发布日期：2018-11-19 10:03 来源：活性炭网 作者：活性炭网 浏览数：
背景 生物喷气燃料正在成为石油基燃料的有价值替代品，因为它们有可能减少温室气体排放和化石燃料依赖。 在这项研究中，来自美国太平洋西北部斜线桩的残留木质生物质被用作生
在可再生基于生物质的生物燃料减缓气候变化和减少化石燃料的依赖越来越大的兴趣，推动了对更好地了解其环境影响[的需要1 - 4 ]。生物燃料正在成为石油基运输燃料的一种重要替代品，其主要是由玉米淀粉生产的乙醇，通常称为常规生物燃料。在全球范围内，生物燃料在遵守旨在减缓气候变化和减少化石燃料依赖的政策方面发挥着重要作用。鉴于航空旅行带来的高碳足迹和航空业的快速增长，航空生物燃料在私营和公共部门都受到了极大的关注[ 5 ]。
航空燃料的质量要求比公路运输中使用的燃料更严格[ 5]。生物喷气燃料的要求由ASTM标准定义，其规定了最小能量密度，凝固点温度，硫和芳烃含量，硫醇浓度，芳烃含量，燃料电导率和闪点。为了实现这些规范，已经探索的途径之一包括将醇升级为插入式生物喷气燃料，通常称为“醇 - 喷射燃料”（ATJ）途径。使用ATJ生产生物喷气燃料（即，异链烷烃煤油或IPK）包括使用生物催化发酵和低聚过程来升级醇。已经探索了许多利用ATJ途径生产生物喷气燃料的原料，包括玉米和玉米秸秆，柳枝稷，麦秸，大麦秸秆和葡萄糖[ 5]。]。2016年11月，阿拉斯加航空公司从SeaTac机场开始首次商业飞行，使用通过ATJ技术生产的20％混合生物燃料，从残留的木质生物质开始，证明了在木质原料上使用该技术的可行性[ 6，7 ]。
为了确保温室气体减排和可持续的生物能源产业，已经为生物燃料确定了可持续性标准。欧盟可再生能源指令要求生物燃料在2017年以后开始生产的装置中实现60％的温室气体排放节约[ 8 ]。美国能源独立和安全法案（EISA）相对于2005年基线确定了生物燃料的生命周期温室气体（GHG）减排阈值（针对汽油）[ 9 ]。相比于需要具有约20％的温室气体排放量减少的常规生物燃料，需要的纤维素生物燃料具有生命周期的温室气体排放量减少60％相对的基线[ 1，9 - 11]。为了估计与生物喷气燃料生产相关的环境影响，必须进行全面的生命周期评估（LCA）。
生物喷气燃料的LCA研究在文献中并不少见。已经对使用“油 - 喷射燃料”途径生产的生物喷气燃料进行了LCA研究，其中从包括微藻，亚麻荠和麻风树的原料中提取油，然后使用该途径将其转化为生物喷气燃料。 UOP可再生喷射工艺技术[ 12 - 14 ]。Budsberg等。研究了将杨树生物质转化为滴入式生物喷气燃料的全球变暖潜力，提出了“乙醇生物”途径中的“乙酸”发酵途径[ 15 ]。与残留的木质生物量，杨树生物量和其他基于作物的原料（例如，微藻，亚麻荠和麻风树）相比）提出种植园和土地使用变化引起的额外影响的缺点。最近公布的使用ATJ工艺的木质纤维素生物喷气燃料的比较LCA显示，并非所有LCA指标都支持生物喷气燃料[ 16 ]。一些LCA影响类别，包括“富营养化”和“生态毒性”影响，对于生物喷气燃料来说更糟糕。这些结果与文献发现传统的生物燃料的一些结果是一致的[ 17，18 ]，并有扩大的环境影响评价，以影响比全球变暖潜能[其他类别上需要一个普遍的共识2，17 - 20 ]。
为了提高生产滴入式燃料的经济可行性并减少整体环境影响，一种可能的解决方案可能是在同一生物炼油厂内生产多种产品[ 3 ]。当从同一过程生产多个产品时，过程的总生命周期环境影响可以在所研究的产品系统和联产品之间划分，这一过程称为“分配”。可以基于副产物的质量，体积或能量含量来进行分配。当单独的物理性质无法建立或使用时，分配可能基于产品的经济价值[ 21 ]。由于它们对LCA结果的强烈影响，分配决策需要有一个明确，合理的基础[ 3 ]。
与分配选择相关的影响评估的敏感性一直是LCA的一个问题。科学文献中所述的分析表明，LCA结果与副产物在很大程度上依赖于使用的分配的类型3，21 - 24 ]。根据ISO准则，则建议分配应尽量避免[ 25，26 ]无论是通过全过程进到共产物相关的子过程的分裂或通过扩展系统边界[ 21 ]。
本文探讨了使用ASTM认可的ATJ途径从残留木质生物质产生的生物喷气燃料对“从摇篮到坟墓”的环境影响。为了进行全面的环境评估，本文介绍了化学品和其他环境影响减少和评估工具（TRACI）中包含的生命周期影响评估（LCIA）类别，包括气候变化，酸化，富营养化，烟雾形成，呼吸系统影响。 ，致癌物质，非致癌物质和生态毒性。因此，本研究的目标如下：
基于森林残留物的航空燃料的综合LCA使用“从摇篮到坟墓”的方法进行，其中“摇篮”被定义为在森林中收集到森林残骸中的森林残骸，“坟墓”被定义为喷射的燃烧在飞机飞行期间的燃料。如在图1中呈现的系统边界中可以观察到的那样 在生物精炼厂中同时生产三种副产物：异链烷烃煤油（IPK），木质素磺酸盐（LS）和活性炭（AC）。出于分析的目的，假设生物炼油厂位于华盛顿州的格雷斯港县。该站点基于其与原料的接近度和可用的基础设施而被识别。研究区域由原料区决定，包括华盛顿州西南部和俄勒冈州西北部。所述植物与缩放处理700000烘干容量吨每年残余木本生物质。用于LCA的功能单元是用于推进飞机发动机的1GJ能量，其基于生物喷气燃料的热值43.2MJ kg -1计算 [ 27]]。可以注意到，在比较化石燃料和生物燃料之间的性能特征时，重要的是要考虑生物燃料的替代等级，其考虑到使用生物燃料代替化石时发动机的性能汽油。由该方法产生的IPK符合ASTM D7566-17a的要求加氢处理的合成石蜡煤油，喷气燃料[使用的调合料28，29 ]。作为“直接”燃料（即直接替换），它可以与Jet-A混合或完全替代，而无需对发动机或飞机进行任何实质性修改[ 30 ]。
