詹梨蘋, 趙銳, 祝仟, 等. 基于廚余垃圾發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.
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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2
1. 西南交通大學地球科學與環境工程學院
2. 中國環境科學研究院固廢分質利用與污染控制研究室
基金項目：國家重點研發計劃項目 (2019YFC1905600)；四川省青年科技創新團隊(2022JDTD0005)；四川省區域合作項目(2022YFQ0040)；四川循環經濟研究中心課題資助 (XHJJ-2002，XHJJ-2005)；中央高校基本科研業務費專項資金 (2682021CX069，2682021ZTPY088)
摘要：該研究以城市廚余垃圾厭氧發酵沼渣為研究對象，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物的影響。在此基礎上，利用生命周期評價方法融合過程模擬結果，對沼渣熱解的環境影響和成本效益開展量化評價，以期為沼渣熱解工藝優化提供科學依據。結果表明：沼渣熱解生物炭產率模擬值與實驗值的相對誤差為10.05%；在350 ℃至500 ℃范圍內，生物炭產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率。沼渣熱解對全球變暖、環境酸化和富營養化的環境影響潛值分別為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，說明其技術經濟效益水平相對較低。
關鍵詞：沼渣；熱解；過程模擬；Aspen Plus；生命周期評價
0 引言
沼渣作為厭氧發酵殘余物，因其產量大、有機物含量高、營養元素豐富，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，被視為熱化學轉化中最可行的方式之一[7]。探究沼渣熱解產物與關鍵影響因素之間的動態響應關系，量化熱解全生命周期的環境和經濟效益，可為沼渣熱解技術規模化推廣提供重要科學依據。
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雜，測試成本較高，難以對熱解過程影響因素、過程環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流程，可有效降低實驗成本，還可根據模擬結果對流程進行實時優化[9-10]。Aspen Plus作為常用的流程模擬軟件，因操作簡單、適用性強，且能利用內置的反應單元模塊對復雜物理化學過程進行模擬，已被應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]基于生物質熱解原理，借助Aspen Plus分別模擬了溫度、生物質組分和原料粒徑等不同控制條件下的農林廢棄物熱解制備生物油過程，模擬結果與實驗結果具有較高的一致性。同時，Adeniyi等[15]和AlNouss等[16]基于Aspen Plus開發了果蔬廢物熱解的過程模型，預測了莖、葉和果皮等不同廢物組合產生的熱解生物炭和產氣量。此外，相關研究表明，基于Aspen Plus的過程模擬還可為熱解技術工藝評價其潛在的環境影響和經濟效益提供邊界劃分和數據支撐[17-18]。Sajid等[19]在麻風樹油和廢棄食用油熱解過程模擬的基礎上，利用生命周期評價方法(LCA)對二者環境影響進行了對比分析。Han等[20]基于Aspen Plus分別對生物質傳統熱解系統和資源節約型熱解系統進行了建模，并基于LCA比較了兩個系統的環境影響。Khan等[21]利用Aspen Plus的模擬結果，驅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經濟評估。Liu等[8]在Aspen Plus所建熱解模型的基礎上，分別對稻草和甘蔗熱解制備生物炭的經濟成本進行了比較。
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，廢物資源循環利用已成為推動實現碳達峰、碳中和目標的重要環節[22]。沼渣熱解技術可將廢物轉化為再生能源，通過研究其過程工藝的環境和經濟效益，對探索能源替代、緩解氣候危機具有重要的科學意義。本研究擬采用Aspen Plus軟件建立沼渣典型的熱解過程反應模型，探究沼渣熱解產物在不同溫度和氣氛條件下的變化規律，利用生命周期評價方法對沼渣熱解過程的環境影響和經濟效益展開分析，以期為沼渣熱解工藝開發和優化提供科學依據。
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酵后的沼渣為研究對象，根據熱解工藝的基本原理，將沼渣熱解工藝簡化為干燥、熱解和產物分離3個主要環節[23]。利用Aspen Plus 軟件對沼渣熱解過程進行模擬，并使用實驗數據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物的產量[24-25]。本文根據Aspen Plus軟件對運行參數的可調控性，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率的影響規律。整個熱解過程遵循熱化學平衡、物料平衡以及相平衡。由于熱解過程非常復雜，涉及的工藝參數和反應較多，為簡化Aspen Plus建模過程，本文做出如下假設：
