗不同分為:Ei=Er1+ EeiEr為生產(chǎn)主產(chǎn)品(即燃料乙醇)所消耗的能量，Em為生產(chǎn)副產(chǎn)品所消耗的能量。在燃料的生產(chǎn)過(guò)程中，-般情況下，除了燃料以外，還會(huì )有-些不能做燃料的副產(chǎn)品，而這部分副產(chǎn)品在工藝工程中也是視為消耗了能量的，所以要對工藝過(guò)程中的能量消耗在主副產(chǎn)品間進(jìn)行分配。令:Err=d●Er式中,d是燃料產(chǎn)品的能量分配系數,本文將采用市場(chǎng)價(jià)值量法[6],根據主、副產(chǎn)品在市場(chǎng)上的價(jià)值量進(jìn)行比例分配的原理計算分配系數。燃料乙醇生產(chǎn)的凈能量(Net Energy Value ,NEV )表示為:NEV=Er-d●E;(4)其中E1=Er+ Ew，Er和Ev分別為生產(chǎn)過(guò)程投入的可再生能量和不可再生能量，定義凈可再生能量(Net Renewable Energy Value，NREV)為:NREV=Ep-d●ExI3數據來(lái)源大部分數據來(lái)源于在廣西南寧市扶綏縣、欽州市的乙醇廠(chǎng)實(shí)地數據收集，部分數據來(lái)源于國內外公開(kāi)發(fā)表的文獻、數據庫。在國內目前條件下無(wú)法得到的部分能量消耗數據，參考了美國阿岡國家實(shí)驗室(Argonne National Lab)的GREET模型[°]和歐盟的BIOFIT模型叮，并根據國內的情況進(jìn)行了修正和校核。4計算結果根據乙醇及其副產(chǎn)品從2000年到2004年的價(jià)格平均值，按照市場(chǎng)價(jià)值量法對能量消耗進(jìn)行比例分配，乙醇、DDGS、CO2的分配比例分別為82. 30%、1.23%、 16. 46%。5個(gè)過(guò)程的能量消耗見(jiàn)圖2。115.541: 126.796程中國煤化工木薯種植乙醇生產(chǎn)乙醇文住:.YTHCNMHGCassavaEthanolDenaturingTransportDistributionplantationconversion圖2生 命周期各個(gè)過(guò)程的能量消耗Fig.2 Life cycle energy consumptions of each process170廣西農業(yè)生物科學(xué)第24卷這里能量消耗單位表示成生產(chǎn)1 L的乙醇需要消耗的能量的形式。木薯乙醇生命周期能量消耗為22.803MJ/L。主要能耗過(guò)程是木薯種植和乙醇生產(chǎn)。兩者的能量消耗占生命周期的能量消耗的98%，蒸餾工藝是乙醇生產(chǎn)中的最大耗能部分，占乙醇生產(chǎn)總耗能的56%?；适褂谜忌镔|(zhì)種植總能量消耗的95%。在燃料乙醇系統中，不可再生能源主要是化石能源，包括煤、石油等的消耗?？稍偕茉磥?lái)源于電力中的水電部分。廣西的水電發(fā)電量占電網(wǎng)總發(fā)電量比例[8]為60. 75%。計算出消耗的總能量中可再生能源消耗為0.050MJ/L，非可再生能源消耗為22.753MJ/L。木薯乙醇的凈能量和凈可再生能量計算結果,分為主副產(chǎn)品能量分配前和分配后兩種情況(見(jiàn)表2)。在主副產(chǎn)品能量消耗分配前木薯乙醇的凈能量和凈可再生能量都是負數。而經(jīng)過(guò)分配后凈能量和凈可再生能量都成為正數。表2凈能量和凈可再生能量計算結果Table 2 Net energy value (NEV) and net rerewable energy value (N REV) calculation results項目Item分配前Before allocation分配后After allocation凈能量NEV /MJ. L-1- 1.61812.4170凈可再生能量NREV /MJ. L-'- 1.56772. 4585.5討論.5.1單產(chǎn)和化肥用量因素影響.木薯單產(chǎn)和化肥用量對木薯乙醇系統見(jiàn)圖3。橫坐標表示基于現有水平的變動(dòng)百分比，-表示減少，+表示增加，0表示不變動(dòng)。由于凈可再生能量與凈能量相差很小，兩條線(xiàn)基本.上重合，因此圖3中沒(méi)有標出凈可再生能量。65r;2會(huì )320-50/-25 0 25 50路2，，?！箂tJ.