工业共生体系下生物质资源化利用的物质能量流分析_吴彤.pdf

第 45 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.45 No.7Jul.2023工业共生体系下生物质资源化利用的物质能量流分析Analysis of material and energy flows in biomass resource utilization under industrial symbiosis system吴彤1，2，王守鑫3，程星星1，2*，刘坤坤1，2WU Tong1，2，WANG Shouxin3，CHENG Xingxing1，2*，LIU Kunkun1，2（1.山东大学 能源与动力工程学院，济南 250061；2.燃煤污染物减排国家工程实验室，济南 250061；3.华电青岛热力有限公司，山东 青岛 266031）（1.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.Engineering Laboratory for Reducing Emissions from Coal Combustion，Jinan 250061，China；3.Huadian Qinhdao HeatSupply Company Limited，Qingdao 266031，China）摘 要：在全球化石能源日益紧张的背景下，以电力、生物燃料为代表的生物能源得到广泛生产。但由于原料收集困难以及经济可行性问题，难以提升产业规模。工业共生是实现资源有效利用的可持续发展模式。在工业共生视角下，以生物质热电联产（CHP）厂、生物乙醇厂、厌氧消化（AD）厂、生物油精炼厂、水泥厂为协同对象，对生物质资源化利用的4种协同模式进行了物质能量流分析，并在此基础上进行了能效和经济性分析结果表明，工业共生体系有利于提高生物质产业之间的资源再利用，减少废物浪费。在生物质秸秆供应量为13.73 t/h，生物乙醇产量为660 L/h，生物油产量为1.01 t/h，AD的沼气产量为275 m3/h，水泥产量67.68 t/h的前提下，通过废物和副产品的再利用，4种协同模式分别额外产生了0.36，2.93，3.47，6.54 MWh的电力以及1 365.8，4 548.8，2 883.2和29 489.4 MJ的热力。4种协同模式运行下能量利用效率比各工厂单独运行时分别变化了-2.66%，11.96%，4.15%和9.40%。每年可分别节约原料收集和运输成本约45.4，369.2，437.2，824.0 万元。这项工作为生物质工业之间协同发展提供了详细的数据参考。关键词：生物质能；工业共生；协同模式；物质能量流；废物再利用；热电联产中图分类号：TK 01 文献标志码：A 文章编号：2097-0706（2023）07-0030-10Abstract：Under the growing global shortage of fossil energy，bioenergy represented by biomass power and biofuels has been widely applied.However，its industry scale is hindered by the difficulty in raw material collecting and the economic feasibility.Industrial symbiosis is a sustainable development way to efficiently use various resources.From the perspective of industrial symbiosis，taking biomass cogeneration plants，bioethanol plants，anaerobic digestion（AD）plants，bio-oil refineries and cement plants as collaborative objects，the material and energy flows in biomass resource utilization are studied under four synergistic modes.Energy efficiency and economy analyses are carried out based on the study.The results show that the industrial symbiosis system is beneficial to resource reuse in biomass industry and waste reduction.In a case study，with a biomass straw supply at 13.73 t/h，the plants above could yield 660 L/h bioethanol，1.01 t/h bio-oil，275 m3/h biogas and 67.68 t/h cement.Through the reuse of wastes and by-products，the industrial symbiosis system cogenerated 0.36，2.93，3.47 h or 6.54 MW h electric power，and 1 365.8，4 548.8，2 883.2 or 29 489.4 MJ heat under four synergistic modes.The energy utilization efficiencies of the system in four synergistic modes differed from that