1）所有反應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）熱解焦油產量忽略不計，焦油組成元素除C外全部轉化為氣態。
4）設定灰分為狀態穩定，不發生反應，不參與熱解過程。
5）原料熱解反應完全且快速達到平衡狀態，所有模塊均為穩定反應狀態。
利用Aspen Plus中單元反應模塊構建模擬流程，如圖1所示。其中，沼渣(BR)和N2進入Dryer模塊，在此受熱發生脫水反應被干燥；產生的廢水(WET-AIR)通過上口排放，干燥物料(DRY-BR)進入RYield模塊發生受熱分解反應；被完全分解的物質(INBURNER)進入RGibbs模塊中利用吉布斯自由能原理進行模擬重組；模擬重組所得產物(PRODUCTS)根據物流線輸入至Ssplit分流器，在該模塊中發生氣固分離，最終得到固態產物生物炭(BIOCHAR)和氣態產物(GAS)。
圖1 沼渣低溫熱解模擬流程
由于沼渣屬于Aspen Plus數據庫中的非常規物質，需根據其工業分析和元素分析數值，進一步轉化為軟件可識別的常規組分[26]。本文沼渣熱解過程模擬所采用的數據來源于團隊所做實驗研究，其工業分析和元素分析如表1所示[27]。
表1 沼渣的工業分析與元素分析
1.2 生命周期評估
本研究利用LCA量化沼渣熱解過程的環境影響，識別主要環境影響的貢獻環節。根據 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據解釋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、能量輸入以及污染物排放產生的環境影響進行評價，評價范圍包括沼渣從產生后被收集運輸，在熱解工藝中發生干燥、熱解，到產物分離的整個過程，對應的生命周期邊界見圖2。假設餐廚垃圾在厭氧消化前已經過分選，沼渣產生之后即刻進入系統邊界。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的輸入和輸出[29]。沼渣熱解各環節的排放清單見表2。其中，收集及運輸環節的環境排放為消耗燃油產生的間接排放，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，運輸距離設定為10 km，根據eBalance自帶的中國生命周期基礎數據庫所提供的生命周期清單數據計算得出該環節的環境影響；干燥和熱解環節的環境排放為消耗電能產生的間接排放，根據1.1節中熱解工藝過程設置的具體參數，結合eBalance內置的CLCD數據庫所提供的生命周期清單數據可核算其對應的環境影響；產物分離環節主要是熱解產生的生物炭和不凝性氣體，其中生物炭可作為資源被回收，實際的環境排放為熱解產生的廢氣，對應的排放量由Aspen Plus模擬得出。
表2 沼渣熱解的環境排放清單(基于1 t沼渣)
1.2.3 生命周期影響評估
根據生命周期清單分析可知，沼渣熱解過程的主要環境排放物為CO、CH4、CO2、SO2和NOx等，而環境影響類型是各排放因子的綜合作用結果。因此，本文重點關注的環境影響類型主要包括全球變暖、環境酸化和富營養化3個方面，分別使用CO2、SO2和NO3–當量來量化3種類型的環境影響潛值[30]。各環境影響類型清單物質及參照物質如表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境影響潛值。
表3 各類環境影響指標的特性與信息
2 結果與討論
2.1 模擬結果
為驗證模型有效性，本研究在Aspen Plus軟件中設置的模擬參數輸入數據與實驗參數保持一致：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 ℃。模擬結果與實驗結果如表4所示，可以發現沼渣熱解生物炭產率模擬值與實驗值之間的相對誤差僅為10.05%。模擬結果相對較低，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表面，會改變生物質本身的空隙結構，導致其升溫速率降低，從而對熱解過程中的傳熱和傳質產生影響[31]。相關研究表明，在相同熱解條件下，添加催化劑能夠顯著提升熱解產物焦炭的產量[32-33]。但本研究在Aspen Plus建模時，已假設熱解反應過程快速達到平衡狀態，反應溫度保持不變，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 沼渣熱解模擬結果與實驗結果
2.2 溫度對沼渣熱解生物炭產率的影響
溫度作為熱解過程最關鍵的控制變量，對熱解產物的產率和品質具有顯著影響[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軟件中對熱解反應器中的溫度進行設置，從350 ℃開始，每隔10 ℃設置一個溫度，直到500 ℃。
圖3是沼渣生物炭產率在350~500 ℃范圍內的變化趨勢。隨著熱解溫度的升高，生物炭產率逐漸降低，從350 ℃的53.08%下降到500 ℃的47.21%，這與Choi 等[36]的研究結論一致。出現此趨勢是由于溫度升高，原料中的有機物逐漸分解氣化，初始分解產生的炭發生二次分解，導致生物炭的產率不斷降低[37]。王菁等[38]在利用生物質熱解制備生物炭時也發現，350℃時生物炭產率最高，為54.06%，略高于本研究模擬結果。這可能是因為生物質中纖維素和木質素等成分含量較高，其往往具有更高的熱解產物量[39]。
