生物质快速热解制取液体燃料的技术经济分析

张 波 仲兆平 于 点 黄 荡

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)



生物质快速热解制取液体燃料的技术经济分析

张 波 仲兆平 于 点 黄 荡

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

为考察生物油超临界乙醇提质方法的能源效率和经济性能,建立了生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料工艺流程及其仿真模型.在仿真计算的基础上,对液体燃料生产成本进行计算,将生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料与生物质热解催化加氢和纤维素制乙醇方法进行对比,并通过敏感性分析研究了不同因素对液体燃料生产成本的影响.结果表明:液体燃料生产成本为6 052 元/t(216元/GJ),略高于生物质热解催化加氢工艺,但明显低于纤维素制乙醇工艺;对液体燃料生产成本影响最大的因素是生物油产率和乙醇价格,提高热解过程中生物油产率和减少提质过程中乙醇消耗均有利于提高系统经济性能.

生物质;热解;超临界乙醇提质;技术经济

通过热解将木质纤维素生物质中的纤维素、半纤维素和木质素转化为初级生物油,再通过生物油的品位提升可制取液体燃料.我国生物质资源丰富,将其高效转化为液体燃料,对于增加能源资源、缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义[1].

生物质快速热解是生物质于惰性气体氛围中,在压力为0.1～0.5 MPa和温度为500 ℃左右条件下,以104～105 ℃/s的高加热速率和少于2 s的停留时间,使大分子生物质转变为小分子气态中间产物,然后通过快速冷凝将中间产物收集,从而得到液体产物的过程.生物质快速热解制得的液体产物最大产率可达生物质原料干重的80%[2].因此这种方法得到了广泛关注和应用.

生物油具有水分含量高、含氧质量分数高、酸性强、黏度大、热值低、不稳定性高等缺点[3],使得生物油的提质改性成为生物质转化为液体燃料的关键问题,也是目前研究的发展趋势.为制取稳定且易燃的车用含氧液体燃料,郑小明等[4]将超临界条件引入到生物油提质改性过程中,利用超临界流体优异的传热传质性能,使得反应条件比传统的催化加氢和催化裂解提质方式更加温和.生物油在超临界醇(乙醇或甲醇)体系下提质效果最好,经提质反应后生物油中绝大部分酸类能转化为酯类物质,生物油的运动黏度和密度明显下降,发热量和pH值也得到提高[5].

虽然生物质快速热解超乙醇提质技术已趋于成熟,但关于其经济性能方面的研究尚未见报道.经济评价的成本主要包括固定资产和运行费用,其中,固定资产包括设备购置即建设费用,运行费用包括原料费、电费、维护费用、职工工资等[6].本文基于生物油超临界乙醇提质技术,建立生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料工艺流程,在仿真计算的基础上,采用技术经济评价方法剖析生物质转化为液体燃料过程中的经济性能,为发展高效、经济合理的生物质能源转化技术提供理论指导.

1 工艺流程和仿真模型

1.1 工艺流程

生物质热解制取液体燃料的主要步骤为预处理、热解、气固分离、生物油收集、焦炭和不可凝气体燃烧以及生物油提质,如图1所示.本文建立的生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料详细工艺流程如图2所示,假设整个系统每天的生物质(干基)处理量为500 t.

本文选取的生物质原料为樟子松,其工业分析和元素分析如表1所示，其中元素分析所用原料为干燥基，工业分析则为空干基.在预处理部分,生物质首先破碎至平均粒径10 mm,经空气干燥,生物质中的含水量降至13.9%,再经锤式粉碎机碾磨至平均粒径为3 mm.在满足一定的水分和粒径要求后,生物质进入热解反应器,在550 ℃，0.1 MPa条件下热解生成热解气和焦炭.焦炭经旋风分离器从热解气中分离出来,进入燃烧器燃烧，所产生热量的一部分提供热解反应,一部分则用来发电.热解气的冷却采用2个连续的换热器[7],第1个换热器以水为冷却介质，生产的饱和蒸汽用来发电.第2个换热器以冷空气为冷却介质,换热后的热空气可以用于生物质的初始干燥预处理.热解气冷却后生物油冷凝下来并被收集和贮存,不可凝气体则经压缩后循环,一部分进入燃烧器,另一部分作为热解过程的载气.

