第27卷第5期習(xí)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張治山1,張苗苗1,袁希鋼2(1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,山東青島266510;2.天津大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300072)要:玉米燃料乙醇是一種化石燃料替代品,其可再生能力是評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。從熱力學(xué)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,并提出一個(gè)考慮白然環(huán)境自修復(fù)能力及允許擾動(dòng)程度用于修正可再牛性理論值的因子。研究結(jié)果表明,目前我國(guó)玉米燃料乙醇可冉生因子的理論值為-214具有不可再生性。文章最后指出了提高我國(guó)玉米燃料乙醇可冉生能力的重要途徑。關(guān)鍵詞:燃料乙醇;可再生性;有效能;玉米中圖分類號(hào):TK6,TQ013.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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引言能量質(zhì)量和實(shí)際做功能力做出評(píng)價(jià),從而不能反玉米燃料乙醇是一種重要的石油替代燃料,映其實(shí)際的可再生能力。玉米燃料乙醇的碳平衡基于生命周期原理對(duì)其進(jìn)行能量效益、環(huán)境影響、分析模型較為全面地考慮了整個(gè)生命周期中溫室可再生性和可持續(xù)性等相關(guān)的研究工作具有重要?dú)怏w排放的影響因素,但從熱力學(xué)的角度全面評(píng)意義。價(jià)玉米燃料乙醇的可再生性是一個(gè)復(fù)雜問題,不在玉米燃料乙醇生命周期能量流動(dòng)框架內(nèi),僅包括能量平衡和碳平衡問題,還涉及更多的生基于熱力學(xué)第一定律建立的凈能量分析模型可以態(tài)環(huán)境影響問題。定量評(píng)價(jià)能量效益和分析影響因素叫,但不能對(duì)有效能分析是一種用質(zhì)量守衡、能量守衡及收稿日期:2009-0430。中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2001CB711203)。作者簡(jiǎn)介:張治山(1975-),男,山東德州人博土副教授,主要研究方向?yàn)樯鶦NMHG63張治山,等基于有效能分析的玉米然料乙醇可再生性研究熱力學(xué)第二定律來設(shè)計(jì)和分析能源系統(tǒng)的方法,1所示。該方法能指出系統(tǒng)利用能量與損失能量的具體環(huán)系使邊界EE化石能節(jié),以利于對(duì)系統(tǒng)中某環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。積累有效能分析將生命周期評(píng)價(jià)與有效能分析結(jié)合起來考慮了從原材料到產(chǎn)品的生產(chǎn)鏈中的一次有效能玉生產(chǎn)乙轉(zhuǎn)化消耗的累積,能夠合理評(píng)價(jià)工業(yè)系統(tǒng)的能量消耗以及資源消耗。由于有效能參數(shù)以環(huán)境狀態(tài)為基準(zhǔn)來衡量某一系統(tǒng)或物流與環(huán)境的差異,因而圖1工業(yè)化玉米燃料乙醇循環(huán)系統(tǒng)的能量流動(dòng)只要合理地選擇環(huán)境狀態(tài),就可以將傳統(tǒng)的有Fig 1 Energy flows in industrial corn fue效能分析方法應(yīng)用范圍擴(kuò)展到衡量系統(tǒng)的能量ethanol cycle system或資源利用以及衡量排放物對(duì)環(huán)境的污染國(guó)問該系統(tǒng)能量輸入主要包括太陽能、從玉米種Berthiaume R利用基于有效能的生物燃料可再生植到乙醇燃燒整個(gè)生命周期過程中直接或間接消性評(píng)價(jià)方法,分別對(duì)加拿大魁北克地區(qū)和美國(guó)玉耗的化石能,其中太陽能是可再生能量化石能輸米燃料乙醇的可再生性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明玉包括玉米生產(chǎn)過程中的能耗(由種子、機(jī)械、肥米燃料乙醇具有不可冉生性例。