生物質水熱炭制備過程的環境影響評價

于瑞冬， 董 悅， 郭明輝

(東北林業大學 生物質材料與技術教育部重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150040)

·研究報告——生物質能源·

生物質水熱炭制備過程的環境影響評價

于瑞冬， 董 悅， 郭明輝*

(東北林業大學 生物質材料與技術教育部重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150040)

以生物質水熱炭為研究對象，運用生命周期評價(LCA)方法，對生物質水熱炭制備過程的環境影響進行分析與評價，通過建立輸入、輸出清單，從溫室效應、環境酸化、資源消耗等方面，基于GaBi6.0軟件建立模型并計算，分析生物質水熱炭制備過程對環境產生的影響。結果表明：生物質水熱炭制備過程對6類主要環境影響由大到小的順序依次為溫室效應、環境酸化、光化學臭氧生成潛力、富營養化、資源消耗和臭氧層破壞；我國為碳密集型發電地區，電能的消耗是該制備過程對環境影響最主要的原因，火力發電排放CO2、SO2、NOx等氣體為主要環境影響因素。水熱炭化是水熱炭制備過程中對環境影響的主要環節。針對此結果，提出降低水熱炭化溫度、縮短水熱炭化時間、提高水熱炭產率，從而減少能源的消耗，降低環境影響。

水熱炭；生命周期評價；環境影響

水熱炭化是指在封閉體系(通常是不銹鋼反應釜)內，以碳水化合物為原料，以亞/超臨界水為反應介質，在一定的壓力和溫度(120～250 ℃)下，經過脫水、脫羧、芳構化等反應，得到炭質材料的過程[1]。水熱炭化法制備炭質材料可追溯到1913年，Bergius運用水熱炭化法處理木纖維，探索煤炭的形成過程[2]。然而，之后的研究集中于水熱法制備液體產物和氣體產物，直至2001年，Wang等[3]首次利用水熱炭化法處理蔗糖溶液，制備了粒徑1～5 μm具有良好電化學性能的炭微球。此后，水熱炭化制備固體炭質材料開始受到廣泛關注。水熱炭化法以其操作方便，制備的炭質材料分散性好、尺寸均一，能耗較傳統炭化方法低等優點，得到廣泛研究與應用。然而，對其環境影響的量化分析研究較少。隨著環境問題日益加劇，人們對環境保護的重視程度逐漸提高。環境影響評價是指對人類生產活動給環境質量帶來的影響進行評價，它滿足了人們評價事物是否對環境產生污染及產生多大污染的訴求，是衡量一個項目或工藝是否符合環保理念的一種手段。環境影響評價采用定性分析和定量分析法，其中定量分析法由于使用充分的數據及定量計算而具有較強的說服力。生命周期評價(LCA)是定量分析環境影響評價的重要方法，它可以評價產品生產、運輸、應用、廢棄等環節對環境產生的影響[4]，其原理是通過收集某一過程或產品的資源、能源消耗和廢物排放等數據，以定量確定該過程、產品或事件的環境合理性及環境負荷量的大小[5]。Connelly等[6]對藻類水熱液化制備生物質燃油的過程進行了生命周期評價，表明以藻類為原料的水熱液化產物可作為生物質燃油，較化石原料燃油減少了50 %的二氧化碳排放量，同時表明上游與下游(即原材料的生產運輸與產品的使用維護)因素會影響執行標準的制定。陳威等[7]以水稻秸稈為原料，對其熱解制備炭材料并還田過程的固碳潛力進行了評估，結果顯示該模式具有巨大的固碳潛力，有利于應對日益加劇的全球氣候變暖。竇鑫等[8]分析了銅藻基活性炭的水熱炭化-KOH活化法制備過程中的溫室氣體排放量及其影響，但沒有對其他環境影響做出全面評價。本課題組曾以楊木粉為原料，進行預處理后，以水熱炭化法制備炭質材料，結果表明，炭材料有微納米尺寸，并有較好的微觀形貌與豐富的含氧官能團[9]，在水處理、催化劑載體及電化學等領域有潛在應用價值。因此，本研究在實驗室制備水熱炭基礎上，收集數據，利用LCA軟件GaBi進行環境影響評價，找出水熱炭制備過程中對環境影響最大的環節，以期在后續研究中能有所改善，降低環境影響，同時為評價生產工藝提供一定的輔助措施。

1 分析方法

1.1 分析軟件

生命周期評價工作的進行離不開配套的數據庫與軟件，近年來已經開發出數十個用于LCA的軟件，主要有GaBi、SimaPro、Boustead Model、TEAM等等。本研究采用的是德國PE-INTERNATIONAL開發的GaBi軟件，它是目前比較常用的LCA軟件之一。

根據國家標準GB/T 24040—2008[10]，LCA研究分為以下4個階段：目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋。

