生物质水热炭制备过程的环境影响评价

于瑞冬， 董 悦， 郭明辉

(东北林业大学 生物质材料与技术教育部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150040)

·研究报告——生物质能源·

生物质水热炭制备过程的环境影响评价

于瑞冬， 董 悦， 郭明辉*

(东北林业大学 生物质材料与技术教育部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150040)

以生物质水热炭为研究对象，运用生命周期评价(LCA)方法，对生物质水热炭制备过程的环境影响进行分析与评价，通过建立输入、输出清单，从温室效应、环境酸化、资源消耗等方面，基于GaBi6.0软件建立模型并计算，分析生物质水热炭制备过程对环境产生的影响。结果表明：生物质水热炭制备过程对6类主要环境影响由大到小的顺序依次为温室效应、环境酸化、光化学臭氧生成潜力、富营养化、资源消耗和臭氧层破坏；我国为碳密集型发电地区，电能的消耗是该制备过程对环境影响最主要的原因，火力发电排放CO2、SO2、NOx等气体为主要环境影响因素。水热炭化是水热炭制备过程中对环境影响的主要环节。针对此结果，提出降低水热炭化温度、缩短水热炭化时间、提高水热炭产率，从而减少能源的消耗，降低环境影响。

水热炭；生命周期评价；环境影响

水热炭化是指在封闭体系(通常是不锈钢反应釜)内，以碳水化合物为原料，以亚/超临界水为反应介质，在一定的压力和温度(120～250 ℃)下，经过脱水、脱羧、芳构化等反应，得到炭质材料的过程[1]。水热炭化法制备炭质材料可追溯到1913年，Bergius运用水热炭化法处理木纤维，探索煤炭的形成过程[2]。然而，之后的研究集中于水热法制备液体产物和气体产物，直至2001年，Wang等[3]首次利用水热炭化法处理蔗糖溶液，制备了粒径1～5 μm具有良好电化学性能的炭微球。此后，水热炭化制备固体炭质材料开始受到广泛关注。水热炭化法以其操作方便，制备的炭质材料分散性好、尺寸均一，能耗较传统炭化方法低等优点，得到广泛研究与应用。然而，对其环境影响的量化分析研究较少。随着环境问题日益加剧，人们对环境保护的重视程度逐渐提高。环境影响评价是指对人类生产活动给环境质量带来的影响进行评价，它满足了人们评价事物是否对环境产生污染及产生多大污染的诉求，是衡量一个项目或工艺是否符合环保理念的一种手段。环境影响评价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数据及定量计算而具有较强的说服力。生命周期评价(LCA)是定量分析环境影响评价的重要方法，它可以评价产品生产、运输、应用、废弃等环节对环境产生的影响[4]，其原理是通过收集某一过程或产品的资源、能源消耗和废物排放等数据，以定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小[5]。Connelly等[6]对藻类水热液化制备生物质燃油的过程进行了生命周期评价，表明以藻类为原料的水热液化产物可作为生物质燃油，较化石原料燃油减少了50 %的二氧化碳排放量，同时表明上游与下游(即原材料的生产运输与产品的使用维护)因素会影响执行标准的制定。陈威等[7]以水稻秸秆为原料，对其热解制备炭材料并还田过程的固碳潜力进行了评估，结果显示该模式具有巨大的固碳潜力，有利于应对日益加剧的全球气候变暖。窦鑫等[8]分析了铜藻基活性炭的水热炭化-KOH活化法制备过程中的温室气体排放量及其影响，但没有对其他环境影响做出全面评价。本课题组曾以杨木粉为原料，进行预处理后，以水热炭化法制备炭质材料，结果表明，炭材料有微纳米尺寸，并有较好的微观形貌与丰富的含氧官能团[9]，在水处理、催化剂载体及电化学等领域有潜在应用价值。因此，本研究在实验室制备水热炭基础上，收集数据，利用LCA软件GaBi进行环境影响评价，找出水热炭制备过程中对环境影响最大的环节，以期在后续研究中能有所改善，降低环境影响，同时为评价生产工艺提供一定的辅助措施。

