生物质转化工艺的生命周期综合性能研究

摘要

近年来，随着化石能源短缺和环境污染严重等问题日益显著，以生物质原料代替部分化石燃料，不仅缓解世界能源危机，而且显著降低温室气体排放，但生物质能源的开发和利用过程依旧在环境影响、资源消耗以及经济成本等方面存在众多问题，因此对生物质转化利用工艺进行综合性能的评价具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文基于生命周期评价(LCA)和层次分析法(AHP)，以稻秸、麦秸和玉米秆为生物质原料，对生物质直燃发电(Bio-CPG)、生物质制二甲醚(Bio-DME)和生物质制聚酯(Bio-PET)三种工艺进行综合评价分析。
　　首先，基于LCA和AHP，建立产品的环境影响和资源消耗评价模型，考察了6种环境影响类型和资源耗竭潜力，并从不同视角、不同阶段及不同污染物排放量出发分析工艺的环境影响。基于技术经济分析方法建立产品的经济评价模型，计算各工艺的经济成本，并分析其主要影响因素。结果显示:(1)不同视角下，生物质基工艺的总环境影响负荷均不相同，但均呈现:全球性＞区域性＞局地性。(2)不同视角下，6种环境影响类型所占的份额也有所差异。Bio-CPG中，全球性视角下最主要的环境影响类型是AP和GWP，所占份额分别为为45％～53％和34％～43％;区域性视角下最主要的环境影响类型是AP，份额达70％左右;局地性视角下最主要的是POF，所占份额为30％～37％，此外，稻秸直燃发电中的AP和SW所占份额也与POF相当，分别为23％和28％。Bio-DME中，全球性视角下以GWP和AP为主，份额分别为41％～44％和38％～42％;区域性视角下以AP为主，份额高达58％～62％;局地性视角下以POF和AP为主，份额分别为31％～45％和21％～23％。Bio-PET中，全球性视角以GWP为主，份额达58％;区域性视角下以AP和POF为主，份额分别达43％和32％左右;局地性视角下以POF为主，份额高达54％～58％左右。(3)不同阶段对各环境影响类型的作用程度也不相同，但主要以种植阶段、生产过程和生产下游影响较大。(4) Bio-CPG和Bio-DME中对经济成本影响较大的因素均是生物质原料费用和折旧费用，两者占经济成本的份额为56％～71％，对Bio-PET经济成本影响较大的因素是PTA费用和折旧费用，两者占总经济成本的份额为75％。(5)生物质基工艺中GWP、AP和POF对种植阶段CO2、生产过程CO2、SO2、 NOx和CO及生产下游SO2、NOx和HC等的排放量较敏感。
　　其次，基于AHP建立层次结构，采用极差变换法获得各工艺的综合性指标值，并分析环境、资源及经济对工艺综合性的影响程度。此外，将三种生物质基转化工艺分别与煤基工艺进行各性能指标的比较。结果显示:(1)不同权重情况下，对工艺综合性影响最大的始终是经济性，其次是环境影响，资源消耗最小。Bio-CPG中，经济性、环境影响和资源消耗占工艺综合性指标值的份额分别为31％～79％、14％～60％和4％～21％; Bio-DME中三者所占份额分别为55％～88％、8％～47％和2％～15％; Bio-PET中三者所占份额分别为25％～73％、17％～64％和6％～29％。(2) Bio-CPG、Bio-DME和Bio-PET的总环境影响值比煤基工艺分别降低了55％～72％、45％～70％和11％～23％;资源消耗比煤基工艺分别降低了69％、70％和22％;经济成本比煤基工艺分别增加了95％和1％～2％以及降低了5％～6％;综合性比煤基工艺分别降低了10％～70％、30％～70％和25％～40％。
　　最后，根据生物质原料消耗率、生产规模及原料价格的变化，对生物质转化工艺进行敏感性分析。结果显示:(1)相比于生产规模，各性能指标均对生物质原料消耗率更敏感。(2)针对本文研究工艺，Bio-CPG、Bio-DME和Bio-PET较适宜的生产规模分别为40MW～60MW、25×104t/a和45×104t/a左右。(3)三种生物质基工艺的经济性及综合性对生物质原料价格的敏感度是:Bio-CPG＞Bio-DME＞Bio-PET。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．2 生物质能利用方式及存在的问题

1．3 生物质转化利用的评价方法

1．3．1 生命周期评价方法介绍及发展现状

1．3．2 多属性权重确定方法与发展现状

1．4 研究目的和内容

第二章 评价模型

2．1 研究对象

2．1．1 生物质直燃发电

2．1．2 生物质制二甲醚

2．1．3 生物质制PET

2．2 环境影响和资源消耗评价模型

2．2．1 生命周期系统边界及物质交换

2．2．2 特征化

2．2．3 标准化

2．3 经济性评价模型

2．4 综合性评价模型

2．4．1 层次结构模型

2．4．2 各评价指标权重确定

2．4．3 环境影响、资源消耗及经济性

2．4．4 综合性影响

2．5 本章小结

第三章 生物质转化工艺的生命周期评价

3．1 生产上游的清单分析

3．1．1 稻秸种植阶段排放

3．1．2 麦秸种植阶段排放

3．1．3 玉米秆种植阶段排放

3．1．4 生物质收集阶段

3．1．5 生物质运输阶段

3．2 生产过程清单分析

3．2．1 生物质直燃发电

3．2．2 生物质制二甲醚

3．2．3 生物质制PET

3．3 生产下游的清单分析

3．4 煤基转化工艺生命周期清单分析

3．5 生命周期影响分析评价

3．5．1 不同视角下各环境影响类型的比较

3．5．2 不同阶段对工艺环境影响的作用

3．5．3 不同污染物对工艺环境影响的作用

3．5．4 生物质基与煤基工艺比较

3．6 本章小结

第四章 生物质转化工艺的经济性分析

4．1 生物质转化工艺的原料收集模型

4．1．1 购买费用

4．1．2 运输费用

4．1．3 预处理费用

4．2 生物质直燃发电工艺技术经济分析

4．2．1 基础数据

4．2．2 生产成本

4．3 生物质制二甲醚工艺技术经济分析

4．3．1 基础数据

4．3．2 生产成本

4．4 生物质制PET工艺技术经济分析

4．4．1 基础数据

4．4．2 生产成本

4．5 煤基转化工艺技术经济分析

4．6 生物质基与煤基经济性比较

4．7 本章小结

第五章 生物质转化工艺的综合性分析

5．1 评价指标无量纲化

5．1．1 极值的确定

5．1．2 产品综合性指标值

5．2 生物质基与煤基转化工艺的综合性比较

5．2．1 发电工艺

5．2．2 二甲醚工艺

5．2．3 PET工艺

5．3 敏感性分析

5．3．1 生产规模和生物质原料消耗率

5．3．2 原料价格

5．4 本章小结

第六章 全文总结与建议

6．1 总结

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文(第一作者)