生物質(zhì)氣化費托合成航空煤油的生命周期分析

楊 凱， 陶 煒， 肖 軍

(東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

生物質(zhì)通過氣化費托(FT)合成航空煤油(簡稱航油)是生物航油生產(chǎn)技術(shù)中最有前景的技術(shù)之一[1]，該技術(shù)路線在生產(chǎn)階段可大大減少不可再生能源的使用，在消費階段污染物排放較低，具有清潔性，但是并不代表生物航油這種產(chǎn)品在整個生命周期過程，即從生物質(zhì)種植到航油消費整個過程中環(huán)境性能都是友好的，需要進一步進行全生命周期的資源和環(huán)境性能評價。美國能源部阿貢國家實驗室主要對生物質(zhì)氣化、FT法制取航油的CO2排放進行了生命周期評價(LCA)，結(jié)果顯示：該路線和傳統(tǒng)化石能源制取航油工藝相比，可減少89%的溫室氣體排放[2]。美國加州大學(xué)將不同比例的生物質(zhì)和煤混合，進行了氣化FT制取航油系統(tǒng)LCA，表明當(dāng)溫室氣體達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)時，生物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)應(yīng)不低于17%，而最適合系統(tǒng)綜合性能的生物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為25%[3]。目前，少有學(xué)者對航油生產(chǎn)的其他環(huán)境影響類型污染物排放進行評估，需要進一步進行全面的資源-環(huán)境影響綜合評價。

筆者基于ELCA法，研究了玉米稈氣化FT合成航油(Bio-Jet Fuel)系統(tǒng)副產(chǎn)品水蒸氣供熱和供電兩種方案的資源-環(huán)境性能，并進行了對比分析，可為提高工藝綜合環(huán)境性能提供參考。

1 評價對象與評價方法

1.1 評價對象

生物質(zhì)原料為玉米稈，成分分析見表1。Bio-Jet Fuel系統(tǒng)流程見圖1。

表1 玉米稈工業(yè)分析與元素分析

圖1 Bio-Jet Fuel系統(tǒng)流程圖

綜合性能的分析包括生物質(zhì)氣化、氣化合成氣FT合成、FT蠟加氫裂化三個部分。生物質(zhì)氣化采用串行流化床氣化技術(shù)，得到制備航油所需的粗合成氣。粗合成氣進入凈化裝置除去其中的灰分和有害酸性氣體后，經(jīng)壓縮機加壓進入FT合成反應(yīng)器進行合成反應(yīng)， FT合成產(chǎn)物冷卻后進入二級閃蒸器，分離出氣相、油相、蠟相產(chǎn)物。氣相產(chǎn)物通過變壓吸附器分離出加氫裂化反應(yīng)需要的H2；蠟相產(chǎn)物與加氫裂化出口產(chǎn)物換熱，然后進入加氫裂化反應(yīng)器，將高碳數(shù)的蠟裂化成低碳鏈烷烴類，裂化產(chǎn)物也通過二級閃蒸分離得到三相產(chǎn)品，蠟相作為副產(chǎn)品收益輸出，分離出的氣相與變壓吸附器出口的尾氣混合，作為補燃氣送入燃燒反應(yīng)器；加氫裂化油相產(chǎn)物與FT油相產(chǎn)物混合，一起送入蒸餾塔進行精餾分離，得到航油(C8-C16)、汽油(C5-C7)和柴油(C17-C20)。

利用氣化子系統(tǒng)煙氣、氣化合成氣的余熱和FT合成反應(yīng)放出的熱量(見圖1)，可得到副產(chǎn)品水蒸氣。水蒸氣的利用方式有兩種：方案一將水蒸氣(1.55 MPa，200 ℃)用來城鎮(zhèn)供熱；方案二將水蒸氣(9.8 MPa，540 ℃)沖轉(zhuǎn)汽輪機發(fā)電，產(chǎn)生的電量一部分為生產(chǎn)過程供電，剩余的部分輸出系統(tǒng)。

1.2 評價方法

1.2.1 Bio-Jet Fuel系統(tǒng)生命周期評價范圍

圖2為Bio-Jet Fuel系統(tǒng)的生命周期框架圖。產(chǎn)品全生命周期的污染物排放來源于直接排放和間接排放：直接排放是資源消耗引起的污染物排放，間接排放主要是指資源的生產(chǎn)所帶來的污染物排放。主要考慮的污染物包括大氣污染(CO2、CH4、N2O、NOx、SO2、CO、HC、PM10)和水體污染物(總N、化學(xué)需氧量(COD)和農(nóng)藥)，計算時將水體污染物統(tǒng)一為污水排放。系統(tǒng)生命周期評價以1 t航油為標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 生物質(zhì)制取航油生命周期框架

1.2.2 生命周期資源與環(huán)境影響量化方法

(1)

(2)

1.2.3 評價指標(biāo)

采用文獻[4]的生命周期環(huán)境影響評價體系，從系統(tǒng)的資源利用率、可再生性和環(huán)境性三個方面綜合評價系統(tǒng)的生態(tài)性能。

(3)

式中：m為可再生資源；k為不可再生資源。

(4)

環(huán)境性指標(biāo)Ie的計算公式見式(5)。當(dāng)Ep大于EA,t時，即Ie>1，表示可從環(huán)境中得到正收益，環(huán)境性較好；反之，系統(tǒng)環(huán)境性較差。

