关于铜藻基活性炭全生命周期温室气体排放分析的研究

作者：郑晓敏

  本课题组曾以浙江省一种优势大型海藻铜藻为原材料，用2种不同的方法（ZnCl2活化法和水热炭化-KOH活化法）制备了高比表面积活性炭，并将所得炭材料用于CO2的吸附捕集19-101，但活性炭系统整个生命周期的碳减排效果如何仍需进行进一步的分析评价。本文将原料生长、原料运输、活性炭制备和活性炭吸附CO2等阶段纳入评价范围，通过建立完整的LCA评价支撑数据库，对活性炭系统进行全生命周期温室气体排放评价，以期对活性炭生产与应用过程的碳减排研究提供建议和参考。

1研究方法

1.1研究对象、系统边界与功能单位

    本文以铜藻基活性炭系统为研究对象。铜藻基活性炭全生命周期系统边界包括原料生长、原料运输、活性炭制备和活性炭吸附CO2 4个主要阶段。活性炭的制备阶段包括原料预处理和炭化活化2个过程，本文考察了ZnC12活化法和水热炭化-KOH活化法2种不同的活性炭制备方法，所得活性炭分别记作ZAC和HKAC。在活性炭吸附CO2阶段，设置了不考虑活性炭再生和活性炭进行多次吸附与再生循环2种不同的情景。其系统流程图如图1所示。

    本文的计算对象为铜藻基活性炭全生命周期中温室气体的净排放量。活性炭整个生命周期是一个相对较复杂的系统，为了使模型简化，将以下2项排除在计算边界之外：(l)与铜藻生长与运输、活性炭制备与应用过程中所使用的设备（货车、反应装置、干燥箱等）和试剂（ZnCI：、KOH、HCI等）制造相关的温室气体排放；(2)整个过程中人工劳动所产生的温室气体排放。

    在此基础上，温室气体的净排放量涉及CO2的生物吸收和物理捕集以及温室气体的直接和间接排放，具体包括：(l)铜藻生长过程中CO2的净吸收量（光合作用和呼吸作用的共同结果）；(2)活性炭制备阶段直接排放的CO2；(3)活性炭吸附阶段捕集的CO2; (4)4个阶段中化石燃料和电力等能源的消耗所带来的间接温室气体排放。生命周期分析研究需要引入功能单位的概念，以使不同研究的结果具有可比性，本文以“1 kg活性炭”为功能单位。

1.2计算模型

    将直接排放和间接排放的各种温室气体依据全球增温潜势值转化为二氧化碳当量(CO2-eq)。由于实验室小试中能量利用率相对较低，本文在计算中保持电力设备数据不变，其他数据依据功能单位的选择做相应放大。

1.2.1全生命周期温室气体净排放量计算模型

    式(1)~(3)中，GHGlc为全生命周期温室气体净排放量；GHGin为能源间接排放量；GHGf为活性炭自身固定的CO2量，即铜藻生长过程中CO2的净吸收量减去活性炭制备过程中直接排放的CO2量，GHGf的计算假设活性炭中的碳元素全部来源于铜藻吸收的CO2；GHGad为活性炭的CO2吸附量；EF,为所需能源f的排放因子，表示消耗每单位量能源物质所排放的温室气体量的统计平均值，其中的温室气体量以二氧化碳当量计；A为所消耗能源i的量；Ci为活性炭中碳元素含量(%)；44/12为C-CO2的转换系数；

1.2.2各阶段温室气体吸收、吸附或排放计算模型

    铜藻生长阶段：本研究所用铜藻来源于浙江省南麂列岛近岸藻场，人工培养采用张力型筏架，铜藻生长过程包括幼苗培育期、快速生长期、繁殖期、人工收获期等阶段。依据l.l节中为使模型简化所做的假设，本文将铜藻人工养殖过程中有关设备的制造和人工劳动所产生的温室气体排放排除在计算范围之外，只考虑铜藻自身在光合作用和呼吸作用共同作用下CO2的净吸收量。其计算模型为：

    式(4)中，GHG1为铜藻生长阶段C02的净吸收量；Mi为生产1 kg活性炭所需原料铜藻的质量，可根据活性炭的得率y计算；Mco2/MSH为铜藻生长过程中固定的CO2量与自身质量之比。

