生物质热解制备生物油的经济性分析.doc

山西师范大学本科毕业论文山西师范大学本科毕业论文生物质热解制备生物油的经济性分析作者： 院系： 专业： 年级： 学号： 指导教师： 答辩日期： 致 谢光阴似箭，岁月如梭，不知不觉我即将走完大学生涯的第四个年头，回想这一路走来的日子，父母的疼爱关心，老师的悉心教诲，朋友的支持帮助一直陪伴着我，让我渐渐长大，也慢慢走向成熟。 首先，我要衷心感谢一直以来给予我无私帮助和关爱的老师们，特别是我的导师，班主任老师、专业课老师，学院老师，党政办老师。谢谢你们这四年以来对我的关心和照顾，从你们身上，我学会了如何学习，如何工作，如何做人。 其次，我还要真诚地谢谢在我的学习和生活中给予关怀和帮助的同学和学姐，在这四年当中，你们给予了我很多帮助，在我的学习工作生活各个方面，你们给我提出了很多宝贵的建议，我的成长同样离不开你们。 再次，我还要认真地谢谢我身边所有的朋友和同学，你们对我的关心、帮助和支持是我不断前进的动力之一，我的大学生活因为有你们而更加精彩。 最后，我要感谢我的父母及家人，没有人比你们更爱我，你们对我的关爱让我深深感受到了生活的美好，谢谢你们一直以来给予我的理解、鼓励和支持，你们是我不断取得进步的永恒动力。目 录本科毕业论文1致 谢2中文内容摘要3Abstract3一概述5二 原料收集和预处理52.1 收集原料52.2 预处理62.21 新工艺的应用62.22 生物反应器6三 热解液化转化过程经济性分析、产品的市场分析73.1热解工艺方案73.11 热解液化规模73.12 经济性分析的财务评价参数73.13 秸秆收集半径计算83.2技术经济性分析83. 12 热解液化工厂投资估算83.13 热解液化工厂财务评价93.14 生物油生产成本分析10四 综合分析13 参考文献14生物质热解制备生物油的经济性分析【内容摘要】如今人类临着巨大的环境与能源压力。生物质因具有一定的广泛性、可再生性、低污染性、广泛分布性以及总量十分丰富而受到越来越多的关注。本文主要针对秸秆气化发电、气化供气、直燃发电以及热解液化这四种目前主要的生物质能利用技术展开经济性分析。通过比较发现，在各种生物质能利用技术中，热解液化制取生物油是非常有前景的，如果要想将生物油投入应用而获得良好的经济效益必须提高生物油的品质。本文中通过对生物质热解制备生物油的经济分析为以后生物质热解的预处理技术研究提供了基础的参考依据。 【关键词】生物油；生物质；热解液化AbstractNowadays human face tremendous environmental and energy pressure. Biomass for has certain universality, reproducibility, less pollution, widely distributed sex and total amount is very rich and receiving more and more attention. This article mainly aims at straw gasification power generation, gasification combustion gas, electricity and pyrolysis liquefaction straight the four current main biomass utilization technology analysis on economy. By comparison, in various biomass utilization technology, biological oil producing pyrolysis liquefaction is extremely foreground, if you want to put into application biological oil won good economic benefit must improve the quality of biological oil. This article through to bionass power plant pyrolysis of preparation for economic analysis of biological oil after the biomass pyrolytic preconditioning technique provides the basis for the research of the reference. Key words: Biological oil; Biomass; Pyrolytic liquefaction 一、概述能源是国民经济和社会发展的重要物质基础，是人类赖以生存和发展的重要保障。