玉米秸秆制精制油的生命周期温室气体排放研究

刘长奇, 黄亚继, 王昕晔, 卢志海, 刘凌沁

(1.东南大学 能源热转换及过程测控教育部重点实验室,江苏 南京 210096；2.滕州亿源煤矸石热电有限公司,山东 枣庄 277500)



玉米秸秆制精制油的生命周期温室气体排放研究

刘长奇1, 黄亚继1, 王昕晔1, 卢志海2, 刘凌沁1

(1.东南大学 能源热转换及过程测控教育部重点实验室,江苏 南京 210096；2.滕州亿源煤矸石热电有限公司,山东 枣庄 277500)

采用混合生命周期法,将生命周期框架与经济投入产出生命周期评价相结合,全面考虑农业机械生产、厂房建设、设备安装、固废处理过程及保险业的间接温室气体排放量,对玉米秸秆热解加氢提质得到的精制油进行生命周期温室气体排放量核算.结果表明：整个过程中温室气体排放量为45.2 g /MJ (折算成克CO2当量),直接排放122.02 g /MJ,间接排放46.4 g /MJ,光合作用抵扣101.68 g /MJ；氮肥投入、种子投入和电力投入为三大主要排放因素；肥料生产制造业、电力生产供应业、谷物生产业三大部门占间接排放总量的86%.分析整个过程温室气体排放量的不确定因素可知：玉米秸秆产量影响最大,产油率次之,运输距离最小.与木薯乙醇和传统汽油相比,精制油生产过程温室气体排放量分别减少53.0%、51.9%.

玉米秸秆；加氢提质；精制油；混合生命周期评价；温室气体排放

全球气候变暖问题越来越受到关注,减少温室气体排放刻不容缓.生物质能替代化石能源可减少温室气体排放,而生物质能利用的路径众多,哪条路径减排温室气体效果最佳仍需继续深入研究.目前运用生命周期评价法对温室气体排放核算的文献较多,重点分析不同生物质原料、土地利用变化、副产品的分配方式对生物质热解制油过程温室气体排放量的影响[1-4].对生物质制取车用燃料的过程采用GREET模型进行温室气体排放核算较为常见[5-6].生命周期评价法和GREET模型评价法对间接温室气体排放核算考虑的因素不够全面,生命周期框架与经济投入产出模型相结合的混合生命周期评价法对生物质制备液体燃料过程进行温室气体排放核算具有明显的优势,该方法既保留了生命周期框架的针对性,又可利用经济投入产出表来减少温室气体核算过程中的各种投入,合理避免了生命周期框架的截断误差,可全面考虑各种间接排放因素.李小环等[7]采用生命周期框架与经济投入产出模型相结合对中国木薯乙醇生产过程进行了温室气体排放量核算,结果表明木薯乙醇生产过程温室气体减排效果并不显著.然而李小环等采用的中国经济投入产出模型的部门分类仅有43个部门,陈红敏[8]指出经济部门分类越细致,其核算结果会更加合理.

目前,国内外关于玉米秸秆快速热解加氢提质制备精制油过程的温室气体排放量核算的报道不多.本文将生命周期框架(PLCA)和经济投入产出生命周期评价(EIO-LCA)相结合,对美国整个玉米秸秆制精制油生产系统进行温室气体排放核算.其中经济投入产出模型由美国卡内基梅隆大学绿色设计研究院编制[9],该模型将经济部门划分为428个,部门划分更细致；本文还全面考虑农业机械生产、厂房建设、设备安装过程、固体废弃物处理过程及保险业的间接温室气体排放量,力求将整个过程温室气体排放量核算得更加全面合理.并将计算结果与木薯乙醇和化石燃料作对比分析,为推进生物质制油技术在中国的工业化及温室气体减排政策的制定提供理论依据.