1.2 水熱炭的制備

首先對原料楊木木屑進行酸預處理：將木屑放入錐形瓶中，倒入60 % HNO3溶液，將木屑浸沒，水浴75 ℃處理2 h后，過濾，收集并干燥后得到預處理木粉。然后將處理好的木粉和一定量的去離子水混合均勻，倒入帶有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，將反應釜置于電熱烘箱中，加熱至230 ℃，反應8 h。反應結束后，待自然冷卻至室溫，將產物倒出，過濾收集黑色固體產物，并用無水乙醇和去離子水對固體產物反復清洗3～5次，置于烘箱中80 ℃烘干8 h得到水熱炭產品。

1.3 研究目標和范圍的確定

目標和范圍的確定直接影響后續清單分析、環境評價和結果解釋的進行，也是環境影響評價的立足點和出發點。合理的、準確的范圍確定會對后續研究有正影響。在這一步驟中，需要明確目標的系統邊界，系統邊界是指產品系統與環境之間物質與能量交換的邊界。水熱炭產品的生命周期評價系統邊界見圖1。其中虛線框線內為水熱炭產品的系統內部。

研究目標是以生物質水熱炭為研究對象，借助GaBi 6.0軟件分析水熱炭制備過程對環境的影響效應，通過建立模型及數據處理，分析制備過程中對環境影響較大的工藝步驟，提出改進意見，為工藝的合理制定提供依據。

圖1 水熱炭產品的生命周期系統邊界Fig. 1 System boundaries of LCA of hydrothermal carbon production

研究范圍為整個水熱炭制備過程，包括原料的預處理、水熱炭化及清洗干燥3大環節，主要計算原料、能量輸入及廢棄物排放，但不將獲得木屑所消耗的物料及能源計算在內，因為木屑的獲得經歷了木材的砍伐、運輸和加工等過程，其中物質與能量的輸入輸出數據無法準確獲得，且木屑為木材加工剩余物，以其制備水熱炭實現了廢棄物料的再利用，因此不考慮其環境影響。

以實驗室制備為基礎，在清單分析時，將實驗收集到的數據折算成生產1 g水熱炭產品的數據，以便對制備水熱炭的過程進行環境影響評價。

1.4 評價指標

本研究采用生命周期評價軟件GaBi 6.0作為環境影響評價的手段。GaBi軟件提供多種評價方法，如CML、EI、EDIP和UBP等等[11]。本研究采用CML評價方法，以資源消耗(ADP)、環境酸化(AP)、富營養化(EP)、溫室效應(GWP)、臭氧層破壞(ODP)和光化學臭氧生成潛力(POCP)這6類環境影響類別為評價指標，通過特征化、標準化及加權處理，考察水熱炭化對環境的影響。

世界環境負荷總量是指全世界在1a時間內消耗的資源、能源總量和污染物排放總量。利用2015年世界環境負荷總量為標準化基準值，將特征化結果進行標準化處理，以便比較各個環境影響類型參數結果的相對大小。

標準化是為了使不同環境影響類別之間具有可比性，標準化得到的值沒有單位，標準化后的值需要進行加權處理后才能對比彼此之間的大小。權重因子的確定參考文獻[12]中對權重的介紹。

為了計算出綜合環境影響指標，必須求出各影響指標的權重因子，上述各個影響指標的權重因子及單位見表1。對于不同輸入、輸出流對應的換算值可參見GaBi 6.0軟件。

表1 CML2001方法的標準化基準及權重因子1)

1) 數據來源于GaBi 6.0軟件及文獻[12]the data obtained from GaBi 6.0 and literature[12]

2 水熱炭制備過程的環境影響評價

2.1 清單分析

清單分析是指將收集到的數據折合成生產1 g水熱炭的輸入量及輸出量，并進行數據匯編和量化。本研究評價中所使用的數據主要來源為：化學藥品及電能生產的相關數據來自于GaBi軟件；水熱炭制備過程原材料及電力消耗為計算獲得；廢水的排放量通過作者收集得到，其他污染物的排放量通過GaBi軟件計算獲得。

本研究將水熱炭制備過程體系劃分為3個環節，即原料的預處理、水熱炭化和清洗干燥階段，從而分別進行環境影響評價，不僅能分析出整個制備過程對環境的影響，也能對不同環節的環境影響進行分析，有利于分析細節，對深入研究水熱炭制備過程的環境影響起到重要作用。水熱炭制備過程的輸入輸出，見圖2。

