燃料乙醇生產(chǎn)用生物原料的土地使用、能耗、環(huán)境影響和水耗分析

第11卷第3期過(guò)程工程學(xué)報ol. 11 No.3011年6月The Chinese Journal of Process Engineering燃料乙醇生產(chǎn)用生物原料的土地使用、能耗、環(huán)境影響和水耗分析孔德柱μ,王玉春’,孫健,袁曉凡',王曉東',肖杰,趙兵(1.中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100190;2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049摘要:在引入生物質(zhì)分配比率的基礎上,從土地使用率、能耗、環(huán)境和耗水量4個(gè)方面分析了玉米秸稈、木薯和甜高粱3種生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程,得到了3種生物質(zhì)發(fā)展潛力數據.結果表明,玉米秸稈作為原料,按產(chǎn)出乙醇能計,土地使用率最高可達56340GJha,投入能量最低,僅為22.68MJGJ,環(huán)境影響最小,耗水量最少,只有8m3GJ,是最有開(kāi)發(fā)前景的原料.甜高粱總體上優(yōu)于木薯,但耗水量太大,不利于長(cháng)遠發(fā)展關(guān)鍵詞:生物質(zhì);土地使用率;能耗:氣體排放:耗水量;乙醇中圖分類(lèi)號:TQ517文獻標識碼:A文章編號:1009606X(2011)030452091前言的重要組成部分以往評價(jià)分析以糖質(zhì)和淀粉質(zhì)為原料的燃料乙醇由于不可再生的化石能源的日益消耗和短缺,從長(cháng)的研究都沒(méi)有考慮種植過(guò)程中總體作物中其他副產(chǎn)品遠的經(jīng)濟穩定和能源安全角度出發(fā),我國發(fā)展可再生能的產(chǎn)出4,但分析以秸稈類(lèi)為原料的纖維素質(zhì)燃料乙源至關(guān)重要由于我國人口眾多,人均耕地少因此不醇的生產(chǎn)時(shí)糧食等副產(chǎn)品就不可忽視如Gm山am等明能用玉米和小麥等糧食作物及制糖原料甘蔗等作為生在分析玉米秸稈時(shí)考慮了玉米產(chǎn)量對秸稈量的影響,建產(chǎn)燃料乙醇的原料.在我國被廣泛看好的生物質(zhì)燃料乙立了秸稈產(chǎn)量和玉米產(chǎn)量的量化關(guān)系; Sheehan等將醇原料是秸稈纖維素、木薯和甜高粱,且目前已有很多玉米和秸稈作為兩種土地產(chǎn)工廠(chǎng)和中試車(chē)間利用這3種原料生產(chǎn)燃料乙醇叫.但也全部分配到秸稈上,其他種植過(guò)程中的投入分配到玉米存在完全相反的觀(guān)點(diǎn),如Feix等認為以柳枝稷為原上.生命周期評價(jià)方法是用來(lái)分析生物質(zhì)燃料乙醇的重料的纖維素質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)是耗能的過(guò)程但這并不能要手段叫本工作基于生命周期評價(jià)方法,首次定義了完全否認纖維素質(zhì)燃料乙醇的發(fā)展,纖維素質(zhì)資源豐生物質(zhì)分配比率,并用于分析中,從而更加合理地分析富,固定太陽(yáng)能效率高,世界各國都投入了極大的財力了3種生物質(zhì)原料生產(chǎn)過(guò)程中的土地使用率、能耗、環(huán)物力進(jìn)行研究本研究評價(jià)分析了玉米秸稈、木薯和甜境氣體排放和耗水量,評價(jià)其各自的優(yōu)勢,以便在我國高粱3種原料生產(chǎn)生物質(zhì)燃料乙醇過(guò)程的優(yōu)劣,為開(kāi)發(fā)因地制宜,加以選擇和發(fā)展原料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能源消耗和環(huán)境氣體排放2分析方法(主要產(chǎn)生于能量的投入)是燃料乙醇全生命周期過(guò)程的2.1目標與系統邊界重要組成部分.張治山等對我國玉米基燃料乙醇生產(chǎn)生產(chǎn)可再生的生物質(zhì)能原料需投入土地、淡水、太進(jìn)行了能耗分析,發(fā)現玉米種植能耗約占全生命周期總陽(yáng)能和種植收集過(guò)程中的化石能.本研究分析的玉米秸能耗的30%;張成分析了以廣西木薯為原料的燃料乙稈、木薯和甜高粱原料生產(chǎn)包括土地使用率、淡水資源醇生產(chǎn),發(fā)現原料的種植運輸能耗約占總能耗的41%.消耗、原料種植和收集過(guò)程投入的化石能耗和造成的環(huán)近年來(lái)可再生能源的研究者開(kāi)始關(guān)注生物質(zhì)能的土地境氣體排放.原料的種植一般包括整地、播種、施肥使用和淡水資源的消耗Yang等分析了以玉米為原料除草、收獲幾個(gè)過(guò)程,但我國種植一般承包到戶(hù),播種生產(chǎn)燃料乙醇的土地資源占用和水資源消耗情況,發(fā)現除草和收獲等一般都是手工完成,產(chǎn)生能耗和環(huán)境氣體到2020年,我國5%~10%的耕地用于燃料乙醇原料生排放的過(guò)程主要在整地和化肥生產(chǎn)過(guò)程.