广西木薯燃料乙醇项目能效评估

第24卷第2期.广西农业、生物科。 学2005年6月Vol.24. NO.吃Journal of Guangxi Agric. and Biol. ScienceJune ,2005文章编号: 1008- 3464 (2005) 02 -0167-05广西木薯燃料乙醇项目能效评估戴杜'，理河2，浦耿强'，王成焘'(1 上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030;2广西壮族自治区发展和改革委员会高技术产业发展处，广西南宁530012)摘要:广西具有丰富的木薯资源，以木薯为原料生产的燃料乙醇是-种可再生的燃料。采用净能量和净可再生能量两个指标评估木薯燃料乙醇系统的能量和可再生能量生产的效率，并对木薯乙醇在生命周期内与外界环境的能量交换进行了统计,把能量消耗按照燃料和其副产品进行了分配;以及按照是否再生进行了分别统计。计算结果表明，使用木薯生产燃料乙醇在能量生产和再生能量生产上是可行的，木薯乙醇的净能量为2.417 MJ/L.净可再生能量是2.458 MJ/L;广西的木薯资源每年能净产出相当于3. 508万t汽油的可再生燃料。木薯单产和化肥用量是提高能源利用和再生能源的关键因素;加强副产品的开发有利于提高系统的能效，使用可再生的有机肥代替化肥，能有效的提高系统的可再生性。关键词:木薯;净能量;净可再生能量;可再生能源;燃料乙醇中图分类号: S216.2文献标识码: 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.中国煤化工Key words :cassava; net energy; net renewableMHCNMHG;fuelethanol收稿日期: 2005-01- 12修回日期: 2005-03- 31基金项目:欧盟第五框架项目“中国燃料乙醇生产对城郊农业和中小规模工业的影响研究”资助(ICA4-2002-10023)作者简介:戴杜(1976-)， 男，湖南长沙人，博士研究生通讯作者:王成焘，教授; E-mail: trib@sjtu. edu.cn168广西农业生物科学第24卷广西具有 丰富的木薯资源，木薯种植面积和产量占全国的60%以上。木薯是亚热带多年生的高产薯类作物，耐干旱、耐贫瘠，适应性强，是生产燃料乙醇的理想原料。燃料乙醇是一-种可再生燃料，可在专用的乙醇发动机中使用，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,使燃烧更充分，降低燃烧中的CO2等污染物的排放。利用广西木薯为原料生产、使用燃料乙醇，不但有助于优化广西的能源消费结构，保护生态环境，还能拓宽农业服务领域，为广西农民增收开辟新途径[1.2]，增强广西的可持续发展能力。燃料乙醇的能源和可再生能源生产效率是燃料乙醇项目可行性的一个重要因素，这也是政府决策的一一个重要参考。生命周期分析(Life Cycle Analysis, LCA)是一种用于评价产品或系统在其整个生命周期中，即从原材料的获取，产品的生产、使用直至产品使用后的处置过程中，对环境影响和能量消耗的技术和方法[3]，燃料系统的净能量(Net Energy Value, NEV)[4]是燃料的热值与生产该种燃料过程中所需的能量投入的差值。燃料系统的净能量大于0,说明有净的能量剩余，能源生产是有效的。本文将净能量和净可再生能量(Net Renewable Energy Value， NREV)组合成一对评价指标，基于生命周期分析方法分析广西木薯燃料乙醇项目的能量和可再生能量生产效率。1木薯燃料乙醇生命周期木薯燃料乙醇生命周期是从木薯种植到燃料乙醇在发动机气缸内燃烧为止的过程。燃料乙醇生命周期主要包括木薯种植和乙醇生产2个大部分，见图1。木薯种植指土壤准备、耕种、收获、把木薯干片运送到乙醇厂的全过程。它包括整地、播种、施肥、除草、收获、运输、秸秆处理等步骤，整个过程中输入了种子、化肥、除草剂、杀虫剂、柴油等物质，输出燃料乙醇和副产品(高蛋白饲料DDGS、CO2)。木薯(干片)乙醇生产特性见表1。燃料乙醇生产包括预处理、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水、后处理等步骤。投入了原材料、酵母等各种辅料，以及电、煤、天然气等动力能源，生产出燃料乙醇、DDGS和CO2。种菌准备PrerernentPor-remoment农业成科本属干片水。雄Agkutuntwtui J Casindiydteo H TI Byrodaca Dlyanime dontering图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)乙醇生产 特性Table 1 Production features of cassava ethanol产地单产/kg. (hm2)-1含水量/% .