料、農(nóng)藥、電力和燃料等載入的化石能)、乙醇轉(zhuǎn)化近年來,我國(guó)也已經(jīng)開始推動(dòng)以玉米為主要過程中消耗的熱能和電力以及各種運(yùn)輸能耗;能原料的燃料乙醇的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用,但是有關(guān)量輸出包括乙醇的燃燒熱能和玉米乙醇轉(zhuǎn)化過程玉米燃料乙醇可再生性的相關(guān)研究尚未深人開中共生副產(chǎn)品的替代能量。展。本研究利用基于有效能分析的熱力學(xué)方法,建若通過一系列可逆過程使環(huán)境恢復(fù)至初始狀立了玉米燃料乙醇的可再生性分析模型,從熱力態(tài),必須消耗與這些非可再生資源的凈積累有效學(xué)的角度對(duì)我國(guó)工業(yè)化玉米燃料乙醇循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)能( Net Exergy Consumption,CNEx)等量的有用功行分析。該模型考慮了我國(guó)玉米燃料乙醇的工業(yè)WR(最小恢復(fù)功)。實(shí)際的玉米燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)狀況,玉米和乙醇的運(yùn)輸方式等實(shí)際情況,可生產(chǎn)往往會(huì)產(chǎn)生一些副產(chǎn)品,如干法工藝的定量評(píng)價(jià)玉米燃料乙醇的可再生性,并對(duì)其影響DDGS濕法工藝的CCM和玉米油等,這些副產(chǎn)因素進(jìn)行分析,從而為正確評(píng)價(jià)和提高我國(guó)玉米品的共生可以節(jié)約生產(chǎn)與副產(chǎn)品功能相當(dāng)?shù)奶娲剂弦掖嫉目稍偕芰μ峁┮欢ǖ牧炕罁?jù)。另產(chǎn)品消耗的非可再生資源,而乙醇生產(chǎn)過程消耗外,本研究提出了一個(gè)考慮自然環(huán)境自修復(fù)能力的非可再生資源不僅用于生產(chǎn)燃料乙醇,還用于及允許擾動(dòng)程度用于修正可再生性理論值的因生產(chǎn)副產(chǎn)品。所以,在工業(yè)化玉米燃料乙醇生產(chǎn)的子,但該因子的確定比較復(fù)雜,有賴于生態(tài)科學(xué)等整個(gè)過程中,非可再生資源的最小恢復(fù)功的計(jì)算多學(xué)科的深入研究。還應(yīng)該考慮生產(chǎn)副產(chǎn)品的替代品消耗的非可再生工業(yè)化玉米燃料乙醇循環(huán)系統(tǒng)資源的最小恢復(fù)功。理想的玉米燃料乙醇循環(huán)系統(tǒng)是指僅由太2可再生性分析模型陽能驅(qū)動(dòng)的二氧化碳-葡萄糖-乙醇的自然熱化為了衡量實(shí)際的玉米燃料乙醇的可再生性,學(xué)循環(huán),其可產(chǎn)生最大有用功(W)且對(duì)環(huán)境的只須比較其實(shí)際產(chǎn)出功W與恢復(fù)功WR之間的擾動(dòng)在環(huán)境自修復(fù)能力之內(nèi),但循環(huán)速率受到玉關(guān)系,這一關(guān)系可表示為可再生因子(l),即米產(chǎn)量和乙醇轉(zhuǎn)化率的限制,很難滿足當(dāng)今社會(huì)IR=(W,-WR)/W對(duì)燃料乙醇的大量需求因此,實(shí)際的工業(yè)化玉=1,表明玉米燃料乙醇完全可再生;0<<1米燃料乙醇循環(huán)系統(tǒng)除太陽能之外,還須要考慮表明玉米燃料乙醇部分可再生;/k<0,表明玉米燃非可再生資源的消耗以及對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)程度,該料乙醇不可再生。系統(tǒng)包括玉米生產(chǎn)、原料(玉米)運(yùn)輸、乙醇轉(zhuǎn)化中國(guó)煤化工循環(huán)實(shí)際輸出產(chǎn)品(乙醇)分配、乙醇燃燒和副產(chǎn)品替代等6個(gè)的功CNMH(功。W可由下單元過程,其能量的輸入、輸出及內(nèi)部流動(dòng)如圖式計(jì)可耳生能源2009,27(5)功,應(yīng)為負(fù)值,MJhm2Ec單位質(zhì)量乙醇的副產(chǎn)品替代能量MMg;式中W—玉米燃料乙醇的實(shí)際產(chǎn)出功MJhm2HHV—煤的高熱值,MJ/kg;Y—單位面積玉米產(chǎn)量,kghm(CNEx)煤的凈積累有效能,MJ/kg。x—單位質(zhì)量玉米的乙醇轉(zhuǎn)化率;上述模型考慮了我國(guó)玉米燃料乙醇的工業(yè)生M—乙醇分子量;產(chǎn)狀況以及玉米和乙醇的運(yùn)輸方式等實(shí)際情況W_—理想玉米燃料乙醇循環(huán)的最大產(chǎn)可定量評(píng)價(jià)玉米燃料乙醇的可再生性并對(duì)其影響出功,MJ/kml;因素進(jìn)行分析,從而為正確評(píng)價(jià)和提高我國(guó)玉米a燃料乙醇使用過程的有效能效率。燃料乙醇的可再生能力提供一定的量化依據(jù)。