張 櫓 孫堂磊 呼和濤力* 雷廷宙

（1.常州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué)城鄉(xiāng)礦山研究院，江蘇 常州213164；3.常州市生物質(zhì)綠色安全高值利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164）

傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度使用，加之當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，能源安全問(wèn)題日益突出。同時(shí)，化石能源的使用釋放了大量的溫室氣體和污染煙氣，致使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。研發(fā)新型環(huán)保能源顯得尤為重要。生物質(zhì)能因其環(huán)境友好、來(lái)源廣泛、儲(chǔ)量豐富、可再生及可儲(chǔ)存等特點(diǎn)，被認(rèn)為是解決未來(lái)能源危機(jī)的有效途徑。預(yù)計(jì)在30年后，生物燃料將成為全球運(yùn)輸能源組合的重要組成部分[1-2]。從我國(guó)的實(shí)際情況出發(fā)，利用農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)為原料制備生物質(zhì)液體燃料具有廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)的秸稈資源量豐富，每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)秸稈達(dá)7 億t，占全球秸稈數(shù)量比重的30%左右。妥善處置數(shù)量龐大的農(nóng)業(yè)廢棄秸稈資源，不僅可以避免因秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)還對(duì)于保障國(guó)家能源安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)氣候環(huán)境改善具有重大意義[3]。乙酰丙酸乙酯是一種新型的環(huán)境友好燃料，利用玉米秸稈制備乙酰丙酸乙酯是秸稈能源化利用途徑之一。乙酰丙酸乙酯具有良好的潤(rùn)滑性，這一特性使其易與柴油等摻配制取混合燃料，可有效延長(zhǎng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的服役壽命[4]。

生物質(zhì)能源生命周期評(píng)價(jià)研究是全球能源學(xué)術(shù)界重點(diǎn)發(fā)展的方向之一，其相關(guān)的分析評(píng)價(jià)是衡量生物質(zhì)燃料利用方式的重要途徑[5-6]。過(guò)往的生物質(zhì)燃料生命周期評(píng)價(jià)主要是以生物柴油、生物乙醇等為目標(biāo)進(jìn)行的[7-8]。Bull等[9-10]利用生命周期分析方法，對(duì)比了生物柴油和乙醇與汽油的能耗及環(huán)境氣體排放。由于邊界條件及分析方法的限制，得出生物柴油的使用可以減少95%的石油消耗，同時(shí)減少78%的CO2排放；生物質(zhì)基乙醇可降低96%的CO2排放?？婈蔚萚11]運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)年生產(chǎn)規(guī)模5 萬(wàn)t的纖維素乙醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行了能量效益評(píng)價(jià)，為纖維素乙醇的規(guī)?；a(chǎn)提供了理論支持。王志偉等[4]建立了乙酰丙酸乙酯生命周期分析模型，計(jì)算了乙酰丙酸乙酯制備過(guò)程中各階段的能源消耗和溫室氣體排放。目前，關(guān)于玉米秸稈制備乙酰丙酸乙酯的生命周期能耗、環(huán)境和成本評(píng)價(jià)已有部分研究報(bào)道，但多集中在能源消耗和溫室氣體排放方面的評(píng)價(jià)，對(duì)其它環(huán)境影響的考慮還有所欠缺。

本文目的在于探索玉米秸稈基乙酰丙酸乙酯從生物質(zhì)種植到制備成燃料的整個(gè)過(guò)程的能源消耗和環(huán)境影響，利用生命周期的評(píng)價(jià)方法量化各階段的能源消耗和環(huán)境氣體排放，并選用全球變暖潛能（GWP）、不可更新能源消耗（NREC）、酸化潛能（AP）和富營(yíng)養(yǎng)化潛能（EP）等環(huán)境影響類(lèi)型，全面評(píng)估玉米秸稈基乙酰丙酸乙酯制備的環(huán)境影響潛力。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，找到能耗較大和環(huán)境氣體排放較多的子階段，并提出相關(guān)改進(jìn)建議，以期為生物質(zhì)制備液體燃料技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 目標(biāo)定義與范圍界定