1 研究方法

采用混合生命周期评价法中的层列式,将各个温室气体的排放要素分为两层,即直接排放层和间接排放层.各阶段的直接排放采用生命周期框架法计算,间接排放使用经济投入产出法计算；同时考虑植物生长阶段光合作用固定的二氧化碳量,将该部分温室气体排放量抵扣,整个生命周期的温室气体排放通过下式计算：

GHGq=GHGz+GHGj—GHGd.

(1)

式中：GHGq为玉米秸秆制精制油生命周期排放的温室气体量,GHGj为采用经济投入产出法计算得到的间接温室气体排放量,GHGz为采用PLCA法计算得到的直接温室气体排放量,GHGd为玉米生长阶段光合作用固定的CO2量.

本文核算的精制油生命周期温室气体排放包括直接排放、间接排放及光合作用吸收的CO2量.温室气体直接排放和间接排放边界界定如图1所示.直接排放指产品使用过程中产生的温室气体排放,主要包括能源燃烧和施用氮肥导致氮肥效应产生的排放.直接排放涉及的气体种类有两种：二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O).两种气体按照各自的全球增温潜势(GWP)折算成克CO2当量.上述气体的GWP分别为1和298[10].其中能源燃烧过程中排放的CO2通过下式[7]计算：

CEj=44/12×CCj×FORj.

(2)

式中：CEj为燃料j的CO2排放系数,CCj为燃料j的含碳量百分比,FORj为燃料j的燃料氧化率.精制油燃烧只考虑CO2的排放,氧化率假定为0.98.

施用氮肥导致氮肥效应,约2%的氮肥会生成N2O.N2O的排放质量分数通过下式[7]计算:

wN2O=mN×2%×44/12.

(3)

式中：mN为氮肥施用质量.

图1 温室气体直接排放和间接排放边界界定图Fig.1 Boundary definition of direct greenhouse gasesemission and indirect emissions

间接排放指玉米秸秆制精制油过程中在整个生产链各部门引起的排放.生产精制油需要投入大量产品和服务,而这些产品和服务的生产过程会排放大量温室气体,间接排放为所有上游阶段的排放之和.间接温室气体排放采用美国卡内基梅隆大学绿色设计研究院编制的经济投入产出生命周期评价模型[9].该模型将经济社会划分为428个经济部门,本文收集的相关数据均为消费者购买该产品或服务的价值,不仅包括生产该产品的所有投入所产生的间接温室气体排放,而且包括将该产品送到消费者手中所产生的间接温室气体排放.

假设精制油中的碳元素全部来自光合作用固定二氧化碳中的碳,可按下式计算光合作用固定的二氧化碳质量分数：

wCO2=mjzy×wjzy×44/12.

(4)

式中：mjzy为精制油的质量,wjzy为精制油碳元素的质量分数.

2 过程描述及计算过程

图2 生物质热解提质精制汽油柴油生命周期框架图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单位、系统边界及分配方式

采用功能单位为g/MJ,即生产1 MJ的精制油需要排放多少克当量的CO2.玉米秸秆制精制油的系统边界包括玉米种植、热解制油、运输、车辆使用过程.生物质精制油的生命周期框架如图2所示.种植系统的分配方式采用质量分配方式,则玉米本身质量分数为62.5%,玉米秸秆质量分数为37.5%[11].

表1 玉米种植系统经济投入量及温室气体排放量

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

经济投入ID/(美元·ha-1·a-1)TEI/百万美元TEId/百万美元GHGj/tGHGz/t收获前机械122.513.85.23000-种子280.231.611.938600-肥料318.535.913.57760082473柴油---18825753农药64.27.22.72090-石灰24.72.81.16320-除草剂49.45.62.11630-种植保险49.45.62.1139-收获的机械260.129.3116340-人工91.510.33.95670-总计1260.5142.153.514327188226

