詹梨蘋, 趙銳, 祝仟, 等. 基于廚余垃圾發(fā)酵沼渣熱解過程模擬的生命周期評價研究[J]. 中國測試，2022, 48(10): 1-7.
ZHAN Liping, ZHAO Rui, ZHU Qian, et al. Life cycle assessment based on pyrolysis process simulation of food waste fermentation
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作者簡介：詹梨蘋（1995-），女，四川宜賓市人，博士研究生，專業(yè)方向為固體廢物管理與處置。
通訊作者：趙銳（1983-），男，四川南充市人，教授，博士，研究方向為固體廢物管理與處置。
基于廚余垃圾發(fā)酵沼渣熱解過程模擬的生命周期評價研究
詹梨蘋1 趙銳1 祝仟1 景凌云1
蔣啟帆1 楊天學(xué)2
1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院
2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院固廢分質(zhì)利用與污染控制研究室
基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目 (2019YFC1905600)；四川省青年科技創(chuàng)新團隊(2022JDTD0005)；四川省區(qū)域合作項目(2022YFQ0040)；四川循環(huán)經(jīng)濟研究中心課題資助 (XHJJ-2002，XHJJ-2005)；中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金 (2682021CX069，2682021ZTPY088)
摘要：該研究以城市廚余垃圾厭氧發(fā)酵沼渣為研究對象，利用Aspen Plus軟件建立沼渣熱解的過程模型，探究熱解溫度和氣氛對沼渣熱解產(chǎn)物的影響。在此基礎(chǔ)上，利用生命周期評價方法融合過程模擬結(jié)果，對沼渣熱解的環(huán)境影響和成本效益開展量化評價，以期為沼渣熱解工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：沼渣熱解生物炭產(chǎn)率模擬值與實驗值的相對誤差為10.05%；在350 ℃至500 ℃范圍內(nèi)，生物炭產(chǎn)率隨溫度升高逐漸降低；在N2氣氛中通入CO2氣體會降低生物炭產(chǎn)率。沼渣熱解對全球變暖、環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化的環(huán)境影響潛值分別為1.810×10–2、1.520×10–2和6.100×10–4。沼渣熱解的生命周期成本效益為–98元/t，說明其技術(shù)經(jīng)濟效益水平相對較低。
關(guān)鍵詞：沼渣；熱解；過程模擬；Aspen Plus；生命周期評價
0 引言
沼渣作為厭氧發(fā)酵殘余物，因其產(chǎn)量大、有機物含量高、營養(yǎng)元素豐富，具有較高的資源化潛力[1-2]。一般而言，沼渣的資源化利用途徑主要包括飼料制備、直接還田、堆肥、熱解等[3-6]。其中，熱解可在惰性氣氛和高溫條件下將有機固廢熱分解為生物炭、熱解氣和生物油等多元化資源，被視為熱化學(xué)轉(zhuǎn)化中最可行的方式之一[7]。探究沼渣熱解產(chǎn)物與關(guān)鍵影響因素之間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系，量化熱解全生命周期的環(huán)境和經(jīng)濟效益，可為沼渣熱解技術(shù)規(guī)�；茝V提供重要科學(xué)依據(jù)。