本研究以生產(chǎn)1 t酯類(lèi)燃料為評(píng)價(jià)的功能單元，研究玉米秸稈基乙酰丙酸乙酯從生物質(zhì)種植生長(zhǎng)到制備成燃料的整個(gè)過(guò)程的能源消耗和環(huán)境影響，為乙酰丙酸乙酯燃料制備體系提供決策依據(jù)。通過(guò)文獻(xiàn)查閱[4]和專(zhuān)家咨詢等方式確定了系統(tǒng)邊界，如圖1所示。研究的起始邊界從種植玉米所需投入的化肥開(kāi)始，終止邊界為制得乙酰丙酸乙酯。

圖1 生物質(zhì)制備乙酰丙酸乙酯系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of the system for the preparation of ethyl levulinate from biomass

具體包括4個(gè)階段，即玉米種植生長(zhǎng)階段、秸稈收集運(yùn)輸階段、秸稈加工預(yù)處理階段和乙酰丙酸乙酯制備階段，以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)生長(zhǎng)階段、收運(yùn)階段、預(yù)處理階段和制備階段。生長(zhǎng)階段的影響主要包括化肥和水泵、播種機(jī)、收割機(jī)等用電設(shè)備投入所引起的能源消耗以及環(huán)境氣體排放。收運(yùn)階段影響主要包括運(yùn)輸車(chē)輛的能源消耗以及環(huán)境氣體排放。預(yù)處理階段影響主要包括生物質(zhì)切揉制粉機(jī)使用過(guò)程中的能源消耗以及環(huán)境氣體排放。制備階段影響主要包括各種用電設(shè)備和反應(yīng)供熱的能源消耗以及水解反應(yīng)和酯化反應(yīng)過(guò)程中的環(huán)境氣體排放。通常來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)基酯類(lèi)燃料生產(chǎn)過(guò)程中交通工具、設(shè)備、建筑等對(duì)生命周期的影響極小，可忽略不計(jì)[12-13]。

1.2 清單分析

清單分析是生命周期評(píng)價(jià)的核心環(huán)節(jié)。乙酰丙酸乙酯生命周期主要包括生物質(zhì)生長(zhǎng)、秸稈的收集與運(yùn)輸、預(yù)處理和燃料制備4個(gè)階段，其清單分析如表1所示。

表1 生命周期清單分析（以生產(chǎn)1 t酯類(lèi)燃料為例）Tab.1 Life cycle inventory analysis (using the production of 1 t ester fuel as an example)

1.2.1 生物質(zhì)生長(zhǎng)階段

根據(jù)玉米秸稈制備酯類(lèi)燃料的相關(guān)研究[4]，制備1 t的乙酰丙酸乙酯需要6.25 t的玉米秸稈。根據(jù)河南統(tǒng)計(jì)年鑒[14]中的數(shù)據(jù)得到，所需的土地規(guī)模為0.85 hm2。再由2019年全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編[15]可以得到，所需氮肥90.27 kg、磷肥3.57 kg、鉀肥2.30 kg。玉米秸稈生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)光合作用會(huì)固定一定數(shù)量的CO2，其機(jī)理可表示為CO2+H2O+CH2O+O2[16]。6.25 t秸稈原料中實(shí)際參與反應(yīng)（其余用于提供熱能和損耗）的秸稈占15%，則可計(jì)算得到，制備1 t乙酰丙酸乙酯實(shí)際所消耗的玉米秸稈生長(zhǎng)過(guò)程中吸收的CO2量為GHG1=0.15×44×6.25/30=1.375 t.

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[17-20]，得到玉米生長(zhǎng)階段化肥的溫室氣體排放和能耗系數(shù)如表2所示。種植階段所需的機(jī)械設(shè)備及其功率和效率如表3所示。同時(shí)，考慮用電設(shè)備消耗電能所造成的環(huán)境氣體排放，燃煤電站鍋爐的排放因子如表4所示。

表2 化肥溫室氣體排放及能耗系數(shù)Tab.2 Greenhouse gas emissions and energy consumption coefficient of fertilizers

表3 玉米種植所用機(jī)械Tab.3 Machinery used in corn cultivation

表4 燃煤電站鍋爐排放因子[21]Tab.4 Boiler emission factors for coal-fired power stations

生長(zhǎng)階段玉米和秸稈的能耗和環(huán)境排放以草谷比、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等參數(shù)計(jì)算后進(jìn)行劃分。玉米的價(jià)格約為秸稈價(jià)格的10倍，草谷比取1.2[22]。計(jì)算可以得出，玉米和玉米秸稈的能耗和環(huán)境氣體排放分配比約為8.3∶1，即89.2%的排放和能耗劃分給玉米，而玉米秸稈占10.8%[23]。