圖2 水熱炭制備過程的輸入輸出Fig. 2 The input and output of hydrothermal carbon production

無論分析工業生產還是實驗室制備，要保證LCA分析數據可靠可信必須依靠高質量的數據和詳實的數據庫。數據質量包括數據來源和數據的可信程度，雖然實驗室操作體量無法與工業生產相比，但對于可重復實驗，其數據來源與可信度相當于工業生產中工廠生產報告，均為實際測量的原始數據，數據質量最高。本課題組經過多次試驗，水熱炭化綜纖維素制備水熱炭的工藝已基本成熟，因此收集的數據具有較高的質量。其次，本研究采用的GaBi 6.0軟件為德國PE-INTERNATIONAL 開發，是目前比較常用的LCA軟件之一。該軟件擁有非常豐富的數據庫，除了核心專業數據庫外還有18個按行業區分的擴展數據庫，為本研究的分析奠定了良好的基礎。

對實驗數據進行收集與整理，獲得制備1 g水熱炭所需原材料和能量消耗的統計數據，為了保證數據的可靠性和完整性，同時考慮后續分析需要，對這些數據進行初步分析、篩選、計算和修正。其中，分析、篩選是指將收集到的數據與軟件中的數據進行匹配。以電能的生產為例，我國東北地區主要為火力發電，而軟件數據庫中電能的生產包括了火力發電、風力發電、水力發電及核電等多個方式，不同發電方式生產單位電能所造成的環境影響是不同的，因此需要選擇與實際相匹配的方式。計算和修正主要指對水熱炭制備過程中消耗的電能進行計算與修正，實驗中電能的消耗主要為烘箱加熱，直接數據為加熱溫度與加熱時間，所消耗電能需要計算，且烘箱在加熱過程中并非保持恒定功率，保溫階段烘箱的輸出功率較低，這些因素都影響數據的準確性，所以需要計算與修正。

在輸入量中，生產1 g水熱炭過程中主要輸入的原料包括木屑、HNO3溶液、去離子水和無水乙醇，其中去離子水主要作為反應媒介和清洗液體，無水乙醇主要作為清洗劑，洗去產物中不溶于水的有機物。能源消耗為電能，通過水浴鍋、電熱烘箱、磁力攪拌器等實驗設備為制備過程提供熱能及機械能。環境排放清單主要為廢水以及因液體中有機物排放導致的生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)，廢氣主要來自于硝酸、電能的生產過程，水熱炭化過程基本無廢氣產生。將上述輸入、輸出數據按照相應分配原則進行分配，折算成生產1 g水熱炭的數據，結果如表2所示。

表2 1 g水熱炭制備過程的環境負荷數據清單1)Table 2 Environment load data list of 1 g hydrothermal carbon production process

1) 數據來源于筆者計算與GaBi軟件，下同the data obtained from calculation and GaBi 6.0, similarly hereinafter

2.2 環境影響評價及結果分析

2.2.1 水熱炭制備過程環境負荷組成 運用GaBi 6.0軟件對已計算整理完成的水熱炭制備過程環境負荷進行建模，見圖3。如圖3所示，在水熱炭制備過程中，環境負荷主要來自去離子水生產、電力生產、無水乙醇生產及硝酸的生產。

圖3 水熱炭制備過程的環境負荷網絡模型Fig. 3 Environment load network model of the process of hydrothermal carbon production

2.2.2 特征化 經過GaBi 6.0軟件分析得出水熱炭制備過程環境影響的特征化結果見表3。假設整個水熱炭制備過程對環境影響值為100 %，通過對比各個步驟對每個環境因子的比例，能分析出各個環節對每個環境因素的貢獻率。

表3 水熱炭制備過程特征化結果

由表3可知，對于資源消耗，酸預處理、水熱炭化和清洗干燥各占8.9 %、6.1 %和85 %；對于環境酸化，酸預處理、水熱炭化和清洗干燥各占9.9 %、68.1 %和22 %；對于富營養化，酸預處理、水熱炭化和清洗干燥各占10.1 %、67.9 %和22 %；對于溫室效應，酸預處理、水熱炭化和清洗干燥各占9.7 %、64.6 %和25.7 %；對于臭氧層破壞，酸預處理、水熱炭化和清洗干燥各占6.9 %、7.2 %和85.9 %；對于光化學臭氧生成潛力，酸預處理、水熱炭化和清洗干燥各占9.7 %、66.6 %和23.7 %。

分析可知，水熱炭化階段對環境酸化、富營養化、溫室效應及光化學臭氧生成潛力4個環境影響因子影響較大，均占60 %以上，為主要環境影響步驟；清洗干燥階段對各環境影響因子都有影響，占資源消耗的85 %，占臭氧層破壞的85.9 %，對其他4個環境影響因子影響占20 %～26 %；酸預處理階段對各個環境影響因子的貢獻較低，均占10 %左右。因此，水熱炭化階段對環境影響貢獻值最大，其次是清洗干燥階段，酸預處理對環境影響貢獻值最小。這主要是因為，水熱炭化階段溫度較高、時間較長，對電能消耗量較大，清洗干燥在電能的消耗方面也有不小的貢獻，而酸預處理過程時間較短，溫度較低，因此對電能消耗較少，盡管使用了化學藥品，但使用量較少，對環境產生的影響無法與大量的電能消耗相比。