原料的收集過(guò)產(chǎn),每年耗水量為32-72km3,相當于每年的黃河總水程是將種植的生物質(zhì)原料收集運輸到燃料乙醇生產(chǎn)工量. Dominguez-Faus等研究發(fā)現美國使用燃料乙醇作廠(chǎng)的過(guò)程.圖1為原料生產(chǎn)過(guò)程的邊界系統,在產(chǎn)出乙為能源的汽車(chē)行駛耗水量為118Lkm,嚴重威脅淡水資醇能和由能兩種情況下評價(jià)分析各生物質(zhì)土地使用、能源.土地使用和耗水量已成為分析生物質(zhì)燃料不可忽視量投中國煤化工收稿日期:20110411,修回日期:2011-05-19CNMHG基金項目:中國科學(xué)院知識創(chuàng )新工程重大項目資助(編號:KsCX1YWD3)作者簡(jiǎn)介:孔德柱(1984),男,黑龍江省安達市人,碩士研究生,生物化工專(zhuān)業(yè);趙兵,通訊聯(lián)系人,T010-82627059,Emal: zhao @home. ipe.accn.53孔德柱等:燃料乙醇生產(chǎn)用生物原料的土地使用、能耗、環(huán)境影響和水耗分析Solar energyElectric energyCrop plantFeedstockcollectionEthanol energyEvapotranspiration water圖1生物質(zhì)燃料乙醇原料分析邊界Fig 1 Analysis boundary of feedstock production of fuel ethanol22生物質(zhì)分配比率式中,E是生物質(zhì)熱能(GJ1),H是生物質(zhì)燃燒熱生物質(zhì)能源生物煉制過(guò)程會(huì )對成本、能耗和環(huán)境排GJ),u是生物質(zhì)干重產(chǎn)量()放等產(chǎn)生分配(如玉米基燃料乙醇的生產(chǎn)會(huì )產(chǎn)出玉米電能是對生物質(zhì)總熱值的轉換,生物質(zhì)產(chǎn)出電能計油、蛋白飼料和二氧化碳,從而對成本、能耗和環(huán)境排算式如下放都有很大的沖減).根據3種生物質(zhì)原料的特殊性,本(3)工作認為在原料生產(chǎn)階段應對土地產(chǎn)出總體生物質(zhì)進(jìn)行分配,玉米作物中玉米作為糧食為主要產(chǎn)出,秸稈部式中,Em是生物質(zhì)電能(J0),n是熱電轉化率(%0分用作生物質(zhì)能的原料,需引入生物質(zhì)分配比率,才能玉米秸稈、木薯和甜高粱是我國燃料乙醇原料發(fā)展合理評價(jià)分析玉米秸稈等原料.常用的分配方法有市場(chǎng)的焦點(diǎn),玉米秸稈是纖維素質(zhì)原料,主要利用纖維素水價(jià)值法、能量含量法和產(chǎn)品替代法1.由于糧食玉米和解產(chǎn)出的葡萄糖發(fā)酵:甜高粱是糖質(zhì)原料,主要利用壓玉米秸稈應用屬性不同,綜合考慮,采用市場(chǎng)價(jià)值法進(jìn)榨后的糖漿發(fā)酵;木薯是淀粉質(zhì)原料,主要利用淀粉水行分配生物質(zhì)分配比率定義為用于產(chǎn)能部分生物質(zhì)的解后的葡萄糖發(fā)酵它們都是將部分生物質(zhì)轉化成乙醇市場(chǎng)價(jià)值與作物整體市場(chǎng)價(jià)值的比值:能,而電能是全生物質(zhì)熱能的反映,通過(guò)對產(chǎn)出電能和乙醇能的對比,就能分析出生物質(zhì)轉化乙醇的效率24原料生產(chǎn)能耗式中,r為生物質(zhì)分配比率,Mm為作物產(chǎn)能部分的市原料生產(chǎn)能量投入計算模型主要包括用于邊界(種場(chǎng)價(jià)值(),Ma為作物除產(chǎn)能部分外其他副產(chǎn)物的市植能耗和原料收集能耗)、計算方法(公式)、基本參數的場(chǎng)總價(jià)值(￥t)確定和基礎數據的輸入.其中種植能耗主要考察的是氮生物質(zhì)分配比率在土地使用率、能耗、環(huán)境氣體排磷鉀肥的生產(chǎn)能耗和整地過(guò)程中的機械能耗;收集能耗放和耗水量4個(gè)方面的分析比較中都有重要應用指將地中分散的原料收集到廠(chǎng)的能量消耗.肥料生產(chǎn)總23生物質(zhì)電能計算能耗的計算用下式:生物質(zhì)能的大小可用其完全燃燒產(chǎn)生的熱能來(lái)衡量.