收稿日期：2021-12-29

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2018YFB1501400）

通信作者：仲兆平（1965—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事可再生能源技術(shù)方面的研究。zzhong@seu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1601 文章編號：0254-0096（2023）05-0010-07

摘 要：采用生命周期評價方法對玉米秸稈、稻殼和楊木3種生物質(zhì)的氣化合成航空煤油工藝路線進行環(huán)境影響評價。選取全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)污染、人體毒性和固體廢棄物6種環(huán)境影響類型，對3種工藝路線的全生命周期進行環(huán)境影響潛值計算。計算結(jié)果表明：系統(tǒng)全生命周期中生產(chǎn)階段排放最多的是CO2，占比為69.13%～74.36%；運輸階段環(huán)境影響最小，在各環(huán)境影響潛值中占比不足7%；玉米秸稈是3種生物質(zhì)中環(huán)境影響最小的原料，減少費托合成反應(yīng)器的耗電量可降低玉米秸稈工藝的環(huán)境影響。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；生命周期；環(huán)境影響；航空煤油；氣化合成；清單分析

中圖分類號：TK6" " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

生物質(zhì)氣化合成制備液體燃料是一種較成熟的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝，可通過該工藝制備甲醇、汽油、航空煤油等高值產(chǎn)品。近年來，眾多中外學(xué)者采用生命周期評價法對生物質(zhì)制備液體燃料工藝進行系統(tǒng)的環(huán)境影響評價。De等［1］對生物航空燃料的不同生產(chǎn)工藝進行生命周期評價，將溫室氣體排放量作為評價環(huán)境影響的指標，結(jié)果顯示化石燃料排放量最高，其次為醇制航煤工藝、糖制航煤工藝、加氫液化工藝，費托合成工藝排放量最低。陶煒等［2］針對費托合成副產(chǎn)物水蒸氣的不同利用途徑進行模擬研究，提出發(fā)電途徑的環(huán)境影響比供熱途徑低，且航煤的環(huán)境影響顯著低于化石燃料。Fortier等［3］選取廢水中培養(yǎng)的微藻作為制備航空煤油的生物質(zhì)原料，研究發(fā)現(xiàn)微藻運輸階段排放的溫室氣體最多，但工藝的總溫室氣體排放量比傳統(tǒng)工藝低76%。

由于目前大多數(shù)研究都重點對比不同生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝的環(huán)境影響，而較少地關(guān)注選取的生物質(zhì)原料對環(huán)境造成的影響。本文采取生命周期評價方法對生物質(zhì)費托合成制備航空煤油工藝進行環(huán)境影響評價，旨在探究采用不同生物質(zhì)原料（玉米秸稈、稻殼和楊木）進行費托合成所造成的環(huán)境影響差異。

1 評價對象與評價方法

1.1 評價對象

生物質(zhì)氣化合成航空煤油工藝主要由生物質(zhì)氣化、凈化調(diào)變、費托合成、烯烴齊聚、分離提質(zhì)等單元組成。如圖1所示，生物質(zhì)氣化單元初步得到的合成氣進入凈化調(diào)變單元，經(jīng)凈化調(diào)整后其H2/CO體積比約為2。調(diào)變后的合成氣經(jīng)冷卻進入費托合成單元生成烯烴，產(chǎn)物通入烯烴齊聚單元生成高碳烯烴產(chǎn)物。其中高碳組分進入分離提質(zhì)單元通過閃蒸器將氣相、油相和蠟相分離，部分氣相經(jīng)疊合齊聚反應(yīng)生成油相，油相經(jīng)加氫異構(gòu)反應(yīng)生成烷烴，蠟相組分通過加氫裂化生成氣相和油相。最后，將分離提質(zhì)單元中的三相產(chǎn)物分離得到航煤與少部分汽油［4］。

1.2 評價方法

生命周期評價（life cycle assessment，LCA）是研究產(chǎn)品從生產(chǎn)原材料到產(chǎn)品報廢處置的全生命周期中對生態(tài)環(huán)境、人體健康和自然資源的影響［5］。生命周期評價體系包括目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋。

1.2.1 生命周期評價范圍

圖2為生物質(zhì)制備航煤工藝生命周期系統(tǒng)邊界，包括農(nóng)業(yè)過程、生產(chǎn)過程和分配使用過程。農(nóng)作物的種植、生物質(zhì)的收集與運輸是農(nóng)業(yè)過程的主要組成部分，農(nóng)業(yè)過程的輸入為農(nóng)藥、化肥、電力和柴油等。生產(chǎn)過程涉及生物質(zhì)原料的預(yù)處理、氣化合成和產(chǎn)物的分離提質(zhì)，該過程產(chǎn)生電能輸出給電網(wǎng)。分配使用過程由航煤的運輸和消費使用組成，該過程主要消耗柴油。生物質(zhì)制備航空煤油工藝的全生命周期主要考慮CO2、CH4、SO2、碳氫化合物（HC）等污染物的排放。工藝系統(tǒng)的生命周期包括生物質(zhì)種植階段、生物質(zhì)收集階段、生物質(zhì)運輸階段、航煤生產(chǎn)階段、航煤配送階段、航煤消

