基于LCA的微藻固碳及能源化利用对环境影响的研究

发布时间：2020-06-07 11:49

【摘要】：随着我国经济的快速发展,化石燃料的不断消耗导致了大量的CO_2排放,从而引发的全球变暖和能源危机已经严重影响到了我国社会的进步和经济的发展。因此,CO_2减排和开发可再生能源作为改变这一现状的必要措施迫在眉睫。微藻由于其光合效率高、生长速度快、油脂含量高等特点,在CO_2减排和生产可再生能源方面具有非常大的优势。因此,大力发展微藻产业将对我国的气候改善和能源结构调整有着重大的意义。然而微藻的生长受地理气候因素的影响较大,并且微藻在生长和能源化利用过程中会伴随着能量和物质的投入,这将导致其他的环境问题发生。因此,结合我国的实际地理气候特点对我国微藻生长潜力进行评估,并以生命周期的视角分析微藻固碳及能源化利用过程中存在的环境问题,对我国发展微藻技术进行碳减排和缓解能源危机具有重要的意义。本文首先根据微藻的生长特性,构建了基于太阳辐射、温度、相对湿度、风速、云量等气候因素的微藻生长模型,结合我国各地区1981-2010年的累年气象数据,估算了我国各地区的微藻产率、微藻固碳量和微藻生物柴油的产量。研究结果表明:在地域分布上来看,由于温度限制的原因,我国北方地区、西北部地区、东北部地区不适合发展户外开放式跑道池进行微藻培养。而在我国中部地区及南部沿海一带由于具有良好的光照和气温条件,则适合微藻的户外培养。根据模型计算可得,微藻的理论生长率为5.2-31.7 g/(m~2?d),微藻理论固碳量为34.7-211.8 t/(hm~2?a),微藻生物柴油的理论产量为3923.5-23764.9 L/(hm~2?a)。在微藻养殖的集中地区,海南省由于其良好的地理气候条件,是目前我国最适合发展户外开放式跑道池培养微藻的地区。为了进一步分析微藻固碳及生产生物柴油的环境可持续性,本文基于商业可行的户外跑道池微藻培养技术和生物柴油炼制技术,构建了一套微藻固碳生产生物柴油的系统,并运用生命周期评价方法(Life cycle assessment,LCA)研究了微藻固碳生产生物柴油的资源消耗及环境释放行为。采用CML2001环境影响评价模型并选择全球变暖、酸化、富营养化、化石能源耗竭潜和光化学氧化等5种环境影响类型,考察该系统对环境的影响,并通过热点问题识别和敏感性分析确定系统中关键环境问题及产生的环节。LCA评价结果表明,所构建的系统生产1 t微藻生物柴油消耗最多的不可再生能源是硬煤,消耗量为1.06×10~3 kg,其次是天然气,消耗量为4.19×10~2 m~3;向环境排放最多的污染物是CO_2,为6.68×10~3 kg,其次是CH_4,排放量为1.90×10~1 kg。由于微藻固碳带来的环境信用,使得整个生命周期过程的碳减排效益为2.19 t CO_2/t微藻生物柴油。生产1 t微藻生物柴油全生命周期的GWP、AP、EP、POCP、ADPfossil和总环境影响分别为-2.19×10~3 kg CO_2-Equiv、1.72×10~1 kg SO_2-Equiv、1.25 kg PO_4~(3-)-Equiv、7.50×10~(-1) kg C_2H_4-Equiv、4.82×10~4 MJ、1.94×10~(-9),其中对总环境影响贡献最大的环节是微藻培养,贡献最大的环境影响类型为ADP fossil。而生产1 t传统石化柴油全生命周期的GWP、AP、EP、POCP、ADPfossil和总环境影响分别为为4.48×10~2 kg CO_2-Equiv、7.67 kg SO_2-Equiv、4.12×10~(-1) kg PO_4~(3-)-Equiv、3.42×10~(-1) kg C_2H_4-Equiv、4.98×10~4 MJ、2.01×10~(-9)。通过与传统石化柴油相比表明,使用微藻生物柴油代替传统石化柴油具有一定的环境改善作用。微藻生物柴油全生命周期的热点问题位于微藻培养阶段和微藻收获阶段,减少肥料的使用量和降低整个生命周期的电耗是降低微藻生物柴油全生命周期环境负荷的主要方式。
【图文】：

框架图,生命周期评价,框架图,微藻

图 1-2 生命周期评价框架图期评价在微藻能源化利用的研究现状固碳及能源化利用有助于缓解温室效应和能源危机用的过程中要投入一定的能量和物质，这可能会在一势，因此非常有必要从生命周期的角度分析微藻固碳等人[64]对微藻种植过程进行生命周期评价，发现主要和肥料的消耗。Sander 等人[65]采用干藻提油的方式对算，发现大量的能量密度集中在微藻干燥步骤。Jor应器和开放式跑道池培养微藻生产生物柴油进行了同产量的生物柴油时，开放式跑道池更加节能经济微藻生物柴油生命周期能量和碳足迹进行了评估，发，可增加生产微藻生物柴油的经济性。Lardon 等人

软件界面

2.3 GaBi 软件建模步骤由于 GaBi 软件的功能十分强大，并且本研究中微藻生物柴油的生产单较多，，输入的能量流和物质流较多，因此使用 GaBi 软件对微藻生物柴油周期过程进行过程建模就会显得比较复杂。故对 GaBi 软件的建模步骤作述。目前由于我国对企业清洁生产的严格管制，生命周期评价在我国的多个均得到了应用，GaBi 软件中国地区的用户逐渐增多，因此随着软件的升其界面可以用中文编辑。但是由于这款软件中嵌套的数据库大多是国外数中国相关的数据只占很少一部分，因此数据目录用英文显示。GaBi8.0 软界面如图 2-3 所示，建模的主要对象类型有方案（Plans）、流程（ProcessFlows）三类。其中“Process（流程）”和包含流程的“Plan（方案）”是件建立产品分析模型的基础模块，各个模块之间须通过另一个次目录“Flow流）”，建立相互之间的关联关系。GaBi 软件中 Plan、Process 和 Flow 的逻辑关系如图 2-4。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK01;X701;X820.3

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