文中計算的生物質(zhì)熱能是指生物質(zhì)分配后用來(lái)產(chǎn)能E=r∑v,的部分生物質(zhì)的熱能,如玉米單指玉米秸稈的熱值,甜式中,F懸肥料生產(chǎn)討程中的總能耗(GJha,r是生物高粱單指甜高粱稈的熱值,木薯指全株的總熱值質(zhì)分中國煤化工h,c是肥料單位生物質(zhì)產(chǎn)出熱能用下式國計算:CNMHG代表氮肥,2表(2)示磷肥,=3表示鉀肥過(guò)程工程學(xué)報第11卷整地過(guò)程產(chǎn)生的能耗模型);是肥料生產(chǎn)過(guò)程中電能耗系數(氮肥B1=0.1,ExrYFHy(5)磷肥R=047,鉀肥B=04,來(lái)自 GREET模型);PFw式中,Ez是原料整地能量消耗(GJha),Y是原料整地的P為8×1行向量,分別是柴油、天然氣、煤發(fā)電的產(chǎn)能耗油量(kgha),F為汽油燃料的燃燒熱(GJ/kg排放量(gGD,其中, GREET( Greenhouse Gases,3種生物質(zhì)原料在收集過(guò)程中存在很大差異,玉米Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation)t秸稈可在地中風(fēng)干,單位面積產(chǎn)出量低;木薯和甜高粱型由美國阿岡實(shí)驗室151開(kāi)發(fā)收集鮮原料,單位面積產(chǎn)出量高.收集過(guò)程能耗采用邢氮肥在土地中的硝化作用與反硝化作用是兩種主愛(ài)華等叫的資源島模型進(jìn)行估算,假設3種作物種植均要環(huán)境氣體NO和N2O的重要來(lái)源5,采用 GREET給出的氣體排放量與純氮的比率關(guān)系,NO排放量是施入勻分布,工廠(chǎng)規模為年產(chǎn)萬(wàn)噸,工廠(chǎng)建立在資源島心.原料收集到廠(chǎng)的能耗可表示為純氮量的065%,N2O排放量是施入純氮量的13%整地與收集過(guò)程中的氣體排放主要來(lái)自汽油在油Ec-2rR'FcaBFHv/3(6)箱中的燃燒,引入汽油燃燒氣體排放向量 PG(g/kg),式中,E是原料收集能耗(G,R是原料收集半徑km),即整地過(guò)程氣體排放量為Fc是運輸油耗kg(tkm),是原料的產(chǎn)量tkm2),B是= EzP(8)曲折因子(收集過(guò)程中運輸距離不為直線(xiàn),B>1,計算時(shí)取2).式中,B為8×1行向量,是原料種植整地過(guò)程中的氣體2.5原料生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境氣體的排放排放量gha)原料生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境氣體排放主要產(chǎn)生于氮磷鉀原料收集過(guò)程的氣體排放量為肥生產(chǎn)、土壤微生物硝化與反硝化作用、整地和收集過(guò)D-2TR'FcoBPc/3程.選擇主要的8種氣體進(jìn)行計算,為方便建立公式,式中,D為8×1行向量,是原料收集過(guò)程中的氣體排放記8種氣體為行向量(vOC,CO,NO,PM10,SO,CH,量gGnN2O,CO2)肥料生產(chǎn)氣體排放按下式計算:氣體排放對環(huán)境的影響表現在5種指標,溫室效F=∑(BDEP+RNEP+BEP2)應、酸化、光化學(xué)煙霧、人體毒性和生態(tài)毒性,計算其潛值采用 Heijungs等和 Dessouky等的方法式中,F為8×1行向量,是原料肥料生產(chǎn)的氣體排放量2.6原料生產(chǎn)耗水量cgha),B是肥料生產(chǎn)總能耗(包括投入天然氣能量耗水量主要是指原料種植時(shí)間內的作物水分蒸發(fā)油能量和電能量,GJha),B是肥料生產(chǎn)過(guò)程中柴油能總量,水分補充主要來(lái)自雨水和灌溉水兩大類(lèi).主要耗耗系數(氮肥Bb1=0,磷肥βb2=0.27,鉀肥by=0.31,來(lái)自水過(guò)程在原材料種植階段,主要受物種、地理結構和氣GREET模型);A是肥料生產(chǎn)過(guò)程中天然氣能耗系數(氮候等因素影響3種生物質(zhì)原料耗水量數據來(lái)自 Gerbens肥RN1=09,磷肥RNz=026,鉀肥Ry=027,來(lái)自 GREET Leenes等、 De fraiture等四和Yang等的研究數據表1主要參數和系數取值Table I Primary parameters andon rate"(t/, fuel ethanolfeedstock)1920Water content of feedstock(%)Feedstock yield(t/ha)Heat value(M/kHeat to electric pow[13ransportation fuel heat value(M/kgransportation fuel consumption [kg/(t-km)f manufacturing Nitrogen fertilizer( MI/kg)49.10GREETEnergy use of manufacturing P2Os fertilizer(M/kg)GREETGREETEnergy use of land preparation(MJ/ha)Gas emission of diesel combustion, Pp (e/G)067,16.78,GREETGas emission of natural gas