總結(jié)上述數(shù)據(jù)得到，玉米秸稈生長(zhǎng)階段的能耗和環(huán)境氣體排放如表5所示。

表5 玉米秸稈生長(zhǎng)階段能耗及環(huán)境氣體排放Tab.5 Energy consumption and environmental gas emissions during the growth stage of corn straw

1.2.2 秸稈收運(yùn)階段

收運(yùn)階段首先需要確定秸稈的收集半徑，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[24]得到收集半徑R的計(jì)算公式：

式中：Qy為秸稈年消耗量，t/a；ξ為耕地面積系數(shù)；θ為秸稈年產(chǎn)量，t/km2·a；λ為農(nóng)作物種植系數(shù)；μ為秸稈減量系數(shù)。

利用玉米秸稈制備1 t乙酰丙酸乙酯的相關(guān)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 玉米秸稈生產(chǎn)乙酰丙酸乙酯相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.6 Data on the production of ethyl levulinate from corn straw

假設(shè)乙酰丙酸乙酯生產(chǎn)廠距玉米種植區(qū)的距離為10 km，玉米秸稈的年消費(fèi)量為6.25 t，根據(jù)公式（1）可得，收集平均半徑為10.11 km。收集過(guò)程的能耗和環(huán)境氣體排放主要由運(yùn)輸車(chē)輛產(chǎn)生，通過(guò)公式（2）和（3）可以計(jì)算得出該階段的能源消耗。

機(jī)車(chē)單位質(zhì)量千米耗油量[25-26]：

則完成一次秸稈收運(yùn)消耗柴油的熱量為：

式中：g0為空載耗油量，kg/kW·h；g1為滿載耗油量，kg/kW·h；v0為空載平均速度，km/h；v1為滿載平均速度，km/h；L為平均運(yùn)輸路程，km；Nen為額定功率，kW；m為機(jī)車(chē)載質(zhì)量，103kg。

選用柴油貨車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，車(chē)輛的基本參數(shù)如表7所示。柴油平均低位發(fā)熱量為42.50 MJ/kg。由上述公式計(jì)算得到，運(yùn)輸6.25 t秸稈消耗柴油的能量為1 047.21 MJ，參考相關(guān)文獻(xiàn)[21]，得到運(yùn)輸裝置環(huán)境氣體排放因子，如表8所示。

表7 秸稈運(yùn)輸車(chē)輛參數(shù)值Tab.7 Parameter values of straw transport vehicles

表8 運(yùn)輸裝置溫室氣體排放因子Tab.8 Greenhouse gas emission factors for transport units

總結(jié)上述數(shù)據(jù)得到，玉米秸稈收運(yùn)階段的能耗和環(huán)境氣體排放如表9所示。

表9 收運(yùn)階段能耗及環(huán)境氣體排放Tab.9 Energy consumption and environmental gas emissions during the collection and transportation stage

1.2.3 預(yù)處理階段

預(yù)處理階段主要是利用切揉制粉機(jī)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行粉碎。該階段主要考慮用電設(shè)備的電能消耗。生物質(zhì)進(jìn)行粉碎，電力消耗為20 kWh/t，粉碎6.25 t的玉米秸稈消耗電力125 kWh。中國(guó)電廠發(fā)電的效率ηe取37%，電能傳輸效率ηgrid為93%[27]，則生產(chǎn)過(guò)程消耗電力折合標(biāo)煤熱量計(jì)算如下：

式中：Ee為消耗電量，kW/h；ηe為發(fā)電效率，%；ηgrid為電能傳輸效率，%。

玉米秸稈預(yù)處理電能消耗折合為標(biāo)煤后的能量為1 307.76 MJ，再由燃煤電站鍋爐排放因子（表4）計(jì)算，可得出玉米秸稈預(yù)處理過(guò)程中的溫室氣體排放和標(biāo)準(zhǔn)排放物如表10所示。

表10 預(yù)處理階段能耗及環(huán)境氣體排放Tab.10 Energy consumption and ambient gas emissions in the pretreatment stage

1.2.4 制備階段

在酯類(lèi)燃料制備階段主要包括水解和酯化等反應(yīng)，該過(guò)程中有水泵、電加熱器、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等用電設(shè)施。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)[4]可知，制備1 t的酯類(lèi)燃料需要消耗2 511 MJ的能量。