铜藻运输阶段计算模型为：

    式(5)中，GHG2为铜藻运输阶段消耗化石燃料带来的间接温室气体排放量；EFt为我国公路运输排放因子，表示货车运输单位质量货物行驶单位距离所排放的温室气体量（以二氧化碳当量计）；M1为生产l kg活性炭所需原料铜藻的质量；S为铜藻产地与实验室之间距离。

活性炭制备阶段计算模型为：

    此阶段温室气体排放（GHG3）包括制备过程中的直接排放（GHG3d）和电力消耗带来的间接排放(GHG3m)。假设在此阶段，1.2.2节中铜藻生长所吸收的CO2-部分经过炭化活化等过程直接排放到大气环境中，一部分仍然固定在活性炭中，因此，直接排放量可用差值法计算而得，等于铜藻生长过程中CO2的净吸收量与活性炭中固定的CO2量之差；间接排放量的计算用排放因子法，EFe为电力排放因子，Ae为此阶段的耗电量。

    活性炭吸附CO2阶段：在不考虑活性炭再生的情况下，1 kg活性炭吸附的二氧化碳量可由实验室数据经线性放大而得。在考虑活性炭的多次吸附与再生循环时，计算模型为：

    这种情况下，此阶段的温室气体净排放量(GHG4)等于再生耗能所带来的间接温室气体排放量（GHG4）与活性炭吸附捕集CO2量(GHG4ad)之差。间接温室气体排放量计算方法与前面所述相同，为电力排放因子(EFe)与此阶段耗电量(Ae2)之积。

1.3数据收集与整理

    铜藻生长过程中固定的CO2量与自身质量之比MC02/MSH=1：1；假设铜藻生长地与实验室距离为10 km；用2种不同方法所制得活性炭的得率、碳元素含量和CO2的吸附容量如表1所示；公路货运和电力排放因子数据如表2所示；活性炭制备阶段与活性炭

再生过程中所用电力设备的功率数据如表3所示。电力设备在不同阶段的运行时间已在系统流程图（图1）中标注出，这里不再赘述。以上有关活性炭制备和活性炭吸附CO2的数据虽然来自实验室小试，但通过后续的计算与分析．找出温室气体排放的关键排放源，对铜藻基活性炭生产与应用系统从实验室小试到中试乃至工业化生产的过程中更好的实现节能减排具有一定指导意义。

2结果与讨论

2.1全生命周期温室气体净排放量

    以“1 kg活性炭”为功能单位，在不考虑活性炭再生的情况下，按照1.2.2节的计算模型，2种不同方法制得活性炭的全生命周期温室气体净排放量如表4所示。

    ZAC和HKAC全生命周期温室气体净排放量（以C02-eq计）分别为5.926 kg和7.734 kg，能源消耗带来的较多间接温室气体排放是导致活性炭系统向环境排放温室气体的主要原因。HKAC较低的碳元素含量导致其自身固定的CO2较少。HKAC的CO2吸附容量是ZAC CO2吸附容量的2倍多，但由于前者较大的能源间接排放量和较小的活性炭固定CO2量，致使HKAC全生命周期的温室气体净排放量较大。

2.2各阶段温室气体吸收、吸附或排放量

    不考虑再生的情况下，活性炭系统各阶段的温室气体吸收或排放情况如表5所示。

    与ZAC相比，HKAC较低的活性炭得率使生产1kg活性炭所需的原料量较大，导致原料生长过程中吸收的CO2量和原料运输过程中排放的CO2量略大。与农业废弃物（稻壳、秸秆等）为原料制备的活性炭相比，铜藻基活性炭在原料生长阶段不需要施加氮肥，从而避免了因氮肥效应产生N20而带来的温室气体排放，这在一定程度上减少了温室气体排放总量。活性炭制备阶段的CO2排放量很大，这是导致全生命周期温室气体净排放量较大的原因。HKAC较复杂的制备工艺导致其在制备阶段的温室气体间接排放量较ZAC大。与目前工业上常用的醇胺法等溶液吸收法相比，活性炭吸附阶段的CO2吸附容量仍有待提高。

