典型生物质发酵制取燃料乙醇环境影响分析

结合生命周期评价方法与层次分析方法对杨木、玉米秸秆、甘蔗渣3种典型纤维素生物质的发酵制取燃料乙醇工艺进行环境影响评价。针对酸化、富营养化、全球变暖、化石能源消耗、光化学污染、人体毒性6种环境类型进行分析对比,并选取3个不同视角分析生物质发酵工艺所带来的环境影响。结果表明：农业阶段和生产阶段所产生的温室效应在全生命周期过程中占比最高;全球性视角下,全球变暖影响占比较高;区域性和局地性视角下,工艺的酸化影响最严重。     

生物质电转气技术的生命周期评价

为了研究生物质电转气技术的环境影响,选用玉米杆、稻秸这2种生物质,采用生命周期评价(LCA)模型全面评价了生物质电转气技术的全生命周期过程,利用SimaPro软件对生物质的获取、生物质直燃发电、CH₄和H₂的生产、CH₄的运输及利用等阶段进行生命周期评价,得到各阶段主要的环境影响类型,并对比分析了玉米秆和稻秸的环境影响潜值。结果表明：海洋水生毒性、全球暖化、淡水水生毒性以及酸化是表现较为突出的环境影响类型;在海洋水生毒性这一环境指标上,稻秸电转气技术是玉米杆电转气技术的2.8倍;在全球暖化、人体毒性、酸化等环境影响类型上,玉米秆和稻秸的影响程度较为相似。     

百吨级生物质混合醇系统能耗和温室气体排放分析

以农林废弃生物质气化合成混合醇工艺为对象,利用混合生命周期评估方法对百吨级系统进行环境影响分析。通过构建系统的工艺模型和收集生命周期资源消耗及排放清单,研究农林业、收储运和制取等各阶段的投入和排放特性,对棉秆、玉米秸秆、木屑和枝丫柴4种原料制取系统的环境影响特性进行分析,并与5万吨级系统进行比较。结果表明：百吨级系统生命周期化石能源消耗和温室气体排放分别在589～734 kJ/MJ混合醇和63.2～80.8 g CO₂eq/MJ混合醇范围内,制取阶段的电力消耗是最主要的影响因素,其次为系统设备设施投入,玉米秸秆混合醇的环境影响最大,这与原料碳含量低及混合醇收率低有关。     

基于全生命周期的地热发电系统环境影响评价

为明确不同类型地热发电系统“获取、转化”环节的钻井、建设、运行、退役等不同过程对地热发电系统的环境影响贡献,本文建立了基于热力学优化模型的闪蒸/双工质地热发电系统全生命周期环境影响评价模型。进而,选取西藏羊八井、广东丰顺、华北油田及青海共和四种典型地热热储,整理和收集了我国地热发电系统的环境影响全生命周期环境影响清单,分析了地热发电站六个不同过程对三个主要环境影响潜值评价指标：酸化潜值、富营养化潜值和全球变暖潜值的影响规律。发现钻井完井过程分别平均占到地热电站酸化潜值、全球变暖潜值和富营养化潜值的46.28%、45.90%和27.52%,地下系统和地上系统的环境影响贡献相当;地热梯度与地热电站的全生命周期环境影响潜值有着负相关关系,梯度越大,环境影响潜值越低。。     

基于全生命周期地热发电系统的环境影响评价

为明确不同类型地热发电系统"获取、转化"环节的钻井、建设、运行、退役等不同过程对地热发电系统的环境影响贡献,建立了基于热力学优化模型的闪蒸/双工质地热发电系统全生命周期环境影响评价模型。针对西藏羊八井、广东丰顺、华北油田及青海共和四种典型地热热储,调研了我国地热发电系统的环境影响全生命周期的环境影响清单,分析地热发电站六个不同过程对地热电站酸化潜值、全球变暖潜值和富营养化潜值三个主要环境影响评价指标的影响规律。发现钻井完井过程分别平均占到地热电站酸化潜值、全球变暖潜值和富营养化潜值的46.28%、45.90%和27.52%,地下系统和地上系统的环境影响贡献相当;地热梯度与地热电站的全生命周期环境影响潜值呈现负相关关系。     

