劉長奇, 黃亞繼, 王昕曄, 盧志海, 劉凌沁

(1.東南大學 能源熱轉(zhuǎn)換及過程測控教育部重點實驗室,江蘇 南京 210096；2.滕州億源煤矸石熱電有限公司,山東 棗莊 277500)

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玉米秸稈制精制油的生命周期溫室氣體排放研究

劉長奇1, 黃亞繼1, 王昕曄1, 盧志海2, 劉凌沁1

(1.東南大學 能源熱轉(zhuǎn)換及過程測控教育部重點實驗室,江蘇 南京 210096；2.滕州億源煤矸石熱電有限公司,山東 棗莊 277500)

采用混合生命周期法,將生命周期框架與經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價相結合,全面考慮農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)、廠房建設、設備安裝、固廢處理過程及保險業(yè)的間接溫室氣體排放量,對玉米秸稈熱解加氫提質(zhì)得到的精制油進行生命周期溫室氣體排放量核算.結果表明：整個過程中溫室氣體排放量為45.2 g /MJ (折算成克CO2當量),直接排放122.02 g /MJ,間接排放46.4 g /MJ,光合作用抵扣101.68 g /MJ；氮肥投入、種子投入和電力投入為三大主要排放因素；肥料生產(chǎn)制造業(yè)、電力生產(chǎn)供應業(yè)、谷物生產(chǎn)業(yè)三大部門占間接排放總量的86%.分析整個過程溫室氣體排放量的不確定因素可知：玉米秸稈產(chǎn)量影響最大,產(chǎn)油率次之,運輸距離最小.與木薯乙醇和傳統(tǒng)汽油相比,精制油生產(chǎn)過程溫室氣體排放量分別減少53.0%、51.9%.

玉米秸稈；加氫提質(zhì)；精制油；混合生命周期評價；溫室氣體排放

全球氣候變暖問題越來越受到關注,減少溫室氣體排放刻不容緩.生物質(zhì)能替代化石能源可減少溫室氣體排放,而生物質(zhì)能利用的路徑眾多,哪條路徑減排溫室氣體效果最佳仍需繼續(xù)深入研究.目前運用生命周期評價法對溫室氣體排放核算的文獻較多,重點分析不同生物質(zhì)原料、土地利用變化、副產(chǎn)品的分配方式對生物質(zhì)熱解制油過程溫室氣體排放量的影響[1-4].對生物質(zhì)制取車用燃料的過程采用GREET模型進行溫室氣體排放核算較為常見[5-6].生命周期評價法和GREET模型評價法對間接溫室氣體排放核算考慮的因素不夠全面,生命周期框架與經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型相結合的混合生命周期評價法對生物質(zhì)制備液體燃料過程進行溫室氣體排放核算具有明顯的優(yōu)勢,該方法既保留了生命周期框架的針對性,又可利用經(jīng)濟投入產(chǎn)出表來減少溫室氣體核算過程中的各種投入,合理避免了生命周期框架的截斷誤差,可全面考慮各種間接排放因素.李小環(huán)等[7]采用生命周期框架與經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型相結合對中國木薯乙醇生產(chǎn)過程進行了溫室氣體排放量核算,結果表明木薯乙醇生產(chǎn)過程溫室氣體減排效果并不顯著.然而李小環(huán)等采用的中國經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型的部門分類僅有43個部門,陳紅敏[8]指出經(jīng)濟部門分類越細致,其核算結果會更加合理.

目前,國內(nèi)外關于玉米秸稈快速熱解加氫提質(zhì)制備精制油過程的溫室氣體排放量核算的報道不多.本文將生命周期框架(PLCA)和經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價(EIO-LCA)相結合,對美國整個玉米秸稈制精制油生產(chǎn)系統(tǒng)進行溫室氣體排放核算.其中經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型由美國卡內(nèi)基梅隆大學綠色設計研究院編制[9],該模型將經(jīng)濟部門劃分為428個,部門劃分更細致；本文還全面考慮農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)、廠房建設、設備安裝過程、固體廢棄物處理過程及保險業(yè)的間接溫室氣體排放量,力求將整個過程溫室氣體排放量核算得更加全面合理.并將計算結果與木薯乙醇和化石燃料作對比分析,為推進生物質(zhì)制油技術在中國的工業(yè)化及溫室氣體減排政策的制定提供理論依據(jù).