淀粉含量/%转化率施肥量/kg. (hm')-ProductionYieldMoistureStarchA rount of fertilizer appliedsitecontentconten中国煤化工P2O。K2O广西Guangxi13333l37.MYHCNMHG5450225注:数据来源于广西钦州10万t木薯燃料乙醇产业化项目，使用木薯良种。转化率是指木薯干片转化成95. 5%纯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:广西木薯燃料乙醇项目能效评估169为了便于统计,将木薯燃料乙醇生命周期划分为5个过程:木薯种植.乙醇生产、乙醇变性、运输和配送。变性是指在乙醇出厂前,按照国家标准51的规定,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过加油机器加入到车辆中。运输过程是指以上过程中所有的运输环节。2净能量和净可再生能量木薯燃料乙醇系统与外部环境的能量交换满足等式:E,+E= Er+ E:+ Ep(1)式中: E、Er分别为太阳能、木薯生产和乙醇生产过程的能耗之和; Ep、EB、ED分别为燃料所含能量、副产品所含能量、能量损耗。其中E;可以按照最终主副产品能耗不同分为:Ei=Er1+ EeiEr为生产主产品(即燃料乙醇)所消耗的能量，Em为生产副产品所消耗的能量。在燃料的生产过程中，-般情况下，除了燃料以外，还会有-些不能做燃料的副产品，而这部分副产品在工艺工程中也是视为消耗了能量的，所以要对工艺过程中的能量消耗在主副产品间进行分配。令:Err=d●Er式中,d是燃料产品的能量分配系数,本文将采用市场价值量法[6],根据主、副产品在市场上的价值量进行比例分配的原理计算分配系数。燃料乙醇生产的净能量(Net Energy Value ,NEV )表示为:NEV=Er-d●E;(4)其中E1=Er+ Ew，Er和Ev分别为生产过程投入的可再生能量和不可再生能量，定义净可再生能量(Net Renewable Energy Value，NREV)为:NREV=Ep-d●ExI3数据来源大部分数据来源于在广西南宁市扶绥县、钦州市的乙醇厂实地数据收集，部分数据来源于国内外公开发表的文献、数据库。在国内目前条件下无法得到的部分能量消耗数据，参考了美国阿冈国家实验室(Argonne National Lab)的GREET模型[°]和欧盟的BIOFIT模型叮，并根据国内的情况进行了修正和校核。4计算结果根据乙醇及其副产品从2000年到2004年的价格平均值，按照市场价值量法对能量消耗进行比例分配，乙醇、DDGS、CO2的分配比例分别为82. 30%、1.23%、 16. 46%。5个过程的能量消耗见图2。115.541: 126.796程中国煤化工木薯种植乙醇生产乙醇文住:.YTHCNMHGCassavaEthanolDenaturingTransportDistributionplantationconversion图2生 命周期各个过程的能量消耗Fig.2 Life cycle energy consumptions of each process170广西农业生物科学第24卷这里能量消耗单位表示成生产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为22.803MJ/L。主要能耗过程是木薯种植和乙醇生产。两者的能量消耗占生命周期的能量消耗的98%，蒸馏工艺是乙醇生产中的最大耗能部分，占乙醇生产总耗能的56%。化肥使用占生物质种植总能量消耗的95%。在燃料乙醇系统中，不可再生能源主要是化石能源，包括煤、石油等的消耗。可再生能源来源于电力中的水电部分。广西的水电发电量占电网总发电量比例[8]为60. 75%。计算出消耗的总能量中可再生能源消耗为0.050MJ/L，非可再生能源消耗为22.753MJ/L。木薯乙醇的净能量和净可再生能量计算结果,分为主副产品能量分配前和分配后两种情况(见表2)。在主副产品能量消耗分配前木薯乙醇的净能量和净可再生能量都是负数。而经过分配后净能量和净可再生能量都成为正数。表2净能量和净可再生能量计算结果Table 2 Net energy value (NEV) and net rerewable energy value (N REV) calculation results项目Item分配前Before allocation分配后After allocation净能量NEV /MJ. L-1- 1.61812.4170净可再生能量NREV /MJ. L-'- 1.56772. 4585.5讨论.5.1单产和化肥用量因素影响.木薯单产和化肥用量对木薯乙醇系统见图3。横坐标表示基于现有水平的变动百分比，-表示减少，+表示增加，0表示不变动。由于净可再生能量与净能量相差很小，两条线基本.上重合，因此图3中没有标出净可再生能量。65r;2会320-50/-25 0 25 50路2，，。」stJ.