当今的能源主要来自于化石燃料，随着人口的增长和人类物质、文化生活水平的普遍提高，人类对能源的需求呈现急速增长的趋势，同时化石能源储量有限且具有不可再生性，化石能源日益枯竭。生物质能是通过太阳能转化而来的，在动、植物和微生物等有机物中都蕴藏着生物质能。生物质能资源是一种无害的能源，在地球上的生物质能资源较为丰富。生物质能通常包括工业废弃物及动物粪便和油料植物、木材、森林废弃物、水生植物、农业废弃物等。我国是一个农业大国, 生物质资源最主要的组成部分是农业废弃物,它们分布不集中, 如果将它们转化成生物质油或者化学化工原料, 也可以大大减小因储存或者运输带来的困难. 因此合理开发利用生物质不仅可为新的能源和化工原料的开发利用建立技术基础, 发展新的能源和化学工业, 以实现可持续发展, 同时对解决我国农村、农业和农民问题, 具有十分重要的意义1我国的农作物秸秆资源丰富，秸秆来源主要为玉米、小麦和稻谷。据统计，2009年全国产生各种秸秆近7亿吨，相当于标准煤3亿吨。在农村，秸秆主要用于生活燃料、饲料、肥料和工业原料。据不完全统计，约有14%的秸秆被做肥还田，250的秸秆被用作饲料， 3.2的秸秆被用作工业原料除此之外，约578的秸秆可以作为能源使用，其中近2亿吨的秸秆被我国农民在自家炉灶内用来直接燃烧取暖做饭。90年代以来由于农民生活水平的提高和农村经济的发展，农民的观念和生活方式发生了变化，农民已有条件和能力大量使用煤、石油、液化气等能源，秸秆不再是农民能源消费的惟一选择，大量剩余秸秆被遗弃在田间地头，有些地区甚至将剩余秸秆在田间地头焚烧，既污染环境，又浪费资源。此现象在我国许多地区已成为社会普遍关注的焦点问题之一，解决这一问题的关键在于开发秸秆高效高附加值利用的新途径。本文通过对生物质热解制备生物油的试验，进行经济学的可行性分析，对生物质热解研究和市场开拓提供数据参考。二原料收集和预处理2.1 收集原料 生物质原料可以是能源植物，也可以是农林废弃物。能源植物产生的生物油产量与热值均比较高，但是目前还没有找到很合适热解的能量高且生长速度快的能源作物，今后可以运用各种植物育种技术，开展更广泛的能源植物育种研究，为发展生物质能源提供技术和物种支持2。在我国东北的农业大省，吉林省某市，交通便利，玉米秸秆收购平均价格为250元/吨(含水率50),因水分含量越少，价格越高，运费每吨500元(地区内运输，不跨区域)，人工费120/天，按照250元/t计算，生物质原料发电消耗为2kg/kWh，原料成本达到0.50元/kWh，发电成本较高，考虑人工工资、自身电力消耗、维修费用、管理费用、设备折旧费等，发电成本达到了0.62元/kWh，在国家可再生能源政策的支持下，吉林省生物质电力上网价格为0.53元/kWh，因此将生物燃气用于发电运行利润微薄。然而，通过综合利用技术，发电所带来的副产品蒸汽和生物质炭，为企业带来更好的经济收益。在发电保本运行的情况下，按照规模5.0MW/h 的实验工程计算，每年运行6000h，消耗原料10000t，可得到1500生物质炭，按照目前的市场价格，炭售价为1000元/t，共收入150万元/a，具有较好的经济效益，以弥补发电的利润不足。2.2 预处理预处理包括干燥和粉碎。原料中的水分是生物油中水分的主要来源之一 ,因而干燥生物质能有效降低生物油中水分含量，从而改善生物油的粘度、pH 值、稳定性和存储期。应用时可选小于1mm的生物质作为制油原料。生物质热解液化是指生物质原料（通常需经过干燥和粉碎）在隔绝氧气或有少量氧气的条件下，通过高加热速率、短停留时间及适当的裂解温度使生物质裂解为焦炭和气体，气体分离出灰分后再经过冷凝可以收集到生物油的过程3。在此工艺过程中，原料干燥是为了减少原料中的水分被带到生物油中，一般要求原料的含水量低于10%。减小原料颗粒的尺寸，可以提高升温速率，不同的反应器对颗粒大小的要求也不同。热解过程必须严格控制温度（500600 ）、加热速率、热传递速率和停留时间，使生物质在短时间内快速热解为蒸气；对热解蒸气进行快速和彻底地分离，避免炭和灰份催化产生二次反应导致生物油的不稳定，并保证生物油的产率。除需要严格控制反应条件外，热解液化还要避免生物油中的重组分冷凝造成的堵塞4-5。