生物喷气燃料与副产品的LCA研究的系统边界
纤维素原料包括来自软木林的木材工业的商业收获操作的树梢和树枝，主要由道格拉斯冷杉构成，定义为收获后残余生物质。为了分配与收获作业相关的环境影响，假设在质量基础上，39％的地上生物量由“收获残留物”（生物燃料生产的原料）构成，不包括嵌入式惰性物质沙子或小石头等材料，其余61％是森林产品工业使用的原木。
在森林中留下的所有“收获残留物”中，大约65％的残余生物量积聚在位于主要收获季节的“斜线堆”中[ 31 ]，而剩余的35％分散在森林地面上。考虑到收集，运输和木材加工过程中的损失，大约22％的地上生物量（即总收获残留物的58.5％）被输送并用作IPK生产的原料。本文采用Chen等人开发的原料物流基础案例。被认为是代表在考虑[太平洋西北地区的平均情形的32，33]。这种情况涉及两个运输阶段。从采伐地点，森林残留物由30m的运送到集中登陆3上行进的土路1.6公里平均和砂石路面，平均5公里斌卡车。从中央着陆点，使用柴油研磨机将残余物转化为木屑，并将它们装入100m 3的碎屑车中以运输到预处理设施。平均而言，芯片车在铺砌的道路上行驶5公里，在高速公路上行驶68.4公里。总的来说，生物质原料在主要着陆点和生物精炼厂之间运输约80km。卡车的燃料消耗量以及不同道路类型的行驶距离和相应的速度见表1和表 1AND2，2，分别。
设备特点。
资料来源：“使用生命周期评估模拟森林残留物的加工和运输物流”[ 32 ]
| 设备 | 容量 | 生产力（1000 kg h -1） | 油耗（l h -1） |
|---|---|---|---|
| 货代 | 130千瓦 | 31.4 | 29.9 |
| 挖掘机装载机 | 30千瓦 | 36.2 | 25.6 |
| 磨床 | 560千瓦 | 45.4 | 96.5 |
| 后磨床装载机 | 105千瓦 | 45.4 | 21.3 |
| 宾卡车 | 30米3 | ||
| Chip van | 百米3 |
道路类型特定运输距离的基准情景。
资料来源：“使用生命周期评估模拟森林残留物的加工和运输物流”[ 32 ]
| 道路类型，平均 速度 | 污垢（8公里ħ -1） | 砾石（24 km h -1） | 公路（72公里ħ -1） | 总 |
|---|---|---|---|---|
| 单程运输公里 | 1.6 | 10 | 68.4 | 80 |
收获斜线，通常称为斜线，由剩余的树枝，顶部和其他残留物组成，这些残留物在伐木活动后仍然存在。通过燃烧（又名斜线烧伤）斜线的处置历来被用来减少北美西部的森林[收获（减薄）后野火风险和表面的载油量34，35 ]。木质生物质的森林（收获斜线烧伤和野火）燃烧是温室气体排放的美国西部[主要来源36，37 ]。木质生物质燃烧向大气排放各种气体和气溶胶，包括二氧化碳（CO 2），一氧化碳（CO），氮氧化物（NO x），挥发性和半挥发性有机化合物（VOC和SVOC），颗粒物（PM），氨（NH 3），二氧化硫（SO 2）和甲烷（CH 4）[ 38 ]。削弱与烧伤相关的细颗粒物（PM 2.5），一种高效的空气污染物，与广泛的人类健康问题有关，包括患支气管炎的机会增加，在某些情况下，死亡[ 39]]。回收收获后残留的木质生物质以生产生物喷气燃料可以避免与其燃烧相关的影响。在这项研究中，考虑了规定烧伤的避免影响的两种情景，分别假设从斜线堆中回收50％（基础情况）和100％的生物质以生产生物喷气燃料。在50％燃烧情景中，如果我们没有收集它用于生物转化，我们假设砍伐桩中50％的生物量将通过燃烧处理。假设斜线堆中的剩余生物量被收集，切碎并作为猪燃料或纸浆木出售。回收残余生物质可避免在规定的烧伤过程中产生的排放。因此，基于ISO 14040-44标准[ 25，26]，该地区斜线堆垛的避免环境影响被纳入LCA作为信贷，分别对应于50％情景和100％情景中避免燃烧50％和100％的生物量。斜线堆燃烧相关排放的数据来自国家能源技术实验室生命周期清单[ 40 ]。
基于先前描述的生产规模，进入生物精炼厂的总原料是残留物木质生物质的91,373烘箱干燥kg h -1。在原料进入预处理设施之前，必须确保其组成和尺寸特征随时间恒定。出于这个原因，原料被送到原料处理部门，该部门接收森林残留物并将其处理成适当的尺寸用于预处理（3-19mm）。该部门包括称重，采样，记录数据和卸载森林残余物的系统[ 41]。筛网用于将细粒与其余原料分离。收集细粒，占质量总原料的9％，并送至锅炉以生产用于工厂的蒸汽，而剩余的91％的原料用于预处理。