combustion, P(g/Gn(13,3.51,Gas emission of electricity, Pe(g/G)(444,3722,844Gas emission of gasoline combustion in tank,H中國煤化工GREETCNMHGGREETNote: I)The feedstock contains water, 2) Total biomass including root and stalk; 3)Thebiomass conversion into electric energy第3期孔德柱等:燃料乙醇生產(chǎn)用生物原料的土地使用、能耗、環(huán)境影響和水耗分析4552.7數據來(lái)源產(chǎn)出的電能或乙醇能,與生物質(zhì)的光合作用效率成正相本計算所需的主要參數和系數見(jiàn)表1;輸入數據主關(guān),輸出能量類(lèi)型和分配比率的影響十分明顯.表2顯要來(lái)自國內外公開(kāi)發(fā)表的文獻,包括計算生物質(zhì)分配比示在不引入生物質(zhì)分配比率時(shí),木薯單位面積產(chǎn)出乙醇率所需的3種生物質(zhì)各部分的產(chǎn)量、市場(chǎng)價(jià)值23及能最高,為16020GJha,甜高粱為13350GJha,玉米3種作物種植施肥量28323秸稈最低,僅為3660GJ/ha.甜高粱和木薯產(chǎn)電能基本3結果與分析相男甜高粱和木薯光能利用率相近,都是高效利生物質(zhì).玉米秸稈產(chǎn)電能是乙醇能的2663.1土地使用率分析倍,表示目前我國纖維素質(zhì)原料乙醇轉化率還很低(美表2分別計算了在引入和不引入分配比率2種情況國已達到141倍)生物質(zhì)分配比率對玉米秸稈影響下,在1ha地中種植3種生物質(zhì)產(chǎn)出的乙醇能或電能.最大,因為秸稈作為玉米種植的副產(chǎn)物,對土地的分配玉米是主要的糧食作物,用秸稈產(chǎn)能,生物質(zhì)分配比率值很低,只有6.5%引入生物質(zhì)分配比率后玉米秸稈土低,只有65%;甜高粱產(chǎn)高粱米,甜高粱稈的生物質(zhì)地產(chǎn)能效率明顯優(yōu)于甜高粱和木薯,電能E達149775分配比率為750%:木薯地上部分鮮有利用,本工作不GJha,乙醇能E達56340GJha,從土地綜合利用的對其進(jìn)行價(jià)值估算,其生物質(zhì)分配比率為100%角度出發(fā),開(kāi)發(fā)利用玉米秸稈資源很有潛力.同樣引入土地使用率即土地產(chǎn)能效率,定義為單位土地面積分配比率后,甜高粱的乙醇能和電能都大于木薯.表2生物質(zhì)燃料乙醇原料土地使用率和分配比率Table 2 Land utilization ratio and distribution ratio of the fuel ethanol feedstockLand utilization ratioLand utilization ratio withFeedstockwithout distribution ratio. without distribution ratio, with distribution ratio.ratio of theethanol energy, Et(GJ/ha) electric energy, Ek(GJ/a) ethanol energy, Ea(GJ/ha) electric energy, Ete(GJ/ha) biomass(%)Cassava25005334.2075.0表3原料生產(chǎn)能量投入Table 3 Energy input for the feedstock proEt of com stalkEk of cassava47055fertilizer4.75Total fertilizer.960.531.690.20l20Feedstock collection3.644331372.31Total45.563.2能耗評價(jià)分析集能耗不涉及生物質(zhì)分配比率,其大小主要與生產(chǎn)單位表3分別計算了玉米秸稈、木薯和甜高粱3種生物能量所需原料的收集半徑和生物質(zhì)的單位面積產(chǎn)量有質(zhì)原料產(chǎn)出單位乙醇能或單位電能所施用的氮磷鉀肥關(guān),即收集半徑越大,單位面積產(chǎn)量越多,能耗就越大的生產(chǎn)能耗、整地能耗和收集過(guò)程能耗.由于肥料的生玉米秸稈和甜高粱產(chǎn)出乙醇能收集能耗大,原因在于玉產(chǎn)尤其是氮肥的生產(chǎn)是高耗能過(guò)程,所以氮肥的生產(chǎn)能米秸稈產(chǎn)單位乙醇能收集面積大,而甜高粱單位面積產(chǎn)耗在3種生物質(zhì)原料生產(chǎn)能耗中都占有較大比重,同時(shí)量大.通過(guò)對3種生物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程能量投入的比較分磷肥和鉀肥的生產(chǎn)能耗也占有一定比例.