1 研究方法

采用混合生命周期評價法中的層列式,將各個溫室氣體的排放要素分為兩層,即直接排放層和間接排放層.各階段的直接排放采用生命周期框架法計算,間接排放使用經(jīng)濟投入產(chǎn)出法計算；同時考慮植物生長階段光合作用固定的二氧化碳量,將該部分溫室氣體排放量抵扣,整個生命周期的溫室氣體排放通過下式計算：

GHGq=GHGz+GHGj—GHGd.

(1)

式中：GHGq為玉米秸稈制精制油生命周期排放的溫室氣體量,GHGj為采用經(jīng)濟投入產(chǎn)出法計算得到的間接溫室氣體排放量,GHGz為采用PLCA法計算得到的直接溫室氣體排放量,GHGd為玉米生長階段光合作用固定的CO2量.

本文核算的精制油生命周期溫室氣體排放包括直接排放、間接排放及光合作用吸收的CO2量.溫室氣體直接排放和間接排放邊界界定如圖1所示.直接排放指產(chǎn)品使用過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放,主要包括能源燃燒和施用氮肥導致氮肥效應產(chǎn)生的排放.直接排放涉及的氣體種類有兩種：二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O).兩種氣體按照各自的全球增溫潛勢(GWP)折算成克CO2當量.上述氣體的GWP分別為1和298[10].其中能源燃燒過程中排放的CO2通過下式[7]計算：

CEj=44/12×CCj×FORj.

(2)

式中：CEj為燃料j的CO2排放系數(shù),CCj為燃料j的含碳量百分比,FORj為燃料j的燃料氧化率.精制油燃燒只考慮CO2的排放,氧化率假定為0.98.

施用氮肥導致氮肥效應,約2%的氮肥會生成N2O.N2O的排放質(zhì)量分數(shù)通過下式[7]計算:

wN2O=mN×2%×44/12.

(3)

式中：mN為氮肥施用質(zhì)量.

圖1 溫室氣體直接排放和間接排放邊界界定圖Fig.1 Boundary definition of direct greenhouse gasesemission and indirect emissions

間接排放指玉米秸稈制精制油過程中在整個生產(chǎn)鏈各部門引起的排放.生產(chǎn)精制油需要投入大量產(chǎn)品和服務,而這些產(chǎn)品和服務的生產(chǎn)過程會排放大量溫室氣體,間接排放為所有上游階段的排放之和.間接溫室氣體排放采用美國卡內(nèi)基梅隆大學綠色設計研究院編制的經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價模型[9].該模型將經(jīng)濟社會劃分為428個經(jīng)濟部門,本文收集的相關數(shù)據(jù)均為消費者購買該產(chǎn)品或服務的價值,不僅包括生產(chǎn)該產(chǎn)品的所有投入所產(chǎn)生的間接溫室氣體排放,而且包括將該產(chǎn)品送到消費者手中所產(chǎn)生的間接溫室氣體排放.

假設精制油中的碳元素全部來自光合作用固定二氧化碳中的碳,可按下式計算光合作用固定的二氧化碳質(zhì)量分數(shù)：

wCO2=mjzy×wjzy×44/12.

(4)

式中：mjzy為精制油的質(zhì)量,wjzy為精制油碳元素的質(zhì)量分數(shù).

2 過程描述及計算過程

圖2 生物質(zhì)熱解提質(zhì)精制汽油柴油生命周期框架圖Fig.2 Life cycle framework of gasoline and diesel from biomass pyrolysis and refining

2.1 生命周期框架的功能單位、系統(tǒng)邊界及分配方式

采用功能單位為g/MJ,即生產(chǎn)1 MJ的精制油需要排放多少克當量的CO2.玉米秸稈制精制油的系統(tǒng)邊界包括玉米種植、熱解制油、運輸、車輛使用過程.生物質(zhì)精制油的生命周期框架如圖2所示.種植系統(tǒng)的分配方式采用質(zhì)量分配方式,則玉米本身質(zhì)量分數(shù)為62.5%,玉米秸稈質(zhì)量分數(shù)為37.5%[11].

