韓菲¹，柳鋒²，楊晴^1,3，陳德民¹，王賢華¹，楊海平¹，陳漢平¹

　　(1.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，武漢430074；2.上海電氣集團股份有限公司，上海201199；3.華中科技大學能源與動力T程學院新能源科學與工程系，武漢430074)

　　摘要：以湖北省天門市楊林辦集中供氣示范站為研究對象，采用能值分析理論對生物質熱解多聯產系統的生態效益進行綜合評價。研究結果表明：生物質熱解多聯產系統每年投入總能值為1.04×10⁴seJ，其中可再生能值投入比例為7.31％，能值轉換率為3.97×10⁴seJ／J，電力與勞務消耗是生物質熱解多聯產系統能值投入的主要部分，占總能在投入的85.79％。

　　0引言

　　生物質可替代化石能源，緩解氣候變化。根據我國“十二五”規劃中高度重視生物質多元化利用技術，提高生物質能利用效率。生物質固定床干餾釜熱解多聯產技術作為一種新型的生物質能熱轉化技術，可通過熱解將生物質轉化為氣、炭、油3種產物，具有較好的經濟效益，同時提高了能源利用率，受到廣泛關注。然而作為一個能量轉換過程，系統必然會消耗生態資源，造成一定的生態影響，因此有必要對生物質熱解多聯產系統的生態效益進行分析研究。能值分析方法是以自然資源為基礎，將投入系統的不同單位、不同形態的資源轉化為統一形式，對系統生態效益進行分析的方法。在對生物質能利用系統能值分析方面，胡艷霞等運用能值理論對生物質氣化站與沼氣站進行評價，為工程推廣提供科學依據；楊睛等圳對燃料乙醇生產系統進行能值分析，建立了基于植物生物質能的評價指標體系；羅玉和等應用能值分析方法，對生物質氣化、直燃發電系統進行了分析評價，建立生物質氣化、直燃發電能值指標體系。

　　為科學評估生物質熱解多聯產系統的綜合生態經濟效益，本文以湖北天門市集中供氣示范站為研究對象，采用能值分析理論評價生物質熱解多聯產系統。

　　1研究系統概況及研究方法

　　1.1生物質熱解多聯產系統概況

　　本文所研究示范站位于湖北省天門市，總占地面積1.8萬m。年產棉花秸稈5000t，稻殼2000t，林業廢材1000t，實際可利用的原料量達8000t。集中示范工程年處理生物質原料2555t，原料供應充足，其中約500t用于燃燒以提供干餾釜熱解所需熱量，約2055t用于熱解。如圖1所示，在生物質熱解多聯產系統中，首先將生物質原料進行粉碎、干燥、制棒成型，然后將成型原料送人干餾炭化釜中，在隔絕空氣的還原性氣氛下進行熱解并生產生物炭。熱解過程中釋放出大量揮發分，經分離、冷卻與凈化等裝置，產生生物質燃氣，進入儲氣柜；木焦油和木醋液冷卻后，分別儲存在木焦油與木醋液儲存池。該示范站年產生物質燃氣547500m³，生物質燃氣進入儲氣柜，檢測達到國家人工煤氣標準后，經燃氣輸配系統，送達用戶，供示范區域內1000戶居民使用；年產生物炭547.50t，干餾釜內的生物炭經自然冷卻后取出，包裝后進行銷售，生物炭可用作燃料，也可用于提高土壤肥力，緩解氣候變化；年產木焦油9l_25t，木焦油裝桶入庫供后續加工及銷售，目前利用化學方法將木焦油轉化為生物柴油具有良好的發展前景；年產木醋液547.50t，酸度為4％～6％，可作有機肥，可促進植物生長、防治病蟲害等，目前市場應用廣泛。

　　1.2研究方法

　　所謂能值，是指一流動或儲存的能量所包含的另一種類別能量的數量。一般認為太陽能是其他形式能源的基礎，任何資源形成所需的太陽能量就是其所具有的太陽能值，故常以太陽能作為分析計算的媒介，將所有投入系統的資源通過能值轉換率轉化為同一形式的太陽能值。能值轉換率即每單位能量或物質所具有的能值，其大小決定該物質或能值在系統中所占的能量等級的高低。生物質熱解多聯產系統能值分析通常有以下4個步驟：

　　1)確定生物質熱解多聯產系統的系統邊界，繪制能值流動圖；

　　2)根據能值流動圖，列出系統內部和邊界上通過的要素清單；

　　3)根據系統要素的原始數據清單和對應的能值轉換率并對相同類型的要素進行歸納，如圖2所示。圖中RR表示本地免費可再生資源，NR表示本地免費不可再生資源，RP表示購買的可再生資源，NP表示購買的不可再生資源，Y表示研究所關注的系統產品；

　　4)計算可再生能源系統的能值評價指標。這些指標反映自然資源價值和人類社會經濟發展以及人與自然、環境與經濟的關系，也是進行系統綜合分析及社會經濟發展決策的重要參考指標體系。