1 分析方法

1.1 分析软件

生命周期评价工作的进行离不开配套的数据库与软件，近年来已经开发出数十个用于LCA的软件，主要有GaBi、SimaPro、Boustead Model、TEAM等等。本研究采用的是德国PE-INTERNATIONAL开发的GaBi软件，它是目前比较常用的LCA软件之一。

根据国家标准GB/T 24040—2008[10]，LCA研究分为以下4个阶段：目标与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。

1.2 水热炭的制备

首先对原料杨木木屑进行酸预处理：将木屑放入锥形瓶中，倒入60 % HNO3溶液，将木屑浸没，水浴75 ℃处理2 h后，过滤，收集并干燥后得到预处理木粉。然后将处理好的木粉和一定量的去离子水混合均匀，倒入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，将反应釜置于电热烘箱中，加热至230 ℃，反应8 h。反应结束后，待自然冷却至室温，将产物倒出，过滤收集黑色固体产物，并用无水乙醇和去离子水对固体产物反复清洗3～5次，置于烘箱中80 ℃烘干8 h得到水热炭产品。

1.3 研究目标和范围的确定

目标和范围的确定直接影响后续清单分析、环境评价和结果解释的进行，也是环境影响评价的立足点和出发点。合理的、准确的范围确定会对后续研究有正影响。在这一步骤中，需要明确目标的系统边界，系统边界是指产品系统与环境之间物质与能量交换的边界。水热炭产品的生命周期评价系统边界见图1。其中虚线框线内为水热炭产品的系统内部。

研究目标是以生物质水热炭为研究对象，借助GaBi 6.0软件分析水热炭制备过程对环境的影响效应，通过建立模型及数据处理，分析制备过程中对环境影响较大的工艺步骤，提出改进意见，为工艺的合理制定提供依据。

图1 水热炭产品的生命周期系统边界Fig. 1 System boundaries of LCA of hydrothermal carbon production

研究范围为整个水热炭制备过程，包括原料的预处理、水热炭化及清洗干燥3大环节，主要计算原料、能量输入及废弃物排放，但不将获得木屑所消耗的物料及能源计算在内，因为木屑的获得经历了木材的砍伐、运输和加工等过程，其中物质与能量的输入输出数据无法准确获得，且木屑为木材加工剩余物，以其制备水热炭实现了废弃物料的再利用，因此不考虑其环境影响。

以实验室制备为基础，在清单分析时，将实验收集到的数据折算成生产1 g水热炭产品的数据，以便对制备水热炭的过程进行环境影响评价。

1.4 评价指标

本研究采用生命周期评价软件GaBi 6.0作为环境影响评价的手段。GaBi软件提供多种评价方法，如CML、EI、EDIP和UBP等等[11]。本研究采用CML评价方法，以资源消耗(ADP)、环境酸化(AP)、富营养化(EP)、温室效应(GWP)、臭氧层破坏(ODP)和光化学臭氧生成潜力(POCP)这6类环境影响类别为评价指标，通过特征化、标准化及加权处理，考察水热炭化对环境的影响。

世界环境负荷总量是指全世界在1a时间内消耗的资源、能源总量和污染物排放总量。利用2015年世界环境负荷总量为标准化基准值，将特征化结果进行标准化处理，以便比较各个环境影响类型参数结果的相对大小。

标准化是为了使不同环境影响类别之间具有可比性，标准化得到的值没有单位，标准化后的值需要进行加权处理后才能对比彼此之间的大小。权重因子的确定参考文献[12]中对权重的介绍。

为了计算出综合环境影响指标，必须求出各影响指标的权重因子，上述各个影响指标的权重因子及单位见表1。对于不同输入、输出流对应的换算值可参见GaBi 6.0软件。

表1 CML2001方法的标准化基准及权重因子1)

1) 数据来源于GaBi 6.0软件及文献[12]the data obtained from GaBi 6.0 and literature[12]

2 水热炭制备过程的环境影响评价

2.1 清单分析

清单分析是指将收集到的数据折合成生产1 g水热炭的输入量及输出量，并进行数据汇编和量化。本研究评价中所使用的数据主要来源为：化学药品及电能生产的相关数据来自于GaBi软件；水热炭制备过程原材料及电力消耗为计算获得；废水的排放量通过作者收集得到，其他污染物的排放量通过GaBi软件计算获得。