表1 玉米種植系統(tǒng)經(jīng)濟投入量及溫室氣體排放量

Tab.1 Economic inputs and greenhouse gas emissions of maize planting system

經(jīng)濟投入ID/(美元·ha-1·a-1)TEI/百萬美元TEId/百萬美元GHGj/tGHGz/t收獲前機械122.513.85.23000-種子280.231.611.938600-肥料318.535.913.57760082473柴油---18825753農(nóng)藥64.27.22.72090-石灰24.72.81.16320-除草劑49.45.62.11630-種植保險49.45.62.1139-收獲的機械260.129.3116340-人工91.510.33.95670-總計1260.5142.153.514327188226

2.2 玉米種植系統(tǒng)

玉米種植系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用美國愛荷華州的玉米種植數(shù)據(jù)[12].該種植系統(tǒng)需要的各種間接排放的投入包括：收獲前的機械、柴油生產(chǎn)、種子、肥料、農(nóng)藥、除草劑、石灰、種植保險及收獲后的機械.不考慮土地使用變化引起的溫室氣體排放.該系統(tǒng)的直接排放投入主要是農(nóng)機使用的柴油,所需柴油的質(zhì)量為1 845 844.87 kg[13],假設柴油熱值為44 MJ/kg,柴油的碳質(zhì)量分數(shù)為85%,傳統(tǒng)汽油的溫室氣體排放量為94 g/MJ[14],農(nóng)機使用柴油的溫室氣體排放量具體見表1.表中,ID為參考文獻中的原始數(shù)據(jù),TEI為參考文獻中的經(jīng)濟總投入,TEId為按質(zhì)量分配后的經(jīng)濟總投入.假設生產(chǎn)精制油的工廠消耗2 000 t玉米秸稈,根據(jù)文獻[12]可知,玉米產(chǎn)量約為1.035 kg/m3,按照質(zhì)量分配方式可知,玉米秸稈的產(chǎn)量為0.621 kg/m3.按工廠每年工作350 d計算可知,需要7×105t玉米秸稈.生產(chǎn)玉米秸稈需要的土地大概為1 127 214 000 m3,每年生產(chǎn)玉米秸稈需要投入各個物質(zhì)和能量的經(jīng)濟價值如表1所示.由于該土地產(chǎn)出的產(chǎn)品有玉米和玉米秸稈,按質(zhì)量分配,應使原始數(shù)據(jù)乘以0.375,具體數(shù)值見表1.

2.3 玉米秸稈精制生物油系統(tǒng)

采用Wright等[15]建立的模型.該模型模擬玉米秸稈快速熱解成生物油,并精制為汽油和柴油的整個過程.假定生物質(zhì)工廠每天消耗2 000 t的玉米秸稈,該工廠精制油年產(chǎn)量為1.34×108L,同時生產(chǎn)9 223 t焦炭和1.054×109J的氣體燃料.按照能量分配方式可知,精制油、焦炭和氣體燃料分別占67%、30%和3%(按各產(chǎn)物各自包含的總能量與所有產(chǎn)物包含能量總和的比值計算).處理步驟包括生物質(zhì)預處理、快速熱解、固體去除、生物油收集、燃燒和生物油精制.具體流程如圖3所示.將質(zhì)量分數(shù)為25%的生物質(zhì)干燥至7%,粉碎至約3 mm直徑后,送入熱解反應器；熱解后產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器1進行氣固分離,固體被直接送入燃燒反應器提供熱量,氣體進入冷凝器經(jīng)水冷卻；其中不凝結氣體被送入熱解反應器和燃燒反應器燃燒,冷凝下來的生物油經(jīng)過液液萃取后分為油相和水相,水相油與蒸汽混合并送入高溫水蒸氣催化重整反應器被轉(zhuǎn)化成合成氣,合成氣被送入壓力變換吸附分離器(PSA)進行甲烷重整制氫,氫氣與油相在高溫反應釜中反應制得汽油和柴油.該過程的具體反應參數(shù)和步驟參考文獻[15].該過程投入包括廠房設備投資(包括生產(chǎn)設備購買和安裝、儀表控制投資、管道投資、電力系統(tǒng)投資、建筑材料投資、場地改造費用、服務設施費用、工程費、建造費、法律和承包商費用.投資按工廠使用壽命20 a,平均分攤到每一年)、電力、工業(yè)水、催化劑、固體廢棄物處理、人工工資、日常維護與管理、保險與稅金.以上投入全部為間接排放,采用美國卡內(nèi)基梅隆大學綠色設計研究院編制的經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價模型直接計算.將所有設備歸為同一類設備.工廠設備制造安裝的溫室氣體會產(chǎn)生一些誤差,但各種工業(yè)設備生產(chǎn)過程產(chǎn)生的溫室氣體排放量相差不大,誤差在可接受范圍內(nèi).服務設施費以辦公設施費進行輸入.稅金和保險費用全部按保險費來算,由于稅金和保險費各自的值沒有具體給出,且數(shù)值較小,等同處理后對整體結果的影響不大.具體計算結果如表2所示.表中,IVY為每年的投資額.該過程將全部的不可凝結氣體和約三分之一的焦炭(100 t/d)燃燒為熱解供熱,根據(jù)碳平衡可計算得到燃燒過程的直接CO2排放量,具體數(shù)值如表3所示.由于熱解過程中的碳全部來自生物質(zhì)的光合作用,在光合作用抵扣的CO2過程中將被抵扣掉.制氫過程中產(chǎn)生的可燃氣體作為副產(chǎn)物輸出以及加氫過程中產(chǎn)生的一些輕質(zhì)組分,均未考慮直接排放.不論可燃氣體還是這些輕質(zhì)組分中的碳全部來自生物質(zhì)原料,即其中的碳全部來自植物光合作用固定空氣中的碳,不管可燃氣體及油中輕質(zhì)組分如何利用,最終都可以被抵扣掉,不會對本文計算結果產(chǎn)生影響.