目前，針對沼渣的熱解研究主要基于熱解實驗，但因沼渣熱解過程復(fù)雜，測試成本較高，難以對熱解過程影響因素、過程環(huán)境影響等進行有效評估[8]。過程模擬剛好可以彌補上述問題，通過模擬軟件完整建立整個反應(yīng)流程，可有效降低實驗成本，還可根據(jù)模擬結(jié)果對流程進行實時優(yōu)化[9-10]。Aspen Plus作為常用的流程模擬軟件，因操作簡單、適用性強，且能利用內(nèi)置的反應(yīng)單元模塊對復(fù)雜物理化學(xué)過程進行模擬，已被應(yīng)用于有機固廢熱解的過程模擬中[11-12]。例如，Kabir等[13]和Adeniyi等[14]基于生物質(zhì)熱解原理，借助Aspen Plus分別模擬了溫度、生物質(zhì)組分和原料粒徑等不同控制條件下的農(nóng)林廢棄物熱解制備生物油過程，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有較高的一致性。同時，Adeniyi等[15]和AlNouss等[16]基于Aspen Plus開發(fā)了果蔬廢物熱解的過程模型，預(yù)測了莖、葉和果皮等不同廢物組合產(chǎn)生的熱解生物炭和產(chǎn)氣量。此外，相關(guān)研究表明，基于Aspen Plus的過程模擬還可為熱解技術(shù)工藝評價其潛在的環(huán)境影響和經(jīng)濟效益提供邊界劃分和數(shù)據(jù)支撐[17-18]。Sajid等[19]在麻風(fēng)樹油和廢棄食用油熱解過程模擬的基礎(chǔ)上，利用生命周期評價方法(LCA)對二者環(huán)境影響進行了對比分析。Han等[20]基于Aspen Plus分別對生物質(zhì)傳統(tǒng)熱解系統(tǒng)和資源節(jié)約型熱解系統(tǒng)進行了建模，并基于LCA比較了兩個系統(tǒng)的環(huán)境影響。Khan等[21]利用Aspen Plus的模擬結(jié)果，驅(qū)動生命周期成本分析，對有機固廢熱解制備生物油過程開展了技術(shù)經(jīng)濟評估。Liu等[8]在Aspen Plus所建熱解模型的基礎(chǔ)上，分別對稻草和甘蔗熱解制備生物炭的經(jīng)濟成本進行了比較。
上述研究為本文提供了重要的方法借鑒，但針對沼渣熱解的過程分析還鮮有報道。特別是隨著全球氣候變化加劇，廢物資源循環(huán)利用已成為推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要環(huán)節(jié)[22]。沼渣熱解技術(shù)可將廢物轉(zhuǎn)化為再生能源，通過研究其過程工藝的環(huán)境和經(jīng)濟效益，對探索能源替代、緩解氣候危機具有重要的科學(xué)意義。本研究擬采用Aspen Plus軟件建立沼渣典型的熱解過程反應(yīng)模型，探究沼渣熱解產(chǎn)物在不同溫度和氣氛條件下的變化規(guī)律，利用生命周期評價方法對沼渣熱解過程的環(huán)境影響和經(jīng)濟效益展開分析，以期為沼渣熱解工藝開發(fā)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究方法
1.1 沼渣熱解過程模擬
本研究以餐廚垃圾厭氧發(fā)酵后的沼渣為研究對象，根據(jù)熱解工藝的基本原理，將沼渣熱解工藝簡化為干燥、熱解和產(chǎn)物分離3個主要環(huán)節(jié)[23]。利用Aspen Plus 軟件對沼渣熱解過程進行模擬，并使用實驗數(shù)據(jù)驗證所建模型的合理性。原料成分、粒徑、熱解溫度、熱解氣氛和催化劑等因素會不同程度地影響熱解產(chǎn)物的產(chǎn)量[24-25]。本文根據(jù)Aspen Plus軟件對運行參數(shù)的可調(diào)控性，以及明確實驗原材料的情況下，重點探究熱解溫度和氣氛條件對熱解生物炭產(chǎn)率的影響規(guī)律。整個熱解過程遵循熱化學(xué)平衡、物料平衡以及相平衡。由于熱解過程非常復(fù)雜，涉及的工藝參數(shù)和反應(yīng)較多，為簡化Aspen Plus建模過程，本文做出如下假設(shè)：
1）所有反應(yīng)遵循吉布斯自由能最小化原理。
2）管道首端與末端壓力相等，管道壓力損耗為0。
