基于能量集成的秸稈生物質快速熱解生命周期評價

張溪，張立龍，李瑞，吳玉龍

（1北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京100083；2清華大學核能與新能源技術研究院，北京100084）

引 言

我國農村秸稈體量大、種類多、分布廣，每年秸稈產量達7億噸，約占全球秸稈總量的30%[1]。面對體量如此龐大的生物質資源，如果不能妥善處理，必將帶來嚴重的環(huán)境問題和資源浪費。快速熱解技術是快速加熱將生物質熱解后，再通過冷凝技術將生物質轉化成液體生物油，實現(xiàn)低熱值的生物質高產率、快速轉化成易儲存和運輸?shù)母邿嶂瞪镉停墙斩捝镔|資源化轉化的有效途徑[2]。

常用的生物質熱解反應器主要有旋轉爐、流化床和旋轉錐等[3]。其中，流化床反應器具有加熱速率快、產油率高、結構簡單、操作方便等優(yōu)點，因而在生物質熱解中得到廣泛應用。但反應過程中大量的循環(huán)流化氣體需要加熱至反應溫度，需要較高的熱量[4-6]。為了提高生物質流化質量，減少流化氣體體積，國內外學者做了相關的研究，Zhang等[7]在粉煤灰的流化研究中發(fā)現(xiàn)，機械振動輔助作用可以顯著降低粉煤灰的臨界流化速度。Escudero等[8]的研究表明，聲場的存在也可有效改善流化質量，并使臨界流化速度值隨著聲場強度和頻率的增加而減小。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，加入惰性助流化粒子可以促進顆粒間熱量交換、防止顆粒團聚、提高流化質量和傳熱性能[9]。

針對我國農村秸稈分布廣、運輸成本高、工業(yè)運行水平有限等特點[10-12]，本文設計集約化秸稈熱解流程系統(tǒng)，使所得產品或者中間產物能夠滿足市場的要求，從而達到農村秸稈高值化利用的目的。并通過系統(tǒng)流程優(yōu)化和生命周期評價，明確環(huán)境影響的主要因素，為進一步實現(xiàn)秸稈資源化利用提供了技術支撐。

1 集約式流態(tài)化快速熱解流程

首先根據(jù)生物質原料處理規(guī)模及熱負荷，對流態(tài)化參數(shù)進行優(yōu)化計算。依據(jù)文獻實驗數(shù)據(jù)[13]，秸稈熱解所需熱量可選為1.5 MJ/kg。通過軟件Aspen Plus V8.8對秸稈熱解過程進行模擬計算，處理量為700 kg/h秸稈（含水率為5%），其熱負荷為875.68 MJ/kg。流化氣升溫所需熱量取決于流化氣的流量，同時流化氣流量也影響床內流化層高度，進而影響傳熱面積。按照課題組在江蘇邳州行中試示范的流化床設備材料要求，流化床管壁最高溫度保守取值為720℃，優(yōu)化計算的具體步驟[14-16]如圖1所示。

圖1 優(yōu)化計算思路Fig.1 The optimization calculation

臨界流化速度umf計算關聯(lián)式（適用全部Re）：

CD為曳力系數(shù)：

膨脹率R計算公式：

式中，ε為床層空隙率：

反應器內外壁傳熱計算公式為：

經過上述優(yōu)化計算，得到秸稈處理量為700 kg/h時的無內置換熱管流化床參數(shù)：流化床流化段直徑400 mm，載熱體陶瓷小球直徑1 mm，靜止床層高度900 mm，流化床層高度1500 mm，流化氣體量1541 kg/h，床層壓降為11.29 kPa。

1.1 流化氣熱量回收

熱解產物經過旋風分離器分離出生物炭后，進入冷凝工段。由于熱解產物中所含的高分子多酚或糖類等組分的沸點較高[17]（例如代表產物左旋葡聚糖的沸點為383.8℃），如果采用間壁式冷卻模式，氣體中的液體組分在隨后高溫氣體烘烤下會發(fā)生炭化，從而使換熱效果大幅度降低。因此文獻報道大多采用一級或多級噴淋冷卻模式[18-20]，但大量流化氣循環(huán)會造成較高的能量損耗。如果產物氣體可以保持在露點溫度以上，就不會有物質冷凝出來，并且還可以循環(huán)利用其所帶熱量。不同流化氣量的熱解反應器出口氣體露點計算結果如圖2所示。流化氣體量越高，露點溫度越低，在保證較小流化氣體量的前提下，回收流化氣熱量可以有效降低能耗，提高工藝的經濟競爭力。如果選擇逆流傳熱，即高溫產物蒸汽與低溫流化氣逆流，那么在高溫蒸汽出口側極易出現(xiàn)管壁溫度低于露點溫度的情況，使得高溫蒸汽部分冷凝，從而導致整個換熱管逐漸結焦。因此最好采用并流式進行熱量回收，高溫氣體停留時間小于0.1 s，并流式回收熱量646.30 MJ，占總熱量2576.71 MJ的25.08%。