-1 L-50255單產(chǎn)變化化肥用量變化Yield changes 1 %Changes of frilizer applied amount/%圖3木薯單產(chǎn)和化肥用量變化的凈能量Fig.3 NEV of cassava as a function of changed yields and chemicals uses單產(chǎn)變化和化肥用量變化對木薯乙醇系統的影響都比較大，當木薯單產(chǎn)降低30%或者化肥用量增加45%，都會(huì )使得整個(gè)系統的凈能量和凈可再生能中國煤化工5.2廣西木薯燃料乙醇發(fā)展潛力YHCNMHG廣西木薯種植現狀和潛力見(jiàn)表3。假設把現有的木薯和潛在木薯種植量都用于生產(chǎn)燃料乙醇,其凈能量和凈可再生能量的等效能量見(jiàn)表3。將NEV等能量轉化成汽油，廣西木薯燃料乙醇生產(chǎn)每年能量?jì)羰找嫦喈斢?.508萬(wàn)t汽油，廣西能源消費結構中，可再生能源消費主要來(lái)源于水電。燃料乙醇和水電一樣是屬于可再生能源，將木薯燃料乙醇凈可再生能量等效成水電，木薯燃料乙醇生產(chǎn)每年能量?jì)羰找嫦喈斢?. 328億kWh。第2期戴杜等:廣西木薯燃料乙醇項目能效評估171表3廣 西木薯種植現狀和潛力Table 3 Current and potential situation of Guangxi cassava plantation項目木薯干片年產(chǎn)量/萬(wàn)t●年等效成汽油/萬(wàn)t●年等效成水電/億kWh.年一ItemAnnual output of cassava dry chipGasoline equivalentHydroelectricity equivalent/10*t●year 1/10+t●year- 1/10*kWh. year 1現狀Current130. 503. 5084.328潛能Potential241. 506. 4928.009注:木薯干片年產(chǎn)量是上海交通大學(xué)和農業(yè)部的測算值的算術(shù)平均值。Note: Annual output of cassava dry chip is arithmetic mean of data estimated by Shanghai Jiaotong University andMinistry of Agriculture, respectively.6結論(1)木薯乙醇的凈能量和凈可再生能量都大于0,這說(shuō)明利用木薯作為原料生產(chǎn)燃料乙醇在能源利用和再生能源利用上都是有效率的。廣西的木薯資源每年能凈產(chǎn)出相當于3.508~6.492萬(wàn)t的汽油的燃料，而且是可再生的。木薯燃料乙醇項目的實(shí)施能優(yōu)化廣西的能源消費結構，增強廣西發(fā)展的可持續性。(2)木薯種植中的化肥使用量，單產(chǎn)是影響燃料乙醇系統能效的重要因素，選擇化肥用量少、單產(chǎn)高、淀粉含量高的優(yōu)良木薯品種有利于提高能量產(chǎn)出的效率，另外使用可再生的有機肥代替化肥，能有效的提高系統的可再生性。(3)在主副產(chǎn)品的能量消耗分配前后，凈能量和凈可再生能量由負轉為正，能量生產(chǎn)變得有效率。說(shuō)明副產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用對系統的能量和可再生能量生產(chǎn)效率有關(guān)鍵的作用。所以，能源農業(yè)中加強副產(chǎn)品的綜合開(kāi)發(fā)對提高系統的總體能效水平有較大的促進(jìn)作用。(4)為能源農業(yè)進(jìn)行能量和可再生能量效率分析可以為地方政府充分利用當地的生物質(zhì)資源、發(fā)展能源農業(yè)項目的決策提供科學(xué)依據。參考文獻:[1]路明.開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能，發(fā)展能源農業(yè)[N].農民日報，2004-08-21 (7).[2]理河.廣西發(fā)展能源農業(yè)戰略的構想[J].廣西農業(yè)科學(xué)，2003，增刊:27~33.[3]REBITZERA G，EKVALLB T, FRISCHKNECHTC R, et al. 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