从生物质生产生物燃料的主要挑战是可发酵糖被捕获在木质纤维素内。该材料抗降解并且负责植物细胞壁的稳定性和结构完整性。预处理是生物质转化为生物燃料的必要过程，因为该阶段中生物质的分解促进了下游酶水解。在预处理过程中，大多数半纤维素碳水化合物转化为可溶性糖（木糖，甘露糖，阿拉伯糖和葡萄糖）。
木质生物质具有坚韧而强大的物理结构和高木质素含量，使其非常难以抑制微生物的破坏[ 42 ]。鉴于其强烈的顽固性，只有少数预处理技术被证明适用于木质生物质[ 42 ]。本研究中使用了“亚硫酸盐预处理克服木质纤维素的顽拗性”（SPORL）方法，它使用亚硫酸氢钙（钙（HSO 3）2）[ 43，44 ]。
将原料送至反应器，在反应器中加入硫和碳酸钙。硫在炉中以1300：1的空气与硫比10：1燃烧形成SO 2。将碳酸钙与水混合并与酸制备吸收塔中的SO 2混合。将生物质在145℃处理4小时，在此期间半纤维素键断裂并且制备预处理的纸浆随后通过酶水解处理。预处理过程产生两种输出：纸浆，主要由不溶性固体组成，其被送至酶水解;和废亚硫酸盐液（SSL），主要由糖，提取物和木质素磺酸盐组成，其直接送至发酵和升级阶段。
在酶水解过程中，纤维素酶（催化蛋白）用于将预处理的纸浆中含有的纤维素纤维分解成单糖。对于酶的生产，将葡萄糖，石灰，氨，玉米浆和二氧化硫在发酵罐中混合以产生里氏木霉的培养物。（丝状真菌株）。将真菌培养物接种到酶生产反应器中并用槐糖诱导，开始产生酶。通过过滤将产生的酶与真菌生物质分离。真菌生物质分离和随后的浓缩需要能量。然后将酶与来自预处理的纸浆流混合，冷却至80至50℃，并通过加入石灰将pH调节至1.8至5.0。在酶水解期间，将预处理的纸浆在50℃下处理72小时。酶水解后，大部分纤维素和半纤维素的大分子转化为可发酵的糖，并将水解产物送至发酵过程。
从酶水解获得的水解产物和从预处理获得的废亚硫酸盐液（SSL）通过专有的专利发酵和升级工艺转化为醇，随后转化为异链烷烃煤油（IPK）[ 29]]。鉴于水解产物和SSL的不同组成，水解产物的特征在于高含量的不溶性木质素和固体，而SSL主要含有糖和可溶性木质素。以不同的单位处理两种物流以使转化率最大化。发酵和升级过程包括三个主要阶段：（1）将糖发酵成异丁醇; （2）异丁醇的分离和纯化; （3）异丁醇脱水，低聚和氢化成IPK。使用特异性工程酶的组合将糖转化为异丁醇。发酵过程需要在34℃和pH 4.3下48小时。然后将异丁醇分离，脱水，并转化为丁烯，随后将其升级为IPK。根据模拟的生产规模，-1，总IPK产量为12,202 kg h -1。未转化为异丁醇的水解产物的残余部分（例如，富含不溶性固体和木质素的发酵残余釜馏物（FRS）被回收并送至热解单元.SSL的剩余部分[例如，木质素磺酸盐（LS） ）]主要由未转化的糖和可溶性固体构成，并送至升级过程。
将木质素磺酸盐和SSL发酵和升级过程的剩余产物送至蒸发装置，其中使用一系列蒸汽再压缩蒸发器将其水含量降低至50％固体浓度。50％浓缩的木质素磺酸盐（LS 50％）以21,192kg h -1的速率生产。蒸发器冷凝物直接排放到废水处理设施中。LS 50％具有重要的商业价值，因为混凝土工业使用它来改善混凝土混合物的可加工性和/或降低水/水泥比，因此被认为是副产品。
FRS是水解产物发酵的残余物，通过带式压榨机脱水，多余的水被排放到废水处理设施中。将干燥的FRS置于回转窑反应器中进行热解，在700℃下保持1小时。向反应器中加入氮气载气，氮气与固体的质量比为1：1。热解过程产生40％（w / w）的生物炭和60％的热解蒸气。通过使生物炭与过量的CO 2在700℃下反应1小时来活化生物炭。活化反应产生55％的产率，基于输入FRS，产生22.5％（w / w）的活性炭（AC）产率，总AC产率为6798kg h -1。。由于其高度微孔性，AC是用于其吸附性能的商业上有价值的产品，因此被认为是副产品。AC广泛应用于气体净化，脱咖啡因，金净化，金属提取，水净化，医药，污水处理，防毒面具和呼吸器中的空气过滤器，压缩空气过滤器以及许多其他应用。
废水处理接收来自发酵和升级装置，木质素磺酸盐升级装置和热解装置的水输出流。未在热解单元中转化的固体残余部分也被送到废水处理设施。废水处理设施包括以下单元：好氧和厌氧处理，膜生物反应器和反渗透。好氧处理转化了86％的生物质，74％的剩余生物质在厌氧处理中转化。将完全消化的材料送至膜反应器进行澄清，除去额外的化学需氧量（COD）和胶体颗粒。以消化的生物质与总可降解的生物质的比率计算的总消化产率为99.95％。然后将处理过的水通过反渗透膜系统送去除盐。污水处理厂处理约556,326千克小时-1的水并排出约7056公斤ħ -1的处理后的水到环境中。
废水处理设施产生约16,625 kg h -1的湿污泥，将其脱水并送至锅炉。此外，厌氧处理过程产生61.6 kg h -1的甲烷和其他可燃气体，将其捕获并送至锅炉。在多燃料锅炉中使用污泥和沼气可将生猪燃料消耗减少4082烘箱干燥kg h -1。将大约520,882kg h -1的水再循环回到生产系统中。