1.2 產品冷凝分離工藝

熱解產生的液相產物中含有30%～65%的水[21-23]，以及大量的酸、醇、醛、酮等含氧化合物[24-25]。除了焦油組分外，整個液相產物表現(xiàn)為均相狀態(tài)，存在后續(xù)分離難度大和能耗高的問題。

圖2 不同流化氣量對反應器出口氣體露點的影響Fig.2 The impact of different fluidizing gas volume on the dew point of products

基于此，對一級冷凝裝置（原油脫水塔）進行了優(yōu)化設計（圖3），全塔采用了直接冷卻和提餾分離兩段相結合的方案。原油脫水塔上段直接冷卻供給下段回流液體，而下段利用高溫產物所帶熱量將回流液體中的水氣化，使得提餾段只需要三塊理論板就可以實現(xiàn)塔釜的含水量低于3%。原油脫水塔采用大孔篩板塔，其抗堵性能已經在江蘇邳州的中試示范裝置中得到了驗證。原油脫水塔塔釜得到的生物原油中含21.21%酚類物質和大量糖類，可以作為無硫富酚油替代苯酚來生產酚醛樹脂，也可以作為重油燃料或用于提取左旋葡聚糖等高值化學品。原油脫水塔頂部富水氣相產物進入醋液塔中繼續(xù)冷凝，得到木醋液。木醋液含有10%～15%的乙酸，主要用作畜牧業(yè)殺毒劑[26]，也可以運輸?shù)焦S中進一步制備得到乙酸產品。

2 秸稈熱解生命周期邊界確定

圖3 秸稈流態(tài)化熱解系統(tǒng)流程Fig.3 The process of straw fluidized fast pyrolysis system

針對小規(guī)模農村秸稈利用，設定運輸半徑為10 km，處理量為700 kg/h秸稈（按含水率為5%），每年工作時長7200 h，對應年處理量約為4788 t絕干秸稈。系統(tǒng)以700 kg/h含水率為5%的秸稈作為功能單元，規(guī)劃邊界如圖4所示。為了全面分析環(huán)境影響，系統(tǒng)包括秸稈種植與采收、運輸、秸稈破碎干燥，熱解以及產物冷凝精制的物料消耗及能源消耗。需要說明的是，產物后續(xù)應用或進一步提質加工，需要運輸?shù)较嚓P的工廠中，因此產物精制加工部分不包含在系統(tǒng)邊界內。

圖4 秸稈流態(tài)化快速熱解系統(tǒng)邊界Fig.4 The boundary of straw fluidized rapid pyrolysis system

整個系統(tǒng)的環(huán)境影響量化評估主要針對秸稈種植采收、運輸、干燥破碎預處理、熱解和冷凝精餾等主要模塊中資源、能源的使用和環(huán)境排放情況，并通過能量分析和生命周期評價全面地評估秸稈流態(tài)化快速熱解流程的資源效益和環(huán)境效益。

2.1 秸稈生長與采收

根據(jù)中國國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)（2005—2020土地規(guī)劃）[27]，中國的玉米產量在2014—2018年間持續(xù)增長，年均產量約為3.9億噸。其中單位耕地的玉米產量平均為5740 kg/(h·m2)，按照玉米與秸稈的折算比例1∶1.2，秸稈的產量為6888 kg/(h·m2)。本論文功能單元選取700 kg/h含水率為5%的秸稈，年工作時間為7200 h，統(tǒng)計年產秸稈量為15960 t（含水率為70%）。秸稈生長采收階段物耗和能耗投入量根據(jù)與玉米折算比例計算所得，主要包括化肥（氮、磷和鉀）、農藥、灌溉水、能源消耗，其中土地占用不參與折算比例計算。

2.2 秸稈熱解

秸稈經自然風干后含水率約為30%，通過10 km短程貨車運輸至熱解工廠。如圖3所示，系統(tǒng)利用高溫煙氣干燥原料，得到含水率為5%的秸稈，再經粉碎后由螺旋進料器送入置有載熱粒子的流化床熱解反應器。

