基于有效能分析的玉米燃料乙醇可再生性研究

第27卷第5期习其生能源Vol 27 No52009年10月renewable Energy Resourcesoct.2009基于有效能分析的玉米燃料乙醇可再生性研究张治山1,张苗苗1,袁希钢2(1.山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266510;2.天津大学化学工程联合国家重点实验室天津300072)要:玉米燃料乙醇是一种化石燃料替代品,其可再生能力是评价其性能优劣的一个重要指标。从热力学的角度建立了基于有效能的玉米燃料乙醇可再生性分析模型,并提出一个考虑白然环境自修复能力及允许扰动程度用于修正可再牛性理论值的因子。研究结果表明,目前我国玉米燃料乙醇可冉生因子的理论值为-214具有不可再生性。文章最后指出了提高我国玉米燃料乙醇可冉生能力的重要途径。关键词:燃料乙醇;可再生性;有效能;玉米中图分类号:TK6,TQ013.1文献标志码:A文章编号:1671-5292(200905-0028-05Study on renewability of corn fuel ethanolbased on exergy analysisZHANG Zhi-shan, ZHANG Miao-miao, YUAN Xi-gang(1. School of Chemical and Environmental Engineering and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China; 2.State Key Laboratory of Chemical Engineering. Tianjin University, Tianjin300072,ChiAbstract: The renewability of com fuel ethanol, which is known as an alternative for fossil fuel,an important criterion for evaluating its performance. The renewability analysis model of co fuelethanol is established based on exergy from the view of thermodynamics, and a new factor is putforward to amend the theoretical value of renewability factor, which considers the self-healing ca-pacity and the disturbance permissibility of natural environment in the paper. It is shown that comfuel ethanol is non-renewable and its theoretical value of renewability factor is -2 14 in China atpresent Finally, some important ways are indicated to improve the renewability of corn fuel ethanolin our countryKey words: fuel ethanol; renewability: exergy; corn0引言能量质量和实际做功能力做出评价,从而不能反玉米燃料乙醇是一种重要的石油替代燃料,映其实际的可再生能力。玉米燃料乙醇的碳平衡基于生命周期原理对其进行能量效益、环境影响、分析模型较为全面地考虑了整个生命周期中温室可再生性和可持续性等相关的研究工作具有重要气体排放的影响因素,但从热力学的角度全面评意义。价玉米燃料乙醇的可再生性是一个复杂问题,不在玉米燃料乙醇生命周期能量流动框架内,仅包括能量平衡和碳平衡问题,还涉及更多的生基于热力学第一定律建立的净能量分析模型可以态环境影响问题。