費階段，本文規(guī)定生物質(zhì)收集階段與航煤配送階段統(tǒng)一為運輸階段。

1.2.2 特征化與標準化

環(huán)境影響評價采用CML2001方法作為評價指標，選取的環(huán)境影響類型包括全球變暖潛值（global warming potential， GWP）、酸化潛值（acidification potential， AP）、富營養(yǎng)化潛值（eutrophication potential， EP）、光化學(xué)污染潛值（photochemical ozone formation potential， POFP）、人體毒性潛值（human toxicity potential， HTP）、固體廢棄物潛值（solid waste potential， SWP）。環(huán)境影響潛值的計算是將生命周期清單輸入與輸出數(shù)據(jù)分類為各種環(huán)境影響類型，把每一類別數(shù)據(jù)以典型污染物為單位統(tǒng)一表示，如式（1）［6］所示。

[Ej=QiF（j）i] （1）

式中：[Ej]——第[j]種環(huán)境影響特征化指標值；[Qi]——第[i]種物質(zhì)的排放量；[F（j）i]——第[i]種排放物的第[j]種環(huán)境影響的當量系數(shù)。

因為不同的特征化環(huán)境影響潛值的單位不同，為了對各環(huán)境影響類型進行比較，需對數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算公式［7］為：

[Pj=EjRj] （2）

式中：[Pj]——第[j]種環(huán)境影響類型指數(shù)的標準化結(jié)果；[Ej]——第[j]種環(huán)境影響類型指數(shù)；[Rj]——第[j]種環(huán)境影響類型的標準化基準。

2 環(huán)境影響評價

2.1 清單分析

2.1.1 種植階段

不同生物質(zhì)種類在種植階段的環(huán)境影響存在差異性。表1根據(jù)《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》［8］近5年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，考慮的資源消耗有氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥以及農(nóng)藥。

由于玉米秸稈與稻殼是經(jīng)濟作物的副產(chǎn)物，所以采用經(jīng)濟分配法來計算副產(chǎn)物的資源消耗系數(shù)［11］：

[Kb=PbMba×Pb+Pa+Mca×Pc] （3）

式中：[Pa]——主產(chǎn)物的市場價格，元；[Pb]——副產(chǎn)物1的市場價格，元；[Pc]——副產(chǎn)物2的市場價格，元；[Mba]——副產(chǎn)物1與主產(chǎn)物的質(zhì)量比；[Mca]——副產(chǎn)物2與主產(chǎn)物質(zhì)量比。

2.1.2 收集階段

在收集階段主要考慮生物質(zhì)破碎打包過程中的資源消耗，其中玉米在該過程的耗油量（柴油）為24.09 kg/hm2，耗電量為139.61 kWh/hm2［12］；水稻在破碎打包、糧食加工時耗油量（柴油）為26.43 kg/hm2，耗電量為201.64 kWh/hm2［13］；楊木在收集階段耗油量（柴油）為267 kg/hm2，耗電量為400 kW/hm2［14］。

2.1.3 運輸階段

運輸階段主要考慮柴油車運輸生物質(zhì)原料和配送航煤產(chǎn)品時的污染排放。假設(shè)采用荷載為8 t的柴油車運輸生物質(zhì)與航煤產(chǎn)品，將生物質(zhì)原料運輸?shù)缴a(chǎn)工廠的距離與航煤運輸?shù)綑C場的距離之和設(shè)定為100 km，柴油車運輸過程污染排放參考CLCD中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫。

2.1.4 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)階段采用生物質(zhì)處理量為1 t/h的航煤生產(chǎn)設(shè)備，污染物排放主要考慮生物質(zhì)生產(chǎn)航煤時的電力消耗和生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污染物，生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)來源于Aspen Plus模擬。

2.1.5 消費階段

消費階段數(shù)據(jù)來源于eBalance環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)庫，每千克航煤產(chǎn)生0.336 g CH4、0.168 g N2O、5.04 g NOx、11.13 g CO、10.416 g HC、0.588 g PM10。表2為3條路徑全生命周期的環(huán)境影響清單。