3）熱解焦油產(chǎn)量忽略不計，焦油組成元素除C外全部轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。
4）設(shè)定灰分為狀態(tài)穩(wěn)定，不發(fā)生反應(yīng)，不參與熱解過程。
5）原料熱解反應(yīng)完全且快速達到平衡狀態(tài)，所有模塊均為穩(wěn)定反應(yīng)狀態(tài)。
利用Aspen Plus中單元反應(yīng)模塊構(gòu)建模擬流程，如圖1所示。其中，沼渣(BR)和N2進入Dryer模塊，在此受熱發(fā)生脫水反應(yīng)被干燥；產(chǎn)生的廢水(WET-AIR)通過上口排放，干燥物料(DRY-BR)進入RYield模塊發(fā)生受熱分解反應(yīng)；被完全分解的物質(zhì)(INBURNER)進入RGibbs模塊中利用吉布斯自由能原理進行模擬重組；模擬重組所得產(chǎn)物(PRODUCTS)根據(jù)物流線輸入至Ssplit分流器，在該模塊中發(fā)生氣固分離，最終得到固態(tài)產(chǎn)物生物炭(BIOCHAR)和氣態(tài)產(chǎn)物(GAS)。
圖1 沼渣低溫?zé)峤饽M流程
由于沼渣屬于Aspen Plus數(shù)據(jù)庫中的非常規(guī)物質(zhì)，需根據(jù)其工業(yè)分析和元素分析數(shù)值，進一步轉(zhuǎn)化為軟件可識別的常規(guī)組分[26]。本文沼渣熱解過程模擬所采用的數(shù)據(jù)來源于團隊所做實驗研究，其工業(yè)分析和元素分析如表1所示[27]。
表1 沼渣的工業(yè)分析與元素分析
1.2 生命周期評估
本研究利用LCA量化沼渣熱解過程的環(huán)境影響，識別主要環(huán)境影響的貢獻環(huán)節(jié)。根據(jù) ISO 14040: 2006定義的基本原則，整個生命周期評估過程包括目標和范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評估和數(shù)據(jù)解釋4個部分[28]。
1.2.1 目標與范圍定義
本文生命周期評價目標是對沼渣熱解過程的物質(zhì)、能量輸入以及污染物排放產(chǎn)生的環(huán)境影響進行評價，評價范圍包括沼渣從產(chǎn)生后被收集運輸，在熱解工藝中發(fā)生干燥、熱解，到產(chǎn)物分離的整個過程，對應(yīng)的生命周期邊界見圖2。假設(shè)餐廚垃圾在厭氧消化前已經(jīng)過分選，沼渣產(chǎn)生之后即刻進入系統(tǒng)邊界。本研究中生命周期評價的功能單位為1 t沼渣。
圖2 沼渣熱解過程的系統(tǒng)邊界
1.2.2 生命周期清單分析
清單分析的核心是建立以功能單位表達的目標系統(tǒng)的輸入和輸出[29]。沼渣熱解各環(huán)節(jié)的排放清單見表2。其中，收集及運輸環(huán)節(jié)的環(huán)境排放為消耗燃油產(chǎn)生的間接排放，本文考慮采用5 t載重運輸車，油耗為5 km/L，燃油類型為柴油，運輸距離設(shè)定為10 km，根據(jù)eBalance自帶的中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫所提供的生命周期清單數(shù)據(jù)計算得出該環(huán)節(jié)的環(huán)境影響；干燥和熱解環(huán)節(jié)的環(huán)境排放為消耗電能產(chǎn)生的間接排放，根據(jù)1.1節(jié)中熱解工藝過程設(shè)置的具體參數(shù)，結(jié)合eBalance內(nèi)置的CLCD數(shù)據(jù)庫所提供的生命周期清單數(shù)據(jù)可核算其對應(yīng)的環(huán)境影響；產(chǎn)物分離環(huán)節(jié)主要是熱解產(chǎn)生的生物炭和不凝性氣體，其中生物炭可作為資源被回收，實際的環(huán)境排放為熱解產(chǎn)生的廢氣，對應(yīng)的排放量由Aspen Plus模擬得出。