定量评价能量效益和分析影响因素叫,但不能对有效能分析是一种用质量守衡、能量守衡及收稿日期:2009-0430。中国煤化工基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2001CB711203)。作者简介:张治山(1975-),男,山东德州人博土副教授,主要研究方向为生CNMHG63张治山,等基于有效能分析的玉米然料乙醇可再生性研究热力学第二定律来设计和分析能源系统的方法,1所示。该方法能指出系统利用能量与损失能量的具体环系使边界EE化石能节,以利于对系统中某环节进行改进。积累有效能分析将生命周期评价与有效能分析结合起来考虑了从原材料到产品的生产链中的一次有效能玉生产乙转化消耗的累积,能够合理评价工业系统的能量消耗以及资源消耗。由于有效能参数以环境状态为基准来衡量某一系统或物流与环境的差异,因而图1工业化玉米燃料乙醇循环系统的能量流动只要合理地选择环境状态,就可以将传统的有Fig 1 Energy flows in industrial corn fue效能分析方法应用范围扩展到衡量系统的能量ethanol cycle system或资源利用以及衡量排放物对环境的污染国问该系统能量输入主要包括太阳能、从玉米种Berthiaume R利用基于有效能的生物燃料可再生植到乙醇燃烧整个生命周期过程中直接或间接消性评价方法,分别对加拿大魁北克地区和美国玉耗的化石能,其中太阳能是可再生能量化石能输米燃料乙醇的可再生性进行了分析,结果表明玉包括玉米生产过程中的能耗(由种子、机械、肥米燃料乙醇具有不可冉生性例。料、农药、电力和燃料等载入的化石能)、乙醇转化近年来,我国也已经开始推动以玉米为主要过程中消耗的热能和电力以及各种运输能耗;能原料的燃料乙醇的研究、生产和应用,但是有关量输出包括乙醇的燃烧热能和玉米乙醇转化过程玉米燃料乙醇可再生性的相关研究尚未深人开中共生副产品的替代能量。展。本研究利用基于有效能分析的热力学方法,建若通过一系列可逆过程使环境恢复至初始状立了玉米燃料乙醇的可再生性分析模型,从热力态,必须消耗与这些非可再生资源的净积累有效学的角度对我国工业化玉米燃料乙醇循环系统进能( Net Exergy Consumption,CNEx)等量的有用功行分析。该模型考虑了我国玉米燃料乙醇的工业WR(最小恢复功)。实际的玉米燃料乙醇工业化生产状况,玉米和乙醇的运输方式等实际情况,可生产往往会产生一些副产品,如干法工艺的定量评价玉米燃料乙醇的可再生性,并对其影响DDGS湿法工艺的CCM和玉米油等,这些副产因素进行分析,从而为正确评价和提高我国玉米品的共生可以节约生产与副产品功能相当的替代燃料乙醇的可再生能力提供一定的量化依据。另产品消耗的非可再生资源,而乙醇生产过程消耗外,本研究提出了一个考虑自然环境自修复能力的非可再生资源不仅用于生产燃料乙醇,还用于及允许扰动程度用于修正可再生性理论值的因生产副产品。所以,在工业化玉米燃料乙醇生产的子,但该因子的确定比较复杂,有赖于生态科学等整个过程中,非可再生资源的最小恢复功的计算多学科的深入研究。还应该考虑生产副产品的替代品消耗的非可再生工业化玉米燃料乙醇循环系统资源的最小恢复功。理想的玉米燃料乙醇循环系统是指仅由太2可再生性分析模型阳能驱动的二氧化碳-葡萄糖-乙醇的自然热化为了衡量实际的玉米燃料乙醇的可再生性,学循环,其可产生最大有用功(W)且对环境的只须比较其实际产出功W与恢复功WR之间的扰动在环境自修复能力之内,但循环速率受到玉关系,这一关系可表示为可再生因子(l),即米产量和乙醇转化率的限制,很难满足当今社会IR=(W,-WR)/W对燃料乙醇的大量需求因此,实际的工业化玉=1,表明玉米燃料乙醇完全可再生;0<<1米燃料乙醇循环系统除太阳能之外,还须要考虑表明玉米燃料乙醇部分可再生;/k<0,表明玉米燃非可再生资源的消耗以及对环境的扰动程度,该料乙醇不可再生。系统包括玉米生产、原料(玉米)运输、乙醇转化中国煤化工循环实际输出产品(乙醇)分配、乙醇燃烧和副产品替代等6个的功CNMH(功。