微藻生物柴油的生命周期能耗和排放評估

何劍青++龔勛

摘 要：本研究基于可行的微藻柴油生產(chǎn)工藝，建立了一套開放式跑道池微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)。并采用生命周期評估方法，對這套系統(tǒng)生產(chǎn)的微藻生物柴油進(jìn)行了生命周期能耗和排放評估。結(jié)果顯示：在不對副產(chǎn)品加以利用的情況下，該系統(tǒng)生產(chǎn)的微藻生物柴油的生命周期能耗和排放分別高達(dá)：101952.9MJ/ton和10226.3kgCO2eq/ton，其中微藻的培養(yǎng)過程是整個生產(chǎn)過程中能耗和排放最為集中的過程，該過程的能耗和排放占比均超過總能耗和總排放的60%。

關(guān)鍵詞：微藻生物柴油；開放式跑道池；生命周期；能耗；溫室氣體排放

引言

相比于傳統(tǒng)陸生生物質(zhì)原料，微藻具有生長周期短、單位面積產(chǎn)量大、不占用農(nóng)業(yè)耕地等諸多優(yōu)點(diǎn)。使用微藻為原料生產(chǎn)的車用替代燃料，對緩解化石燃料危機(jī)、減少溫室氣體排放有積極作用，備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。目前，微藻生物柴油的中試規(guī)模試生產(chǎn)已經(jīng)取得成功，但是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)尚未實(shí)現(xiàn)。另外，作為水生植物，微藻的含水率極高，剛剛收獲的微藻原料必須經(jīng)過一系列能耗較大的脫水/干燥處理之后才能進(jìn)行后續(xù)的油脂提脂和油脂加工。據(jù)研究[2]顯示，生產(chǎn)微藻柴油過程中，人為投入的能量甚至高于微藻柴油產(chǎn)出的能量。因此為了找到降低微藻柴油生產(chǎn)過程能耗的辦法，為今后微藻能源化利用提供數(shù)據(jù)支持。本文基于可行的微藻柴油生產(chǎn)工藝，建立了一套開放式跑道池微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)。并從生命周期的角度出發(fā)，對這套系統(tǒng)生產(chǎn)的微藻生物柴油的能耗和溫室氣體排放進(jìn)行了計(jì)算和評估。

1 定義對象與邊界

1.1 研究對象

本文建立的微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)采用開放式跑道池對小球藻進(jìn)行培養(yǎng)。收獲的小球藻原料在經(jīng)過脫水、均質(zhì)化處理、油脂提取和轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的一系列工藝過程后，得到最終產(chǎn)物微藻生物柴油以及其他副產(chǎn)品。小球藻的性質(zhì)參數(shù)如表1所示[3]：

表1 小球藻（干藻）的性質(zhì)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)邊界

本文研究的微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界如圖1所示，涵蓋微藻柴油生產(chǎn)和副產(chǎn)品處理的各個過程，微藻柴油生產(chǎn)過程中直接和間接產(chǎn)生的能耗與排放均包含在系統(tǒng)邊界之內(nèi)，廠房建造和系統(tǒng)安裝等過程帶來的能耗和排放則排除在系統(tǒng)邊界之外。各項(xiàng)物資生產(chǎn)過程的化石能源消耗因子和溫室排放因子來自近期相關(guān)文獻(xiàn)[4，5，6]。系統(tǒng)的功能單位定位生產(chǎn)1ton生物柴油。

2 微藻生物柴油的生產(chǎn)流程

2.1 微藻的培養(yǎng)過程

本文選用由Lundquist[7]設(shè)計(jì)的，面積為40000m2的開放式跑道池對微藻進(jìn)行培養(yǎng)。跑道池裝備有由電機(jī)驅(qū)動的漿輪裝置，裝置保持24h不間斷轉(zhuǎn)動，以防微藻發(fā)生沉淀；系統(tǒng)使用附近火電廠排放的煙道氣（12.5Vol%CO2）為微藻的生長提供CO2。尿素和K2HPO4則分別為微藻生長所需的N元素和P元素進(jìn)行補(bǔ)充；開放式跑道池的工作方式為半連續(xù)式：當(dāng)培養(yǎng)液中的微藻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定時，將池中一部分培養(yǎng)液通過水泵送入脫水單元中進(jìn)行收獲。培養(yǎng)液的收獲過程在夜間進(jìn)行，每天收獲量約等于白天微藻的生長量。

整個生產(chǎn)系統(tǒng)一共包含25個跑道池，在此規(guī)模下培養(yǎng)過程的漿輪、水泵以及煙氣輸送等裝置每天共需消耗9575.3kWh的電能。此外，每生產(chǎn)1kg微藻干藻，培養(yǎng)環(huán)節(jié)還需消耗0.165kg尿素，0.045kg磷酸鹽和10.864kg的電廠煙氣。

2.2 微藻的脫水過程

最初收獲的培養(yǎng)液中，微藻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.05%，因此在進(jìn)行下一步處理之前首先要對微藻進(jìn)行脫水和干燥。本研究選用了三步式脫水工藝（絮凝沉淀、可溶性氣體浮選以及機(jī)械離心）對微藻進(jìn)行脫水處理，每一步過程中微藻的殘留率分別為90%、90%和95%[4]。