　　2結果與分析

　　運用能值分析方法，評價生物質熱解多聯產系統的綜合生態效益。根據能值分析的步驟，首先，確定系統邊界，繪制能值流動圖如圖3所示。列出生物質熱解多聯產系統要素清單(表1)，進而計算能值指標。

　　如表1所示，該系統投入的總能值為1.04×10⁴seJ，系統產出的能量為2.62×10¹³J，計算可得系統能值轉換率為3.97×10⁴seJ／J。生物質熱解多聯產系統各能值流占總能值投入的比例如圖4所示，電力與勞務消耗是生物質熱解多聯產系統能值投入的主要部分，占總能值投入的85.79％。電力消耗過高一方面是由于農作物秸稈固定床干餾釜技術在原料成型制備過程中消耗電力過多，因此需進一步改進和提升熱解多聯產技術，以降低電力消耗；另一方面是電的能值轉換率高而導致電力的能值投入較高，由于煤炭是目前電力生產的主要能源來源，因此應增加可再生能源發電的比例，逐步改變電力生產結構，從而降低電的能值轉換率。另外，應適當提高農作物種植業的機械化水平、改進生物質熱解多聯產技術(如利用過程系統模擬軟件對該系統過程的設備參數、操作參數等進行優化)，降低勞務的能值投入。

　　生物質熱解多聯產系統各類能值占總能值投人的比例如圖5所示，RR、NR的投入比例分別為7.30％、0.01％，這說明自然環境對系統的能值投入較小，系統對自然環境的依賴程度較小。購人的NP的投入比例為64.07％，因為生物質熱解多聯產系統再生產過程中需消耗很多來自社會的不可再生資源，如化肥、電、設備等，購入的可再生能值投人為28.61％，其中勞務是主要的可再生能值。

　　表2列出了生物質熱解多聯產系統的各項能值指標計算結果。能值產出率是衡量系統產出對經濟貢獻的指標，該系統的能值產出率EYR為1.08，化石能源與礦物質的能值產出率通常為3～7，因此生物質熱解多聯產系統來自自然環境的能值投入較少，而來自社會的能值投人較多。雖然生物質熱解多聯產系統的能值產出率低于傳統的化石能源，但隨著化石能源的日益枯竭，開采難度逐漸增大，化石燃料的能值產出率降低；而生物質熱解多聯產系統隨著技術改革、工藝創新、生產效率的逐漸提高，產業規模日益擴大，因此生物質熱解多聯產系統的能值產出率與化石燃料的能值產出率的差距將逐漸縮小。另一方面，生物質作為一種可再生能源，可再生周期較短，而化石能源是不可再生能源，它是自然界長期演變過程中能量積聚的結果。

　　生物質熱解多聯產系統的環境負載率ELR為1.78。通常來說，環境負載率ELR<2，表明過程對環境的影響小；210，表明過程對環境的影響較大，若系統長期在高環境負載率下運行，將對環境造成嚴重影響。因此，生物質熱解多聯產系統對環境造成的影響較小，是一種較為環保的新型熱解技術。該系統的能值自給率ESR為0.07，說明在該系統能值投入中本地資源所占比例較小，系統對本地資源的需求較小。

　　將生物質熱解多聯產系統與其他生物質能利用系統的能值指標進行比較，結果見表3。與其他系統相比，該系統能值產出率較小，說明產出相同的能量，該系統從外界購人的能值比例較大，自然資源所占能值比例較小，該系統環境負載率較低，因此該系統對環境造成的影響最小。系統生產過程中需投入可再生能源與不可再生能源，能值自給率反映可再生能值占總能值投人的比例，熱解多聯產系統的環境自給率值較低，表明系統生產過程中投入了大量不可再生能源，因此需進行工藝改革和技術創新，以降低熱解多聯產系統不可再生能源投入比例。相比于其他幾種系統，除沼氣生產系統外，該系統ESI值最高，具有較好的可持續性。因此，熱解多聯產系統具有較好可持續發展性。由表3可知，沼氣系統的綜合生態效益優于生物質熱解多聯產系統，這是因為沼氣系統的能值投人主要來源于自然資源，購入資源投入較少，因此能值產出率與可持續發展指數均高于生物質熱解多聯產系統。

　　3結論

　　本文以湖北省天門市楊林辦集中供氣示范站為例，采用能值分析方法對生物質熱解多聯產系統進行評價。生物質熱解多聯產系統通過熱解把生物質原料轉化為氣、炭、油3種產物，該系統每年總能值投人為1.04×10¹⁸seJ，能值轉換率為3.97×10⁴seJ／J。電力與勞務消耗是該系統能值投入的主要部分，占總能值投入的85.79％，因此降低電力與勞務消耗是提高系統適用性的必要選擇。相比于其他生物質能利用系統，該系統對環境的影響較小，具有較好的可持續發展性。從能值角度來看，應進一步提高生物質熱解多聯產系統的競爭力，關鍵在于減少生產過程中能源消耗；另一方面，應改變能源結構，多利用可再生能源。