-1 L-50255单产变化化肥用量变化Yield changes 1 %Changes of frilizer applied amount/%图3木薯单产和化肥用量变化的净能量Fig.3 NEV of cassava as a function of changed yields and chemicals uses单产变化和化肥用量变化对木薯乙醇系统的影响都比较大，当木薯单产降低30%或者化肥用量增加45%，都会使得整个系统的净能量和净可再生能中国煤化工5.2广西木薯燃料乙醇发展潜力YHCNMHG广西木薯种植现状和潜力见表3。假设把现有的木薯和潜在木薯种植量都用于生产燃料乙醇,其净能量和净可再生能量的等效能量见表3。将NEV等能量转化成汽油，广西木薯燃料乙醇生产每年能量净收益相当于3.508万t汽油，广西能源消费结构中，可再生能源消费主要来源于水电。燃料乙醇和水电一样是属于可再生能源，将木薯燃料乙醇净可再生能量等效成水电，木薯燃料乙醇生产每年能量净收益相当于4. 328亿kWh。第2期戴杜等:广西木薯燃料乙醇项目能效评估171表3广 西木薯种植现状和潜力Table 3 Current and potential situation of Guangxi cassava plantation项目木薯干片年产量/万t●年等效成汽油/万t●年等效成水电/亿kWh.年一ItemAnnual output of cassava dry chipGasoline equivalentHydroelectricity equivalent/10*t●year 1/10+t●year- 1/10*kWh. year 1现状Current130. 503. 5084.328潜能Potential241. 506. 4928.009注:木薯干片年产量是上海交通大学和农业部的测算值的算术平均值。Note: Annual output of cassava dry chip is arithmetic mean of data estimated by Shanghai Jiaotong University andMinistry of Agriculture, respectively.6结论(1)木薯乙醇的净能量和净可再生能量都大于0,这说明利用木薯作为原料生产燃料乙醇在能源利用和再生能源利用上都是有效率的。广西的木薯资源每年能净产出相当于3.508~6.492万t的汽油的燃料，而且是可再生的。木薯燃料乙醇项目的实施能优化广西的能源消费结构，增强广西发展的可持续性。(2)木薯种植中的化肥使用量，单产是影响燃料乙醇系统能效的重要因素，选择化肥用量少、单产高、淀粉含量高的优良木薯品种有利于提高能量产出的效率，另外使用可再生的有机肥代替化肥，能有效的提高系统的可再生性。(3)在主副产品的能量消耗分配前后，净能量和净可再生能量由负转为正，能量生产变得有效率。说明副产品的开发利用对系统的能量和可再生能量生产效率有关键的作用。所以，能源农业中加强副产品的综合开发对提高系统的总体能效水平有较大的促进作用。(4)为能源农业进行能量和可再生能量效率分析可以为地方政府充分利用当地的生物质资源、发展能源农业项目的决策提供科学依据。参考文献:[1]路明.开发生物质能，发展能源农业[N].农民日报，2004-08-21 (7).[2]理河.广西发展能源农业战略的构想[J].广西农业科学，2003，增刊:27~33.[3]REBITZERA G，EKVALLB T, FRISCHKNECHTC R, et al. Life cycle assessment, Part 1: Framework, goaland scope definition, inventory analysis, and applications [J]. Environment International, 2004， 30: 701~ 720.[4]SHAPOURI H. Estimating the net energy value of corn ethanol [J]. Fuel and Energy Abstracts， 1998， 39(3): 198.[5]GB18350-2001，变性燃料乙醇[S].[6]WANG M Q. GREET 1. 5-Transportation Fuel -Cycle Model Volume 1 : Methodology, Development, Use, andResults [M]. llinois， USA: Agronne Information and Publishing Division，1999. 18~19.[7]GROSCURTH H, ALMEIDA A, BAUEN A, et al. Total costs and benefits of biomass in selected regions of theEuropean Union [J]. Energy， 2000， 25 (11): 1 081~1 095.[8]《中国电力年鉴》编辑委员会，中国电力年鉴2000[Z].北京:中国电力出版社，2000. 573.中国煤化工MHCNMHG (责任编辑梁健)