2.2 玉米种植系统

玉米种植系统的数据采用美国爱荷华州的玉米种植数据[12].该种植系统需要的各种间接排放的投入包括：收获前的机械、柴油生产、种子、肥料、农药、除草剂、石灰、种植保险及收获后的机械.不考虑土地使用变化引起的温室气体排放.该系统的直接排放投入主要是农机使用的柴油,所需柴油的质量为1 845 844.87 kg[13],假设柴油热值为44 MJ/kg,柴油的碳质量分数为85%,传统汽油的温室气体排放量为94 g/MJ[14],农机使用柴油的温室气体排放量具体见表1.表中,ID为参考文献中的原始数据,TEI为参考文献中的经济总投入,TEId为按质量分配后的经济总投入.假设生产精制油的工厂消耗2 000 t玉米秸秆,根据文献[12]可知,玉米产量约为1.035 kg/m3,按照质量分配方式可知,玉米秸秆的产量为0.621 kg/m3.按工厂每年工作350 d计算可知,需要7×105t玉米秸秆.生产玉米秸秆需要的土地大概为1 127 214 000 m3,每年生产玉米秸秆需要投入各个物质和能量的经济价值如表1所示.由于该土地产出的产品有玉米和玉米秸秆,按质量分配,应使原始数据乘以0.375,具体数值见表1.

2.3 玉米秸秆精制生物油系统

采用Wright等[15]建立的模型.该模型模拟玉米秸秆快速热解成生物油,并精制为汽油和柴油的整个过程.假定生物质工厂每天消耗2 000 t的玉米秸秆,该工厂精制油年产量为1.34×108L,同时生产9 223 t焦炭和1.054×109J的气体燃料.按照能量分配方式可知,精制油、焦炭和气体燃料分别占67%、30%和3%(按各产物各自包含的总能量与所有产物包含能量总和的比值计算).处理步骤包括生物质预处理、快速热解、固体去除、生物油收集、燃烧和生物油精制.具体流程如图3所示.将质量分数为25%的生物质干燥至7%,粉碎至约3 mm直径后,送入热解反应器；热解后产物经旋风分离器1进行气固分离,固体被直接送入燃烧反应器提供热量,气体进入冷凝器经水冷却；其中不凝结气体被送入热解反应器和燃烧反应器燃烧,冷凝下来的生物油经过液液萃取后分为油相和水相,水相油与蒸汽混合并送入高温水蒸气催化重整反应器被转化成合成气,合成气被送入压力变换吸附分离器(PSA)进行甲烷重整制氢,氢气与油相在高温反应釜中反应制得汽油和柴油.该过程的具体反应参数和步骤参考文献[15].该过程投入包括厂房设备投资(包括生产设备购买和安装、仪表控制投资、管道投资、电力系统投资、建筑材料投资、场地改造费用、服务设施费用、工程费、建造费、法律和承包商费用.投资按工厂使用寿命20 a,平均分摊到每一年)、电力、工业水、催化剂、固体废弃物处理、人工工资、日常维护与管理、保险与税金.以上投入全部为间接排放,采用美国卡内基梅隆大学绿色设计研究院编制的经济投入产出生命周期评价模型直接计算.将所有设备归为同一类设备.工厂设备制造安装的温室气体会产生一些误差,但各种工业设备生产过程产生的温室气体排放量相差不大,误差在可接受范围内.服务设施费以办公设施费进行输入.税金和保险费用全部按保险费来算,由于税金和保险费各自的值没有具体给出,且数值较小,等同处理后对整体结果的影响不大.具体计算结果如表2所示.表中,IVY为每年的投资额.该过程将全部的不可凝结气体和约三分之一的焦炭(100 t/d)燃烧为热解供热,根据碳平衡可计算得到燃烧过程的直接CO2排放量,具体数值如表3所示.由于热解过程中的碳全部来自生物质的光合作用,在光合作用抵扣的CO2过程中将被抵扣掉.制氢过程中产生的可燃气体作为副产物输出以及加氢过程中产生的一些轻质组分,均未考虑直接排放.不论可燃气体还是这些轻质组分中的碳全部来自生物质原料,即其中的碳全部来自植物光合作用固定空气中的碳,不管可燃气体及油中轻质组分如何利用,最终都可以被抵扣掉,不会对本文计算结果产生影响.