圖3 玉米秸稈熱解提質(zhì)制精制油過程流程圖Fig.3 Flow chart of pyrolysis and upgrading process of corn straw

表2 熱解制油系統(tǒng)經(jīng)濟投入及間接溫室氣體排放

Tab.2 Economic investment and indirect greenhouse gasemission of pyrolysis system

經(jīng)濟投入IVY/百萬美元GHGj/t生產(chǎn)設備購買和安裝費用3.662130儀表控制投資0.68235管道投資0.821780電力系統(tǒng)投資0.26211建筑材料投資0.76448場地改造費用0.32188服務設施費用1.45775工程費0.84143建造費0.9394法律和承包商的費用0.61104電力5.7754000工業(yè)水0.06107催化劑1.771700固廢處理1.784570人工工資1.77301日常管理與維護費5.821530保險與稅金3.57236總計30.8468852

2.4 運輸及車輛使用過程

精制油[16]的密度為0.82 kg/L,熱值為42 MJ/kg,生物質(zhì)運輸距離假設為100 km,卡車運輸能量密度為1.12×106J/(t·km)[17],需要柴油的量為1 781 818.18 kg,可以忽略司機的勞務.假設精制油運送到加油站的距離為20 km,需要柴油量為58 602.667 kg.車輛使用階段忽略了車輛制造過程的溫室氣體排放,故車輛使用階段的溫室氣體排放全部來自生物質(zhì)燃燒.運輸和車輛使用過程中溫室氣體排放的具體計算結果如表3所示.

表3 運輸及車輛使用過程溫室氣體排放量

Tab.3 Greenhouse gas emissions of transportation and use of vehicle

物質(zhì)投入QIM/kgGHGj/tGHGz/t原料運輸消耗柴油1781818.21816.275553.333精制油運輸消耗柴油58602.66759.7357182.645精制油燃燒1098800000330372.5總計-1876.00424333.9

2.5 光合作用吸收二氧化碳的量的計算

精制油的年產(chǎn)量為1.34×108L,密度為0.82 kg/L,熱值為42 MJ/kg,碳元素質(zhì)量分數(shù)為82%[16].根據(jù)式(4)可以算得光合作用吸收二氧化碳量為3.30×105t,轉(zhuǎn)化為本文所采用的功能單位為71.6 g/MJ.