图1 生物质热解制取液体燃料系统流程示意图

图2 生物质快速热解超临界乙醇提质系统流程示意图

元素分析成分质量分数/%工业分析成分含量/%Cd45．92Mad13．90Hd5．95FCad12．06Od47．70Vad73．74Nd0．10Aad0．30Cld0Sd0．03

注:Mad,Vad,Aad分别为生物质的水分、挥发分和灰分.

在提质部分,生物油在55 ℃，9 kPa条件下进行减压蒸馏[8],分离成轻质组分和重质组分.水蒸气重整制氢工艺参考文献[9],根据Marquevich等[10]提出的生物油水蒸气重整反应机理,重整反应器内发生的反应可由下式表示:

式中,m,n,k为生物油中H，C和O元素的摩尔分数.重整反应器内水蒸气重整反应如表2所示.

表2 重整反应器内的水蒸气重整反应

轻质组分与高温蒸汽按1∶1的比例混合后,在700 ℃，1.38 MPa条件下催化重整,制得的氢气经变压吸附和压缩后作为重质组分提质的氢源,多余的产物作为副产品.在重质组分的提质过程中,乙醇与生物油重质组分的混合比例(简称醇/油比)为2∶1,反应条件为260 ℃，8.5 MPa,在Pt/SZr催化剂催化下进行提质改性[11].提质后的产物经溶剂回收将乙醇和水分离后得到液体燃料.制氢过程中会排放富含CO和CH4的驰放气,重质组分提质过程中也会有一定量的气体和焦炭生成,可采用余热锅炉进行能量回收以提高系统能量利用效率.余热锅炉生产的过热蒸汽用来发电,为生产过程提供所需的电量,多余的电量则作为副产品出售.

1.2 仿真模型

为获得系统中物流和能流的相关数据(温度、压力、焓等),本文选用仿真软件Aspen Plus对整个流程进行模拟.樟子松热解产物分布采用浙江大学能源清洁利用国家实验室实验数据[12],根据实验数据得到的热解产物分布如表3所示.重质组分超临界乙醇提质的产物分布则采用文献[8-9]公布的实验结果.

表3 热解产物分布

为简化流程和准确模拟,仿真过程中作如下假设:① 燃烧器和水蒸气重整反应器稳定运行,且完全达到热力学平衡状态;② 旋风分离器效率为100%,也就是不考虑生物油中的固体颗粒,并且所有灰分、N元素和S元素都转移到焦炭中;③ 不考虑系统中因流动造成的压损,生物质颗粒温度均匀,无梯度;④ 燃烧过程中空气过量系数设为1.2.各单元模拟采用模块如表4所示.

表4 各单元模块

2 经济性计算方法

2.1 投资费用计算

利用仿真计算可得到各操作单元进出口的详细物流和能流数据,以及生产过程中的电量消耗.利用得到的数据,采用生产规模指数法估算设备购置费用,这种方法的误差为±30%[14]，计算式为

(1)

式中,Cnew为新设备的购置费用;C0为已知设备的购置费用;Snew为新设备的生产规模;S0为已知设备的生产规模;a为生产规模指数.系统主要设备购置费用如表5所示[7,9,15].

表5 生物质热解超临界乙醇提质系统主要设备费用

在使用表5中的数据时,需根据当年的美元对人民币的汇率兑换成人民币,再利用中国统计年鉴上公布的固定资产投资价格指数折算成现在的国内设备费用,计算式为

Cequip=RσCnew

(2)

式中,Cequip为根据生产规模指数法计算得到的设备购置费用,;Cnew为设备购置费用，2012年人民币价格，元;R为参考年份当年美元对人民币汇率;σ为参考年份当年对某一年固定资产投资价格指数(通过中国统计年鉴公布数据查询).

