铜藻基固体酸催化剂生命周期温室气体排放分析

潘费杨，窦 鑫，吴奕韬

（浙江工业大学化学工程学院，浙江 杭州 310014）

在现代化工业生产和制造过程中，温室气体（CO2、CH4等）的排放量在进行环评过程中起着非常重要的作用[1-2]。而生命周期评价（LCA）也广泛应用于材料的全生命周期温室气体排放方面，它是通过对整个产品系统中采购、生产、输出和对环境造成的潜在影响进行汇总和评估[3]，从而实现对整个生产周期的评价[4-5]。

铜藻（Sargassum Horneri（Turn.））[6]隶属马尾藻属 （Sargassum）[7-8]，广泛分布于中国沿海浅海区，具有生长速度快、产量大，性质单一，植株高大等特点；此外，该原料具有易于采集、物流成本低，能够大规模、稳定地提供生物质原料等优势，极具发展潜力。目前，关于铜藻的研究主要有制备生物乙醇、活性炭等。因此，开发铜藻炭基固体酸催化剂[9-10]高附加值转化利用技术具有重要的现实意义。

本文为了构建完善的LCA数据评价体系，对铜藻在生长、输送、催化剂生产、使用和消耗阶段进行详细的实验和数据统计，进而能够对全生命周期中铜藻炭基固体酸催化剂系统产生的GHG进行计算，最终提出能够促进该过程中碳排放量有效减少的措施和意见。

1 研究方法

1.1 研究对象、系统边界与功能单位

本文以铜藻炭基固体酸催化剂为研究对象，并且对其原料的生长、输送、催化剂的制备、使用和消耗阶段进行充分的研究。其中，原料预处理和炭化磺化构成了催化剂制备过程。

为了实现对该催化剂整个生命过程和各个不同阶段中，温室气体的排放量或者吸收量进行具体的计算，将原本复杂的催化系统进行合理的简化计算，把两方面的影响因素不列入计算中：第一，在对催化剂输送、制造、使用和消耗过程中，相关设备和试剂（浓硫酸、油酸等）产生的气体含量不计入计算总值中；第二，在对温室气体排放量进行计算时，由于人为因素引起的气体排放量，不计入计算数值中。

温室气体分为三个阶段进行排放：第一，各种不可再生能源（柴油、煤炭）的不断使用所导致的温室气体的排放；第二，在催化剂的生产过程中产生的CO2；第三，在反应过程中，催化剂中含有的有机碳会以CO2的形式释放到环境中。在整个催化剂的生命周期中，只有铜藻处于生长时期才会对CO2进行吸收，其主要吸收途径是光合作用，尽管该过程中会存在一定的植物呼吸作用产生CO2，但是总体来看，在这个过程中CO2属于净吸收。在铜藻的生长过程中，不可避免地会产生一定量的有机物，其中一部分会在催化剂的生产过程中排放到环境中，另一部分会在大自然中分解，以气体形式进行排放。因此，在铜藻生长过程中吸收的CO2和最终有机物排放的CO2能够实现总量相等，可以互相抵消。

为了确保实验所得数据具有一定的可比性，需要将部分功能单位引入生命周期的分析中，在本论文中，该功能单位是“1 kg固体酸催化剂”。

1.2 计算模型

在本文中，通过采用全球增温趋势（GWP）对数据进行归一化处理，可以有效地测试气候变化受到温室气体的影响效果。GWP是通过对某一物质在特定的时间范围内进行积分和CO2的含量相比得出的相对辐射影响值。通过计算各个温室气体的GWP，将其结果进行统计得CO2为1，CH4为 25，N2O 为 298（部分）[11]。

因此，本文为了简化对各种温室气体排放值的计算，按照GWP的计算方式，将所有的温室气体都转换为CO2当量（CO2-eq）。本文在查阅了大量的文献资料之后，鉴于实验室对能量的利用效率较低，将电力设备数据维持在固定的水平，然后对其他功能单位性数据进行对应放大[12-13]。

1.2.1 全生命周期温室气体净排放量计算模型

为了使催化剂全过程中温室气体排放含量的计算更加准确，必须将四个阶段中产生的间接温室气体含量进行计算，公式如下：

其中，催化剂整个生命过程总气体净排放量为GHGLC，kg CO2-eq；所需能源的排放因子为EFi，tCO2/MWh，该数值能够说明单位能源物质所排放的温室气体的含量的平均值，其中用CO2代表温室气体排放量，Ai为所消耗能源i的量，MWh。

1.2.2 各阶段温室气体吸收或排放计算模型

1.2.2.1 铜藻生长阶段

对浙江南麂列岛近岸藻场所生产的铜藻的青苗期、生长期、成形期、收获期等过程进行了深入研究，并且构建了简化的模型，因此在计算的过程中只计算铜藻自身的CO2净吸收量，其计算公式为：

式中，M1为生产1 kg固体酸催化剂所需原料铜藻的质量，kg，能够利用催化剂的得率Y计算出数据；MCO2/MSH为铜藻生长过程中固定的CO2量与自身质量之比，可以查阅相关资料得到对应的数据。