因此不同生物析,玉米秸稈仍是發(fā)展我國生物質(zhì)能的最佳選擇質(zhì)原料的生產(chǎn)能耗主要取決于施肥量特別是氮肥的量.3.3環(huán)境評價(jià)分析木薯種植僅施肥量能耗就有96,91MJG(E)和62.08本工作在環(huán)境分析中分別計算了肥料生產(chǎn)、硝化與MJGJ(E),而其分配比率為100%,導致木薯原料生產(chǎn)反硝化作用、整地和收集4個(gè)過(guò)程中的8種環(huán)境氣體排能耗最大.整地能耗與土地使用率成反比,土地使用率放,列王A中韋可看出,化物的排放主要來(lái)自越高,整地能耗越少,反之越多.由于生物質(zhì)分配比率微生中國煤化工3種生物質(zhì)生產(chǎn)總在整地和施肥過(guò)程中均存在,使玉米秸稈在種植總能耗氣體CNMHG左右,另外40%的上是3種生物質(zhì)中最少的.收集能耗計算公式(6)顯示收NO2和98%以上的硫化物來(lái)自肥料的生產(chǎn),VOC和CO456過(guò)程工程學(xué)報第11卷的排放集中在整地和收集階段,CO2的排放主要來(lái)自肥物質(zhì)原料生產(chǎn)環(huán)境排放的關(guān)鍵.對比3種生物質(zhì)的環(huán)境料生產(chǎn).總體上耗能的過(guò)程就是消耗化石能源的過(guò)程,氣體排放量,玉米秸稈的8種氣體排放明顯優(yōu)于甜高粲髙能耗代表了高環(huán)境排放.所以氮肥的投入也是影響生和木薯表4生物質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇的階段環(huán)境排放Table 4 Gas emission to environment for production of fuel ethanol with biomass feedstockFeedstockEmission sourceGas emission(&/0).PM10 SOFertilizer production644l704904635644Nitrification and denitrificatio18l54Land preparation0.100Collection18.380.723,100.17719228512963209273487134462182194350Fertilizer production23.82443641984634.624.76Nitrification and denitrification435.27638.39Land preparation5698950009Collection982569360.366.34Nitrification and denitrification213.52313.17SorghumCollection13221900851.06668314.1573564表5五種環(huán)境指標影響潛值Table 5 Potential values of five environmental impact indexFeedstockEmission sourcel15.58Nitrification and denitrification8665Com stalkl6l99Collection42695894385980945.17926.23130.685353.823791.81Collection22178890263.9707871441064783.75Fertilizer production242612110.00SorghumLand preparation3412.79512.4560187391416.3950.851312.57746589190086557.84Note: I)Global warming; 2) Photochemical ozone creation; 3)Health toxicity, 4)Ecological toxicity這8種環(huán)境氣體排放主要影響溫室效應、大氣酸化、光化學(xué)煙霧、人體毒性和生態(tài)毒性5種環(huán)境指標.表Nitrification and denitrification5計算了3種生物質(zhì)原料生產(chǎn)各階段造成的氣體排放對5種環(huán)境指標的影響潛值圖2為原料生產(chǎn)各階段氣體排放對5種環(huán)境指標的9865潛值影響.硝化與反硝化作用產(chǎn)生的氣體排放主要對酸化和人體毒性影響較大,在玉米秸稈中分別占40%和39%,在木薯中占24%和37%,甜高粱中占36%和40%施肥產(chǎn)生的氣體排放對溫室效應影響最明顯,3種生物23451234512345Com stalkCassava質(zhì)都占80%以上,尤其是木薯占98%整地和收集階段中國煤化工氣體排放主要影響光化學(xué)煙霧和生態(tài)毒性,在玉米秸稈子階段排放比例CN MHGom all stages of和甜高粱中最為明顯第3期孔德柱等:燃料乙醇生產(chǎn)用生物原料的土地使用、能耗、環(huán)境影響和水耗分析為直觀(guān)比較3種生物質(zhì)原料生產(chǎn)總排放對環(huán)境的性影響最大;甜高粱原料生產(chǎn)對生態(tài)毒性影響最大.