图3 玉米秸秆热解提质制精制油过程流程图Fig.3 Flow chart of pyrolysis and upgrading process of corn straw

表2 热解制油系统经济投入及间接温室气体排放

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

经济投入IVY/百万美元GHGj/t生产设备购买和安装费用3.662130仪表控制投资0.68235管道投资0.821780电力系统投资0.26211建筑材料投资0.76448场地改造费用0.32188服务设施费用1.45775工程费0.84143建造费0.9394法律和承包商的费用0.61104电力5.7754000工业水0.06107催化剂1.771700固废处理1.784570人工工资1.77301日常管理与维护费5.821530保险与税金3.57236总计30.8468852

2.4 运输及车辆使用过程

精制油[16]的密度为0.82 kg/L,热值为42 MJ/kg,生物质运输距离假设为100 km,卡车运输能量密度为1.12×106J/(t·km)[17],需要柴油的量为1 781 818.18 kg,可以忽略司机的劳务.假设精制油运送到加油站的距离为20 km,需要柴油量为58 602.667 kg.车辆使用阶段忽略了车辆制造过程的温室气体排放,故车辆使用阶段的温室气体排放全部来自生物质燃烧.运输和车辆使用过程中温室气体排放的具体计算结果如表3所示.

表3 运输及车辆使用过程温室气体排放量

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

物质投入QIM/kgGHGj/tGHGz/t原料运输消耗柴油1781818.21816.275553.333精制油运输消耗柴油58602.66759.7357182.645精制油燃烧1098800000330372.5总计-1876.00424333.9

2.5 光合作用吸收二氧化碳的量的计算

精制油的年产量为1.34×108L,密度为0.82 kg/L,热值为42 MJ/kg,碳元素质量分数为82%[16].根据式(4)可以算得光合作用吸收二氧化碳量为3.30×105t,转化为本文所采用的功能单位为71.6 g/MJ.

3 结果与讨论

3.1 各投入要素温室气体排放量分析

图4 精制油生命周期各要素温室气体排放量占排放总量的百分比Fig.4 Percentage of each element of greenhouse gasemissions in LCA of refined oil

未考虑植物光合作用吸收温室气体量时,计算结果如图4所示.玉米秸秆制精制油过程各物质或服务投入排放的温室气体量所占比重最大的6个过程是精制油燃烧、焦炭不可凝结气体燃烧、氮肥释放气体、肥料生产、电力生产以及种子生产,分别占排放总量的42.51%、17.86%、10.61%、9.99%、6.95%、4.97%.这6个过程占总温室气体排放量的92.89%,其他各种投入仅占7.11%.由此可见,这6个过程是整个精制油过程中温室气体减排控制的重中之重.精制油、焦炭和不可凝结气体的燃烧及所产生的排放的任务是大气中二氧化碳在生物圈中循环后又排入大气中,可不予考虑；其他过程须在整个生产过程中引起关注,应尽量减少施用工业肥料,尽量使用农家肥,同时节约用电,提高用电效率.

3.2 各阶段排放结果分析

由表4可知,在不考虑精制油过程副产物的情况下,车辆使用阶段的温室气体排放量最大,运输阶段的排放量最小.考虑光合作用固定二氧化碳的量后,整个生命周期的温室气体排放量减少了60.4%,光合作用的抵扣量等于生物油、焦炭和不可凝结气体燃烧产生温室气体的排放量.实际上,大多数文献在计算生物燃料全生命周期温室气体排放量时,均不计该部分的直接排放量,因为生物燃料中的碳均来自植物光合作用固定二氧化碳中的碳.热解制油阶段在生产精制油的同时,产生了气体燃料和焦炭两种副产物,按照能量分配,则精制油占67%；考虑该因素后,玉米种植阶段和热解制油阶段的温室气体排放减少为原来的67%,运输和车辆使用阶段不受影响.各阶段的排放量发生细微变化,如表4所示,但各部分所占比重变化不大.排放量最大的阶段是玉米种植阶段,排放量最小的是车辆使用阶段.间接排放全部来自玉米种植阶段和热解制油阶段,均为生产产品过程中投入其他产品或服务产生的.直接排放主要来自使用氮肥引起的一氧化二氮排放和农机柴油的燃烧.为了减少温室气体排放,应提高车辆和农机的燃油效率,使燃料充分燃烧,减少燃油的使用量,同时应提高工业氮肥生产水平,降低氮肥生产中的各种投入.