2.2 環(huán)境影響分析

2.2.1 污染物足跡分析

圖3為3種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為航空煤油工藝的全生命周期環(huán)境排放。色域越接近白色排放量越大，越接近黑色排放量則越小?？v向來看，生命周期中CO2的排放量最大。由于生物質(zhì)在種植階段對CO2的固定作用，所以不考慮生產(chǎn)過程和消費過程中CO2的直接排放，但在航煤制備生命周期中，每個階段都會使用電能、消耗柴油，這是排放大量CO2的主要原因。

在基于不同生物質(zhì)原料的航煤生產(chǎn)工藝中，污染物排放足跡存在相似性。在3條路線（玉米秸稈、稻殼、楊木）中，生產(chǎn)階段的CO2和固體廢棄物排放量遠大于其他階段。這是因為生產(chǎn)階段使用高溫高壓反應(yīng)器，消耗大量電能；生物質(zhì)在反應(yīng)過程中，C元素大多轉(zhuǎn)化為CO、CO2和CH4進入下一步反應(yīng)，而剩余的C元素和未參加反應(yīng)的灰分作為固體廢棄物從系統(tǒng)中分離。

N2O和總氮的排放大多由種植階段產(chǎn)生。一方面，N2O和總氮的排放是由于氮肥的施用引起的，排放量與氮肥施用量正相關(guān)；另一方面，土壤中存在硝化和反硝化微生物，生物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生長過程中會產(chǎn)生大量N2O。此外，由于水稻是水田種植，土壤中的產(chǎn)甲烷菌在極端厭氧環(huán)境中釋放大量CH4，因此稻殼路線中CH4在種植階段排放較多，占比達到45.77%。

消費階段也排放較多的污染物，尤其表現(xiàn)在CO、HC上，其中消費階段排放CO占比區(qū)間為76.26%～84.52%，排放HC占比區(qū)間為90.69%～93.44%。在消費階段，航空煤油的未完全燃燒是排放CO和HC的主要原因。

2.2.2 不同階段下環(huán)境影響類型分析

圖4為3條路徑的環(huán)境影響分布情況。在全球變暖潛值（GWP）影響分布中，3條路徑（玉米秸稈、稻殼、楊木）生產(chǎn)階段的環(huán)境影響占比分別為60.90%、59.43%、62.64%，表明

全球變暖潛值主要受生產(chǎn)階段的影響，因為生產(chǎn)階段CO2排放量占全生命周期CO2排放總量的69.13%～74.36%。此外種植階段是溫室氣體CH4與N2O的主要排放源，因此種植階段對全球變暖潛值產(chǎn)生較大影響。生產(chǎn)階段是SO2的主要來源，而NOx大多來自于收集過程和消費過程的燃料燃燒，因此這3個階段是造成酸化環(huán)境影響的主要原因。種植、生產(chǎn)和消費這3個階段釋放較多的N2O、NOx和總氮，從而對富營養(yǎng)化潛值（EP）的影響較大。但楊木的收集過程涉及采伐作業(yè)，消耗大量柴油和電力產(chǎn)生NOx排放，從而導(dǎo)致富營養(yǎng)化潛值較高。

全生命周期中，消費階段對光化學(xué)污染潛值（POFP）影響最大，原因是消費階段CO、HC的排放量超過全生命周期的76%。種植階段，農(nóng)藥的使用與流失導(dǎo)致該階段是影響人體毒性潛值（HTP）的主要原因。固體廢棄物主要來自于生產(chǎn)階段的灰分和生物質(zhì)殘渣，因此固體廢棄物潛值（SWP）主要受生產(chǎn)階段的影響。

2.2.3 不同生物質(zhì)原料的環(huán)境影響比較

圖5是3條航煤制備路線與化石航煤的全生命周期環(huán)境影響標準化結(jié)果。在GWP、AP和POFP方面，生物航煤環(huán)境影響較化石航煤降低；而生物航煤的EP、HTP和SWP整體比化石航煤高。生物航煤的主要優(yōu)勢在于溫室氣體排放減少，因此全球變暖潛值較生物航煤降低40.04%～60.26%。

比較3種生物質(zhì)的全球變暖潛值、酸化潛值和富營養(yǎng)化潛值，其環(huán)境影響為稻殼gt;楊木gt;玉米秸稈；以稻殼為生物質(zhì)原料時，產(chǎn)生的CO2、CH4、SO2、NOx高于玉米秸稈和楊木，其中稻殼的CH4排放量比玉米秸稈和楊木分別高185.32%、159.78%，SO2排放量分別高80.170%、110.18%，從而導(dǎo)致稻殼路線的GWP、AP和EP較高。雖然稻殼路線的SO2與CH4排放量遠大于其他兩條路線，但三者CO和HC的排放量并無明顯差異，所以在光化學(xué)污染方面，3條路線所造成的環(huán)境影響相當。