圖3 生物炭產率隨溫度變化趨勢
2.3 氣氛對沼渣熱解生物炭產率的影響
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氣氛的基礎上，通入另一種常用的反應氣氛CO2，探究其對沼渣生物炭產率的影響。設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是沼渣生物炭產率隨CO2體積分數的變化趨勢。從圖中可以發現，隨著CO2體積分數的不斷增大，生物炭的產率逐漸下降，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，有助于熱解氣化反應的進行，減少了生物炭的產生量[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氣氛下物質熱解氣化效率更高。較熱解溫度而言，氣氛對熱解產物收率影響更小，這與劉雨豪等[41]的研究結果一致。
圖4 生物炭產率隨CO2體積分數變化趨勢
2.4 生命周期環境影響評價結果
為統一各環境影響類型間的量綱，便于比較相對大小，本文根據1990年世界人均環境影響作為基準值[44]，對所有環境影響類型進行標準化，結果如表5所示。可以看出，沼渣熱解全生命周期對全球變暖的貢獻最大，其次是環境酸化，富營養化最小。沼渣熱解主要的4個環節中，收集及運輸、干燥和熱解均對環境酸化相對貢獻最大，其次是全球變暖和富營養化，產物分離環節因環境排放物僅有CO2、CH4和CO，故本研究只考慮了對全球變暖的貢獻。
表5 沼渣熱解環境影響潛值
圖5是沼渣熱解各環節環境影響潛值分別在全球變暖、環境酸化和富營養化指標中所占比例。對于全球變暖，熱解環節的貢獻度最大，占比為49.53%，其次為產物分離環節、干燥環節、收集及運輸環節，貢獻度分別為34.27%、15.13%、1.07%；對于環境酸化，熱解環節貢獻占比高達75.52%；對于富營養化，熱解環節依然貢獻較大，占比為75.00%。這也是由于熱解環節本身是核心單元環節，熱解裝置需消耗電能以滿足熱解爐穩定運行，故在整個系統中產生的能耗最大。
圖5 沼渣熱解各環節的環境影響貢獻
2.5 討論
為進一步評估沼渣熱解制備生物炭的技術經濟效益，本研究以某生活垃圾熱解企業為例，對沼渣熱解過程的成本效益展開分析。通過實地調研獲取企業的運營基本信息，結合模型模擬結果，測算得到沼渣熱解成本和收益，結果如表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，產出收益包括政府補貼和產品收益。圖6為熱解投入成本和產出收益構成情況。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%，對應成本值分別為86.76元/t、82.42元/t和76.18元/t。產出收益中政府補貼和產品收益占比分別為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勢。可能原因在于熱解裝置的成本整體較高，且后續的維護和折舊費用也處于較高水平[21]。此外，沼渣熱解產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成情況
為推動沼渣熱解工藝規模化應用，除提升補貼政策的支持力度外，還應重點考慮優化現有技術和裝置，提升熱解工藝設備的自動化，減少成本投入的同時降低能耗。其次，應結合熱解產物產率對影響條件的響應規律，優化工藝運行參數，以增加產物產量。此外，應逐漸將熱解產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化，拓展熱解產物利用途徑，以提升沼渣熱解的產品收益。
3 結束語
本研究基于Aspen Plus對餐廚垃圾厭氧發酵沼渣進行了熱解模擬研究，建立了熱解過程反應模型，并重點探究了熱解產物在溫度和氣氛變化下的演變規律，在此基礎上利用生命周期評價方法量化了沼渣熱解各環節的環境影響。得出如下主要結論：
1）沼渣熱解模擬生物炭產率與實驗研究結果具有較高的一致性。在350~500 ℃熱解溫度范圍內，沼渣生物炭產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，其次是環境酸化和富營養化；各環節對3種環境影響類型的貢獻度差異較大，其中全球變暖環境影響潛值占比排序為：熱解>產物分離>干燥>收集及運輸，環境酸化和富營養化環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濟效益為–98元，技術經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。
受限于實驗數據的可獲性以及軟件參數的可調控性，本文對沼渣熱解影響因素的考慮還不夠充分。后續研究將持續完善實驗設計，補充相關影響因素的梯度實驗，揭示沼渣的熱解機理，通過實驗數據優化Aspen Plus建模，嘗試細化過程單元的反應機制，以提升模型的適應性和有效性。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注了熱解自身的環境影響和成本效益，缺乏與其他資源化路徑的對比。后續研究將探索挖掘沼渣熱解技術的節能減排潛力，同時拓展多種典型資源化技術的生命周期建模，對比分析各自在技術、環境和經濟的特點，以期為選擇合適的資源化路徑提供參考。
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