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 清單分析

2.1.1 生產(chǎn)上游

生物質(zhì)種植階段，每噸玉米需要施用的氮肥、磷肥、鉀肥質(zhì)量分別為28.63 kg、9.5 kg、32.88 kg[8]，每噸玉米需要施用的殺蟲劑和除草劑質(zhì)量分別為0.082 5 kg、0.225 8 kg，農(nóng)藥和化肥的流失率分別是5%和15%[5]。玉米秸稈、玉米芯、玉米為共生產(chǎn)品，以經(jīng)濟價值為分配原則，得到玉米秸稈的環(huán)境影響系數(shù)Kcs為0.163[9]。化肥、農(nóng)藥徑向流失造成的每平方米土地污水排放量為0.504 m3[4]。

生物質(zhì)收集階段，需要將生物質(zhì)進行破碎、打包、壓塊處理，每噸生物質(zhì)消耗柴油體積為0.000 8 L，折算到一次能源原油上，乘以系數(shù)1.02，每噸生物質(zhì)收集的耗電量為18.2 kW·h[10]，環(huán)境影響考慮電耗引起的間接排放和耗油引起的直接排放，排放清單取自中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)。

采用8 t中型柴油貨車公路運輸，平均運輸距離為50 km。運輸階段的資源和污染物排放清單均來源于CLCD。

2.1.2 生產(chǎn)過程

廠房設(shè)備建拆的建材耗量根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，通過規(guī)模指數(shù)法估算[11-12]，可得生產(chǎn)規(guī)模為5萬t/a的Bio-Jet Fuel工廠所需使用的鋼、鐵、鋁和水泥等建材耗量為1 308 t、8 t、17 t和4 119 t，工廠退役解體的環(huán)境排放和資源消耗以廠房建設(shè)期間的10%來估算，工廠服役期限設(shè)為15年。各建材生產(chǎn)資源和環(huán)境清單取自CLCD。

生產(chǎn)階段首先要將生物質(zhì)進行預(yù)處理，生物質(zhì)電耗為42 kW·h/t[13]，然后通過Aspen Plus軟件模擬得到該階段的資源消耗、污染物排放和系統(tǒng)產(chǎn)品收益清單，模擬時氣化溫度為750 ℃、壓力為0.1 MPa，合成溫度為240 ℃、壓力為1.5 MPa，加氫裂化溫度為310 ℃、壓力為4 MPa。此外，變壓吸附耗功考慮氣體達到吸附壓力的耗功，規(guī)定吸附壓力為1.6 MPa，解析低壓為0.1 MPa，模擬結(jié)果顯示生產(chǎn)航油的生物質(zhì)消耗量為11 760.5 kg/t。

計算污染物排放時，假設(shè)催化劑可再生，且生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢棄物全部可回收利用，PM10按煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)取100 mg/m3，水體污染根據(jù)工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)估算。

2.1.3 生產(chǎn)下游

產(chǎn)品配送和生物質(zhì)配送階段相同，均是采用柴油車運輸，配送區(qū)間設(shè)定為煉油廠與加油站，配送距離取50 km。汽油、柴油、航油的消費階段單位污染物排放參考文獻[4]和文獻[14]，最終得到兩種方案航油的生命周期資源和環(huán)境清單，見表2。

表2 Bio-Jet Fuel系統(tǒng)資源和環(huán)境清單

表2(續(xù))

2.2 資源消耗與污染物排放量化

項目數(shù)值氮肥單位累積消耗量99.60磷肥單位累積消耗量7.70鉀肥單位累積消耗量5.58除草劑單位累積消耗量300.00殺蟲劑單位累積消耗量284.82原油單位累積消耗量46.20標(biāo)煤單位累積消耗量31.10鐵單位累積消耗量32.20銅單位累積消耗量67.00鋁單位累積消耗量250.19水單位累積消耗量0.05生物質(zhì)單位累積消耗量17.49

表4 不同污染物的單位消除

2.3 評價結(jié)果

表5 Bio-Jet Fuel系統(tǒng)生命周期評價

方案一和方案二的資源利用率η分別為17.2%和 12.7%，方案一的資源利用率η高于方案二，主要因為水蒸氣參數(shù)相對較低，發(fā)電效率較低。方案一可再生性指標(biāo)Ir為0.7，小于1為不可再生系統(tǒng)，方案二的可再生性指標(biāo)Ir為1.5，大于1，系統(tǒng)屬于可再生系統(tǒng)；兩種方案的環(huán)境性指標(biāo)分別為1.8和4.5，均大于1，說明兩種方案都可以從環(huán)境中得到正收益，但方案二的環(huán)境性指標(biāo)大于方案一，說明方案二的環(huán)境性能更好。

2.3.1 資源性

圖3 生命周期資源累積消耗分布

2.3.2 環(huán)境性

圖4 生命周期污染物階段消除分布

2.3.3 污染物排放分析

圖5 生命周期不同污染物類型消除分布

3 結(jié)語

(1) 方案一和方案二的資源利用率分別為17.2%和12.7%，方案一資源性優(yōu)于方案二；方案一和方案二的可再生性指標(biāo)分別為0.7和1.5，方案一為不可再生系統(tǒng)，方案二屬于可再生系統(tǒng)；方案一和方案二的環(huán)境性指標(biāo)分別為1.8和4.5，兩個系統(tǒng)均可從環(huán)境中得到正收益，方案二比方案一的正收益性能更好。

(2) 影響生物質(zhì)制取航油的資源性和環(huán)境性的主要因素是電量和化肥農(nóng)藥的資源消耗，主要的環(huán)境影響來自于電力生產(chǎn)的CO2排放和化肥農(nóng)藥使用的污水排放。