多燃料锅炉供给细粉，从处理部门排出的小尺寸木质生物质部分，生猪燃料，热解蒸汽，脱水污泥和从废水处理过程中回收的生物气。锅炉效率，定义为在较高热值（HHV）基础上转换为蒸汽热量的进料热值的百分比，假设为80％[ 45 ]。总计210,367 kg h -1蒸汽从锅炉产生并分配到生物炼油部门。冷凝水系统将蒸汽冷凝水从工厂返回到一个罐中，该罐再用作锅炉给水。锅炉废气中含有灰烬，灰烬被收集在袋式除尘器中并送到垃圾填埋场。细百分比灰分为1.97％，生猪燃料百分比灰分为6.8％。
IPK从生产设施运输到西雅图 - 塔科马国际机场（SeaTac）的柴油卡车（行驶距离为33.7公里）并分发给最终用户。IPK在飞机发动机中燃烧，用于商业客机的运输。假设石油基喷气燃料的热值为43.1 MJ kg -1，生物喷气燃料的热值为43.2 MJ kg -1 [ 27 ]。
本文使用来自多个来源的主要和次要数据的组合来进行LCA分析。对于原料物流组成部分，本文采用陈等人开发的太平洋西北地区（PNW）原料物流基础案例。[ 32 ]。NETL生命周期清单数据[ 40]用于削减桩的排放。
对于预处理单元，该模型使用SPORL工艺，该工艺专门用于制备用于酶水解的纤维素原料[ 44 ]。的Gevo公司，Inc.的专利GIFT ®过程用于发酵糖与异丁醇（iBuOH）和升级过程[生物催化转换模型29 ]。Gevo提供了进行LCA所必需的专有生物催化转化数据。基于NREL模型中用于将木质纤维素生物质转化为乙醇的反应化学计量和产率来模拟废水处理和锅炉系统[ 45 ]。
整合生物精炼厂内的所有子过程，使用Aspen Plus 8软件进行详细的化学过程模拟，用于模拟化学过程和从实验室到工业规模的扩大[ 46 ]。化学过程模拟的结果提供了高水平的质量和能量平衡，以及用于LCA的生物精炼厂的所有材料和能量输入和输出流的列表。从技术领域和自然界获得的所有输入和输出流的数据，以及生物炼油厂内产生的任何空气，水，土壤或固体废物的排放数据都被收集并包含在LCA中。表3总结了生物炼油厂单元的主要质量和能量输入和输出数据，以汇总形式 。LCA中使用的完整原始数据集在“软木木质纤维素生物质生化转化为异链烷烃煤油和木质素副产物的工艺设计和经济学”中报道[ 46 ]。输入和输出流的二级数据来自Ecoinvent数据库，用于IPK到SeaTac机场的运输和飞机发动机燃烧的过程[ 47 ]。
生物炼油厂单位的总质量和能量输入和输出。
资料来源：改编自“软木木质纤维素生物质生化转化为异构烷烃煤油和木质素副产品的工艺设计和经济学”[ 46 ]
| 原料制备和预处理 | 酶水解 | 发酵和升级，热解单元和木质素磺酸盐浓度 | 废水处理 | 锅炉 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 输入（kg h -1 ） | 450,018.2 | 输入（kg h -1 ） | 404,513.7 | 输入（kg h -1 ） | 737,715.3 | 输入（kg h -1） | 556,326.6 | 输入（kg h -1） | 342,686.6 |
| 森林残留 | 91,372.9 | 预处理纸浆 | 65,507.8 | 水解物 | 69,662.7 | 发酵残余釜馏物 | 8308.0 | 生猪燃料 | 31,297.9 |
| 硫 | 2993.7 | 玉米陡酒 | 199.6 | 用过亚硫酸盐酒 | 24,604.7 | 用过亚硫酸盐的冷凝液 | 1886.0 | 森林残余罚款 | 8223.6 |
| 碳酸钙 | 2948.4 | 葡萄糖 | 3401.9 | 专有投入[41 ] | 29,057.1 | 化学制品 | 43.6 | 热解蒸气 | 28,503.7 |
| 氢氧化钠 | 113.4 | 酸橙 | 471.7 | 热解载气 | 27,215.5 | 水a | 546,088.9 | ||
| 水a | 60,920.9 | NH 3 | 136.1 | 水a | 587,175.3 | 沼气 | 3527.6 | ||
| 工艺用水b | 291,669.0 | SO 2 | 18.1 | 污泥 | 5681.5 | ||||
| HTEC酶 | 263.1 | 燃烧空气 | 27,215.5 | ||||||
| 水a | 129,319.2 | 水a | 27,869.8 | ||||||
| 工艺用水** | 205,196.1 | 蒸汽冷凝水 | 210,367.1 | ||||||
| 产量（kg h -1 ） | 450,022.5 | 产量（kg h -1 ） | 404,514.4 | 产量（kg h -1 ） | 737,715.1 | 产量（kg h -1） | 556,326.1 | 产量（kg h -1） | 342,686.7 |
| 预处理纸浆 | 65,507.8 | 水解物 | 69,662.7 | IPK | 12,201.6 | 废水固体 | 11.1 | 蒸汽 | 210,367.1 |
| 用过亚硫酸盐酒 | 24,604.7 | 糖化口 | 1711.7 | 木质素磺酸盐 | 21,191.8 | 沼气 | 3527.6 | 浪费 | 2421.8 |