脫水之后，得到的濃縮藻漿中微藻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至15%，脫水過程中得到的去藻培養(yǎng)液則將匯總集中，送回跑道池中循環(huán)使用。脫水過程中，氣體浮選和機(jī)械離心工藝的電耗分別為：0.15KWh/kg干藻和0.035KWh/kg干藻。

2.3 藻漿的均質(zhì)化過程

微藻的細(xì)胞由厚實(shí)的細(xì)胞壁包裹，為了增加有機(jī)溶劑對微藻油脂的萃取效率，就需要打破微藻細(xì)胞，釋放微藻細(xì)胞的內(nèi)容物。本研究中對微藻的處理方法為高壓均質(zhì)化法，兩次均質(zhì)化處理后微藻細(xì)胞的破碎率達(dá)到95%，均質(zhì)化過程中的能耗為36.1kWh/m3濃縮藻漿。

2.4 油脂提取過程

在這一過程中，本文選取了適用于濕式萃取的正己烷/甲醇混合溶劑[4]作為萃取溶劑對藻漿進(jìn)行油脂提取。萃取溶劑和濃縮藻漿首先將以5：1的比例混合，共同進(jìn)入多級逆流式萃取器中進(jìn)行油脂提取。提取完成后，得到的去脂藻渣由于仍然具有較高的能量，將作為副產(chǎn)品加以利用，而含有油脂的萃取溶劑則將送入氣提塔中進(jìn)行油脂和溶劑的分離。經(jīng)氣提塔分離后，萃取溶劑將重新回到萃取器中再次使用，而分離得到的初級藻油則將進(jìn)入酯交換反應(yīng)階段繼續(xù)加工[8]。

整個油脂提取過程的油脂提取率為95%。每提取1kg初級藻油，油脂提取過程將消耗0.47kWh的熱能和0.069kWh的電能，同時將損失0.52g的正己烷溶劑。

2.5 酯交換反應(yīng)過程

經(jīng)過油脂提后得到的初級藻油的主要成分主要為甘油三酯，需要經(jīng)過酯交換化反應(yīng)后才能供柴油機(jī)使用。鑒于目前微藻柴油均尚未進(jìn)行商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，本文假設(shè)微藻柴油加工過程中的酯交換工藝與大豆生物柴油生產(chǎn)過程中的酯交換工藝類似[5]，使用甲醇在催化劑的催化下同甘油三酯發(fā)生酯交換反應(yīng)。

2.6 副產(chǎn)品的利用

微藻生物柴油生產(chǎn)過程中，除了主產(chǎn)物生物柴油外，還會產(chǎn)生去脂藻渣和甘油這兩種副產(chǎn)品。這兩種副產(chǎn)品均存在較高的利用價(jià)值，需要進(jìn)行合理的分配和利用。

副產(chǎn)品之一的去脂殘?jiān)旧砣跃哂休^高的能量，但是由于其含水量較高（高達(dá)88%），難以直接利用。因此本文將采用厭氧發(fā)酵[4]的方式對其進(jìn)行處理，發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣和殘?jiān)鼘⒎謩e作為發(fā)電燃料和有機(jī)肥料供整個系統(tǒng)使用，以減少電能和肥料的消耗。

另一種副產(chǎn)品甘油則是一種常見的化工原料。本文中將采用產(chǎn)品替代法將作為副產(chǎn)品的甘油進(jìn)行替代，替代的對象為傳統(tǒng)石油基甘油產(chǎn)品。

3 結(jié)果討論

3.1 微藻生物柴油生命周期的能耗與排放結(jié)果

根據(jù)第二節(jié)中給出的生產(chǎn)流程參數(shù)以及各項(xiàng)物資的能耗與排放數(shù)據(jù)清單，計(jì)算得到的微藻柴油生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的化石燃料能耗和溫室氣體排放結(jié)果如圖2所示：

由圖2可知，以微藻生物柴油作為唯一產(chǎn)品，在不考慮副產(chǎn)品的使用的情況下：1ton微藻柴油的生命周期化石燃料能耗和溫室氣體排放分別為101952.9MJ/ton和10226.3kgCO2eq/ton。鑒于每噸微藻柴油自身的低位發(fā)熱量只有37200MJ，此時系統(tǒng)的能量產(chǎn)出輸入比只有36.5%，系統(tǒng)不具備運(yùn)行的可行性。

從化石燃料消耗的角度來看，由于化肥的大量使用，微藻培養(yǎng)過程是整個生產(chǎn)流程中耗能最為密集的過程，整個種植過程共產(chǎn)生了66789.1MJ/ton的化石能耗，高達(dá)總能耗的65.5%，遠(yuǎn)高于耗能第二高的藻漿均質(zhì)化過程（占比10.6%）。在所有過程中，油脂提取過程產(chǎn)生的化石能耗最低，僅為總能耗量的2.6%；需要特別指出的是，對副產(chǎn)品的使用能夠?yàn)檎麄€系統(tǒng)帶來大量能量收益，生產(chǎn)1ton微藻柴油過程中，產(chǎn)生的副產(chǎn)品總共能夠?yàn)橄到y(tǒng)帶來94464.9MJ的化石燃料收益，可以抵消掉整個生產(chǎn)過程中92.6%的化石燃料消耗。因此可以得出結(jié)論：微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果對生產(chǎn)的副產(chǎn)品加以分配和利用，整個系統(tǒng)向外輸出的能量將大于系統(tǒng)自身消耗的化石燃料能量，系統(tǒng)可以持續(xù)運(yùn)行。