3 結果與討論

3.1 各投入要素溫室氣體排放量分析

圖4 精制油生命周期各要素溫室氣體排放量占排放總量的百分比Fig.4 Percentage of each element of greenhouse gasemissions in LCA of refined oil

未考慮植物光合作用吸收溫室氣體量時,計算結果如圖4所示.玉米秸稈制精制油過程各物質(zhì)或服務投入排放的溫室氣體量所占比重最大的6個過程是精制油燃燒、焦炭不可凝結氣體燃燒、氮肥釋放氣體、肥料生產(chǎn)、電力生產(chǎn)以及種子生產(chǎn),分別占排放總量的42.51%、17.86%、10.61%、9.99%、6.95%、4.97%.這6個過程占總溫室氣體排放量的92.89%,其他各種投入僅占7.11%.由此可見,這6個過程是整個精制油過程中溫室氣體減排控制的重中之重.精制油、焦炭和不可凝結氣體的燃燒及所產(chǎn)生的排放的任務是大氣中二氧化碳在生物圈中循環(huán)后又排入大氣中,可不予考慮；其他過程須在整個生產(chǎn)過程中引起關注,應盡量減少施用工業(yè)肥料,盡量使用農(nóng)家肥,同時節(jié)約用電,提高用電效率.

3.2 各階段排放結果分析

由表4可知,在不考慮精制油過程副產(chǎn)物的情況下,車輛使用階段的溫室氣體排放量最大,運輸階段的排放量最小.考慮光合作用固定二氧化碳的量后,整個生命周期的溫室氣體排放量減少了60.4%,光合作用的抵扣量等于生物油、焦炭和不可凝結氣體燃燒產(chǎn)生溫室氣體的排放量.實際上,大多數(shù)文獻在計算生物燃料全生命周期溫室氣體排放量時,均不計該部分的直接排放量,因為生物燃料中的碳均來自植物光合作用固定二氧化碳中的碳.熱解制油階段在生產(chǎn)精制油的同時,產(chǎn)生了氣體燃料和焦炭兩種副產(chǎn)物,按照能量分配,則精制油占67%；考慮該因素后,玉米種植階段和熱解制油階段的溫室氣體排放減少為原來的67%,運輸和車輛使用階段不受影響.各階段的排放量發(fā)生細微變化,如表4所示,但各部分所占比重變化不大.排放量最大的階段是玉米種植階段,排放量最小的是車輛使用階段.間接排放全部來自玉米種植階段和熱解制油階段,均為生產(chǎn)產(chǎn)品過程中投入其他產(chǎn)品或服務產(chǎn)生的.直接排放主要來自使用氮肥引起的一氧化二氮排放和農(nóng)機柴油的燃燒.為了減少溫室氣體排放,應提高車輛和農(nóng)機的燃油效率,使燃料充分燃燒,減少燃油的使用量,同時應提高工業(yè)氮肥生產(chǎn)水平,降低氮肥生產(chǎn)中的各種投入.

表4 玉米秸稈制精制油生命周期各階段溫室氣體排放

3.3 間接排放的經(jīng)濟部門分布

各生產(chǎn)部門溫室氣體排放量占間接溫室氣體排放量1%以上的部門有8個,如圖5所示.8個部門的溫室氣體排放量占間接排放總量的94%,其中肥料生產(chǎn)制造業(yè)、電力生產(chǎn)供應業(yè)、谷物生產(chǎn)業(yè)三大部門占總間接排放量的86%.可見,為了實現(xiàn)精制油的溫室氣體減排,應制定相應溫室氣體減排政策來限制這三大部門的溫室氣體排放量,降低該部門的溫室氣體排放限定值,同時增加碳排放超標后需要交納碳稅的金額.

圖5 玉米秸稈制精制油生命周期間接排放主要部門分布圖Fig.5 Major indirect emissions departments in LCA of refined oil from corn straw