通過二級冷卻和除焦后的氣體分為兩部分，一部分作為流化氣，與熱解氣相產物換熱、高溫煙氣換熱后重新進入熱解反應器，其余作為燃氣在爐膛中燃燒為熱解供熱，并利用尾氣余熱干燥秸稈去除多余水分。

圖3為流化床熱解過程的能量分析，整個系統(tǒng)熱量需求為2576.63 MJ/h。其中流化氣在高溫蒸汽換熱中可回收利用熱量646.30 MJ/h，占整個熱解所需熱量的25.08%，在回收煙氣的熱量420.98 MJ/h，占整個熱解所需熱量的16.34%。另一部分氣體與空氣在爐膛內混合燃燒，提供熱量1122.67 MJ/h，按照爐膛熱效率78%計算，完全滿足熱解所需熱量875.68 MJ/h。燃燒產生的尾氣余熱還可以蒸發(fā)秸稈顆粒中水分，回收利用633.75 MJ/h熱量，占整個熱解所需熱量的24.60%。由此可見，整個系統(tǒng)總熱量回收率達到66.02%，可以實現(xiàn)熱量自循環(huán)利用，適合農村小規(guī)模生產。

3 生命周期評價

3.1 清單分析

基于秸稈生長數(shù)據(jù)與流化床熱解流程設計結果，整個系統(tǒng)的流程清單如表1所示。整個系統(tǒng)的熱量實現(xiàn)循環(huán)利用，主要消耗是電能，其次是柴油。其中生長采收過程和熱解過程是電能消耗的主要單元，分別占總電耗的50.39%和35.79%。熱解過程的主要電耗來源于流化氣風機（占總電耗的28.32%）以及剩余燃氣燃燒供熱時風機電耗（占總電耗的7.47%）。氣體排放以CO2排放為主，主要來自于煙氣燃燒供熱過程。

3.2 碳排放足跡分析

秸稈生長與采收階段碳排放主要分為三個方面[28-30]:（1）在使用農業(yè)機械進行耕地、播種和秸稈收集時柴油、電力消耗產生的碳排放；（2）秸稈種植和生長過程中使用化肥、農藥所導致的碳排放；（3）秸稈種植時土壤呼吸（主要為植物根系自養(yǎng)呼吸和微生物異養(yǎng)呼吸）產生的碳排放。流態(tài)化熱解過程的碳排放主要集中在煙氣燃燒供熱時的尾氣排放。具體碳排放足跡如圖5（a）所示，整個系統(tǒng)溫室氣體排放為-428.42 kg CO2eq，說明流態(tài)化秸稈快速熱解系統(tǒng)可以減緩生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放。通過圖5（b）也可以明顯看出，農業(yè)秸稈廢棄物通過流態(tài)化熱解進行碳固定轉化，得到更高能量密度的高附加值產品。生物原油作為主要產物，其碳固定比例為24.54%。煙氣是固定碳流失的主要途徑，由于流態(tài)化需要燃燒供熱，使21.35%的碳變成CO2重新排放到環(huán)境中。

表1 流態(tài)化熱解系統(tǒng)生命周期評價主要流程清單Table 1 The inventory data of main processesfor straw fluidized fast pyrolysis system

3.3 環(huán)境影響分析

圖6顯示了700 kg秸稈流態(tài)化快速熱解系統(tǒng)對不同環(huán)境影響類型的影響結果。每種環(huán)境影響類型的總和為100%，負值表示流程有益于環(huán)境影響類型，而正值表示對環(huán)境影響類型有害。總體而言，植物光合作用的環(huán)境效益使得秸稈生長對全球變暖有延緩抑制作用，并且遠大于其他流程的全球變暖影響之和，使整個系統(tǒng)全球變暖影響結果為負值，說明秸稈熱解利用系統(tǒng)具有可觀的環(huán)境效益。分析結果表明，整個系統(tǒng)的能源消耗主要在秸稈生產階段，該階段能源消耗占其生命周期總能耗的51.76%，這主要是由于化肥、農藥和電力的生產消耗了大量能量。秸稈生長采收對人體毒性的影響較大的原因主要是化肥和農藥的使用。臭氧層消耗主要是由于柴油燃燒的氣體排放，影響單元為秸稈生長和秸稈運輸，分別占臭氧消耗總影響的28.58%和47.25%，因此小規(guī)模就近秸稈資源化可以減少運輸消耗，從而降低對臭氧層的影響。而對酸化和富營養(yǎng)化影響比較大的是秸稈生長過程中氮肥導致的氮排放，占生命周期酸化和富營養(yǎng)化總影響的50.43%和43.30%。主要原因是氮排放會通過NO形式進入大氣中，在對流層轉化為酸，而后通過干濕沉降加重生態(tài)系統(tǒng)的酸化和富營養(yǎng)化[31-32]。對于熱解，由于不需要外部輸入熱量，電耗對環(huán)境影響表現(xiàn)為能源消耗，占總能源消耗的34.99%。其次是酸化和人體毒性，分別占其影響類型總影響的34.11%和33.26%，主要原因是流化氣量大，導致流化氣風機耗能高，這也是流態(tài)化快速熱解有待解決的問題之一。