表2 沼渣熱解的環(huán)境排放清單(基于1 t沼渣)
1.2.3 生命周期影響評估
根據(jù)生命周期清單分析可知，沼渣熱解過程的主要環(huán)境排放物為CO、CH4、CO2、SO2和NOx等，而環(huán)境影響類型是各排放因子的綜合作用結(jié)果。因此，本文重點關(guān)注的環(huán)境影響類型主要包括全球變暖、環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化3個方面，分別使用CO2、SO2和NO3–當(dāng)量來量化3種類型的環(huán)境影響潛值[30]。各環(huán)境影響類型清單物質(zhì)及參照物質(zhì)如表3所示，本研究使用eBalance軟件建立沼渣熱解生命周期評估模型，確定熱解過程的各類環(huán)境影響潛值。
表3 各類環(huán)境影響指標的特性與信息
2 結(jié)果與討論
2.1 模擬結(jié)果
為驗證模型有效性，本研究在Aspen Plus軟件中設(shè)置的模擬參數(shù)輸入數(shù)據(jù)與實驗參數(shù)保持一致：進料速度為10000 kg/h，空氣溫度為25 ℃，N2流量為50000 kg/h，流程壓力均為101 kPa，熱解溫度為500 ℃。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)沼渣熱解生物炭產(chǎn)率模擬值與實驗值之間的相對誤差僅為10.05%。模擬結(jié)果相對較低，可能的原因在于實驗研究中添加了CaO、K2CO3等添加劑，金屬離子黏附在生物質(zhì)表面，會改變生物質(zhì)本身的空隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其升溫速率降低，從而對熱解過程中的傳熱和傳質(zhì)產(chǎn)生影響[31]。相關(guān)研究表明，在相同熱解條件下，添加催化劑能夠顯著提升熱解產(chǎn)物焦炭的產(chǎn)量[32-33]。但本研究在Aspen Plus建模時，已假設(shè)熱解反應(yīng)過程快速達到平衡狀態(tài)，反應(yīng)溫度保持不變，未考慮添加劑以及溫度停留時間對沼渣熱解過程的影響。
表4 沼渣熱解模擬結(jié)果與實驗結(jié)果
2.2 溫度對沼渣熱解生物炭產(chǎn)率的影響
溫度作為熱解過程最關(guān)鍵的控制變量，對熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率和品質(zhì)具有顯著影響[34]。顏蓓蓓等[35]的研究表明，熱解炭的制備溫度一般在300~500 ℃。為進一步探究熱解溫度對沼渣生物炭產(chǎn)率的影響，本研究選擇350~500 ℃進行模擬研究。在Aspen Plus軟件中對熱解反應(yīng)器中的溫度進行設(shè)置，從350 ℃開始，每隔10 ℃設(shè)置一個溫度，直到500 ℃。
圖3是沼渣生物炭產(chǎn)率在350~500 ℃范圍內(nèi)的變化趨勢。隨著熱解溫度的升高，生物炭產(chǎn)率逐漸降低，從350 ℃的53.08%下降到500 ℃的47.21%，這與Choi 等[36]的研究結(jié)論一致。出現(xiàn)此趨勢是由于溫度升高，原料中的有機物逐漸分解氣化，初始分解產(chǎn)生的炭發(fā)生二次分解，導(dǎo)致生物炭的產(chǎn)率不斷降低[37]。王菁等[38]在利用生物質(zhì)熱解制備生物炭時也發(fā)現(xiàn)，350℃時生物炭產(chǎn)率最高，為54.06%，略高于本研究模擬結(jié)果。這可能是因為生物質(zhì)中纖維素和木質(zhì)素等成分含量較高，其往往具有更高的熱解產(chǎn)物量[39]。
圖3 生物炭產(chǎn)率隨溫度變化趨勢
2.3 氣氛對沼渣熱解生物炭產(chǎn)率的影響