2.21.新工艺的应用 为提高生物质的热转化率和生物油的产率，研究人员近年来开发了混合热解、催化热解、微波热解、等离子体热解等新的热解工艺。2.22生物反应器 生物质快速热解液化技术的核心是反应器，它的类型和加热方式决定最终的产物分布。反应器按物质的受热方式可分为三类：机械接触式反应器、间接式反应器、混合式反应器。目前，针对第一类型和第三类型反应器开展的研究工作相对较多，这些反应器的成本较低且宜大型化，能在工业中投入使用。代表性的反应器有加拿大Ensyn 工程师协会的上流式循环流化床反应器（Upflow circulating fluidbed reactor）、美国乔治亚技术研究所（the GeorginTechnique Research Institute，GTRI）的引流式反应器（Entrained flow reactor）；美国国家可再生能源实验室（NREL）的涡流反应器（Vortex reactor）；荷兰Ttwente 大学反应器工程小组及生物质技术集团（BTG）的旋转锥反应器（Rotating cone reactor）和加拿大Laval 大学的生物质真空多炉床反应器（Multiple hearth reactor）等反应器，它们具有加热速率快、反应温度中等和气体停留时间短等特征。表1 列出了几种国外常用的热解液化装置和上海交通大学（SJTU）及中科院广州能源研究所（GIEC）自行研制的生物质热解液化装置的性能6，7,8。国内装置对原料粒径要求比国外装置的要高，同时生物油产率低于国外装置，尚需缩小与国外的差距。表1 几种热解液化装置的性能对比三热解液化转化过程经济性分析、产品的市场分析3.1 热解工艺方案生物质热解液化有三种产物，即生物油、燃气和炭粉，表1所列为它们的产率、热值和用途。但由于热解过程需要能量，故通常要将利用价值较低的某种副产物作为热解自身所用的燃料使用，故自热式热解液化工艺实际朝外输出的热解产品一般只有两种，即：生物油和燃气，或生物油和炭粉。鉴于燃气使用需要铺设管网和走村串户，故选择生物质热解液化产业化工艺方案时，建议优先考虑将燃气用于为热解自身提供热源。3.1.1 热解液化规模一般而言，设备规模越大、效益越好，但对秸秆热解液化设备则不尽然，因为规模越大，保证秸秆常年供应的难度也越大，因而秸秆原料成本也就越大。因此，生物质（秸秆）热解液化设备定型规模应该在规模效益与原料成本之间寻找最佳平衡点。根据经验和现阶段我国多数农村地区的社会发展水平，生物质（秸秆）热解液化定型设备的处理能力一般以10002000kg/h为宜。3.1.2 经济性分析的财务评价参数生物质热解液化技术经济性分析所用的财务评价基本参数主要有固定资产、运行费用、收益和税收。其中运行费用主要包括原料成本、维修费用、人员工资，财务费用和税收等。项目寿命期由于技术成熟程度不同取10年或15年折旧期。主要经济评价指标有：财务内部收益率IRR，投资回收期Pt，财务净现值NPV。财务内部收益率IRR 就是资金流入现值总额与资金流出现值总额相等、净现值等于零时的折现率。投资回收期Pt是指以项目的净收益抵偿全部投资所需要的时间。动态投资收回收期=累计折现值开始出现正值的年数-1+上年累计折现值的绝对值/当年净现金流量的折现值。财务净现值( NPV )是指按行业的基准收益率或设定的折现率，将项目计算期内各年净现金流量折现到建设期的现值之和它是考察项目在计算期内盈利能力的动态评价指标 。净现值=（各期现金流入量*贴现系数）-（各期现金流出量*贴现系数）。3.1.3秸秆收集半径计算秸秆收集半径：收集半径R与收集量A之间存在如下关系：收集量=收集面积耕地面积占土地面积的比例单位面积秸秆产量秸秆收集系数秸秆可利用系数，(k1*R2)a*k2*k3 = A 。由综合系数 k = k1*k2*k3 ,有：k *R2= A。单位面积秸秆的产量a=0.4763，综合系数k=0.8(吉林省的相关参数值) 。3.2 技术经济性分析3.2.1 热解液化工厂投资估算表2为生物质热解液化设备定型并批量生产后，开办速度1000kg/小时生物质（秸秆）原料的热解工厂的投资估算：总投资约为480万元，其中热解液化设备300万元、辅助设备80万元、土建50万元、配套实施50万元。开办每小时处理1000kg生物质（秸秆）原料的热解工厂大约需要占地10亩，由于到土地一般都具有升值效应，故估算投资时没有将土地成本考虑在内。值得注意的是，在此处投资估算中，辅助设备、土建和配套实施是按工业企业设计标准考虑的，若因陋就简的话，这三部分的投资可以减少50万元。