Applied Energy丨利用玉米秸秆生物炭生产粪便衍生可再生天然气的技术经济和环境影响评价

论文内容

研究背景：

基于化石燃料燃烧的快速工业发展和重氮(N)施肥的集约化农业生产的人为活动正在推动碳(CO2和CH4)和活性氮(NH3、N2O和水浸氮)向大气和水圈的过度释，以及全球变暖、生态系统酸化、水道富营养化和生物多样性丧失的后果。近年来，由于生物炭具有固碳和调节土壤氮循环的巨大潜力，在农田管理中使用生物炭(一种由厌氧热解产生的顽固性碳质生物质产品)引起了人们的极大关注。据估计，全球生物炭战略能够减少每年多达12%的人为CO2-C当量排放量。然而，生物炭对土壤氮排放的影响仍在争论中，需要进一步调。如果适当的生物炭策略能够有效地减少土壤活性氮的排放，将为应对不断变化的全球环境带来多重效益。畜禽粪便管理生产总量的9.5%。与廉价的天然气生产相比，AD沼气生产的电力在成本上没有竞争力。将沼气升级为可再生天然气(RNG)作为天然气的替代方案，因其潜在的温室气体减排、燃料安全、经济效益和更好的空气质量而受到关注。

RNG的多样化使用有助于各种温室气体排放部门的脱碳，特别是当用作压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)时的运输部门。2017年以来，美国的RNG设施稳步增加，这主要是受到联邦(可再生燃料标准计划)和州一级(加利福尼亚州低碳燃料标准，俄勒冈州清洁燃料计划)为车辆运输生产RNG的激励措施的推动。然而，由于较高的前期成本和操作不稳定、工艺抑制和低沼气产量等技术障碍，畜粪衍生RNG生产的广泛实施仍然缺乏。为了克服AD的技术障碍，人们进行了广泛的研究，包括原料预处理、共消化、添加剂添加等。补充矿物质营养素、金属氧化物或酶可提高消化器的稳定性和甲烷产量。在AD沼气池中添加生物炭的新策略在工艺稳定性和沼气产量方面有了实质性的改善。生物炭对AD的潜在影响包括:1)减少中间抑制产物，2)提高沼气池缓冲能力，3)改善协同代谢，4)支持微生物生长，5)改善土壤应用的消化质量。Argonne National Laboratory (ANL)发表了一系列关于利用生物炭原位去除沼气中的CO2以达到接近管道质量的研究。此外，生物炭增加了消化系统营养物质的持有能力。一些研究人员报道，富含生物炭的消化系统为土壤提供了更多的有机质和宏微量营养素。

研究内容：

本研究的主要目的是进行全面的技术经济分析(TEA)，以调查添加生物炭对纤维素生物质衍生RNG生产的经济可行性。TEA是一个框架，通过详细的成本、收入、风险和不确定性分析来评估任何新技术或新途径的经济可行性。在本研究中，我们考虑了添加玉米秸秆生物炭从牛粪AD生产RNG的案例研究。为所研究路径的块流图。这项研究回答了一个研究问题:能源生产的增加是否证明生物炭的额外成本是合理的?由于环境信用在确定可再生天然气生产的经济可行性方面发挥着重要作用，因此进行了生命周期评估，以量化该途径的温室气体净排放量。灵敏度和不确定性分析揭示了瓶颈，为进一步研究提供了方向。本研究调查了两种情况:I)不加生物炭在AD中，II)加生物炭-生物炭混合在AD中。基于过程仿真模型和文献中的物质-能量平衡数据，进行了完整的TEA。在Aspen Plus TM中建立了牛粪AD、沼气转化为RNG、压缩、管道注入等过程仿真模型。RNG的最低销售价格(除了指定的投资回报率外，还包括所有制造相关成本的盈亏平衡价格)是根据贴现现金流回报率(DCFROR)方法计算的。利用敏感性分析研究了关键工艺和经济参数的影响。采用蒙特卡罗模拟方法，对RNG销售价格中关键工艺和经济参数的不确定性进行了量化。生命周期评估(LCA)研究资源和过程排放的全球变暖潜势(GWP)。使用从SimaPro TM软件和文献数据中检索的USLCI数据库进行从摇篮到坟墓的LCA。

研究结论：

研究了玉米秸秆生物炭对可再生天然气生产的技术、经济和环境影响。技术经济分析表明，添加5% (wt. %)的粪肥TS玉米秸秆生物炭可使RNG最低销售价格降低15%，而沼气产量提高28%。消化销售收入和RIN积分可以使RNG价格降低22%。添加生物炭可使总资本成本增加8%，运营成本增加13%。敏感性分析显示，养殖场规模对RNG价格的影响最大，其次是RIN价格，而生物炭价格的影响最小。对于中小型农场来说，由于升级设施的规模经济效益高，粪便到RNG生产是不可行的。RNG压缩和注入设施的投资成本也很高;因此，增加RNG产量将降低单位生产成本，从而实现具有市场竞争力的销售价格。LCA结果显示，由于碳固存和天然气置换，在生物炭添加情景下，温室气体排放量减少了32%。生物炭土壤应用的其他环境效益已被证明可以提高与生物炭混合的消化液的销售价格。不确定性分析显示“含生物炭”的RNG销售价格情景在11.56美元/GJ和19.02美元/GJ之间变化，在10-90%之间，而温室气体减排量可在0.045千克之间变化CO2 eq/MJ和0.074 kg CO2 eq/MJ。很难概括生物炭的经济效益修改AD流程，除非执行特定案例分析。然而，这项研究表明，生物炭的额外成本与净收益相比，额外成本可能微不足道。

转自：“农科学术圈”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！