基于Aspen Plus的生物质移动床热解多联产技术经济及减排效益评价

摘要

生物质作为唯一可再生碳源，因其产品可替代多种化石能源而受到广泛关注。利用热化学裂解工艺，生物质可以转化为生物焦炭、生物油以及生物燃气，并通过替代相应的化石燃料而产生温室气体减排效益。考察生物质热化学利用技术的经济和环境效益可以正确认识该技术的发展潜力。目前大多数相关研究主要针对单一产物的评价，而由于生物质热解全产物利用技术还处于工艺研究阶段，相关的评价研究还相对较少。因此，急需针对生物质热解多联产工艺进行全面的经济及环境效益的评价。本研究以生物质移动床热解多联产系统为基础，以秸秆废弃物为原料，分析系统不同运行参数下的经济及温室气体减排效益，并考察系统大规模利用后产生环境效益。 本文首先构建了由原料收集模型，Aspen Plus模型和混合生命周期模型三者耦合的综合模型，并明确了包含农作物生产和收集运输，工业生产和废弃物处理过程的生命周期边界。接着基于生物质热解机理和组分热解特性，利用Aspen Plus模拟软件对热解多联产系统进行模型的搭建，以我国典型农作物秸秆为原料进行热解模拟计算，并总结反应温度和工业规模与经济及温室气体减排指标的函数关系式。然后，根据计算出的物流和能流，结合净现值法及过程资本清单对系统经济效益进行评价；根据计算出热解组分的产率及品质，结合我国的排放强度数据对系统温室气体减排效益进行评价。最后，结合经济和环境效益评价结果研究两者之间的耦合关系，并讨论该系统大规模利用下的温室气体减排效益及污染物减排协同效益。 结果表明，系统的额定生物质处理量需在5吨每小时以上，才能保证项目具有抗风险性，且当运行温度在310℃和550℃时系统的经济效益最大。此外，系统的排放强度在4.15～6.12g CO2-eq/MJ之间，在250℃时具有最大的温室气体减排效益。其中，提高焦炭产率和热解产品产量是增加系统温室气体减排潜力的关键。综合考虑系统经济性和低碳效益，系统最佳的运行温度为310℃。基于产品需求量的大规模的利用研究表明，该系统每年可以产生8.08×106t CO2-eq，2×104t PM2.5以及1.28×104t NOx的减排效益，其所需要的热解厂数量为214个，运行温度需控制在410℃。由于热解产品利用的局限性，系统大规模利用时生物质秸秆消耗量为535万吨每年，秸秆的利用量较低。因此，该系统还需要在后续着重提高生物质液相产物的品质，增加液相产物利用途径，从而进一步提高系统的经济及环境效益。

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