W可由下单元过程,其能量的输入、输出及内部流动如图式计可耳生能源2009,27(5)功,应为负值,MJhm2Ec单位质量乙醇的副产品替代能量MMg;式中W—玉米燃料乙醇的实际产出功MJhm2HHV—煤的高热值,MJ/kg;Y—单位面积玉米产量,kghm(CNEx)煤的净积累有效能,MJ/kg。x—单位质量玉米的乙醇转化率;上述模型考虑了我国玉米燃料乙醇的工业生M—乙醇分子量;产状况以及玉米和乙醇的运输方式等实际情况W_—理想玉米燃料乙醇循环的最大产可定量评价玉米燃料乙醇的可再生性并对其影响出功,MJ/kml;因素进行分析,从而为正确评价和提高我国玉米a燃料乙醇使用过程的有效能效率。燃料乙醇的可再生能力提供一定的量化依据。工业化玉米燃料乙醇循环系统非可再生资源3数据来源的总恢复功WR等于各阶段恢复功W的代数本研究中,玉米生产过程考虑的能量输入包和,即括种子、机械、化肥(N,P03和K。O)燃料(柴油和Wk=∑W汽油)、灌溉用电、杀虫剂和除草剂,其输入数量为我国夏玉米主产区平均产量为7500kg/hm2时的产1指玉米生产过程。估算值叫,柴油、汽油和电力的能量强度来自我国W=∑X×(CNE)(4)公开出版的文献资料,其它输入项的能量强度来自国外文献数据吗;模型中有关乙醇转化过程式中W玉米生产过程的最小恢复功MJhm;(干法和湿法)的转化率能耗副产品收率及替代X—玉米生产过程中第i种非可再生资系数的数据来自文献数据[14-1;根据我国玉源投入数量;米燃料乙醇的生产状况,确定玉米和乙醇的运输(CNEx)第讠种非可再生资源的净积累方式为柴油货车运输,假设玉米和燃料乙醇的平有效能。均运输距离分别为300km和500km。我国2005j2指乙醇转化过程。年交通运输企业主要经济技术指标显示,柴油货车的柴油消耗强度为005L(tkm)。W=x∑Ax(CNEx)4结果分析式中:W乙醇转化过程的最小恢复功Mhm2;4.1可再生因子A—乙醇转化过程第i种非可再生资源根据上述玉米燃料乙醇分析模型和数据来的消耗数量;源,对我国玉米燃料乙醇生命周期实际产出功、最(CNEx)第i种非可再生资源的净积累小恢复功和评价因子进行计算得到的结果见表1。有效能。表1玉米燃料乙醇生命周期最小恢复功、实际产出功和j3指玉米和乙醇运输过程。可再生因子Table I Minimum restored work, actual produced work andWg3=(YD,+YxrxD, X(CNEr)a(6)renewability index in com fuel ethanol life cycle式中:W玉米运输和乙醇输配过程的最小恢项目过程数值/MJ·hm2可再生因子复功,MJhm玉米生产3053601D1—玉米运输的平均距离km玉米运输50274乙醇转化52773.87D2乙醇输配的平均距离km最小恢复功(W)乙醇分配259749V—运输过程燃料的消耗强度,L(t·km);副产品替代-17809p柴油的密度,kg/L;(CNEx)—燃料的净积累有效能,MJkg实际产出功(W)乙醇使用232982j4指副产品替代过程。中国煤化工WRA-Yxxx(EcHHVe)x(CNExc (7)CNMHG为-214,故目前式中:W—副产品替代过程可节约的最小恢复我国⊥业化米繁科乙群具有力学意义的不可张治山,等基于有效能分析的玉米燃料乙醇可再生性研究再生性,其原因是玉米生产和乙醇转化过程具有过程中施用的氮肥,它们是导致玉米燃料乙醇不较大的WA值,乙醇使用过程具有较小的W值。可再生的主要因素。所以,乙醇转化和氮肥生产等须指出的是,此可再生因子仅是在假设环境完全过程总的工业节能措施显得尤为重要。恢复条件下的理论值,实际上自然环境具有一定另外,我国玉米生产中的氮肥投入量过多,并的自修复能力,并且人类活动对自然环境的一些没有充分发挥氮肥对玉米增产的作用,如果增加扰动是允许的。所以,工业化玉米燃料乙醇循环中农家肥的使用量,不仅可以减少部分氮肥的投入实际需要的恢复功(WR’)应该小于理论恢复功还可以减少土壤有机质流失。玉米种植、玉米运输(Wa),即存在一个表示自然环境实际需要的恢复和乙醇运输等过程中其它非可再生资源的使用也程度β(0k