| 预处理联合排气 | 850.9 | 水a | 333,140.0 | 活性炭 | 6797.5 | 污泥 | 5681.5 | 空气排放 | 102,028.0 |
| 森林残余罚款 | 8223.6 | 发酵残余釜馏物 | 8308.0 | 空气排放 | 1017.0 | 水a | 27,869.8 | ||
| 水a | 350,835.6 | 用过亚硫酸盐的冷凝液 | 1886.0 | 水a | 25,207.4 | ||||
| 热解蒸气 | 28,503.7 | 回收水b | 520,881.5 | ||||||
| 空气排放 | 16,104.3 | ||||||||
| 水a | 642,722.2 | ||||||||
| 能源投入 | |||||||||
| 蒸汽（kg h-1） | 71,939.7 | 蒸汽（kg h-1） | 444.5 | 蒸汽（kg h-1） | 137,982.8 | 蒸汽（kg h-1） | 0.0 | 蒸汽（kg h-1） | 0.0 |
| 电力（兆瓦时） | 4.7 | 电力（兆瓦时） | 0.2 | 电力（兆瓦时） | 37.5 | 电力（兆瓦时） | 9.9 | 电力（兆瓦时） | 2.0 |
a输入/输出的总含水量
b加入系统的工艺用水（从废水处理中回收水）
生命周期评估（LCA）的方法，按照ISO标准14040-14044 [ 25，26 ]，被用来估计与从回收的剩余木质生物质生产生物喷气燃料相关联的总的净环境的影响。使用减少和评估化学品和其他环境影响的工具（TRACI 2.1）[ 48 ] 评估了生命周期的环境影响。包括以下影响类别：全球变暖，烟雾，酸化，富营养化，致癌物质，非致癌物，呼吸作用和生态毒性。使用SimaPro 8进行生命周期清单分析和影响评估。根据IPCC第五次评估报告，本文报告了100年对全球变暖潜能的影响[49 ]。USLCI数据库用于模拟每个输入和输出流的影响。仅对于没有USLCI数据库的输入和输出流，使用Ecoinvent数据库。利用“木材到尾流”（WoTW）LCA方法，与石油基航空燃料的井到尾（LPW）LCA相当，原料回收，生产和残留木质利用的环境影响评估了基于生物质的生物喷气燃料。还进行了对基于石油的喷气燃料替代基于残余木质生物质的生物喷气燃料的环境影响的比较评估。虽然美国能源部的温室气体，受管制的排放和运输中的能源使用（GREET）软件有一个与美国飞机运营相关的模型[[50 ]，它仅关注温室气体排放和全球变暖潜能值（GWP）影响类别，并未提供与TRACI中确定的非GWP LCIA类别相关的必要数据。使用Simapro 8.1模拟与基于化石燃料的生物喷气燃料相关的过程。对于GWP影响类别，将结果与基线生命周期温室气体排放进行比较，如2007年能源独立和安全法案[ 11 ]以及美国能源部[ 51 ] 制定的那样。
正如系统边界部分所介绍的那样，本文对生物精炼过程中同时生产的副产品进行了建模。在联产品中分配生物炼油厂的环境影响所采用的方法可以显着影响结果。分配被定义为：所研究[分割的处理的输入和/或输出流至产品系统25，26]。根据ISO标准，建议在可能的情况下通过扩展系统边界（也称为系统扩展）或将流程划分为子流程（也称为系统缩减）来避免分配。如果无法避免，可以基于联产品的物理性质（例如，产出的质量或能量含量）或基于产品的非物理性质（例如，主要是经济价值）进行分配。所述ISO准则表示每个分配过程的适用性应该上的情况下，逐个[评价3，26]。在分配程序中，质量和能量分配可以应用于产品分别用于其质量和能量含量的情况[ 52]。当单独的物理性质无法建立或使用时，分配可能基于产品的经济价值[ 21 ]。但是，经济分配方法仅适用于产品价格已经确定或可以高可信度预测的情况[ 52 ]。
在这项研究中，三种副产品中的两种，即活性炭和木质素磺酸盐，是非能源产品，IPK是能源产品。在能源和非能源产品混合的情况下，能源分配可能存在问题[ 52]。当产品由不同的物理特性定义时，经济分配可能是一种可行的替代方案。然而，由于拟议规模的活性炭，木质素磺酸盐和IPK的生产在PNW地区是前所未有的，因此这些产品的市场价格无法高度建立。任何将市场价格分配给这些产品的尝试都将基于广泛的假设，这可能导致与建模输出相关的不确定性。基于这种不确定的价格分配能源和排放负担可能会导致LCA结果产生误导性结论。因此，将分配方法的范围缩小到适用于研究的方法，选择“质量分配”和“系统扩展”方法作为最可行的替代方案。
使用“质量分配”，生命周期环境影响根据其产量份额在联产品之间分配。该分配方法基于以下假设：环境影响与与生产过程相关的质量流量相关。基于质量流量和系统边界，应用于不同过程的分配百分比如图2所示 。
使用质量分配表示LCA系统边界
在这种情况下，在原料进入生物精炼厂门后，原料处理和筛选的91％的影响归因于进入预处理单元的生物质，9％归因于细粒。预处理单元的影响分配为纸浆（其继续酶水解）的73％和SSL的27％（其被送至发酵和升级）。酶水解影响100％归因于水解产物（其被送至发酵和升级）。发酵和SSL升级的影响分配在活性炭（78％）和IPK（22％）之间，FRS发酵和升级产生的影响分配在IPK（9％）和木质素磺酸盐（91％）之间。废水处理影响分配在IPK（31％），活性炭（17％）和木质素磺酸盐（52％）之间，基于他们的产量。应该注意的是，考虑到如何对综合过程进行建模，下游输入/输出包含根据所应用的分配比率的上游输入/输出的所有影响。