1.2.2.2 铜藻运输阶段

铜藻由产地运输到目的地温室气体排放计算模型为：

式中，EFt为我国公路运输排放因子，kg CO2/（100 tkm），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同上述意义，kg；S为铜藻产地与实验室之间距离，km。

1.2.2.3 催化剂制备阶段

催化剂制备过程中温室气体排放计算模型为：

在这个过程中，在催化剂生产过程中和能源消耗过程中所产生的温室气体排放量构成了总的温室气体排放量。我们假定，铜藻所吸收的部分CO2在自身生物作用过程中直接释放到大气中，另一部分则存储在相应的催化剂中，因此，在计算铜藻生长时所吸收的净CO2和催化剂中含有的净CO2数量之差时，可以通过差值法进行计算；在计算过程中，假定铜藻所吸收的CO2全部转换为催化剂自身所含的量，没有其他外界因素的影响；Ci为催化剂中碳元素含量 （%），44/12为C-CO2的转换系数；基于排放因子的方法，对间接排放量进行计算，其中EFe为电力排放因子，t CO2/MWh；Ae1为此阶段的耗电量，MWh。

1.2.2.4 催化剂应用与消耗阶段

在对酯化反应进行催化时，反应过程中电力消耗所产生的间接气体排放全部视为温室气体，并且在计算过程中，对温室气体的计算只进行一次反应过程中的含量，计算公式为：

多次重复利用后催化剂最终释放到大气中的温室气体计算模型为：

该公式代表在铜藻的成形过程中以有机形式生成的CO2含量和催化剂生产过程中释放的CO2差值。

1.3 数据收集与整理

铜藻自身质量和成形过程中固定的CO2比值为MCO2/MSH＝1∶1[14]；设定实验室距铜藻生长地为10 km，催化剂中含碳量为42.31%，得率为20.3%，电力和公路货运的排放因子如下表1；表2为电力设备功率和使用时间统计，其中部分数据是经过处理优化后统计的。通过在实验室对铜藻进行实验，进行深入的统计和分析，得出温室气体排放含量的主要过程和元素，使得本文能够对实际生产中的小试、中试、甚至规模化生产阶段提出合理性建议。

表1 公路货运与电力排放因子数据

表2 相关电力设备功率与其在实验中的使用时间

2 结果与讨论

2.1 全生命周期温室气体净排放量

本位选取1 kg固体酸催化剂，对催化剂全生命周期的四个阶段进行深入研究，并且考虑到了能源消耗所产生的间接性温室气体，得出催化剂全过程的温室气体排放量，经过计算后得出，其数值为（以CO2-eq计）20.369 kg。

2.2 各阶段温室气体吸收或排放量

通过构建合理的模型，得出各个阶段铜藻催化剂温室气体的吸收或排放含量，并且统计如表3所示。

表3 各阶段温室气体吸收或排放量

为了避免氮肥的施加产生更多的温室气体，因此在很多的工业化中，企业都热衷于选择铜藻，而不是农业废弃物，这主要是铜藻生长过程中无需氮肥。在计算过程中，在运输原料时能源消耗所产生的间接温室气体含量很少，但是在催化剂生产过程中消耗电力所导致的温室气体含量为17.059 kg CO2-eq，在整个生命周期中温室气体排放占有很大的比例，通常为83.7%，是造成大量温室气体排放的主要阶段。因此，为了使铜藻催化全过程中温室气体的排放量有效控制并且不断减少，可以通过降低催化剂制造过程中消耗的能量来实现。

在不同的阶段，消耗电力所生成的间接温室气体排放量如图1所示，其主要发生在催化剂的炭化和产品干燥阶段。因此，企业可以通过对这两个阶段进行深入研究，促进企业能源利用率的提高，进而有效减少CO2的排放。

2.3 与铜藻其他利用途径的温室气体排放比较

由于在其他的文献资料上，很少有专家对炭基固体酸催化剂整个生命周期进行排放量的分析，使得比较各种炭基催化剂整个研究周期中气体排放量较为困难。因此，本文通过研究不同方式和不同资源利用情况下的铜藻温室气体排放量，并且分析统计为表4。由此能够得出，可以通过有效的节能减排方式，使得铜藻催化剂全过程中温室气体排放量有效降低。

图1 不同过程的电力消耗带来的间接温室气体排放

表4 不同铜藻产品温室气体排放比较

3 结论

以1 kg催化剂为研究单位，通过采用LCA方法，研究了铜藻催化剂的生产和应用，并且对其排放量减少提出了合理化建议。

（1）在整个生命周期中，铜藻催化剂的温室气体排放总量（以CO2-eq计）为20.369 kg，相比铜藻的其他应用，有着较大的减排可能性。

（2）温室气体的最大排放阶段为催化剂生产过程，其总量占温室气体净排放量的83.7%。因此，在以后的研究过程中，必须加强对电力耗能的降低和效率的提高等方面的研究程度。

（3）在企业的生产过程中，若想在利用铜藻催化剂时使得温室气体含量有效减少，可以不断改进相应的炭化和干燥工艺。