表2 热解液化工厂投资估算 单位：万元品 名投资说 明热解液化设备300含进料系统、热解系统和分离与冷凝系统等辅助设备破碎设备 10将生物质原料破碎成颗粒状除尘设备 10与破碎设备配套使用，以消除环境粉尘污染干燥设备 10秸秆破碎与干燥、炭粉成型等制炭设备 20将热解炭粉支撑炭棒或炭球储 油 罐50m3 3050m3不锈钢容器土 建热解车间 20面积150 m2、高度7 m原 料 间 15面积200 m2、高度7 m制炭车间 15面积200 m2、高度7 m配套实施水电路等 30园区环境 10其 它 10合 计480不含土地使用费（约需10亩地）3.2.2 热解液化工厂财务评价表3为处理能力为1000kg/h的生物质（秸秆）热解工厂的财务评价。由此表可见，在考虑折旧的情况下，其年利润为70万元，内部收益率为21% 财务净现值为289万元 投资回收期为4.07年，秸秆收集半径为1.83公里。表3 热解液化工厂财务评价 单位：万元年支出估算名 称数 量金 额说 明可变成本动力消耗14.4万度10.08年累计运行4800小时（合200天）热解设备功率30kw、电价0.7元/kwh秸秆原料收购价300元/吨（水分10%）原料破碎和烘干费用100元/吨（含电和人工）热解设备3人操作，辅助和管理者折合1人人员工资10元/小时原料费用4800吨192人员工资4人19.2固定成本设备折旧48设备折旧期10年设备维护3.84设备维护费为折旧费的8%利 息16.8融资率50%，年利息7%合 计289.92290年收益估算名 称数 量金 额说 明生物油2400吨288产油率50%，出厂价1200元/吨炭 粉1440吨72产炭率30%，出厂价500元/吨合 计360财务评价税前利润年收益-年支出=70万元内部收益率IRR21%财务净现值NPV289万元投资回收期Pt4.07年 秸秆收集半径1.83km 3.2.3 生物油生产成本分析图1是根据表3-2-2制作的生物油生产成本构成图。从中可见，在生物油生产成本构成中占据前五位的依次是原料费用、设备折旧、人员工资、利息和动力消耗，相应所占的比例分别为66%、17%、7%、6%和3%,原料所占费用远高于其它项。由此可见，要想有效降低生物油生产成本和切实提高秸秆热解液化经济效益，政府应当出台秸秆利用补贴政策，又由于设备折旧费用也占到了生物油生产成本的17%左右，所以政府还应当参考农机补贴政策出台秸秆热解液化设备购置补贴政策，降低秸秆热解液化工厂的投资门槛，以便秸秆热解液化技术能够尽快获得推广应用。动力消耗，人员工资等在总成本中所占的比例比较小。66%17%7%6%3%1%利 息原料费用设备折旧动力消耗设备维护人员工资图1 生物油生产成本的构成表5 敏感度分析项目基本方案生物油价格秸秆价格固定成本增值税税率-10%10%-10%10%-10%10%-10%10%利润8.4万元-8.723.320.4-4.8116.95.515.37.1利润变化率204%177%143%157%51%51%36%36%敏感度20.417.714.315.75.15.13.63.6由表5 对生物油利润的敏感度分析可看到,利润对生物油销售单价最为敏感，生物油如果因为销量不好而降价10%销售，亏损将会增加204%；利润对秸秆价格的敏感度次之，若是秸秆价格上涨10%，亏损将会增加157%；利润对固定成本和增值税税率不太敏感。所以,要想获得较好而且稳定的经济效益,政府必须采取一定的扶持政策,稳定秸秆价格,同时还要加大科研投入力度,改善生物油的品质,保证生物油的销售率。表6秸秆收购价格对盈亏平衡点的影响秸秆收购价格 /元/吨250275300325350375400盈亏平衡点 /万吨/年1211136715681839222228063808相对生产能力61%68%78%92%111%140%190%秸杆价格 元/吨-15在不同税率的情况下IRR随着秸杆价格的变化-10-50510152025275300325350375400IRR %税率17%税率12%税率6%税率0%图2 不同增值税税率下秸秆价格与IRR之间的关系有图2可看到在当前17%的税率下在300元/吨是就只有4%的内部收益率；当税率降至12%时，秸秆收购价格在300元/吨时就具有较好的经济价值了，但当秸秆价格上涨到325元/吨是内部收益率就比较低了；当降低增值税税率到6%时即使秸秆价格在350元/吨也是可以接受的；当完全免除增值税时，即使秸秆价格涨到接近400元/吨，内部收益率也有6%。