“系统扩展”或“置换方法”被确定为ISO 14044标准[ 26 ]中的首选程序。英国可再生燃料协会[ 53 ]和美国环境保护局[ 54 ] 也提倡系统扩展作为推荐方法。根据系统扩展方法，生物炼油厂的生命周期环境影响100％归因于研究的主要产品。为了考虑副产品，从总量中减去与使用常规方法生产相同数量的副产物相关的影响。使用系统扩展的系统边界的表示如图3所示 。
使用系统扩展表示LCA系统边界
原料（包括收获，收集，木材加工和运输）和生物精炼厂（包括处理，预处理，酶水解，发酵和升级，热解装置，木质素磺酸盐浓度，锅炉和废水处理）的影响和公用事业）100％归因于IPK（主要产品）。由于生物炼油厂同时生产活性炭和木质素磺酸盐，因此从IPK总影响中减去生产相同数量的常规活性炭和常规木质素磺酸盐（分别为6798和21,192 kg h -1）的生命周期影响。。常规活性炭和木质素磺酸盐的生命周期影响是从Gabi专业数据库中提取的[ 55]和木质素磺酸盐的环境产品声明，分别为[ 56 ]。
贡献分析确定了单位流程对整体LCA的贡献。贡献分析对于确定相关LCIA因素的高贡献单位尤其重要，并且经常用作流程更新决策工具。在以下部分中，针对质量和系统扩展分配备选方案，提供了木材到尾流（WoTW）系统边界的所有单元。
使用质量分配的贡献分析结果如图4所示 。WoTW系统边界内的每个单元可能对相应的影响类别具有有利或不利的影响。图表的顶部显示了对LCA的积极贡献（不利的环境影响），而底部显示了对LCA的负面贡献（有利的环境影响）。
使用质量分配的贡献分析结果（功能单位：1 GJ）
使用基于质量分配的LCA，全球变暖潜能值（GWP）的主要贡献者是：发酵和升级（52.0％），锅炉（11.9％），预处理（13.6％），废水处理（10.7％），生物质收集和物流（6.0％），酶水解（4.1％）和飞机中的IPK燃烧（1.7％）。避免的斜杠堆燃烧有助于将GWP影响降低仅3.0％。“烟雾”，“酸化”，“富营养化”和“致癌物”影响类别由飞机上的IPK燃烧主导。更准确地说，飞机上的IPK燃烧使“烟雾”影响的75.1％，生物质收获和物流占6.8％，锅炉排放降至6.7％，发酵和升级至6.8％，其余过程有助于4.6 ％。导致“酸化”影响的主要过程是飞机中的IPK燃烧（48.8％），发酵和升级（21.6％）以及锅炉排放（9.1％），其余过程占20.5％。导致“酸化”的相同过程也是“富营养化”影响的主要原因，包括：飞机中的IPK燃烧（51.5％），发酵和升级（18.7％）以及锅炉排放（7.2％），其余流程占22.6％。“致癌物”的影响是由飞机中的IPK燃烧引起的（28.5％），其次是酶水解（25.5％）和锅炉排放（18.9％），其余过程占27.1％。导致“酸化”的相同过程也是“富营养化”影响的主要原因，包括：飞机中的IPK燃烧（51.5％），发酵和升级（18.7％）以及锅炉排放（7.2％），其余流程占22.6％。“致癌物”的影响是由飞机中的IPK燃烧引起的（28.5％），其次是酶水解（25.5％）和锅炉排放（18.9％），其余过程占27.1％。导致“酸化”的相同过程也是“富营养化”影响的主要原因，包括：飞机中的IPK燃烧（51.5％），发酵和升级（18.7％）以及锅炉排放（7.2％），其余流程占22.6％。“致癌物”的影响是由飞机中的IPK燃烧引起的（28.5％），其次是酶水解（25.5％）和锅炉排放（18.9％），其余过程占27.1％。
锅炉是“非致癌物”影响的主要原因（33.6％），而污水处理设施是“生态毒性”影响的主要原因（36.4％），其余过程占30.0％。基于质量分配的LCA贡献分析的完整结果如图4所示 。
使用系统扩展方法的贡献分析的结果在图5中表示 。与生产基于残余生物质的生物喷气燃料相关的关键环境效益是避免不燃烧剩余斜线堆（以“红色”表示）的排放和避免与两种副产品的生产相关的影响，活性炭（以'橙色'表示）和木质素磺酸盐（以'粉红色'表示）。在系统扩展方法中，当在同一过程中同时生产联产品时，会给出与使用传统过程生产相关的避免影响的信用。
使用系统扩展的贡献分析结果（功能单位：1 GJ）
如图5所示， 使用常规方法生产活性炭对GWP产生显着影响，并对“烟雾”，“酸化”和“呼吸效应”影响类别产生影响。使用常规方法生产木质素磺酸盐会对“臭氧消耗”和“富营养化”影响类别产生重大影响。
根据系统扩展方法，GWP的主要贡献者是：发酵和升级（28.3％），其次是锅炉（17.3％），活性炭（17.1％），50％木质素磺酸盐（10.9％），生物质收集和物流（ 8.8％），废水处理（8.5％），酶水解（4.4％），预处理（4.2％）和飞机中的IPK燃烧（0.4％）。对GWP的显着负面贡献是由于产生活性炭的避免影响。与使用质量分配的GWP结果相比，使用系统扩展，结果显示不同的％贡献。使用系统扩展，木质素磺酸盐升级和活性炭生产的影响，以及锅炉和废水处理的影响完全归功于IPK。包含这些贡献会显着影响流程相对于总计的重新划分影响。关于“烟雾”影响，使用系统扩展，主要贡献者是飞机中的IPK燃烧（38.1％），生物质收集和物流（20.4％）和锅炉（19.9％），其余过程占21.6％ 。