本研究将水热炭制备过程体系划分为3个环节，即原料的预处理、水热炭化和清洗干燥阶段，从而分别进行环境影响评价，不仅能分析出整个制备过程对环境的影响，也能对不同环节的环境影响进行分析，有利于分析细节，对深入研究水热炭制备过程的环境影响起到重要作用。水热炭制备过程的输入输出，见图2。

图2 水热炭制备过程的输入输出Fig. 2 The input and output of hydrothermal carbon production

无论分析工业生产还是实验室制备，要保证LCA分析数据可靠可信必须依靠高质量的数据和详实的数据库。数据质量包括数据来源和数据的可信程度，虽然实验室操作体量无法与工业生产相比，但对于可重复实验，其数据来源与可信度相当于工业生产中工厂生产报告，均为实际测量的原始数据，数据质量最高。本课题组经过多次试验，水热炭化综纤维素制备水热炭的工艺已基本成熟，因此收集的数据具有较高的质量。其次，本研究采用的GaBi 6.0软件为德国PE-INTERNATIONAL 开发，是目前比较常用的LCA软件之一。该软件拥有非常丰富的数据库，除了核心专业数据库外还有18个按行业区分的扩展数据库，为本研究的分析奠定了良好的基础。

对实验数据进行收集与整理，获得制备1 g水热炭所需原材料和能量消耗的统计数据，为了保证数据的可靠性和完整性，同时考虑后续分析需要，对这些数据进行初步分析、筛选、计算和修正。其中，分析、筛选是指将收集到的数据与软件中的数据进行匹配。以电能的生产为例，我国东北地区主要为火力发电，而软件数据库中电能的生产包括了火力发电、风力发电、水力发电及核电等多个方式，不同发电方式生产单位电能所造成的环境影响是不同的，因此需要选择与实际相匹配的方式。计算和修正主要指对水热炭制备过程中消耗的电能进行计算与修正，实验中电能的消耗主要为烘箱加热，直接数据为加热温度与加热时间，所消耗电能需要计算，且烘箱在加热过程中并非保持恒定功率，保温阶段烘箱的输出功率较低，这些因素都影响数据的准确性，所以需要计算与修正。

在输入量中，生产1 g水热炭过程中主要输入的原料包括木屑、HNO3溶液、去离子水和无水乙醇，其中去离子水主要作为反应媒介和清洗液体，无水乙醇主要作为清洗剂，洗去产物中不溶于水的有机物。能源消耗为电能，通过水浴锅、电热烘箱、磁力搅拌器等实验设备为制备过程提供热能及机械能。环境排放清单主要为废水以及因液体中有机物排放导致的生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)，废气主要来自于硝酸、电能的生产过程，水热炭化过程基本无废气产生。将上述输入、输出数据按照相应分配原则进行分配，折算成生产1 g水热炭的数据，结果如表2所示。

表2 1 g水热炭制备过程的环境负荷数据清单1)Table 2 Environment load data list of 1 g hydrothermal carbon production process

1) 数据来源于笔者计算与GaBi软件，下同the data obtained from calculation and GaBi 6.0, similarly hereinafter

2.2 环境影响评价及结果分析

2.2.1 水热炭制备过程环境负荷组成 运用GaBi 6.0软件对已计算整理完成的水热炭制备过程环境负荷进行建模，见图3。如图3所示，在水热炭制备过程中，环境负荷主要来自去离子水生产、电力生产、无水乙醇生产及硝酸的生产。

图3 水热炭制备过程的环境负荷网络模型Fig. 3 Environment load network model of the process of hydrothermal carbon production

2.2.2 特征化 经过GaBi 6.0软件分析得出水热炭制备过程环境影响的特征化结果见表3。假设整个水热炭制备过程对环境影响值为100 %，通过对比各个步骤对每个环境因子的比例，能分析出各个环节对每个环境因素的贡献率。

表3 水热炭制备过程特征化结果

由表3可知，对于资源消耗，酸预处理、水热炭化和清洗干燥各占8.9 %、6.1 %和85 %；对于环境酸化，酸预处理、水热炭化和清洗干燥各占9.9 %、68.1 %和22 %；对于富营养化，酸预处理、水热炭化和清洗干燥各占10.1 %、67.9 %和22 %；对于温室效应，酸预处理、水热炭化和清洗干燥各占9.7 %、64.6 %和25.7 %；对于臭氧层破坏，酸预处理、水热炭化和清洗干燥各占6.9 %、7.2 %和85.9 %；对于光化学臭氧生成潜力，酸预处理、水热炭化和清洗干燥各占9.7 %、66.6 %和23.7 %。