投资费用除设备购置费外,还包括建筑工程费、安装费、工艺管路费以及其他费用,因此在计算投资费用时,还需将设备购置费乘以一个系数.根据文献[9]中的数据,取该系数值为5.46，计算式为[16]

Kinvest=ξKequip

(3)

式中,Kinvest为投资费用;Kequip为总设备购置费用;ξ为系数,本文中取值为5.46.

2.2 生产成本计算

计算可变生产成本采用的数据如表6所示,生物质价格参照文献[17]取为350 元/t,乙醇、氢气、Pt/SZr催化剂的单价通过供应商的平均报价得到,焦炭单价采用与其低位发热量相当的煤价格,电价根据江苏省电网电价销售表上的一般工商业电价,取值为0.867元/(kW·h),水蒸气重整制氢所需的催化剂费用参考文献[6]计算.固定生产成本主要考虑财务费用、维护成本、保险费、职工工资、管理成本.本文中液体燃料生产成本的计算参数取为:假设30%为自有资金,不还本不计息,70%为银行贷款,计算利息;运行维护成本、保险费、职工工资分别取值为项目资产总投资的3%,1%,1%,管理成本为职工工资的15%;年运行时间为7 200 h,折旧年限为15年,残值率为7%.其中部分参数引自文献[18].

表6 计算可变运行成本采用的数据

3 计算结果和分析

3.1 模拟结果

生物质快速热解超临界乙醇提质系统的质量流动和能量流动如图3所示.物流的能量包括化学燃烧热和物理显热,化学燃烧热按高位发热量进行计算,物理显热则为物流的实际焓值与标准状态(0.1 MPa,25 ℃)下的焓值之差.

生物质快速热解过程生物油产率为50%,生物油经减压蒸馏后,重质组分收率为30%，而轻质组分收率为70%.生物油中的绝大部分水富集进入轻质组分,而重质组分的含水量仅为1.68%.重质组分的超临界乙醇提质过程的液体燃料收率达到85.9%,液体燃料的高位发热量为28 MJ/kg.提质过程消耗的乙醇量约为进料量的120%,这是由于乙醇不仅与酸类物质发生酯化反应,还发生脱水反应和缩醛反应，从而转变为其他物质[19],因此乙醇消耗量较大.超临界乙醇提质反应过程为部分脱氧,因此提质过程消耗的氢气量较少,约为进料量的2.4%,与催化加氢提质方式(消耗的氢气量约为进料量的5%左右)相比要小[20].整个系统除消耗生物质和乙醇原料外,无需外加能量.轻质组分水蒸气重整制氢过程的氢气转化率为6.65%,制取的氢气作为重质组分提质的氢源,且有剩余氢气可作为副产品出售;系统生产的电量不仅可以满足自身消耗,还可向外输出.另外,通过计算得到生物质干燥热量消耗为1.3 MJ/kg,生物质热解热量消耗为5.38 MJ/kg,所需能量分别占输入生物质能的14.6%和35.08%.

3.2 经济性分析结果

本文经济性分析主要结果如表7所示.在生物质生产规模为500 t/d时,液体燃料生产成本为6 052 元/t,而液体燃料高位发热量为28 MJ/kg,因此可换算得到生产1 GJ能量所需成本为216 元.根据文献[17,19，21]中的数据可得,生物质热解催化加氢方法、纤维素制乙醇方法和煤制油方法液体燃料生产成本分别为186,263和262 元/GJ (已折合为当前人民币水平).由此可见,本文方法在经济性上虽略低于生物质热解催化加氢方法,但相比于纤维素制乙醇以及煤制油方法有较大的优势.

图3 生物质快速热解超临界乙醇提质系统的质量和能量流动图

表7 生物质快速热解抽取液体燃料经济性分析结果

总设备购置费用的构成如表8所示.由表可知,对总设备购置费用贡献最大的是水蒸气重整制氢,达到了32.0%,其次为预处理、热解和冷却,分别为16.9%,16.7%和12.3%.设备购置费不仅与总投资费用有关,并且以折旧费的形式计入生产成本,会直接影响系统经济性能.水蒸气重整制氢设备购置费最高,主要是由于工艺较复杂且技术尚未成熟.这使得系统单位投资费用增大,折旧费变高,进而增加生产成本,因此需要发展成熟、经济的生物油制氢技术.