对于国家而言，可考虑给予将增值税税率降至6%左右，此时IRR随着生物油价格秸秆收购价格变化。IRR %IRR随着生物油价格以及秸秆价格的变化-15-10-5051015202511001150120012501300生物油的价格 元/吨秸杆价格300元/吨秸杆价格350元/吨秸杆价格400元/吨图3 6%的增值税税率时IRR与生物油价格以及秸秆价格之间的关系由图3可看出，在减低增值税税率至6%的情况下。在当前秸秆价格300元/吨的条件下，即使生物油价格因为销售不佳而降至1100元/吨时仍然能够得到8%的内部收益率。当生物油销售价格维持在1200元/吨时，秸秆价格若是达到350元/吨,仍然有7%的内部收益率。由图8 可看出若是能够减少增值税税率至6%将给企业的经营带来很大的经济动力。成本分析图56%14%12%7%6%3%1%1%秸秆原料增值税设备折旧动力消耗人员工资利息设备维护其 它图4 成本分析 由图4中可看到生物油成本中秸秆原料占到了56%，远远超过其他项占的比例，增值税税收占到了14%，而设备折旧则占总成本的12%，其他如动力消耗，人员工资等在总成本中所占比例较小。表7 敏感度分析项目基本方案生物油价格秸秆价格固定成本增值税税率-10%10%-10%10%-10%10%-10%10%利润 /万元17.42.532.4-29.45.422.312.520.514.3利润变化率86%86%69%69%28%28%-17%17%敏感度8.68.66.96.92.82.81.71.7表7可看到利润对生物油销售价格，秸秆价格这两项最为敏感，而对于固定成本，增值税税率不是很敏感。生物油价格若是能够提高10%，利润将会增加86%，但是若是生物油由于品质差而降价10%销售的话，利润也会减少86%;若是秸秆价格上涨10%，则利润会减少69%。可见利润对与生物有价格秸秆价格都是非常敏感的。政府有必要出台一些有利措施稳定秸秆价格。表8盈亏平衡点分析秸秆收购价格 元/吨250275300325350375400盈亏平衡点 万吨/年1200132214721661190522342700相对生产能力56%63%74%83%95%117%135%由表8可看到即使秸秆收购价格达到350元/吨时，要想维持盈亏平衡只要达到生产能力的95%。不同税率时IRR随着秸杆价格的变化-10-50510152025275300325350375400秸杆价格 元/吨IRR %税率17%税率12%税率6%税率0图5 当减免税收时IRR随着秸秆价格的变化由图5到，收秸秆收购价格300元/吨时，内部收益率为7%，经济效益可以接受；当秸秆价格涨到350元/吨时要想取得较好的经济效益，税率必须在12%以下；当秸秆收购价格达到375元/吨时，要想维持7%的内部收益率，税率必须在6%以下。表9方案比较方案初始投资年盈余IRR /%原始方案方案1320万元8.358万元4方案2380万元17.4万元7税率6%方案1320万元28.2万元13方案2380万元37.2万元14政府出资25%方案1240万元16.8811方案2270万元25.714由表9可见当没有国家的扶持政策时方案1只有4%的内部收益率，没有达到能源行业8%的基准收益率，方案2有7%的内部收益率，是可以接受的。如果国家能够将秸秆热解液化企业的增值税税率降至6%，或者出资25%左右的话，秸秆热解液化生产生物油将是一个非常值得投资的项目。四综合分析 目前国家只出台了政策扶持发电企业，而对于秸秆热解液化制取生物油还没有出台扶持政策。将秸秆气化发电和直燃发电比较，秸秆气化发电单位初始投资比较大，但是效率较高，扩大规模会使发电成本下降，同时所导致秸秆需求量的上升也容易产生风险，由于焦油问题长时间无法得到解决，秸秆气化发电很难投入实际应用；直燃发电技术简单，目前全国兴建了很多直燃发电厂，但是由于效率低，大量秸秆的收集储藏造成生产成本的提高，而且由于目前的建厂选址不合适，造成了一些恶性竞争，进一步抬高了秸秆价格，也给直燃发电厂的经营带来了重重困难。气化供气很难有什么经济效益，可以将气化供气作为惠民工程去推广，但是不适宜商业投资。在现行能源价格条件下，生物质能源产品缺乏市场竞争力，投资回报率低，这挫伤了投资者的投资积极性，而销售价格较高又挫伤了消费者的积极性。新能源植物资源的发现以及生物技术进行能源作物的遗传改良会使原料成本较大降低。从长远看来，化石燃料的价格比是不断上升的，生物油的成本随着技术的长足发展会不断降低。目