從溫室氣體排放的角度來看，種植過程也是整個微藻柴油生產(chǎn)過程中溫室氣體排放量最大的過程，貢獻(xiàn)了60%以上的排放。這一過程中，肥料的使用產(chǎn)生的排放最為突出，單獨(dú)占到了總排放量的39.4%。同樣，副產(chǎn)品的使用也能給系統(tǒng)帶來大量的溫室氣體排放收益，總共為4220.9kgCO2eq/ton。此外，由于微藻生長過程中需要吸收大量的CO2，系統(tǒng)每生產(chǎn)1ton微藻柴油從外界額外消耗16100kg CO2，足以抵消掉整個生產(chǎn)過程產(chǎn)生的當(dāng)量CO2排放量。

3.2 敏感性分析

為了辨識各個變化參數(shù)對微藻柴油生命周期影響程度的大小，找到降低能耗和排放的最佳途徑。本文選取了包括微藻單位面積產(chǎn)量在內(nèi)的7個參數(shù)對微藻柴油的生命周期化石燃料能耗和溫室氣體排放量進(jìn)行了敏感性分析，研究的參數(shù)及其取值范圍如表2所示，除微藻單位產(chǎn)量這一參數(shù)外，其他參數(shù)的上下限取值均為各自基準(zhǔn)值的±50%。

圖3和圖4分別顯示了各項(xiàng)參數(shù)的取值變化對生產(chǎn)微藻生物柴油的生命周期化石燃料消耗和溫室氣體排放結(jié)果的影響（敏感先分析中對有機(jī)肥進(jìn)行了回收，但不考慮其他副產(chǎn)品的使用）。

分析圖3可以知，在所有變化參數(shù)中，對微藻柴油生命周期化石燃料消耗這一指標(biāo)有較大影響的參數(shù)包括：微藻含油量、微藻單位產(chǎn)量、跑道池中水流的循環(huán)速度以及N元素的循環(huán)比例這四個參數(shù)。其他三個參數(shù)對生命周期化石燃料消耗的影響極小，可以忽略不計(jì)。

在影響較大的這幾個參數(shù)中，通過提高微藻的含有油量、降低循環(huán)水流速、增大發(fā)酵藻渣中N元素的循環(huán)比例能夠在最大程度上減小生命周期能耗。

圖4反映的敏感性情況與圖3類似。對微藻柴油的生命周期排放這一指標(biāo)而言，影響較大的幾個參數(shù)同樣依次為：微藻含油量、微藻單位面積產(chǎn)量、跑道池水流的循環(huán)速度和N元素的循環(huán)比例。其他三項(xiàng)參數(shù)對指標(biāo)影響不大，因此減小生命周期溫室氣體排放的途徑和減少化石燃料消耗的途徑類似，包括提高微藻的含油量，稍微降低跑道池中水流速度以及增加發(fā)酵藻渣中N元素的循環(huán)比例。

4 結(jié)束語

基于可行的微藻柴油生產(chǎn)工藝，本文建立了一套開放式跑道池微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)。采用生命周期評估方法，本文對這套系統(tǒng)生產(chǎn)的微藻生物柴油進(jìn)行了生命周期能耗和排放評估。得到的主要結(jié)論如下：

（1）本文建立的微藻柴油生產(chǎn)系統(tǒng)包含微藻的培養(yǎng)、藻漿的脫水、藻漿均質(zhì)化、油脂提取、藻油的轉(zhuǎn)酯化等過程。系統(tǒng)每生產(chǎn)1ton微藻柴油需要消耗干重為5.98ton的微藻原料，同時生成3.57ton的脫脂藻渣和0.1ton的甘油副產(chǎn)品。

（2）在不對副產(chǎn)品加以利用的情況下，該系統(tǒng)生產(chǎn)的微藻柴油的生命周期能耗和溫室氣體排放分別為：101952.9MJ/ton和10226.3kgCO2eq/ton，微藻的培養(yǎng)過程是整個生產(chǎn)過程中能耗和排放最為集中的過程；生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品能夠給系統(tǒng)帶來巨大的能耗和排放收益，如果對副產(chǎn)品全部加以利用，足以抵消掉生產(chǎn)過程中的能耗和排放。因此為了維持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，必須對副產(chǎn)品進(jìn)行充分的利用。

（3）減少微藻柴油生命周期化石燃料消耗和溫室氣體排放的途徑類似，提高微藻的含油量，在不影響生產(chǎn)的情況下降低跑道池中水流速度以及增加N元素的循環(huán)比例均能有效降低能耗并減少排放。

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