在人體毒性潛值與固體廢棄物潛值方面，則是楊木gt;稻殼gt;玉米秸稈。生物質(zhì)原料在種植階段的污染排放比例通過經(jīng)濟分配系數(shù)、草谷比與航煤產(chǎn)量等計算得到，玉米秸稈原料每生產(chǎn)1 kg航油排放的農(nóng)藥量最少，為1.19 g農(nóng)藥/kg航煤。由于楊木含有更多難氣化的木質(zhì)素，導(dǎo)致楊木工藝的固體廢棄物潛值較高。

綜合比較6種環(huán)境影響潛值，以玉米秸稈為原料的航煤生產(chǎn)工藝對環(huán)境的影響最小。

2.2.4 玉米秸稈路徑的敏感性分析

對環(huán)境友好的玉米秸稈生命周期的環(huán)境影響類型進行敏感性分析，如圖6所示。敏感性分析選取的主要影響因素有：1）種植階段氮肥施用量；2）收集階段的耗油量；3）運輸階段卡車行駛的距離；4）生產(chǎn)階段費托合成模塊的耗電量；5）生產(chǎn)階段加氫提質(zhì)模塊的耗電量。以系統(tǒng)正常運行條件的±20%為變化范圍。

分析表明，費托合成耗電量對全球變暖潛值、酸化潛值和固體廢棄物潛值影響較大，導(dǎo)致這3類環(huán)境影響分別上下波動5.26%、6.03%、11.31%；氮肥施用量相較于其他因素，對6種環(huán)境影響潛值影響較小，波動范圍為0.05%～1.35%。光化學(xué)污染潛值主要受到航煤燃燒的影響，所以受幾種因素影響較小；種植階段的農(nóng)藥施用與流失是影響人體毒性潛值的關(guān)鍵因素，因此其他因素也對其影響很小。生產(chǎn)階段的電力消耗是玉米秸稈路徑全生命周期中敏感性最大的因素，通過副產(chǎn)物燃燒提高費托合成模塊的供熱效率從而減少電能消耗，可有效降低玉米秸稈路徑的環(huán)境影響。

3 結(jié) 論

通過對生物質(zhì)費托合成制備航空煤油工藝進行全生命周期的環(huán)境影響評價，分別計算玉米秸稈、稻殼和楊木工藝路線的環(huán)境影響潛值，研究發(fā)現(xiàn)：

1）生產(chǎn)階段和種植階段是全生命周期中排放溫室氣體最多的環(huán)節(jié)，其中生產(chǎn)階段CO2的排放占比為69.13%～74.36%，全生命周期中N2O的排放主要來自種植階段。

2）從環(huán)境影響評價結(jié)果來看，生產(chǎn)階段造成的環(huán)境影響最大，而運輸階段對環(huán)境的影響最小，全球變暖潛值、酸化潛值、固體廢棄物潛值主要受生產(chǎn)階段的影響。

3）3種生物質(zhì)原料中，玉米秸稈造成的環(huán)境影響最小，通過減少生產(chǎn)階段中費托合成反應(yīng)的耗電量可提高玉米秸稈工藝的環(huán)境友好性。

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ENVIRONMENTAL IMPACT ASSESSMENT OF GASIFICATION

SYNTHESIS OF DIFFERENT BIOMASS FOR PRODUCTION OF JET FUEL

Pan Xiaotian1，2，Zhong Zhaoping1，2，Wang Wei1，2，Zheng Xiang1，2，Shen Zhaocheng1，2，Deng Yue1，2

（1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Process Measurement and Control， Ministry of Education，

Southeast University， Nanjing 210096， China；

2. School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract：The life cycle assessment method was used to evaluate the environmental impact of the gasification synthesis for the production of jet fuel from three types of biomass： maize stover， rice husk and poplar wood. Six types of environmental impacts， including global warming， acidification， eutrophication， photochemical ozone formation， human toxicity and solid waste， were selected to calculate the potential environmental impact of the three processes over their entire life cycles. The calculation results show that highest CO2 emissions in the production phase throughout the life cycle， with emission accounting for 69.13%-74.36%； minimal environmental impact during the transport phase， with each environmental impact potential accounting for less than 7%； maize stover is with the lowest environmental impact among the three biomass， and reducing the power consumption of the Fischer-Tropsch reactor can reduce the environmental impact of the maize stover process.

Keywords：biomassenergy； life cycle； environmental impact； jet coal； gasification synthesis； inventory analysis