另外，在水解過(guò)程產(chǎn)生蒸汽鍋爐的熱量由1 MW的生物質(zhì)沸騰氣化燃燒裝置提供，該裝置燃燒效率為90%，該部分所需的能量為3 110 MJ。結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1 MW的生物質(zhì)沸騰氣化燃燒爐燃燒生物質(zhì)時(shí)的排放因子見(jiàn)表11。

表11 生物質(zhì)沸騰氣化燃燒爐排放因子Tab.11 Emission factors of biomass boiling gasification burners

綜合考慮制備階段過(guò)程中電能和熱能的消耗以及所造成的環(huán)境氣體排放，得到表12。

表12 制備階段能耗及環(huán)境氣體排放Tab.12 Energy consumption and environmental gas emissions in the preparation stage

1.3 影響評(píng)價(jià)

本研究選取GWP、NREC、AP和EP等環(huán)境影響類(lèi)型評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過(guò)特征化計(jì)算得出各階段的環(huán)境影響潛力，再通過(guò)歸一化及加權(quán)的方法計(jì)算出各階段的環(huán)境影響指數(shù)，以此進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1.3.1 特征化

運(yùn)用當(dāng)量系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如式（5）[28]。各環(huán)境影響類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量系數(shù)如表13所示。

表13 環(huán)境當(dāng)量系數(shù)[29-30]Tab.13 Environmental equivalent coefficients

式中：C表示特征化數(shù)值；x表示污染物排放量數(shù)值；X表示當(dāng)量系數(shù)；j表示環(huán)境影響類(lèi)型；z表示歸屬于同一環(huán)境影響類(lèi)型的不同物質(zhì)。

1.3.2 歸一化與加權(quán)

通過(guò)歸一化與加權(quán)的方法，其計(jì)算公式如（6）和（7），將各個(gè)階段的特征化結(jié)果進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的環(huán)境影響指數(shù)，以便于通過(guò)橫向和縱向清楚比較分析每個(gè)子階段的環(huán)境影響貢獻(xiàn)?；鶞?zhǔn)值和權(quán)重系數(shù)采用相關(guān)文獻(xiàn)[31-32]公布的數(shù)值，各數(shù)值如表14所示。

表14 世界人均環(huán)境影響潛力與權(quán)重因子Tab.14 World per capita environmental impact potential and weight factors

歸一化計(jì)算公式：

加權(quán)計(jì)算公式：

式中：N表示歸一化數(shù)值；C表示特征化數(shù)值；S表示基準(zhǔn)值；R表示環(huán)境影響指數(shù)；j表示環(huán)境影響類(lèi)型。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境影響潛力分析

通過(guò)當(dāng)量系數(shù)法計(jì)算出各階段的環(huán)境影響潛力可以看出（表15），制備階段的不可更新能源消耗數(shù)值最大，為5 621 MJ，占全部階段的58.94%。生長(zhǎng)階段秸稈吸收了1 237.17 kg的CO2，產(chǎn)生了碳效益。制備階段對(duì)環(huán)境造成酸化及富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)最大，該階段酸化和富營(yíng)養(yǎng)化潛能分別為8.87 kg SO2-eq和0.07 kg PO4-eq，分別占全部階段的55.44%和43.75%。

表15 各階段環(huán)境影響潛力Tab.15 Environmental impact potential by stage

2.2 環(huán)境影響貢獻(xiàn)分析

將上表15的特征化結(jié)果通過(guò)公式（6）和公式（7）計(jì)算出各系統(tǒng)的環(huán)境影響指數(shù)（表16），并將其繪制成各階段的環(huán)境影響類(lèi)型占比圖（圖2）?？梢园l(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)階段秸稈吸收CO2產(chǎn)生碳效益，制備階段對(duì)酸化、富營(yíng)養(yǎng)化和能源耗竭的貢獻(xiàn)最大。下面對(duì)四種環(huán)境影響類(lèi)型進(jìn)行具體討論分析。

表16 各階段環(huán)境影響指數(shù)Tab.16 Environmental impact index by stage

圖2 各階段環(huán)境影響類(lèi)型占比Fig.2 Proportion of environmental impact types at each stage