表8 总设备购置费用的构成

液体燃料生产成本包括生物质和乙醇的原料成本、催化剂费用、折旧费、固定成本以及副产品收益,液体燃料生产成本的构成如图4所示.生物油重质组分的提质需要消耗大量的乙醇,因此乙醇对液体燃料生产成本贡献最大,为2 845元/t.系统输出的副产品主要是氢气和电,其收益对生产成本的贡献为-1 470 元/t.若能进一步提高氢气产量且加强热量回收以生产更多的电量,将有利于提升系统经济性能.

图4 液体燃料生产成本的构成

3.3 生产规模对生产成本的影响

生产规模对液体燃料生产成本的影响如图5所示.从图中可以看出,生产规模对于系统的经济性影响明显.生产规模从100 t/d增加到900 t/d,生产成本下降了30%,但是下降的趋势随生产规模的增加越来越平缓.因此,在技术可行的条件下尽量扩大系统生产规模，有利于降低生产成本.

3.4 敏感性分析

进行敏感性分析可以确定影响生产成本的最主要因素,本文主要考察了生物质价格、乙醇价格、氢气价格、生物油产率、催化剂消耗量、投资费用和醇/油比对液体燃料生产成本的影响,结果如表9所示.从表中可以看出,对液体燃料生产成本影响最大的是乙醇价格,其次分别是生物油产率、催化剂消耗量、投资费用、氢气价格和生物质价格.

图5 生产规模对液体燃料生产成本的影响

表9 500 t/d生物质快速热解超临界乙醇提质系统敏感性分析

3.5 敏感性分析

生物油收率从50%下降到40%,液体燃料生产成本从6 052 元/t增加到6 790 元/t,是由于生物油收率的下降导致液体燃料产率减少,并且使得系统单位投资费用和固定成本迅速增加.相反地,生物油收率从50%增至60%,生产成本将降至5 549元/t,因此提高生物质热解过程液态产物收率有利于改善系统经济性能.另外,乙醇价格从3 500 元/t增至5 500 元/t,生产成本从5 418 元/t增加至6 688 元/t,而醇/油比从2∶1增至8∶1,生产成本仅从5 968 元/t增加至6 123 元/t.这说明以醇/油比对液体燃料生产成本的影响远小于乙醇价格,并且乙醇价格向上波动的几率很大,因此在研究过程中除需降低醇/油比以减小提质设备的规模外,还需降低乙醇的消耗量以应对乙醇价格上升带来的风险.

4 结论

1) 建立生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料工艺及其仿真模型,仿真计算结果表明，系统可完全实现自供热和电,除消耗清洁可再生的生物质和乙醇原料外,无需消耗化石燃料,并且还可对外输出氢气和电,具有可行性.

2) 经济性分析结果显示目前系统液体燃料生产成本约为6 052 元/t(216 元/GJ),略高于生物质热解催化加氢工艺,但比纤维素制乙醇工艺明显要低.

3) 生产成本中乙醇和生物质原料成本、固定运行成本占较大比重,通过敏感性分析发现对生产成本影响最大的因素是生物油产率和乙醇价格.为降低生产成本,改善经济性能,应进一步提高生物油的产率,减少提质过程中的乙醇消耗量或者采用更廉价的但又不影响提质效果的原料作为乙醇的替代品,在技术可行的情况下应尽量扩大生产规模.

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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. 作者简介: 张波(1989—)，男，博士生；仲兆平(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，zzhong@seu.edu.cn.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB2015052)、国家自然科学基金资助项目(51276040).

张波，仲兆平,于点,等.生物质快速热解制取液体燃料的技术经济分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(6):1227-1233.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.020.

X705

A

1001-0505(2016)06-1227-07