生物质快速热裂解系统生命周期评估

以流化床快速热裂解制取生物油系统为研究对象,确立系统边界,对其进行全生命周期评估,讨论整个系统在全生命周期中的能耗、全球变暖潜值、酸化潜能及其他环境影响潜值。计算得到系统制取生物油在生命周期中的净能量值为0.68 MJ/MJ,全球变暖潜值为0.0565 CO2-Equiv.kg/MJ,与其他液体燃料相比更具环境友好性;对环境影响潜值进行标准化和加权结果计算,全面显示系统不同部分对环境的影响。     

生物质固体成型燃料全生命周期评价

为探讨生物质固体成型燃料的能源效率和温室气体排放量,采用全生命周期评价分析原理,对北京地区以玉米秸秆为原料的生物质固体成型燃料进行全生命周期分析.结果表明:生物质固体成型燃料的净能量为13243.5MJ/t,能量产出投入比为10.8,其中,种植阶段、加工阶段以及秸秆运输能源消费居前三位,分别占总量的58.65％、24.23％、12.58％.CO2当量排放量为11.13g/MJ,约为煤的1/9.这说明生物质固体成型燃料具有较大的节能、减少温室气体排放的效益.     

两种生物质燃烧性能及燃烧动力学特性的研究

采用热分析仪对内蒙古地区两种产量较大的生物质—玉米秸秆和小麦秸秆进行了热重实验,比较了燃烧特性,计算了燃烧反应动力学参数。结果表明挥发份的析出燃烧阶段是两种生物质燃烧的主要阶段。小麦秸秆的综合燃烧特性比玉米秸秆好。两种生物质在挥发份析出燃烧阶段的活化能及频率因子均高于焦炭燃烧阶段的活化能及频率因子。     

厨余垃圾厌氧消化与微生物电解池耦合产甲烷全生命周期评价

厌氧消化（AD）是厨余垃圾清洁能源化的主流工艺，通过构建AD与微生物电解池（MEC）耦合工艺（AD-MEC），基于全生命周期评价（LCA）对比AD与AD-MEC耦合工艺处理厨余垃圾产甲烷的环境影响，解析各功能单元的环境影响贡献，并提出优化方案。结果表明，与传统AD工艺相比，新型AD-MEC耦合工艺在富营养化、气候变化、水资源消耗、酸化和初级能源消耗的环境影响潜值均低于AD工艺，削减比例分别为70.28%、39.53%、92.29%、49.68%和41.2%。贡献源解析发现，AD-MEC耦合工艺的预处理和污水处理单元为环境影响的主要贡献源，MEC和AD单元影响较小。基于此，对AD-MEC耦合工艺进行优化，将废水处理单元的出水回用至预处理单元，水资源消耗的环境影响潜值进一步削减61.48%。可见，采用AD-MEC耦合工艺进行厨余垃圾厌氧产沼，通过沼液的深度利用、沼气净化提质和废水回用，可有效减少厨余垃圾处理工艺对环境的影响和资源消耗，具有显著的经济效益和生态环境价值。     

煤基甲醇和天然气基甲醇燃料的生命周期影响评价

用生命周期评价方法,对煤基M85(甲醇体积占85%的甲醇汽油混合燃料)和天然气基M85的生命周期环境影响进行评价。结果表明:与汽油相比,煤基M85和天然气基M85燃料的环境影响总水平值分别降低了41.2%和60.8%。在污染物中,VOC排放产生的环境影响最大。煤基M85的SO2排放高于天然气基M85,导致煤基M85对环境影响总水平值高于天然气基M85。煤制甲醇CO变换工艺造成的CO2排放占煤基M85全生命周期CO2排放的36%,导致其生命周期内的温室气体排放高于汽油和天然气基M85。     

纤维素水解发酵制燃料乙醇的过程模拟及火用分析

通过Aspen Plus模拟纤维素制水解发酵制取燃料乙醇工艺的仿真模型并计算全流程数据。对系统进行分析,计算主要单元的流、损失和效率。研究结果表明:计算获得工艺的物流和能流数据,可作为生命周期评价的基础;当进口秸秆原料参考江苏省内玉米秸秆收集资源量年输入242万t时,原料利用率达到23.10%,因此该工艺具有工程实践的潜力;粗馏塔的损失占系统41.61%为最大,因为该单元中流量存在较大变化;系统损失分布中粗馏塔和其他部件损失占比较高,因此为优化系统能量结构,水循环、热循环、锅炉燃烧系统还需优化调整。     