工業(yè)化玉米燃料乙醇循環(huán)系統(tǒng)非可再生資源3數(shù)據(jù)來源的總恢復(fù)功WR等于各階段恢復(fù)功W的代數(shù)本研究中,玉米生產(chǎn)過程考慮的能量輸入包和,即括種子、機(jī)械、化肥(N,P03和K。O)燃料(柴油和Wk=∑W汽油)、灌溉用電、殺蟲劑和除草劑,其輸入數(shù)量為我國(guó)夏玉米主產(chǎn)區(qū)平均產(chǎn)量為7500kg/hm2時(shí)的產(chǎn)1指玉米生產(chǎn)過程。估算值叫,柴油、汽油和電力的能量強(qiáng)度來自我國(guó)W=∑X×(CNE)(4)公開出版的文獻(xiàn)資料,其它輸入項(xiàng)的能量強(qiáng)度來自國(guó)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)嗎;模型中有關(guān)乙醇轉(zhuǎn)化過程式中W玉米生產(chǎn)過程的最小恢復(fù)功MJhm;(干法和濕法)的轉(zhuǎn)化率能耗副產(chǎn)品收率及替代X—玉米生產(chǎn)過程中第i種非可再生資系數(shù)的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[14-1;根據(jù)我國(guó)玉源投入數(shù)量;米燃料乙醇的生產(chǎn)狀況,確定玉米和乙醇的運(yùn)輸(CNEx)第讠種非可再生資源的凈積累方式為柴油貨車運(yùn)輸,假設(shè)玉米和燃料乙醇的平有效能。均運(yùn)輸距離分別為300km和500km。我國(guó)2005j2指乙醇轉(zhuǎn)化過程。年交通運(yùn)輸企業(yè)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)顯示,柴油貨車的柴油消耗強(qiáng)度為005L(tkm)。W=x∑Ax(CNEx)4結(jié)果分析式中:W乙醇轉(zhuǎn)化過程的最小恢復(fù)功Mhm2;4.1可再生因子A—乙醇轉(zhuǎn)化過程第i種非可再生資源根據(jù)上述玉米燃料乙醇分析模型和數(shù)據(jù)來的消耗數(shù)量;源,對(duì)我國(guó)玉米燃料乙醇生命周期實(shí)際產(chǎn)出功、最(CNEx)第i種非可再生資源的凈積累小恢復(fù)功和評(píng)價(jià)因子進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果見表1。有效能。表1玉米燃料乙醇生命周期最小恢復(fù)功、實(shí)際產(chǎn)出功和j3指玉米和乙醇運(yùn)輸過程?？稍偕蜃覶able 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玉米運(yùn)輸和乙醇輸配過程的最小恢項(xiàng)目過程數(shù)值/MJ·hm2可再生因子復(fù)功,MJhm玉米生產(chǎn)3053601D1—玉米運(yùn)輸?shù)钠骄嚯xkm玉米運(yùn)輸50274乙醇轉(zhuǎn)化52773.87D2乙醇輸配的平均距離km最小恢復(fù)功(W)乙醇分配259749V—運(yùn)輸過程燃料的消耗強(qiáng)度,L(t·km);副產(chǎn)品替代-17809p柴油的密度,kg/L;(CNEx)—燃料的凈積累有效能,MJkg實(shí)際產(chǎn)出功(W)乙醇使用232982j4指副產(chǎn)品替代過程。中國(guó)煤化工WRA-Yxxx(EcHHVe)x(CNExc (7)CNMHG為-214,故目前式中:W—副產(chǎn)品替代過程可節(jié)約的最小恢復(fù)我國(guó)⊥業(yè)化米繁科乙群具有力學(xué)意義的不可張治山,等基于有效能分析的玉米燃料乙醇可再生性研究再生性,其原因是玉米生產(chǎn)和乙醇轉(zhuǎn)化過程具有過程中施用的氮肥,它們是導(dǎo)致玉米燃料乙醇不較大的WA值,乙醇使用過程具有較小的W值。可再生的主要因素。所以,乙醇轉(zhuǎn)化和氮肥生產(chǎn)等須指出的是,此可再生因子僅是在假設(shè)環(huán)境完全過程總的工業(yè)節(jié)能措施顯得尤為重要?；謴?fù)條件下的理論值,實(shí)際上自然環(huán)境具有一定另外,我國(guó)玉米生產(chǎn)中的氮肥投入量過多,并的自修復(fù)能力,并且人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的一些沒有充分發(fā)揮氮肥對(duì)玉米增產(chǎn)的作用,如果增加擾動(dòng)是允許的。所以,工業(yè)化玉米燃料乙醇循環(huán)中農(nóng)家肥的使用量,不僅可以減少部分氮肥的投入實(shí)際需要的恢復(fù)功(WR’)應(yīng)該小于理論恢復(fù)功還可以減少土壤有機(jī)質(zhì)流失。玉米種植、玉米運(yùn)輸(Wa),即存在一個(gè)表示自然環(huán)境實(shí)際需要的恢復(fù)和乙醇運(yùn)輸?shù)冗^程中其它非可再生資源的使用也程度β(0k