of the plants in independent operation mode by-2.66%，11.96%，4.15%and 9.40%，respectively.The cost of raw material collection and transportation were saved by around 454 000，3 692 000，4 372 000 and 82 40 000 Yuan per year，respectively.This study provides reference data for the synergistic development of biomass industries.Keywords：biomass energy；industrial symbiosis；synergistic mode；material and energy flow；waste reuse；CHPDOI：10.3969/j.issn.2097-0706.2023.07.004基金项目：山东省自然科学基金（ZR2020ME190）；山东省重点研发计划项目（2020CXGC011402）Shandong Provincial Natural Science Foundation（ZR2020ME190）；National Key R&D Program of Shandong Province（2020CXGC011402）第 7 期吴彤，等：工业共生体系下生物质资源化利用的物质能量流分析0 引言 近年来，全球化石能源供应紧张，其利用而产生的排放日益加剧1。京都协议书 和 能源政策法 等有关环境法规的相继出现，增加了人们寻找可再生、可替代能源的积极性。其中，生物质能作为世界第四大能源，在世界各国能源消费中的比例逐渐增加2。其作为可再生能源，在一定程度上可以满足能源需求或补给3。以电力（生物质发电）、生物燃料（主要为生物乙醇和生物柴油）为代表的生物能源得到广泛生产。其在生产过程会产生更少的NOx，SO2和温室气体排放4。但生产过程的主要问题是经济可行性。例如：小型气化发电、生物乙醇生产、生物质制氢等成本目前很高。这些过程对生物质的消耗是巨大的，而多数生物质秸秆堆积密度较低，难收集5。收集和运输阶段的能耗和成本限制了每年的固定收集量，产生的废物难以被利用6，很难形成较大的生物质产业规模，因此只有设计出高效的供应链或者可持续的协同发展模式，才是可行的7-8。工业共生已被证明是实现区域资源有效利用、减少碳排放的有效发展模式9-10。其定义为“传统上独立的实体以集体方式获得竞争优势，包括材料、能源、水和副产品的物理交换”11。即传统的公司企业合作，共享服务和资源，以减少废物浪费和成本，从而增加利益和减少环境影响。其中，邻近性是促进企业协同共生效应的一个关键因素，因为其有着相同的原料来源和同类型的废物，有利于同等的处理和转化，和降低运输管理成本。其中我国天津的案例，涉及污水处理、火电厂、制药、造纸和水泥等协同作用12。在贵阳实施的城市产业共生，每年可减少约1 090 万t的温室气体排放13。辽宁鞍钢提出了建立以钢铁为主导的工业园区，与之关联的行业有采矿、电力、焦化和机械制造，其中废物处理和再循环的产业链解决了其存在废渣难处理的问题14。济南钢铁与周边铝工业、氨加工和水泥建筑等形成共生网络大大提高了资源利用率，并与周边社区形成了城市工业共生15。Gonela等16提出了生物质产业共生的概念，试图建立一个有效合作框架来提高生物乙醇的产量。然而工业共生案例并非全是成功的。需要对共生产业的运行情况进行分析与评价。目前对共生网络的研究分析方法非常多样化17。例如对影响共生效应的障碍和驱动因素的定性分析。其中王春燕等18对影响迁安市工业共生的因素进行了定性分析，通过得分矩阵的结果得到主要影响因素为信息效应和技术效应。生命周期评估是分析共生模式下环境优势的最常用方法。Daddi等10对意大利的一个中小制革厂集群进行了评估，并得到了其在气候变化和陆地富营养化方面具有积极效应。能值分析则是评估自然社会生态系统对协同效应的环境贡献。Dong等19对沈阳经济开发区进行了能值分析，提高可再生能源比例可有效降低总消耗，改善环境绩效。基于投入产出法的混合LCA模型是计算碳足迹和能耗的常用方法。李嘉祺等20对一个多能耦合的工业园区进行了详细的碳足迹计算。还有不少案例工业共生的经济成本进行了评 估，包 括 成 本 核 算、投 资 回 收 率 和 经 济 收益等21-22。然而，少有研究将生物质能资源化利用的工业共生模式进行分析与评价。本文以生物质热电联产（Combined Heat and Power，CHP）厂、生物乙醇厂、厌氧消化（Anaerobic Digestion，AD）厂、生物油精炼厂、水泥厂为协同对象。基于物流分析方法，计算分析了不同协同模式下的物质和能量流，并在此基础上进行能效和经济性分析，为生物质工业之间协同发展提供详细的数据参考和指导。1 系统与方法 1.1研究对象和方法本文提出了一种生物质能产业之间的共生体系。根据工业之间的“邻近性”原则，并结合实际可调查的对象，选取了生物质利用的相关产业17。协同对象包括生物质CHP厂、生物乙醇厂、AD厂、生物油精炼厂、水泥厂。将它们的生产原料、产品、副产品以及废物形成物流池，如图1所示。在保证正常工业产品生产的情况下，最大限度地提高废物和副产品的利用率。另外，在其他学者研究的基础上，包括Gonela等16提出了生物质CHP厂、AD厂、麦芽发酵厂、水泥厂组成的工业共生体系，意在通过共生优势降低生物乙醇的生产成本。Jayasundara等23提到了生物乙醇生产过程的废液可通过AD产生用于CHP的沼气，产生的废弃木质素经过预处理后可作为 CHP的原料。Cusenza等24提到了 AD与CHP发电的协同运行。Schalkwyk等25提出的生物油生产过程是与CHP联合运行的。将本文选取的工业对象分为4种协