分析可知，水热炭化阶段对环境酸化、富营养化、温室效应及光化学臭氧生成潜力4个环境影响因子影响较大，均占60 %以上，为主要环境影响步骤；清洗干燥阶段对各环境影响因子都有影响，占资源消耗的85 %，占臭氧层破坏的85.9 %，对其他4个环境影响因子影响占20 %～26 %；酸预处理阶段对各个环境影响因子的贡献较低，均占10 %左右。因此，水热炭化阶段对环境影响贡献值最大，其次是清洗干燥阶段，酸预处理对环境影响贡献值最小。这主要是因为，水热炭化阶段温度较高、时间较长，对电能消耗量较大，清洗干燥在电能的消耗方面也有不小的贡献，而酸预处理过程时间较短，温度较低，因此对电能消耗较少，尽管使用了化学药品，但使用量较少，对环境产生的影响无法与大量的电能消耗相比。

2.2.3 标准化和加权 为了对比水热炭制备各环节的环境影响程度的大小，需要将特征化结果进行标准化和加权。采用GaBi软件中的CML2001-2001-2015方法，对特征化结果进行标准化和加权计算后，得到水热炭产品制备过程中环境负荷标准化及加权后结果见表4。

表4 水热炭环境负荷标准化及加权后结果

由表4可知，整个水热炭制备过程对环境影响由大到小分别为温室效应、环境酸化、光化学臭氧生成潜力、富营养化、资源消耗和臭氧层破坏，其中资源消耗和臭氧层破坏相对其他影响因子很小。水热炭化环节对各环境影响因子的影响均较大，为主要影响环节，其次为清洗干燥环节，酸预处理环节对环境影响贡献较小。可以看出，对温室效应、环境酸化、光化学臭氧生成潜力做出主要贡献的均为水热炭化环节，说明水热炭化环节消耗的大量电能，相比于其他参与到制备过程的资源消耗，是主要环境影响因素。由于在水热炭化获得固体产物的同时，有一定的有机碳溶解在液体中，随着废液一起排放到自然界引起富营养化。电能的使用之所以会对环境造成影响，主要原因是我国主要依靠火力发电，其释放的CO2会加强温室效应，煤炭中的硫元素变成SO2释放到大气中会加剧环境酸化，而NOx则会对光化学臭氧生成潜力造成影响。

3 改善建议

提出的改进工艺主要包括： 1) 提高水热炭产率，由表2可知，采用现有工艺制备1 g水热炭需要3.8 g木屑，产率较低，为26.3 %，提高水热炭产率能降低单位水热炭的环境负荷； 2) 在保证产品性能的同时，探索降低水热炭化温度或缩短水热炭化时间，以降低电能消耗，从而减少水热炭制备过程的环境影响。

4 结 论

以生物质水热炭为研究对象，对其制备阶段的环境影响做出详细的评估和分析。结果表明：水热炭制备过程对6类主要环境影响由大至小分别为温室效应、环境酸化、光化学臭氧生成潜力、富营养化、资源消耗和臭氧层破坏；水热炭制备过程的主要影响因素为电能的消耗。火力发电释放的CO2、SO2及NOx分别对温室效应、环境酸化及光化学臭氧生成潜力做出了很大贡献；水热炭制备过程对环境影响的主要工艺步骤为水热炭化环节。相对于酸预处理及清洗干燥，水热炭化温度高、时间长，消耗电能较大，成为主要影响因素。同时，从节能减排的角度，根据生命周期评价的结果，提出两条实质性意见，希望能对节能减排工作带来实质性的改进。

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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”国家科技支撑计划资助(2015BAD14B05)

于瑞冬(1992— )，男，山东青州人，硕士生，主要从事生物质炭材料研究工作

*通讯作者：郭明辉，教授，博士生导师，主要从事木材学和生物质复合材料研究；E-mail：gmh1964@126.com。

TQ35

A

1673-5854(2017)04-0059-07