如影響情況,對表5總體排放數據進(jìn)行歸一化處理(表中果作為發(fā)電的原料,即考慮總體生物量,生產(chǎn)單位電能每列數據除以該列中的最大數據),作圖3對環(huán)境的影響如圖4所示,顯示當以產(chǎn)出單位電能來(lái)衡圖3顯示,作為燃料乙醇的原料,玉米秸稈原料生量3種生物質(zhì)對環(huán)境的影響時(shí),玉米秸稈的5種環(huán)境指產(chǎn)排放量最少,在5種環(huán)境影響指標中潛值最小;木薯標影響潛值更小,優(yōu)勢更加明顯.原料生產(chǎn)對溫室效應、大氣酸化、光化學(xué)煙霧和人體毒assava a SorghumZZa om stalk B Cassava SOrghum三三口三三0.200正Acid圖3三種生物質(zhì)排放量對各種環(huán)境指標影響的當量比較圖4三種生物質(zhì)排放量對各種環(huán)境指標影響的當量比較(燃料乙醇生產(chǎn))(電能生產(chǎn))Fig 3 Comparison of the three feedstocks in a variety ofFig 4 Comparison of the three feedstocks in a variety ofenvironmental potential impact( fuel ethanol production)environmental potential impact(electricity generation)表6三種生物質(zhì)燃料耗水量Table 6 Water consumption of the three feedstocksElectric energy output(m/GD)water reqtIrigation water Water requirem8052Sorghum34耗水量分析粲生物質(zhì)分配比率的變動(dòng)幾乎不改變其與木薯的分析由表6可看出,玉米秸稈耗水量遠小于木薯和甜高結果,因此,本工作不再討論甜高粱生物質(zhì)分配比率對粱,僅為8m3GJE和3m3GJEe原因在于玉米能在分析結果的影響但玉米秸稈作為玉米作物的廢棄物干旱環(huán)境生長(cháng),且玉米秸稈所占生物質(zhì)分配比率低.根其生物質(zhì)分配比率低,且受市場(chǎng)價(jià)值波動(dòng)影響明顯.所據玉米秸稈耗水量,以目前我國纖維素質(zhì)燃料乙醇研究以分析玉米秸稈生物質(zhì)分配比率變動(dòng)對分析結果的影現狀,可算出汽車(chē)行駛耗水31Lkm,遠低于118L/km響十分必要.圖5顯示了當玉米秸稈分配比率從65%升的美國玉米乙醇耗水量.隨著(zhù)淡水資源緊缺加劇,開(kāi)到50%時(shí),其土地使用率和能耗的變化情況玉米秸稈發(fā)低水耗的玉米秸稈生物質(zhì)能的優(yōu)勢會(huì )更加明顯.甜高價(jià)格上升導致其分配比率升高,當其分配比率升高到粱是3種生物質(zhì)中耗水量最大的,為258m/GJE和13715%附近時(shí),玉米秸稈原料生產(chǎn)能耗相比于甜高粱不再m3GJE,從灌溉水量上看,玉米秸稈所需灌溉水與雨占有優(yōu)勢;當其分配比率達20%附近時(shí),玉米秸稈土地水比最大,說(shuō)明玉米種植區的水源主要來(lái)自灌溉水;木使用率相比于甜高粱和木薯不再占有優(yōu)勢;當其分配比薯生長(cháng)在南方,雖需水量大,但其中很大比例來(lái)自雨水,率升高到30%40%時(shí),其生產(chǎn)能耗相比于木薯不再占所需灌溉水少.從耗水量角度來(lái)看,玉米秸稈具有明顯有優(yōu)勢優(yōu)勢,甜高粱耗水量最大,不是好的節水生物質(zhì)能原料圖6以產(chǎn)出乙醇為基準,給出分配比率變化對5種35玉米秸稈分配比率對分析結果的影響環(huán)境指標影響潛值分析結果的情況.玉米秸稈分配比率生物質(zhì)分配比率是用市場(chǎng)價(jià)值法確定的,但市場(chǎng)價(jià)在6格是波動(dòng)的,當秸稈有很好的商業(yè)用途時(shí),其價(jià)格就會(huì )境影中國煤化工物質(zhì)原料在5種環(huán)結果;當玉米秸稈升由于甜高梁作物主要產(chǎn)出甜高粱稈,且甜高粱稈分配出CNMHG其在3種生物質(zhì)中的分配比率大,所以受市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)影響較小;且甜高仍具有相當的優(yōu)勢48過(guò)程工程學(xué)報H Com staSorghum0Distribution ratio(%)Distribution ratio (圖5分配比率對土地使用率和能耗的影響Fig 5 Effect of distribution ratio on land utilization and energy