表4 玉米秸秆制精制油生命周期各阶段温室气体排放

3.3 间接排放的经济部门分布

各生产部门温室气体排放量占间接温室气体排放量1%以上的部门有8个,如图5所示.8个部门的温室气体排放量占间接排放总量的94%,其中肥料生产制造业、电力生产供应业、谷物生产业三大部门占总间接排放量的86%.可见,为了实现精制油的温室气体减排,应制定相应温室气体减排政策来限制这三大部门的温室气体排放量,降低该部门的温室气体排放限定值,同时增加碳排放超标后需要交纳碳税的金额.

图5 玉米秸秆制精制油生命周期间接排放主要部门分布图Fig.5 Major indirect emissions departments in LCA of refined oil from corn straw

3.4 不确定性分析

图6 温室气体排放量不确定因素的敏感性分析图Fig.6 Sensitivity analysis of uncertain factors of GHG

当各种投入均已确定时,整个生产系统有很多不确定因素影响温室气体排放量,由于每年的气候条件不同,玉米秸秆产量会发生较大变化；热解制油工厂每段时间的运行情况和生物油产率会发生变化；本文的运输距离为假设,具体生物质原料的运输和生物油的运输也会随着生物质原料的产地和消费市场的改变而改变,故运输距离会发生变化.本文对玉米秸秆产量、生物油产率、运输距离3个不确定因素进行敏感性分析,以确定3个因素变化对温室气体排放量的影响程度.根据实际情况可知,玉米秸秆产量变化±30%,生物油产率变化±10%,运输距离分别扩大和缩小3倍.分析结果如图6所示.图中，w1、w2分别为温室气体排放减少质量分数和增加质量分数.结果表明：玉米秸秆产量对精制油生产整个过程的温室气体排放量影响最大,产油率次之,运输距离的影响最小.要控制温室气体排放量,应该重视玉米种植系统的稳定性,制定政策鼓励玉米增产；同时应采用先进技术,提高精制油产率,采用先进管理理念,加强维护管理,提高工厂自动化水平,保证工厂运行稳定,稳定产油率；运输距离的影响较小,当生物质运输距离超过300 km时,运输距离对整个玉米秸秆制精制油过程温室气体排放量的影响将超过产油率,使整个过程的温室气体排放量提高10%以上.从控制温室气体排放的角度来看,生物质运输距离不宜超过300 km,建厂选址尽量靠近生物质产地.

3.5 与木薯乙醇对比

李小环等[7]用同样的方法对中国木薯乙醇生产过程进行温室气体排放核算,结果与本文结果的对比如图7所示.木薯乙醇在原料种植和燃料燃烧阶段的温室气体排放均比精制油少,在原料种植阶段玉米种植的温室气体排放比木薯多110%,而该阶段的间接排放玉米种植比木薯种植多,主要是因为玉米种植投入的各种产品和服务比木薯种植多；玉米的直接排放比木薯多,原因是木薯产于中国,玉米产于美国,美国农业机械化程度比中国高,种植过程中农机消耗的柴油量较多.两种生物燃料燃烧阶段的排放量基本相当.木薯乙醇生产和运输过程的温室气体排放量均比精制油生产和运输过程多.在燃料生产过程中,两种燃料的直接排放相差不多,但乙醇生产排放量较高.乙醇生产需要投入大量燃煤,产生较多的温室气体排放；精制油生产过程不需要额外的燃料,焦炭和不可凝结气体燃烧产生的温室气体排放量被抵扣掉,故精制油该阶段温室气体排放量仅为木薯乙醇的32.1%.运输阶段主要与运输距离有关,由于运输距离都是假设的,没有可比性,但建厂选址时应充分考虑该阶段,选择离原料和消费市场距离都较近的位置建厂较合适,尤其要离原料近些,因需要运输的生物质的量远大于生物燃料.精制油整个生产过程中的温室气体排放量仅为木薯乙醇的47.0%,说明精制油生产过程比木薯乙醇生产过程更有利于减少温室气体排放,制定节能减排政策时,应向精制油产业倾斜.