    如果不考虑原料生长阶段吸收的CO2量和活性炭吸附阶段捕集的CO2量，只考虑原料运输和活性炭制备阶段排放的CO2量，ZAC和HKAC排放量分别为9.310 kg CO2-eq和11.719 kg CO2-eq，其中能源间接排放量分别为8.792 kg CO2-eq和10.413 kg CO2-eq，占比分别为94.4%和88.8%。而在间接温室气体排放中，原料运输阶段消耗化石燃料带来的间接温室气体排放量很小，活性炭制备阶段电力消耗带来的温室气体排放为最主要的排放源。因此，减少活性炭制备过程中的电力消耗是活性炭工业碳减排研究的主要方向。

    ZAC和HKAC制备阶段不同过程的电力消耗带来的间接温室气体排放如图2所示，电力消耗主要集中在活化反应和产品烘干过程中，因此改进活化和干燥工艺、提高能源利用率是未来的研究方向。

    ZAC和HKAC在制备阶段直接的温室气体排放分别为0.518 kg CO2-eq和1.306 kg CO2-eq，ZAC的直接温室气体排放量较小与其活性炭得率和活性炭中碳元素含量都较高有关。因此，提高活性炭得率和活性炭中碳元素含量不仅可以节约资源、提高活化程度，还能减少活性炭制备过程中的直接温室气体排放，取得经济效益与环境效益的“双赢”。

2.3再生情景下的温室气体排放

    活性炭用于吸附CO2的一个优点是吸附剂易于再生，因此本文考察了活性炭多次吸附与再生循环情景下的温室气体排放。活性炭脱附再生是在脱附温度(120℃)下热脱附10 min，进行4次吸附与再生循环后，活性炭吸附能力基本保持不变。在一次吸附与脱附过程中，消耗电力带来的间接温室气体排放量为0.054 kg CO2-eq，与ZAC吸附捕集CO2的量基本持平，而HKAC净捕集CO2的量为0.055 kg，活性炭捕集CO2能力还不是很理想。因此，还需要通过活性炭表面化学改性等方法提高活性炭吸附CO2的吸附容量并通过改进工艺、提高能源利用率等方法进一步减少再生能耗。

2.4与相关研究结果的比较

    一些相关研究只涉及活性炭制备阶段的温室气体排放量，因此本文选取活性炭制备阶段的温室气体排放量进行比较分析，如表6所示。与其它研究结果相比，本研究中ZnC12活化法活性炭温室气体排放量相对较低，具有一定碳减排优势；水热炭化-KOH活化法活性炭温室气体排放量较文献[6]和文献[7]报道数据略高，仍有一定碳减排潜力。

3结论与建议

    (l)ZAC和HKAC全生命周期温室气体净排放量（以CO2-eq计）分别为5.926 kg和7.734 kg，活性炭制备阶段的温室气体排放量分别为9.307 kg和11.715 kg，与其他结果相比，ZnC12活化法铜藻基活性炭具有一定碳减排优势。

    (2)活性炭制备阶段电力消耗带来的间接温室气体排放是最大的排放源。因此，减少电力消耗、提高能源利用率是活性炭工艺优化的研究方向。

    (3)较高的活性炭得率和活性炭碳元素含量不仅在经济上有优势，还有利于减少活性炭制备过程中直接的温室气体排放量。因此，优化活性炭制备工艺，以提高活性炭得率和活性炭碳元素含量，可实现经济效益和环境效益的“双赢”。

(4)由于活性炭吸附CO2的吸附容量有限，导致其在吸附再生循环中的温室气体减排效果不佳。因此，通过活性炭表面化学改性等方法提高CO2吸附容量并在现有基础上进一步降低再生能耗是未来的研究方向。

4摘要：运用生命周期评价(LCA)的方法，以原料生长、原料运输、活性炭制备和活性炭吸附CO2 4个阶段为系统边界，对2种不同方法制备的铜藻基活性炭系统进行分析，计算其全生命周期温室气体( GHG)排放量。结果表明：每生产lk活性炭，Znao活化法活性炭(ZAC)和水热炭-KOH活化法活性炭(HKAC)全生命周期温室气体净排放量（以CO2-eq计）分别为5.926kg和7.734 kg;活性炭制备阶段电力消耗带来的问接温室气体排放是最大的排放源；提高活性炭得率和活性炭中碳元素含量有利于减少制备阶段的直接温室气体排放。最后，依据计算和分析结果给出相应建议，以期对活性炭生产与应用过程的碳减排研究提供参考。