consumptionCom sta1600}(bCassavaDistribution ratio (%Distribution ratio(%)Com stalk14080102030405010203040502030Distribution ratio (%)圖6分配比率對環(huán)境指標潛值的影響Fig 6 Effect of distribution ratio on environmental potential value玉米秸稈分配比率從65%升高到15%,相當于自m3GJ,仍小于木薯的125m3/G(E)和甜高粲的258身向上波動(dòng)231%;從65%升高到20%,相當于自身向m3G(E)上波動(dòng)308%;從65%升高到30%,相當于自身向上波動(dòng)462%在一定的時(shí)間范圍內,基于市場(chǎng)價(jià)值計算的4結論玉米秸稈分配比率不會(huì )有這樣大的波動(dòng),所以玉米秸稈(1)在生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇過(guò)程的評價(jià)分析中作為燃料乙醇原料,在土地使用率、能耗和環(huán)境影響分引入山而面如合理地分析比較了我析中仍有很大優(yōu)勢國非中國煤化工甜高粱在生產(chǎn)燃料玉米秸稈在水耗方面占有絕對優(yōu)勢,即使其分配比乙醇CNMHG計算采用市場(chǎng)價(jià)值率達100%,生產(chǎn)單位乙醇能的水耗量也只有123法,玉米秸稈生物質(zhì)分配比率為65%,甜高粱為75.0%第3期孔德柱等:燃料乙醇生產(chǎn)用生物原料的土地使用、能耗環(huán)境影響和水耗分析459木薯為100%Greenhouse Gas, and Environmental Life Cycle Perspective p](2)無(wú)論是產(chǎn)出乙醇能還是電能,玉米秸稈土地使用Jourmal of Cleaner Production, 2007, 15(7): 607-619率最高,為56340GJha(E)和1497.75GJha(E),能耗[12]Shapouri H, Duffield J A, Graboski M S. Estimating the Net EnergyBalance of Corm EthanoAgricultural Economic Report,最低,為268MJGE和853MJGJ(E),環(huán)境排放1995-07量最少,耗水量最少,為8m3GJ(Ea)和3m3G(E1),[13] Gerbens-Leenes W, Hoekstra A Y, Van der Meer T H. The Water是最有開(kāi)發(fā)前景的生物質(zhì)原料Footprint of Bioenergy []. Proceedings of the National Academy of(3)甜高粱土地使用率為178.05GJ/haEa)和334.2Sciences,2009,106(25):1021910223[14]邢愛(ài)華,劉罡,王垚,等.生物質(zhì)資源收集過(guò)程成本、能耗及環(huán)GJha(E1),大于木薯的160.20GJha(E)和250.05GJha境影響分析門(mén)過(guò)程工程學(xué)報,2008,8(2):305-311(E):甜高粱原料生產(chǎn)總能耗為4556MJG(E)和24,2715] Wang M Q GREET15- Transportation Fuel-cycle ModelMJGJ(Ek),小于木薯的10064MJGJ(E出)和6447MJGJ1. Methodology, Development, Use, and Results [R].(E):在5種環(huán)境指標中,甜高粱的溫室效應、大氣酸Argonne National Laboratory, 1999-08化、光化學(xué)煙霧和人體毒性4種潛能值低于木薯,而生2. Methodology, Development, Use, and Results [R]. Argonne:態(tài)毒性的潛能值略髙于木薯;但甜高粱耗水量為258Argonne National Laboratory, 1999-08.mGJ(Ea)和137mGJE,明顯高于木薯的125 /GJ 7 Heijungs R. Guinee J B, Huppes G et al. Environmental Life CycleAssessment of Products [R. Leiden: Centre of Environmental(E)和80m/GJ(E),且甜高粲大部分水來(lái)自灌溉水,這是發(fā)展甜高粱的主要問(wèn)題所在[18] Dessouky M, Rahimi M, Weidner M. Jointly Optimizing Cost,(4)玉米秸稈作為燃料乙醇原料的優(yōu)勢主要體現在其生物質(zhì)分配比率極低(65%),隨市場(chǎng)變動(dòng)幅度大,會(huì )Transit Scheduling []. Transportation Research Part D: Transport andEnvironment2003,8(6):433-465對分析結果產(chǎn)生一定影響,但當相對于其自身向上波動(dòng)[19岳國君,武國慶,郝小明我國燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)的現狀與展望小于231%時(shí),玉米秸稈原料相比于甜高粱和木薯仍保門(mén)化學(xué)進(jìn)展,2007,19(7):10841090.