3.4 不確定性分析

圖6 溫室氣體排放量不確定因素的敏感性分析圖Fig.6 Sensitivity analysis of uncertain factors of GHG

當各種投入均已確定時,整個生產(chǎn)系統(tǒng)有很多不確定因素影響溫室氣體排放量,由于每年的氣候條件不同,玉米秸稈產(chǎn)量會發(fā)生較大變化；熱解制油工廠每段時間的運行情況和生物油產(chǎn)率會發(fā)生變化；本文的運輸距離為假設,具體生物質(zhì)原料的運輸和生物油的運輸也會隨著生物質(zhì)原料的產(chǎn)地和消費市場的改變而改變,故運輸距離會發(fā)生變化.本文對玉米秸稈產(chǎn)量、生物油產(chǎn)率、運輸距離3個不確定因素進行敏感性分析,以確定3個因素變化對溫室氣體排放量的影響程度.根據(jù)實際情況可知,玉米秸稈產(chǎn)量變化±30%,生物油產(chǎn)率變化±10%,運輸距離分別擴大和縮小3倍.分析結果如圖6所示.圖中，w1、w2分別為溫室氣體排放減少質(zhì)量分數(shù)和增加質(zhì)量分數(shù).結果表明：玉米秸稈產(chǎn)量對精制油生產(chǎn)整個過程的溫室氣體排放量影響最大,產(chǎn)油率次之,運輸距離的影響最小.要控制溫室氣體排放量,應該重視玉米種植系統(tǒng)的穩(wěn)定性,制定政策鼓勵玉米增產(chǎn)；同時應采用先進技術,提高精制油產(chǎn)率,采用先進管理理念,加強維護管理,提高工廠自動化水平,保證工廠運行穩(wěn)定,穩(wěn)定產(chǎn)油率；運輸距離的影響較小,當生物質(zhì)運輸距離超過300 km時,運輸距離對整個玉米秸稈制精制油過程溫室氣體排放量的影響將超過產(chǎn)油率,使整個過程的溫室氣體排放量提高10%以上.從控制溫室氣體排放的角度來看,生物質(zhì)運輸距離不宜超過300 km,建廠選址盡量靠近生物質(zhì)產(chǎn)地.

3.5 與木薯乙醇對比

李小環(huán)等[7]用同樣的方法對中國木薯乙醇生產(chǎn)過程進行溫室氣體排放核算,結果與本文結果的對比如圖7所示.木薯乙醇在原料種植和燃料燃燒階段的溫室氣體排放均比精制油少,在原料種植階段玉米種植的溫室氣體排放比木薯多110%,而該階段的間接排放玉米種植比木薯種植多,主要是因為玉米種植投入的各種產(chǎn)品和服務比木薯種植多；玉米的直接排放比木薯多,原因是木薯產(chǎn)于中國,玉米產(chǎn)于美國,美國農(nóng)業(yè)機械化程度比中國高,種植過程中農(nóng)機消耗的柴油量較多.兩種生物燃料燃燒階段的排放量基本相當.木薯乙醇生產(chǎn)和運輸過程的溫室氣體排放量均比精制油生產(chǎn)和運輸過程多.在燃料生產(chǎn)過程中,兩種燃料的直接排放相差不多,但乙醇生產(chǎn)排放量較高.乙醇生產(chǎn)需要投入大量燃煤,產(chǎn)生較多的溫室氣體排放；精制油生產(chǎn)過程不需要額外的燃料,焦炭和不可凝結氣體燃燒產(chǎn)生的溫室氣體排放量被抵扣掉,故精制油該階段溫室氣體排放量僅為木薯乙醇的32.1%.運輸階段主要與運輸距離有關,由于運輸距離都是假設的,沒有可比性,但建廠選址時應充分考慮該階段,選擇離原料和消費市場距離都較近的位置建廠較合適,尤其要離原料近些,因需要運輸?shù)纳镔|(zhì)的量遠大于生物燃料.精制油整個生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放量僅為木薯乙醇的47.0%,說明精制油生產(chǎn)過程比木薯乙醇生產(chǎn)過程更有利于減少溫室氣體排放,制定節(jié)能減排政策時,應向精制油產(chǎn)業(yè)傾斜.

圖7 生物乙醇與精制油溫室氣體排放量對比圖Fig.7 Comparison of GHG emissions from bio-ethanol and refined oil

3.6 與化石燃料進行對比

如表5所示，F(xiàn)arrell等[14]核算的傳統(tǒng)汽油1的溫室氣體排放量為94 g/MJ,Dang等[5]根據(jù)GREET模型計算出來的傳統(tǒng)汽油2和柴油的溫室氣體排放分別為93.31、93.32 g/MJ.歐訓民等[18]采用的傳統(tǒng)汽油3溫室氣體排放量為103.92 g/MJ.本文研究精制油的溫室氣體排放量為45.2 g/MJ,僅為傳統(tǒng)汽油(按94 g/MJ計算)的48.1%.精制油的減排效果相當明顯,大力發(fā)展玉米秸稈制精制油產(chǎn)業(yè),對于溫室氣體減排,阻止全球氣候變暖的意義重大.

