【生物质精炼】能源效率分析应基于生物质精炼工艺的总能耗

    化石燃料（原油、煤和天然气）约占世界能源供应80%。由于未来能源和材料使用的原料可用性存疑，因此有必要采用可再生原料。然而，当今更大的威胁在于碳基燃料使用时二氧化碳排放造成的全球变暖。

    向可再生能源经济转变并非易事，这需要了解其与使用化石燃料生产其他化学品和节能之间的关系、依存关系和差异。

    基于目前化石燃料的使用规模，能源效率和节能措施成为实现目标的重要工具。为了替代精炼中的化石燃料，需要对生物质精炼厂进行可靠的能源效率估算。

1  典型的生物质精炼能源方程

    生物质精炼厂是技术和设备的综合体，能够将生物基原料转化为具有市场价值的最终产品。在许多方面，是传统森林工业、能源生产和（石油）化学品工艺的混合体。

    可行的原料包括木材和农业废料，以及淀粉、糖和有机废弃物，这些废弃物可形成无数有价值的最终产品，如交通运输燃料、材料、化学品、电力和热能。然而，在正常情况下，生物质精炼厂将侧流和废物流用作能源来源，生产某种形式的液体或固体产品。

2  能源平衡的三个主要部分

2.1  原料制备

    由于原料通常是固体形态，因此该过程从原料制备开始，包括物料输送和颗粒尺寸减小，以便为转换过程做好准备。全机械化制备阶段后是原料预处理，通常采用机械、物理化学（蒸汽爆破、水解、热解等）或生物（生物材料通过酶、细菌或酵母直接转换）方式将生物质分解成更可行的液态形态。这些过程步骤通常耗能高。由于散装密度低，以及变质和/或污染可能造成的损失，生物质的本质属性也导致储存需求较大的地方。这些都对整体能源效率产生负面影响。

2.2  含水量

    一个也许不太显眼的特征是生物质的高含水量和含氧量。生物基材料含有水，即：水分。化学结构中所含的氧气通常并非所希望的成分，一般通过化学反应作为水去除，而这进一步增加含水量。此外，氧气还增加了工艺中产生的碳氢化合物的极性，从而增加了水溶性，产生难以处理的废水。因此，高效和化学选择性的除水是生物质精炼厂工作的关键要素。

废水流在排放前需要分离和处理，以防止宝贵的化学成分流失，并减轻工厂对环境可能产生的任何影响。由于常见的除水方法涉及高压下蒸发或过滤，这通常对整体能量平衡有很大的影响。

2.3  下游处理

    除前述方面外，生物质精炼更为独特的一点在于：下游工艺通常包含在石化行业常见的更为传统的工艺步骤。通常，最终分馏是通过蒸馏完成的，并且该过程还可能涉及氢气处理等具有高压或温度要求的工艺步骤。这些可能导致较高的加热需求，产生能源一体化的可能性。

3  生物质精炼的能源效率需要明确定义

    能源效率的定义并不总是直截了当的。虽然能效是一个被广泛讨论的话题，但不同的人和不同的行业往往对能效的含义有不同的看法。能效通常可以从工艺流程和产品生命周期两个角度来观察，并且可以包括消除能量损失和优化能源使用。能效分析的方法不同，也可能产生不同的结果。

4  基于生命周期分析的能量平衡可能给出过于乐观的结果

    谈及能源分析时，所谓的生命周期分析通常是针对生物质精炼工艺流程进行的。这种类型的方法用于分析工厂各个工艺流程的能源使用情况，从原材料的种植或提取开始，到废产品的处置和回收结束。这在生物质精炼中尤其重要，因为生物质的生长、收获和物流可能需要大量能源。在生物质精炼厂，特别是在生物质燃料方面，使用所谓的能源平衡或能源比率来评估这些工厂的能效是一种较常见的方法。即：所生产燃料的热含量除以用于生产燃料的不可再生能源的比率。

    试图用这种方法来定义能源平衡，会产生一些困难。由于能源平衡只考虑工艺流程中使用的不可再生或化石能源的数量，因此，如果工厂仅使用可再生能源作为能源，这种平衡理论上可以增加到无穷大。虽然这表明生产工厂非常“绿色”，但它不一定说明该工艺的实际能效，因为工艺流程中使用的可再生能源可能极其低效地使用。因此，能源比率虽然是一个有用的指标，但不一定是确定生物质燃料生产工厂实际能源效率的最佳工具。它可能给出过于乐观的结果，例如：在使用热电联产厂燃烧废物流的工艺流程状况下。

5  净能量分析基于总能耗

无论是否采用可再生原料，能源效率应基于流程工艺的总能耗。这通常称为净能源分析。这种分析的结果往往得出的效率要低得多，特别是在生物质精炼厂，最终产品保留的原料能量往往低于最佳水平。然而，这通常可以通过有价值的侧流，如热或电，进行改善。

提高能源效率的实际手段与能源消耗方法一样多样，而后者始终取决于具体的工艺流程。对于下游工艺流程，可以采用Pinch分析等标准化方法，而对于上游工艺流程，则存在从优化供应链到电机中使用变频转换器等多种节能方法。 

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