生物质气化合成-尾气发酵制备混合醇系统■及环境影响分析

以林业废弃木屑为原料，构建经气化、合成气催化合成、尾气发酵制乙醇的混合醇制备新工艺模型，对系统物质和能量流动、系统/子系统■效率及损失来源进行分析。通过收集林业、收储运、制备和产品运输等不同阶段的资源能量消耗和排放清单，对包括全球变暖潜值、臭氧层耗竭潜值等9种环境影响类型开展分析。结果表明：尾气发酵子系统，可利用微生物菌株代谢尾气中CO和CO₂来制备乙醇，结合催化合成高级醇的高产率，使得耦合系统混合醇质量收率和■效率分别达0.328 kg/kg木屑和43.8%。混合醇生命周期内，人体非致癌损害和陆地生态毒性是受影响较大的环境类型，分别来源于制备和收储运阶段。     

氧体积分数对木质和玉米秸秆燃烧特性的影响

采用TG-DTG-DSC联用技术对木质颗粒和玉米秸秆颗粒的燃烧特性进行了实验,考察了在不同含氧气氛中两种生物质的可燃特性、着火特性、燃烧稳定性、燃尽特性及综合燃烧特性的影响,计算了燃烧动力学参数。结果表明:随着氧体积分数的增大,两种生物质的着火温度和燃尽温度降低,燃烧稳定性判别指数、可燃性指数和综合燃烧特性指数增大;木质颗粒的着火温度和前期燃尽指数高于玉米秸秆,后期燃尽指数低于玉米秸秆,木质颗粒比玉米秸秆颗粒更难热分解,氧气体积分数对玉米秸秆颗粒燃烧特性影响要大于木质颗粒;生物质在低温阶段的活化能要大于高温阶段的活化能,两阶段的活化能随着氧气体积分数的增大而减小。     

北方农村复合颗粒燃料取暖全生命周期评价研究

以秸秆和煤为原料制备复合颗粒燃料,利用全生命周期评价方法,研究颗粒燃烧取暖全生命周期过程中的能源消耗和环境影响。结果表明：颗粒燃料取暖全生命周期过程中能量投入为908 MJ/t,燃烧释放热量15490 MJ/t,能量产出投入比为17.1,能源转化效率较高。颗粒燃料的能量投入主要来自玉米种植,种植过程中的氮肥使用消耗较多能量。对气候变化（GWP）和酸化（AP）贡献较大的清单数据为颗粒燃料的燃烧,其中燃烧污染物排放的直接贡献最大,贡献率分别为53.22%和46.08%;对水资源消耗（WU）贡献较大的清单数据为颗粒燃料的压制,贡献率为71.56%;对富营养化潜值（EP）贡献较大的清单数据为颗粒燃料燃烧后的废渣排放,贡献率为43.40%。     

生物质热解提质燃油全生命周期评估分析

运用GREET分析软件对新兴车用替代燃料——生物质热解提质燃油进行全生命周期分析,得到工艺路线不可再生能耗为0.295 MJ/MJ,温室气体排放为25.05 g二氧化碳当量,两项指数均远低于传统汽柴油,略优于其他生物质基燃料。热解提质制油工艺中生物原油改性提质过程为最大的能耗源与GHG排放源,各占整个工艺流程的40.28%和42.49%。     

玉米秸秆基二甲醚的生命周期能耗和温室气体排放分析

以生产规模为1000t/a的玉米秸秆气化合成二甲醚系统为例,计算了系统整体能量效率及产生的温室效应.以玉米秸秆气化合成二甲醚系统为主要研究对象,采用常规能源对玉米秸秆气进行转化,使用生命周期分析方法(LCA)对玉米秸秆的生长、收集、压缩、气化及二甲醚的合成和利用等过程的温室效应及能耗进行了分析.结果表明,生产二甲醚的总能耗为产出二甲醚总能量的25%,玉米秸秆固定的二氧化碳为生产和使用二甲醚过程中排放的二氧化碳总量的77%,说明在玉米秸秆气化合成二甲醚及二甲醚的使用过程中存在着温室气体的排放,但与化石燃料相比,仍然有很大的减排作用.     