2.2.1 全球變暖

從生物質(zhì)種植生長(zhǎng)到利用秸稈制成乙酰丙酸乙酯的整個(gè)過(guò)程是負(fù)碳排放的，這主要得益于玉米秸稈在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)光合作用從空氣中吸收了大量的CO2。由圖2可以看出，生長(zhǎng)階段對(duì)于全球變暖的貢獻(xiàn)占比是負(fù)值，對(duì)全球變暖起到減緩作用占比25.2%。收運(yùn)階段、預(yù)處理階段和制備階段對(duì)于全球變暖的貢獻(xiàn)均是正值，且制備階段的占比最大，達(dá)到26.46%。所以要進(jìn)一步減少溫室氣體排放減緩全球變暖，需從制備階段入手。首先要加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)研究，著力提升水解和酯化的效率。其次制備階段燃燒秸稈提供熱能，要持續(xù)改進(jìn)供熱設(shè)備，提高供熱效率。有效地利用秸稈生長(zhǎng)過(guò)程中的碳減排效益，以及持續(xù)優(yōu)化制備階段的工藝技術(shù)、提高設(shè)備效率，能更好的減少玉米秸稈基乙酰丙酸乙酯制備過(guò)程中的溫室氣體排放。

2.2.2 酸化及富營(yíng)養(yǎng)化

制備階段對(duì)酸化貢獻(xiàn)最大，該階段的酸化潛力占總酸化潛力的55.47%。收運(yùn)階段對(duì)酸化的貢獻(xiàn)最小，該階段的酸化潛力占總酸化的潛力的1.01%。制備階段對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化貢獻(xiàn)最大，該階段的富營(yíng)養(yǎng)化潛力占比為47.08%。生長(zhǎng)階段對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化貢獻(xiàn)最少，該階段的富營(yíng)養(yǎng)化潛力占比為11.88%。制備階段有大量的用電設(shè)備，耗電量較大，電廠在發(fā)電過(guò)程中釋放了大量的酸性物質(zhì)和NOX。此外，生物質(zhì)沸騰氣化燃燒爐燃燒生物質(zhì)提供熱能的過(guò)程中也釋放了大量的酸性物質(zhì)，這導(dǎo)致制備階段的酸化潛力和富營(yíng)養(yǎng)化潛力占比最大。隨著發(fā)電技術(shù)的提升以及新能源的應(yīng)用，此階段的污染物排放相應(yīng)的會(huì)減少，以達(dá)到一個(gè)正向的循環(huán)。

2.2.3 不可更新能源消耗

4個(gè)階段中，制備階段的能源消耗最大，占總能源消耗的58.94%。生長(zhǎng)階段、收運(yùn)階段以及預(yù)處理階段相差不大，分別占總能耗的16.36%、10.98%和13.71%。因此，提高制備階段的轉(zhuǎn)化技術(shù)是節(jié)能減排的關(guān)鍵所在。

3 結(jié)論

本文通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)法，對(duì)玉米秸稈基乙酰丙酸乙酯的制備全過(guò)程進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

1）環(huán)境影響指數(shù)的大小依次為制備階段（5.77×10-2）、預(yù)處理階段（2.34×10-2）、收運(yùn)階段（4.56×10-3）、生長(zhǎng)階段（-3.05×10-3），利用玉米秸稈制備乙酰丙酸乙酯的綜合環(huán)境影響指數(shù)為8.26×10-2。

2）在生物質(zhì)生長(zhǎng)階段，生物質(zhì)通過(guò)光合作用從大氣中吸收了大量的CO2氣體。通過(guò)環(huán)境影響貢獻(xiàn)分析可以得到，生物質(zhì)在生長(zhǎng)階段是可以產(chǎn)生環(huán)境效益的，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的碳減排起到巨大作用。

3）在收運(yùn)階段，由于柴油運(yùn)輸車(chē)輛的集中使用，造成的能源耗竭對(duì)于環(huán)境的影響最大，占該階段環(huán)境影響潛力的60.53%。選擇合適生物質(zhì)種植地點(diǎn)、優(yōu)化秸稈收集模式、使用新能源貨車(chē)等可以有效減緩該階段對(duì)環(huán)境的不利影響。

4）在預(yù)處理階段和制備階段中，酸化在四種環(huán)境影響類(lèi)型中占主導(dǎo)地位，占比分別為76.92%和61.53%，這主要是因?yàn)樵谶@兩個(gè)階段中都使用了大量的電力。未來(lái)，隨著清潔能源發(fā)電比例的不斷提高，這種情況會(huì)逐漸改善。