除熱解溫度之外，氣氛也是影響熱解過程的重要因素之一[40]。本研究在N2氣氛的基礎(chǔ)上，通入另一種常用的反應(yīng)氣氛CO2，探究其對沼渣生物炭產(chǎn)率的影響。設(shè)定反映模型的溫度為500 ℃，CO2在混合氣氛中的占比從0逐漸增加到1，增長梯度為0.1。圖4是沼渣生物炭產(chǎn)率隨CO2體積分數(shù)的變化趨勢。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著CO2體積分數(shù)的不斷增大，生物炭的產(chǎn)率逐漸下降，由純N2氣氛下的47.21%降至純CO2氣氛下的46.35%。這是由于在純N2氣氛中加入CO2推動了熱解初始階段的脫水脫氣反應(yīng)，有助于熱解氣化反應(yīng)的進行，減少了生物炭的產(chǎn)生量[41]。王思怡等[42]和賈里等[43]通過熱解實驗也證實，與Ar和N2相比，在CO2氣氛下物質(zhì)熱解氣化效率更高。較熱解溫度而言，氣氛對熱解產(chǎn)物收率影響更小，這與劉雨豪等[41]的研究結(jié)果一致。
圖4 生物炭產(chǎn)率隨CO2體積分數(shù)變化趨勢
2.4 生命周期環(huán)境影響評價結(jié)果
為統(tǒng)一各環(huán)境影響類型間的量綱，便于比較相對大小，本文根據(jù)1990年世界人均環(huán)境影響作為基準值[44]，對所有環(huán)境影響類型進行標準化，結(jié)果如表5所示�？梢钥闯觯釉鼰峤馊芷趯θ蜃兣呢暙I最大，其次是環(huán)境酸化，富營養(yǎng)化最小。沼渣熱解主要的4個環(huán)節(jié)中，收集及運輸、干燥和熱解均對環(huán)境酸化相對貢獻最大，其次是全球變暖和富營養(yǎng)化，產(chǎn)物分離環(huán)節(jié)因環(huán)境排放物僅有CO2、CH4和CO，故本研究只考慮了對全球變暖的貢獻。
表5 沼渣熱解環(huán)境影響潛值
圖5是沼渣熱解各環(huán)節(jié)環(huán)境影響潛值分別在全球變暖、環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化指標中所占比例。對于全球變暖，熱解環(huán)節(jié)的貢獻度最大，占比為49.53%，其次為產(chǎn)物分離環(huán)節(jié)、干燥環(huán)節(jié)、收集及運輸環(huán)節(jié)，貢獻度分別為34.27%、15.13%、1.07%；對于環(huán)境酸化，熱解環(huán)節(jié)貢獻占比高達75.52%；對于富營養(yǎng)化，熱解環(huán)節(jié)依然貢獻較大，占比為75.00%。這也是由于熱解環(huán)節(jié)本身是核心單元環(huán)節(jié)，熱解裝置需消耗電能以滿足熱解爐穩(wěn)定運行，故在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生的能耗最大。
圖5 沼渣熱解各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響貢獻
2.5 討論
為進一步評估沼渣熱解制備生物炭的技術(shù)經(jīng)濟效益，本研究以某生活垃圾熱解企業(yè)為例，對沼渣熱解過程的成本效益展開分析。通過實地調(diào)研獲取企業(yè)的運營基本信息，結(jié)合模型模擬結(jié)果，測算得到沼渣熱解成本和收益，結(jié)果如表6所示。熱解工藝投入成本主要包括投資成本、材料成本、維修成本、人工成本、能源成本和折舊成本，產(chǎn)出收益包括政府補貼和產(chǎn)品收益。圖6為熱解投入成本和產(chǎn)出收益構(gòu)成情況。從圖6(a)可以看出，熱解工藝投入成本中投資成本、折舊成本和能源成本占比較大，分別為28.15%、26.75%和24.72%，對應(yīng)成本值分別為86.76元/t、82.42元/t和76.18元/t。產(chǎn)出收益中政府補貼和產(chǎn)品收益占比分別為71.37%和28.63% (圖6(b))。由沼渣熱解成本和收益可知，其經(jīng)濟效益為-98元/t，表明沼渣熱解制備生物炭在邊際收益上不具備優(yōu)勢�？赡茉蛟谟跓峤庋b置的成本整體較高，且后續(xù)的維護和折舊費用也處于較高水平[21]。此外，沼渣熱解產(chǎn)品的下游利用途徑尚顯單一，僅考慮了沼渣生物炭作為土壤改良劑的收益。