2.2.3 標準化和加權 為了對比水熱炭制備各環節的環境影響程度的大小，需要將特征化結果進行標準化和加權。采用GaBi軟件中的CML2001-2001-2015方法，對特征化結果進行標準化和加權計算后，得到水熱炭產品制備過程中環境負荷標準化及加權后結果見表4。

表4 水熱炭環境負荷標準化及加權后結果

由表4可知，整個水熱炭制備過程對環境影響由大到小分別為溫室效應、環境酸化、光化學臭氧生成潛力、富營養化、資源消耗和臭氧層破壞，其中資源消耗和臭氧層破壞相對其他影響因子很小。水熱炭化環節對各環境影響因子的影響均較大，為主要影響環節，其次為清洗干燥環節，酸預處理環節對環境影響貢獻較小。可以看出，對溫室效應、環境酸化、光化學臭氧生成潛力做出主要貢獻的均為水熱炭化環節，說明水熱炭化環節消耗的大量電能，相比于其他參與到制備過程的資源消耗，是主要環境影響因素。由于在水熱炭化獲得固體產物的同時，有一定的有機碳溶解在液體中，隨著廢液一起排放到自然界引起富營養化。電能的使用之所以會對環境造成影響，主要原因是我國主要依靠火力發電，其釋放的CO2會加強溫室效應，煤炭中的硫元素變成SO2釋放到大氣中會加劇環境酸化，而NOx則會對光化學臭氧生成潛力造成影響。

3 改善建議

提出的改進工藝主要包括： 1) 提高水熱炭產率，由表2可知，采用現有工藝制備1 g水熱炭需要3.8 g木屑，產率較低，為26.3 %，提高水熱炭產率能降低單位水熱炭的環境負荷； 2) 在保證產品性能的同時，探索降低水熱炭化溫度或縮短水熱炭化時間，以降低電能消耗，從而減少水熱炭制備過程的環境影響。

4 結 論

以生物質水熱炭為研究對象，對其制備階段的環境影響做出詳細的評估和分析。結果表明：水熱炭制備過程對6類主要環境影響由大至小分別為溫室效應、環境酸化、光化學臭氧生成潛力、富營養化、資源消耗和臭氧層破壞；水熱炭制備過程的主要影響因素為電能的消耗。火力發電釋放的CO2、SO2及NOx分別對溫室效應、環境酸化及光化學臭氧生成潛力做出了很大貢獻；水熱炭制備過程對環境影響的主要工藝步驟為水熱炭化環節。相對于酸預處理及清洗干燥，水熱炭化溫度高、時間長，消耗電能較大，成為主要影響因素。同時，從節能減排的角度，根據生命周期評價的結果，提出兩條實質性意見，希望能對節能減排工作帶來實質性的改進。

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Environmental Impact Assessment of Biomass-derived Hydrothermal Carbon Material Production

YU Ruidong， DONG Yue， GUO Minghui

(Northeast Forestry University，Key Laboratory of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education， Harbin 150040， China)

The environmental impact of biomass hydrothermal carbon material production was assessed by using life cycle assessment(LCA). A life cycle inventory including input and output processes of biomass hydrothermal carbon material production was established based on inventory analysis. GaBi 6.0 software was used to model and calculate the original data to obtain the corresponding environmental impact potentials on global warming potential(GWP)， acidification potential(AP)， abiotic depletion potential(ADP)， etc. The results showed that the effect order of production process on the environmental impacts was GWP, AP, photochemical ozone creation potential(POCP), eutrophication potential(EP), ADP and ozonospher disturbance potential(ODP). The power consumption was the uppermost environment impact factor. As the power generation of our country was carbon intensive, the emissions of CO2， SO2， NOxfrom thermal power were the main environmental impact factors. The key environmental influencing link in hydrothermal carbon production was hydrothermal carbonization. According to this result， it would be helpful for reducing the environmental impact of biomass hydrothermal carbon material by reducing hydrothermal carbonization temperature or shortening the time of hydrothermal carbonization.

hydrothermal carbon;life cycle assessment;environmental impact

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.04.009

2016-06-30

“十二五”國家科技支撐計劃資助(2015BAD14B05)

于瑞冬(1992— )，男，山東青州人，碩士生，主要從事生物質炭材料研究工作

*通訊作者：郭明輝，教授，博士生導師，主要從事木材學和生物質復合材料研究；E-mail：gmh1964@126.com。

TQ35

A

1673-5854(2017)04-0059-07