通過與同樣規(guī)模的秸稈露天焚燒系統(tǒng)相比較（圖7），流態(tài)化快速熱解具有更優(yōu)質的環(huán)境效益。由于秸稈露天燃燒能耗需求小，在能源消耗影響單元流態(tài)化快速熱解環(huán)境影響較大。但其他環(huán)境影響類型（例如酸化、富營養(yǎng)化和全球變暖），流態(tài)化快速熱解都具有更低，甚至是負值的環(huán)境影響。

3.4 敏感性分析

對不同環(huán)境影響類型的敏感性分析結果如圖8所示。敏感性分析選擇主要參數(shù)如下：（1）秸稈生長采收過程的灌溉水消耗、柴油和電力消耗；（2）秸稈運輸距離；（3）秸稈破碎干燥的電力消耗；（4）秸稈熱解的電力消耗；（5）冷凝分離的循環(huán)水和電力消耗，變化范圍選取為高于和低于基本系統(tǒng)運行條件的20%。圖8表明，秸稈生長采收過程的電耗對能量消耗、酸化、全球變暖和人體毒性的敏感性都具有很大影響，而柴油消耗主要對臭氧層消耗和富營養(yǎng)化敏感性影響較大。秸稈運輸距離敏感性主要表現(xiàn)在富營養(yǎng)化和臭氧層消耗，其中富營養(yǎng)化上下波動2.93%，臭氧層消耗上下波動9.51%。循環(huán)水對各項環(huán)境影響類型敏感性都相對較小，上下波動都小于0.01%。電力消耗是整個系統(tǒng)敏感性最大的能耗方式，而秸稈生長采收是整個系統(tǒng)敏感性最大流程單元，因此采用低能耗種植技術，或者優(yōu)化電力結構，采用綠色發(fā)電，可以大幅度降低整個系統(tǒng)能耗，改善不利的環(huán)境影響。

圖5 系統(tǒng)碳足跡分析Fig.5 The carbon footprint analysis

圖6 流態(tài)化快速熱解系統(tǒng)環(huán)境影響結果Fig.6 The environmental impact of straw fluidized fast rapid pyrolysis system

4結 論

圖7 流態(tài)化快速熱解與露天燃燒的環(huán)境影響比較Fig.7 The environmental impact comparison between straw fluidized fast rapid pyrolysisand open burning

本文根據(jù)我國農村秸稈利用現(xiàn)狀與生物質流化床熱解特點，建立并優(yōu)化了農村小規(guī)模（秸稈處理量：700 kg/h）的秸稈流態(tài)化快速熱解流程。通過優(yōu)化，系統(tǒng)利用高溫熱解氣相換熱和煙氣干燥秸稈可回收49.67%的熱量消耗。系統(tǒng)采用煙氣燃燒供熱1122.67 MJ/h，實現(xiàn)熱量自供應，解決了流化床能耗高的問題，并得到高品質產品。生命周期評價表明整個系統(tǒng)的溫室氣體排放為-428.42 kg CO2eq。秸稈生產采收是主要能耗單元，其次是熱解單元。敏感性分析表明系統(tǒng)對運輸距離敏感性降低，解決了農村秸稈運輸成本高的問題。秸稈優(yōu)化熱解系統(tǒng)與秸稈焚燒相比，雖能源消耗較高，但環(huán)境影響具有很大改觀。總之，秸稈流態(tài)化快速熱解大大節(jié)約了秸稈資源化成本，并減少了溫室氣體的排放，實現(xiàn)了經濟效益與環(huán)境效益的雙贏。

圖8 系統(tǒng)主要環(huán)境影響類型的敏感性分析Fig.8 The sensitivity analysis of major environmental impact on the system

致謝：衷心感謝恩師天津大學米鎮(zhèn)濤教授多年來的關心和指導，謹以此文祝賀他的80歲生日！