对于“酸化”影响，主要贡献者代表锅炉（19.6％），飞机中的IPK燃烧（17.8％），以及发酵和升级（16.5％），其余过程占46.1％。“富营养化”影响主要与IPK燃烧（9.3％），发酵和升级（8.3％）以及锅炉（7.7％）有关。然而，整个IPK生产对“富营养化”的影响远远超过了Borregaard木质素磺酸盐的避免影响，产生了整体净负面结果。
对“致癌物质”的影响几乎完全被斜线堆燃烧的避免影响所抵消。更重要的是斜线堆燃烧避免影响对“呼吸效应”影响的影响，这会产生整体净负面影响。在影响类别“生态毒性”和“非致癌物质”中没有考虑到避免影响的贡献。虽然“生态毒性”影响主要与污水处理有关（33.6％），但“非致癌物”影响主要是由于锅炉排放，占总量的59.1％。基于系统扩展的LCA贡献分析的完整结果集如图5所示 。
将基于质量分配和系统扩展的生物喷气燃料的LCA结果与石油喷气燃料的LCA进行比较。斜线桩的两种情况都会燃烧，如参数文献中所述。2.1.1.1被认为是分别假设从斜线堆中回收50％和100％的生物质以生产生物喷气燃料。这两种情况称为“50％情景”和“100％情景”。
基于质量分配的石油喷射和生物喷气燃料的“从摇篮到坟墓”比较分析表明，由于温室气体（GHG）排放减少，全球变暖潜能值减少了60％以上通过用残留的木质生物质喷气燃料代替石油基喷气燃料，可以实现大气，图 6。基于质量分配方法，“100％情景”和“50％情景”的GWP减少结果分别为70.4和68.8％。
基于化石燃料的煤油和基于质量分配的IPK的比较LCA的结果（功能单位：1 GJ）
“烟雾”和“生态毒性”LCA影响类别也显示了用基于木质生物质的生物喷气燃料替代基于化石燃料的生物喷气燃料时环境影响的净减少。特别是，对于100％和50％情景，“烟雾”影响分别比石油基喷气燃料的影响低26.1和4.6％。在两种情况下，与石油基喷气燃料相比，“生态毒性”影响的减少约为79.8％。
“致癌物”和“呼吸道效应”影响类别是净负值，这意味着用生物质基生物喷气燃料替代化石燃料可减少对我们呼吸系统健康有害的致癌物质和各种污染物的丰度。
基于质量分配的“酸化”影响类别在100％情景中显示减少7.0，但在50％情景中增加12.9。同样，“富营养化”影响类别的结果显示，在100％情景中减少了1.3，但在50％情景中增加了15.7。
使用系统扩展获得的比较LCA的结果示于图 7中。100％和50％情景的GWP减少分别为66.9和61.3％。
基于系统扩展的基于化石燃料的煤油和IPK的比较LCA的结果（功能单位：1 GJ）
除GWP外，基于木质生物质的残余喷气燃料有助于大幅减少100％情景中的“烟雾”影响类别（与化石喷气燃料相比减少67.6％），以及“生态毒性”影响类别（30.9）与100％和50％情景中的化石喷气燃料相比，分别减少％和30.4％，“富营养化”，“致癌物”和“呼吸效应”LCA影响类别为净负值，意味着用化石燃料代替化石燃料基于生物质的生物喷气燃料在这些影响类别中产生净效益。
基于系统扩展方法的影响类别的比较评估显示了更加复杂的结果。与基于石油的生物燃料相比，基于生物质的木质生物燃料的50％和100％避免了斜线堆燃烧情景对“酸化”和“非致癌物”影响类别的影响更大。特别是，对于100％和50％的情景，酸化影响分别比化石燃料的影响高41.5和110.4％。两种情景中的“非致癌物质”影响估计约为相应石油生物喷气燃料影响的两倍。表4列出了使用质量分配和系统扩展的比较LCA的完整结果 。
使用系统扩展和质量分配的比较LCA结果（功能单位：1 GJ）
| 影响类别 | 批量分配 | 系统扩展 | 化石 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| IPK（100％斜线堆烧） | IPK（50％斜线桩烧伤） | IPK（100％斜线堆烧） | IPK（50％斜线桩烧伤 | 化石燃料为基础的煤油 | |
| 全球变暖，公斤CO 2当量 | 26.00 | 27.41 | 29.13 | 34.00 | 86.05 |
| 烟雾，公斤O 3 eq | 7.42 | 9.57 | 3.57 | 11.03 | 10.03 |
| 酸化，kg SO 2 eq | 0.39 | 0.47 | 0.59 | 0.88 | 0.42 |
| 富营养化，kg N eq | 2.21E-02 | 2.59E-02 | - 1.03E-01 | - 9.02E-02 | 2.24E-02 |
| 致癌物，CTUh | - 1.25E-07 | 5.43E-08 | - 6.02E-07 | 1.94E-08 | 1.22E-06 |
| 非致癌物，CTUh | 7.56E-06 | 7.56E-06 | 2.51E-05 | 2.51E-05 | 1.19E-05 |