表5 精制油與化石燃料的溫室氣體排放量結果對比

Tab.5 Comparison of greenhouse gas emissions fromrefined oil and fossil fuel

燃料溫室氣體排放量/(g·MJ-1)傳統(tǒng)汽油1[14]94傳統(tǒng)汽油2[5]93.31傳統(tǒng)柴油[5]93.32傳統(tǒng)汽油3[18]103.92精制油45.2

4 結 論

(1)不考慮光合作用和精制油生產(chǎn)過程副產(chǎn)物的能量分配,玉米秸稈熱解加氫提質(zhì)制備精制油過程的溫室氣體排放量為168.3 g/MJ,其中直接排放量為122.0 g/MJ,間接排放46.4 g/MJ.考慮光合作用,排放量減少為66.7 g/MJ.考慮精制油生產(chǎn)過程副產(chǎn)物的能量分配后,排放量減少為45.2 g/MJ.

(2)考慮光合作用后,溫室氣體排放量最大的4個方面為氮肥釋放N2O、肥料生產(chǎn)過程、種子生產(chǎn)過程和電力生產(chǎn).為了減少溫室氣體排放,應多施農(nóng)家肥,提高氮肥生產(chǎn)效率,節(jié)約用電,提高發(fā)電效率.

(3)間接排放中溫室氣體排放量最大的3個部門為肥料生產(chǎn)制造業(yè)、電力生產(chǎn)供應業(yè)、谷物生產(chǎn)業(yè),應制定相關政策鼓勵該行業(yè)的溫室氣體減排,從而促進精制油生產(chǎn)過程的溫室氣體減排.

(4)對整個過程溫室氣體排放量的不確定因素進行分析可知：玉米秸稈產(chǎn)量對精制油生產(chǎn)整個過程的溫室氣體排放量影響最大,產(chǎn)油率次之,運輸距離的影響最小.

(5)精制油生產(chǎn)過程的溫室氣體排放量是木薯乙醇和傳統(tǒng)汽油生產(chǎn)過程的47.0%和48.1%,溫室氣體排放量大大減少,說明精制油是減少溫室氣體排放的較合適的燃料.

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Life cycle greenhouse gas emissions of refined oil from corn straw

LIU Chang-qi1, HUANG Ya-ji1, WANG Xin-ye1, LU Zhi-hai2, LIU Ling-qin1

(1.KeyLaboratoryofEnergyThermalConversionandControlofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.TengzhouYiyuanCoalGangueThermalPowerLimitedCompany,Zaozhuang277500,China)

A hybrid life cycle method, combining the life cycle framework with economic input output life cycle assessment, was used to calculate the life cycle greenhouse gas emissions of corn stalk pyrolysis and hydrogenation upgrading. The effect of indirect greenhouse gas emissions of agricultural machinery production, plant construction, equipment installation, solid waste treatment process and the insurance industry was considered. Results showed that the greenhouse gas emissions of the whole process was 45.2 g /MJ, the direct emissions was 122.02 g /MJ, indirect emissions was 46.4 g/MJ and offset of photosynthesis was 101.68 g/MJ. Three major emissions came from N fertilizer, seed and electricity. The fertilizer manufacturing industry, electric power production and supply industry and grain production industry were the major department with largest indirect emissions, which accounted for 86% of the indirect emissions. The analysis of uncertain factors in the whole process demonstrated that corn straw yield impacted most significantly following with oil production rate and the transport distance was the last. The greenhouse gas emissions of oil refining production process reduced 53.0% and 51.9% compared with cassava based ethanol and traditional gasoline.

corn stalk; hydrogenation upgrading; refined oil; hybrid life cycle assessment; greenhouse gas emission

2015-08-23.

國家“973”重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2013CB22810603).

劉長奇(1987—)，男，博士生，從事生物質(zhì)能利用和燃燒污染物控制的研究. E-mail:442375255@qq.com

黃亞繼，男，教授，博導. E-mail: heyyj@seu.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.10.006

TK 6

A

1008-973X(2016)10-1871-08

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