图7 生物乙醇与精制油温室气体排放量对比图Fig.7 Comparison of GHG emissions from bio-ethanol and refined oil

3.6 与化石燃料进行对比

如表5所示，Farrell等[14]核算的传统汽油1的温室气体排放量为94 g/MJ,Dang等[5]根据GREET模型计算出来的传统汽油2和柴油的温室气体排放分别为93.31、93.32 g/MJ.欧训民等[18]采用的传统汽油3温室气体排放量为103.92 g/MJ.本文研究精制油的温室气体排放量为45.2 g/MJ,仅为传统汽油(按94 g/MJ计算)的48.1%.精制油的减排效果相当明显,大力发展玉米秸秆制精制油产业,对于温室气体减排,阻止全球气候变暖的意义重大.

表5 精制油与化石燃料的温室气体排放量结果对比

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

燃料温室气体排放量/(g·MJ-1)传统汽油1[14]94传统汽油2[5]93.31传统柴油[5]93.32传统汽油3[18]103.92精制油45.2

4 结 论

(1)不考虑光合作用和精制油生产过程副产物的能量分配,玉米秸秆热解加氢提质制备精制油过程的温室气体排放量为168.3 g/MJ,其中直接排放量为122.0 g/MJ,间接排放46.4 g/MJ.考虑光合作用,排放量减少为66.7 g/MJ.考虑精制油生产过程副产物的能量分配后,排放量减少为45.2 g/MJ.

(2)考虑光合作用后,温室气体排放量最大的4个方面为氮肥释放N2O、肥料生产过程、种子生产过程和电力生产.为了减少温室气体排放,应多施农家肥,提高氮肥生产效率,节约用电,提高发电效率.

(3)间接排放中温室气体排放量最大的3个部门为肥料生产制造业、电力生产供应业、谷物生产业,应制定相关政策鼓励该行业的温室气体减排,从而促进精制油生产过程的温室气体减排.

(4)对整个过程温室气体排放量的不确定因素进行分析可知：玉米秸秆产量对精制油生产整个过程的温室气体排放量影响最大,产油率次之,运输距离的影响最小.

(5)精制油生产过程的温室气体排放量是木薯乙醇和传统汽油生产过程的47.0%和48.1%,温室气体排放量大大减少,说明精制油是减少温室气体排放的较合适的燃料.

[1] UUSITALO V, VISNEN S, HAVUKAINEN J, et al. Carbon footprint of renewable diesel from palm oil, jatropha oil and rapeseed oil [J]. Renewable Energy, 2014, 69: 103-113.

[2] NATHAN K, DERMOT H, ROBERT B. A life cycle assessment of advanced biofuel production from a hectare of corn [J]. Fuel, 2011, 90 (11): 3306-3314.

[3] NING Shu-kuang, HUNG Ming-chien, CHANG Ying-hsi, et al. Benefit assessment of cost, energy, and environment for biomass pyrolysis oil [J]. Journal of Cleaner Production, 2013, 59: 141-149.

[4] RAJAEIFAR M A, GHOBADIAN B, SAFA M, et al. Energy life-cycle assessment and CO2emissions analysis of soybean-based biodiesel: a case study [J]. Journal of Cleaner Production, 2014, 66: 233-241.