| 呼吸系数影响，kg PM 2.5 eq | - 1.72E-01 | - 6.77E-02 | - 6.45E-01 | - 2.83E-01 | 8.54E-03 |
| 生态毒性，CTUe | 47.25 | 47.61 | 161.72 | 162.97 | 234.19 |
石油基喷射和生物喷气燃料的比较分析结果在大多数影响类别的系统扩展和质量分配方法之间是一致的。通过用基于残余木质生物质的喷气燃料代替石油基喷气燃料，实现全球变暖潜能（EISA强制要求）降低60％以上，而不依赖于两种分配方法。因此，残留的木质生物质代表了用于生产喷气燃料的石油的环境替代品。残留的木质生物量比种植的作物或树木具有显着的优势，因为它不会带来与土地利用变化相关的负面环境影响。正如Budsberg等人所述。[ 15]，与土地利用变化相关的GWP可能很大，每MJ生物喷气燃料使用额外的12 g CO 2eq [ 15 ]。在IPK的情况下，根据情景，这一贡献将使GWP增加35.3％至46.1％。与基于作物的替代品相比，缺乏与土地利用变化相关的环境影响使残留的木质生物质生物喷气燃料在环境性能方面具有优势。
除了“全球变暖”之外，两种分区方法都显示出“致癌物”，“呼吸系数效应”和“生态毒性”影响类别的净减少量。特别是，“致癌物质”和“呼吸道效应”影响具有净负值（净环境效益），这是由于避免了削减桩的燃烧造成的影响。这种影响可以特别归因于在木质生物质的露天焚烧过程中产生的大量PM 2.5的避免排放[ 57 ]。
然而，“烟雾”，“酸化”，“非致癌物质”和“富营养化”影响类别的结果对分配方法很敏感。虽然影响类别“烟雾”和“酸化”在所采用的分区方法中呈现出不同的结果，但确实揭示了类似的趋势，在本研究中，LCA结果的主要差异在“非致癌物质”和“富营养化”影响评估中找到通过质量分配和系统扩展方法的生物燃料。“非致癌物”的影响比使用质量分配的石油基喷气燃料低36.4％，而使用系统扩展则更高。“非致癌物”影响的主要原因是锅炉，将锅炉的影响分配给联产品会显着影响该影响类别的结果。使用质量分配，锅炉的影响基于其质量流量在联产品之间分配，从而减少可归因于IPK的影响。与使用系统扩展相反，100％的锅炉影响归因于IPK，并且没有从联产品的避免影响中给予锅炉信用。
受分配方法影响较大的另一个影响类别是“富营养化”。使用质量分配方法，与石油基喷气燃料相比，100％情景中对“富营养化”的影响降低了1.3％，50％情景的影响降低了15.7％。相反，在系统扩张方法中，对“富营养化”的影响是净负面的。这可以直接归因于传统的木质素磺酸盐生产过程，这对“富营养化”产生了重大影响（图 5）。因此，在系统扩展过程中给予传统木质素磺酸盐置换的信誉显着增强了该特定影响类别的结果。
可以注意到木质素磺酸盐的质量流量（21,192 kg h -1）几乎是IPK质量流量的两倍（12,202 kg h -1）。共同产品的相对规模和重要性限制了系统扩展方法在本研究中的适用性。系统扩展方法适用性的这种限制先前已在其他涉及联产品的LCA研究中报告[ 52]。在联产品的质量流量占总产量的一小部分的情况下，系统扩展方法可以安全地应用。此外，被置换的常规产品（在这种情况下是常规的木质素磺酸盐和常规活性炭）的性质也影响与所考虑的主要产品相关的环境评估。值得注意的是，在本研究中，对于传统活性炭工艺具有重大影响的影响类别，如“全球变暖”，“烟雾”，“酸化”和“呼吸效应”（图 5）），质量分配方法和系统扩展方法的应用产生了一致的结果。然而，当执行生物燃料的LCA时，其中非燃料产品占总产量的很大份额，该方法对初级产品（在这种情况下为生物喷气燃料）产生误导性结果。因此，如Wang等人所述。虽然系统扩展通常被提倡用于进行LCA，但当联产品的质量流量非常不同时，系统扩展可能根本不适合燃料产品的LCA，应考虑其他分配方法[ 52 ]。
在这项研究中，使用木材到尾流系统边界进行了“从摇篮到坟墓”的生命周期评估，对残留的木质纤维素生物质生物喷气燃料进行了评估，与两种副产品“活性炭”和“木质素磺酸盐”。两种不同的方法用于处理联产品，系统扩展和质量分配。尽管通过扩展系统边界来避免分配是国际标准的推荐方法，但在本研究中，联产品的相对规模和重要性限制了系统扩展方法的适用性。
独立于分区方法，将IPK的“从摇篮到坟墓”生命周期评估结果与基于石油的航空燃料的“从摇篮到坟墓”生命周期评估进行比较，全球减少了60％以上实现了变暖潜力，超过了美国环境保护署减少全球变暖潜能值的要求。
残留的木质生物质喷气燃料也有助于大幅减少“烟雾”，“致癌物”，“呼吸系统效应”和“生态毒性”影响类别。特别是，“致癌物质”和“呼吸效应”影响导致净负值（净环境效益），这是由于斜线堆燃烧的避免影响。
总体而言，从斜线堆中回收的残留木质生物质代表了石油生产航空燃料的有价值的替代品，其对全球变暖的影响较小，并且当地空气污染的净减少。然而，基于木质生物质的生物喷气燃料的生产在“酸化”和“富营养化”影响类别中没有显示出任何显着的改善。未来的研究应侧重于优化生物炼油厂的化学过程，以减少对这些类别的影响。
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