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生物质热解提质制油系统的能源—经济—环境复合模型研究

黄荡  
【摘要】:能源危机和环境污染是人类社会正面临的双重压力,生物质作为唯一可直接转换为液体燃料的可再生能源,积极发展生物质制取液体燃料技术,对于保障我国能源安全和减少温室气体排放有重要作用。本文以生物质快速热解提质制取液体燃料系统为研究对象,从能源、经济、环境三个角度对系统进行分析和评价。首先,本文构建了500吨/天生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料系统(PY-USE)和生物质快速热解催化加氢制取液体燃料系统(PY-CH)工艺流程,基于Aspen Plus建立了它们的过程仿真模型,仿真计算得到的热力学参数(质量流量、热流量、功耗、物流化学成分及浓度、焓、熵等)是进行系统分析工作的基础。然后,本文对PY-USE和PY-CH进行了分析,利用仿真得到的热力学参数计算物流的物理和化学,将整个系统划分为预处理、生物质快速热解、生物油提质和能量回收利用四个子系统,分别进行了详细损分析和效率计算。研究结果表明:降低预处理子系统损失关键在于减少生物质干燥过程的热量消耗;生物质快速热解子系统损主要是由热解反应器以及焦炭和不可凝气体燃烧过程造成的,将所有产品都视作收益炯时,生物质快速热解子系统效率为69.12%; PY-USE的生物油提质子系统损量明显高于PY-CH,这是由于生物油超临界乙醇提质热量消耗比催化加氢大,PY-USE和PY-CH的生物油提质子系统效率分别为88.37%和89.94%,对换热系统进行优化设计可使效率进一步提高;能量回收利用子系统效率为43.91%,子系统中炉膛损量比汽轮机损量大得多;从整个系统的角度,PY-USE和PY-CH的效率分别为48.69%和38.14%,损主要来源都是生物质快速热解子系统和能量回收利用子系统。为考察生物质快速热解提质制取液体燃料系统的经济性能,本文对PY-USE、PY-CH以及生物质快速热解超临界乙醇提质制取液体燃料非联产系统(NCPY-USE)和生物质快速热解催化加氢制取液体燃料非联产系统(NCPY-CH)进行了技术经济评价。计算得到它们的投资费用分别为8.10亿元、4.95亿元、6.25亿元、3.75亿元,液体燃料生产成本分别为6052 ¥/t、5111 ¥/t、7741 ¥/t、6015 ¥/t。通过敏感性分析得到:对于PY-USE和NCPY-USE,影响液体燃料生产成本的主要因素是乙醇价格、生物油产率和催化剂消耗量;对于PY-CH和NCPY-CH,影响液体燃料生产成本的主要因素是生物油产率、液体燃料产率和生物质价格。最后,在分析和经济性能分析的基础上,本文利用炯经济学结构理论建立了PY-USE的经济学模型,对系统中各组件产品单位成本和单位经济学成本进行分解以分析其组成,并且用排放物值和排放物环境损害成本分别对系统环境影响进行量化,以环境成本的形式将环境因素引入经济学模型,建立起PY-USE的环境经济学模型。所得主要结果为:沿生产过程进行的方向,系统中物流单位成本和单位经济学成本均逐渐递增;计算得到液体燃料、氢气和电单位炯成本分别为1.6119 kJ/kJ、2.8566 kJ/kJ和5.4214 kJ/kJ,单位经济学成本分别为147.4 ¥/kJ、180.0 ¥/kJ和370.0 ¥/kJ;将系统中各组件产品单位成本分解成燃料成本和损成本,单位经济学成本则分解成燃料成本、损成本和投资成本,单位成本和单位经济学成本中损成本的大小都能够反应出组件效率的高低,而单位经济学成本中投资成本的大小能反映出组件经济成本投入的多少;考虑环境成本后,环境经济学模型计算得到的系统中物流单位成本和单位经济学成本均增加,液体燃料、氢气和电单位成本分别增加了0.39%、0.77%和1.17%,单位经济学成本分别增加了0.20%、0.67%和1%。


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