基于生命周期法的电站锅炉静电除尘器环境影响评价

静电除尘器在我国电厂烟尘减排中广泛应用,运用生命周期法(exergy life cycle assessment,ELCA),以某电厂600 MW锅炉的静电除尘器为研究对象,对钢铁生产和运输及静电除尘器运行3个过程进行清单分析,计算不同过程能源消耗及环境影响。结果表明:每年烟气直接排入大气造成的环境影响潜值为2 575 894.44人当量,但静电除尘器可以将其环境影响潜值降低到4 052.95人当量。因此,静电除尘器可以有效改善环境影响。     

响应面法优化生物质基固体酸催化剂的制备

以获取生物质基固体酸催化剂制备的最佳工艺条件为目的,利用生物质玉米秸秆为原料,设计碳化时间、碳化温度、磺化时间、磺化温度四因素三水平Box-Behnken试验,通过催化剂催化水解玉米秸秆所得还原糖得率进行表征,采用响应面法确定玉米秸秆碳基固体酸催化剂的最佳制备工艺。结果表明,实验数据建立的二次多项式数学模型显著性极高(P0.0001),相关系数R2=0.9981,预测值与实验值具有很好的拟合度。通过二次回归模型得到玉米秸秆基固体酸催化剂制备的最佳工艺条件为:碳化温度548.78℃、碳化时间13.67 h、磺化温度120.82℃、磺化时间6.83 h。在此条件下获得的生物质碳基固体酸催化剂催化水解玉米秸秆所得还原糖的得率为7.978%,预测值为7.983%,二者相差0.005%;比其他固体酸催化剂催化水解纤维素所得还原糖得率可提高65%,说明用此模型来优化玉米秸秆基固体酸催化剂的制备工艺是可行的。     

生物质经甲醇法和费托法制取汽油的生命周期评价

对生物质费托(BIO-STG)法制汽油和生物质甲醇(BIO-MTG)法制汽油进行清单分析和生命周期评估,并在选取相同边界的前提下,比较两种方法制汽油的生命周期排放和能耗。两种方法的全球变暖潜值在计入生长过程吸收CO2的前提下均为负值,相差不大。其他生命周期排放的评价指标由于设计流程的相似性相差较小。在生命周期排放水平相近的前提下,处理相同质量的生物质秸秆,BIO-MTG法的总能耗比BIO-STG法高,BIO-MTG法的产油率比BIO-STG法高约14%,最终前者的单位能耗比后者略低。     

响应面法优化生物质基磁性固体酸催化玉米秸秆直接水解制备糠醛的研究

以获取玉米秸秆水解制备糠醛的最佳工艺条件为目的,研究在有机溶剂甲苯的存在下,以生物质基磁性固体酸作为催化剂,玉米秸秆为原料,利用Design-Expert.V8.0.6.1中的Response Surface模块设计4因素(萃取剂用量、催化剂用量、水解温度、水解时间)3水平的Box-Behnken试验,通过分光光度法测定水解液中糠醛得率,确定生物质基磁性固体酸催化玉米秸秆直接水解制备糠醛的最佳工艺条件。结果表明,通过Box-Behnken试验数据建立的二次多项式数学模型的P=0.00030.01,失拟项P=0.0010.01,达到极显著水平,校正决定系数R~2=0.9922,预测值与实验值具有很好的拟合度。通过二次回归模型得到生物质基磁性固体酸催化玉米秸秆直接水解制备糠醛的最佳工艺条件为:萃取剂用量25 mL,催化剂用量2.5 g(以1 g生物质原料为标准),水解温度158.8℃,水解时间4.1 h。在该条件下直接水解玉米秸秆所得糠醛得率为5.07%,预测值为5.08%,两者相差0.01%,模型拟合度好,重复性好;说明用此方法直接水解玉米秸秆制备糠醛是可行的。