[5] DANG Qi, YU Chun-jiang, LUO Zhong-yang. Environmental life cycle assessment of bio-fuel production via fast pyrolysis of corn stover and hydroprocessing [J]. Fuel, 2014, 131: 36-42.

[6] ZHANG Ya-nan, HU Gui-ping, BROWN R C. Lifecycle assessment of the production of hydrogen and transportation fuels from corn stover via fast pyrolysis [J]. Environmental research letters, 2013, 025001: 1-13.

[7] 李小环,计军平,马晓明,等.基于EIO-LCA的燃料乙醇生命周期温室气体排放研究[J].北京大学学报：自然科学版,2011,47(6): 1081-1088.

LI Xiao-huan, JI Jun-ping, MA Xiao-ming, et al. Life cycle greenhouse gas emission assessment of fuel ethanol based on EIO-LCA [J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2011,47(6): 1081-1088.

[8] 陈红敏.包含工业生产过程碳排放的产业部门隐含碳研究[J].中国人口·资源与环境,2009, 19(3): 25-30.

CHEN Hong-min. Analysis on embodied CO2emissions including industrial process emissions [J]. China Population, Resources and Environment, 2009, 19(3): 25-30.

[9] Carnegie Mellon University Green Design Institute. (2008) Economic input-output life cycle: assessment (EIO-LCA), US 1997 industry benchmark model [EB/OL]. 2008-01-01. http:∥www.eiolca.net.

[10] FORSTER P, RAMASWAMY V, ARTAXO P, et al.

Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing [R]. Cambridge: Cambridge University Press,2007.

[11] LUO Lin, ESTER V V, HUPPES G, et al. Allocation issues in LCA methodology: a case study of corn stover-based fuel ethanol [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2009, 14(6): 529-539.

[12] DUFFY M. Estimated costs of crop production in Iowa-2014 [EB/OL]. [2015-08-15]. http:∥www.extension.iastate.edu/agdm/crops/html/a1-20.html.

[13] MARTIN J M, DIEMONT SAW, POWELL E, et al.Emergy evaluation of the performance and sustainability of three agricultural systems with different scales and management [J]. Agriculture, Ecosystems andEnvironment, 2006, 115(1/2/3/4): 128-140.

[14] FARRELL A E, PLEVIN R J, TURNER B T, et al. Ethanol can contribute to energy and environmental goals [J]. Science, 2006, 311(5760): 506-508.

[15] WRIGHT M M, SATRIO J A, BROWN R C. Techno-economic analysis of biomass fast pyrolysis to transportation fuels [R]. Colorado: National RenewableEnergy Laboratory, 2010.

[16] MARKER T L. Opportunities for biorenewables in oil refineries final technical report [R]. Illinois: Department of Energy, 2005.

[17] 杨慧.基于能值分析的生物质能评价的研究—以木薯燃料乙醇为例[D].广州:华南理工大学,2011: 55.

YANG Hui. Emergy-based evaluation research on plant bioenergy: cassava-based fuel ethanol [D].Guangzhou: South China University of Technology, 2011: 55.

[18] 欧训民,张希良,常世彦,等.生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析[J]. 太阳能学报,2010,31(10):1246-1250.

OU Xun-min, ZHANG Xi-liang, CHANG Shi-yan, et al. LCA of bio-ethanol and bio-diesel pathways in China [J]. Acta Energlae Solaris Sinica, 2010, 31(10): 1246-1250.

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.

国家“973”重点基础研究发展规划资助项目(2013CB22810603).

刘长奇(1987—)，男，博士生，从事生物质能利用和燃烧污染物控制的研究. E-mail:442375255@qq.com

黄亚继，男，教授，博导. E-mail: heyyj@seu.edu.cn

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

TK 6

A

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

浙江大学学报(工学版)网址： www.zjujournals.com/eng