持絕對的優(yōu)勢20]張艷麗,高新星,王愛(ài)華,等我國生物質(zhì)燃料乙醇示范工程的全生命周期評價(jià)[可再生能源,2009,27(6):63-68參考文獻:[2l]張君.青貯飼料的調制技術(shù)[飼草飼料,2005,7):26.1]于航,周林,袁鵬中國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況[糧食與食品(22趙四申,張西群,賈素梅.玉米秸稈整株還田對小麥生長(cháng)發(fā)育及工業(yè)2009,16(4):34-37產(chǎn)量的影響門(mén)中國生態(tài)農業(yè)學(xué)報,2003,11(1):144-146.2]錢(qián)伯章,朱建芳,纖維素乙醇發(fā)展前景和我國進(jìn)展門(mén)化學(xué)工業(yè)[23]官麗莉周小勇,羅艷我國植物熱值研究綜述生態(tài)學(xué),2002009,27(10):13-1624(4):452-457[3]FeiⅸxE, Tilley DR Integrated Energy, Environmental and Financial[24黎大爵.開(kāi)發(fā)甜高梁產(chǎn)業(yè),解決能源、糧食安全及三農問(wèn)題Analysis of Ethanol Production from Cellulosic Switchgrass [中國農業(yè)科技導報,2004,6(5)55-58nergy,2009,34(4:410436[25]駱偉峰,王紅林,陳礪,等.下吸式固定床氣化木薯莖稈試驗研[4]張治山,袁希鋼,玉米燃料乙醇生命周期凈能量分析[環(huán)境科究卩廣東化工,2008,35(6):13-16學(xué),2006,27(3:437-41阿劉新躍,引進(jìn)國外大功率拖拉機配套機具使用分析門(mén)新疆農5]張成代用燃料的生命周期3E評價(jià)及可持續設計[D]上海:上機化,2001,(3):15-17海交通大學(xué),2003.81-83[27] De Fraiture C, Giordano M, Liao Y. 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Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, ChinAbstract: By introducing the distribution ratio of feedstock, com stalk, cassava and sorghum are analyzed in the four aspects of landutilization ratio, energy consumption, environmental gas emission and water consumption, and the reliable data obtained. The resultsshow that com stalk has the most promising prospect as the feedstock for production of fuel ethanol, its land utilization ratio is up to563. 40 GJ/ha(ethanol energy), whereas energy consumption is only 22.68 MJ/GJ(ethanol energy ) its environmental impact is the mostminimal among the three and water consumption is only 8 m/GJ(ethanol energy). When viewed as a whole, sweet sorghum is betterthan cassava. But its water consumption is too large to be utilized for a long-term development.Key words: biomass; land utilization ratio; energy; gas emission; water consumption; ethanol中國煤化工CNMHG