表6 沼渣熱解工藝成本和收益
圖6 沼渣熱解工藝成本和收益構(gòu)成情況
為推動沼渣熱解工藝規(guī)�；瘧�(yīng)用，除提升補貼政策的支持力度外，還應(yīng)重點考慮優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)和裝置，提升熱解工藝設(shè)備的自動化，減少成本投入的同時降低能耗。其次，應(yīng)結(jié)合熱解產(chǎn)物產(chǎn)率對影響條件的響應(yīng)規(guī)律，優(yōu)化工藝運行參數(shù)，以增加產(chǎn)物產(chǎn)量。此外，應(yīng)逐漸將熱解產(chǎn)品由單一生物炭向熱解氣、生物油等多元高附加值再生資源轉(zhuǎn)化，拓展熱解產(chǎn)物利用途徑，以提升沼渣熱解的產(chǎn)品收益。
3 結(jié)束語
本研究基于Aspen Plus對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼渣進行了熱解模擬研究，建立了熱解過程反應(yīng)模型，并重點探究了熱解產(chǎn)物在溫度和氣氛變化下的演變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上利用生命周期評價方法量化了沼渣熱解各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響。得出如下主要結(jié)論：
1）沼渣熱解模擬生物炭產(chǎn)率與實驗研究結(jié)果具有較高的一致性。在350~500 ℃熱解溫度范圍內(nèi)，沼渣生物炭產(chǎn)率隨溫度升高而逐漸降低，從350 ℃的53.08%下降到500 ℃的47.21%；在 N2氣氛中通入不可燃氣體CO2會降低熱解生物炭產(chǎn)率，由N2氣氛下的47.21%降至CO2氣氛下的46.35%。
2）沼渣熱解全生命周期對全球變暖的貢獻最大，其次是環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化；各環(huán)節(jié)對3種環(huán)境影響類型的貢獻度差異較大，其中全球變暖環(huán)境影響潛值占比排序為：熱解>產(chǎn)物分離>干燥>收集及運輸，環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化環(huán)境影響潛值排序均為：熱解>干燥>收集及運輸。
3）按功能單位1 t測算，沼渣熱解生命周期經(jīng)濟效益為–98元，技術(shù)經(jīng)濟效益處于較低水平。其中，投入成本中占比較大的是投資成本，為86.76元/t，其次是折舊成本和能源成本，分別為82.42元/t和76.18元/t。
受限于實驗數(shù)據(jù)的可獲性以及軟件參數(shù)的可調(diào)控性，本文對沼渣熱解影響因素的考慮還不夠充分。后續(xù)研究將持續(xù)完善實驗設(shè)計，補充相關(guān)影響因素的梯度實驗，揭示沼渣的熱解機理，通過實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化Aspen Plus建模，嘗試細化過程單元的反應(yīng)機制，以提升模型的適應(yīng)性和有效性。此外，沼渣的資源化利用途徑較多，本文開展的生命周期分析僅關(guān)注了熱解自身的環(huán)境影響和成本效益，缺乏與其他資源化路徑的對比。后續(xù)研究將探索挖掘沼渣熱解技術(shù)的節(jié)能減排潛力，同時拓展多種典型資源化技術(shù)的生命周期建模，對比分析各自在技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟的特點，以期為選擇合適的資源化路徑提供參考。
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