论文标题：Comparative Feasibility and Environmental Life Cycle Assessment of Cotton Stalks Gasification and Pyrolysis

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8783/4/1/2

期刊名： Biomass

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomass

一、引言

近年来受工业化和人口增长的影响，全球能源需求持续上升，电力生产过度依赖化石燃料，已对环境造成显著负面影响。利用可再生能源是减轻大规模化石燃料，消耗负面影响的多种策略之一，生物能源作为可再生能源的一种替代方案，目前已占全球一次能源消费的10%。尽管希腊对可再生能源的兴趣日益增长，但生物能源的总体应用仍相当有限。希腊拥有巨大的农业生产能力，生产出大量未被利用的废弃物，这些废弃物本可用于生产生物能源。

棉秆可通过气化和热解等热化学工艺有效用于生物能源的生产。为了提高希腊整体能源结构中可再生能源（RES）的比例，通过气化或热解棉秆是一种重要途径，该方法具有诸多优势。为确保此类系统的可持续性，必须仔细评估特定使用路径对环境的影响。本研究的主要目标是对比色萨利地区卡尔迪察区采用两种替代工艺——热解和气化——对棉秆进行资源化利用的效果。在技术性能、环境影响和经济可行性方面对这两种工艺进行了比较。研究采用从源头到终端的分析方法，涵盖了棉秆在田间准备、种植、收获、运输以及转化为生物能源过程中所涉及的资源消耗、生物能源产生及排放情况。

二、材料与方法

本研究利用Ecoinvent数据库和技术经济分析方法生成了清单数据，其中包括能源投入、辅助材料（水、种子、肥料、杀虫剂和除草剂）以及向空气、水和土壤的排放。报告同样未提及生命周期中的环境和社会因素，以及噪音、气味、废热、对工人健康的直接影响或与废物管理相关的排放。本研究采用生命周期评价模拟引擎（LCA Simulations Engine）进行生命周期评价，该引擎是在KYKLOS 4.0 H2020项目框架下开发的。该引擎提供了一个界面，用于进行生命周期评价并基于静态和动态数据源计算影响指标得分。如表1所示，本研究使用18个关键指标评估了生物质热解和气化转化过程的环境绩效。

表1. 本研究中使用的指标列表

三、最佳运行参数评估

3.1. 棉花茎秆的生产与特性

图2. 2015–2019年希腊棉花茎秆平均产量

3.2. 棉秆利用

棉秆气化文献综述结果见表4，重点关注棉秆气化以及温度、气化剂和当量比（ER）对合成气产量和能量含量的影响。研究结果有助于选择合成气生产的最佳条件。

表 5 总结了棉秆热解方面的文献综述结果， 500 至 600 °C的温度是生产热解油的最佳温度。Kataria 等人 的研究表明，将温度提高到 550 °C 可获得40%产油率。Chen 等人 在 600 °C 时记录到最高的产油率，同时气体和焦炭的产率分别保持在 22% 和 28%，而产油率达到 50%。

四、结果

图6.. 系统边界、输入和输出的概览

图 6 展示了价值链、系统边界以及投入和产出的概览。价值链的三个主要步骤如下：（i）棉花的生产和收获，（ii）棉秆的收集和运输到气化或热解工厂，以及（iii）棉秆用于生物能源（通过气化或热解）。

图 7. 价值链各阶段对气化方案影响指标的贡献（FU：25,500 吨棉秆/年）

图7展示了各价值链阶段对气化方案影响指标的贡献。可以看出，棉花的种植和收获占大多数指标的最主要部分。总体而言，灌溉用水使用会导致生产阶段在水资源消耗（WD）、淡水生态毒性（FETP）、淡水富营养化（FEP）、海洋生态毒性（METP）以及海洋富营养化（MEP）方面产生较大影响。化石燃料和矿物的使用还增加了与气候变化（GWP）、化石资源耗竭（FDP）以及金属耗竭（MDP）相关的环境影响。

图 8. 价值链各阶段对热解方案影响指标的贡献（FU：25,500 吨棉秆/年）

图 8 显示了热解方案在价值链各阶段的总体影响细分。显然，几乎所有影响类别都主要集中在棉花生产阶段。此外，与气化相比，热解工艺对环境的影响相对较小。

图 9. 气化和热解方案的标准化影响指标（FU：25,500 吨棉秆/年）

标准化是生命周期影响评估 (LCIA) 的一个步骤，涉及通过将环境影响与参考值或基准进行比较来将环境影响纳入背景。本研究考虑了链条所有步骤（即生产、运输和使用）的影响，标准化的结果如图 9 所示。

五、展望与结论

本研究探讨了在希腊利用这种极具潜力的农业废弃物生产生物能源的两种方案。通过考察整个价值链的环境影响和生物能源工厂的经济效益，可以选择更优的方案，并指出可能的改进方向。总体而言，两个生物能源装置均展现出经济可行性，可提供较高的年收益和较短的投资回收期。其中，热解装置表现最为突出，投资回收期仅为1.58年，投资回报率（ROI）高达58%，净现值（NPV）为2150万欧元。气化装置虽然性能略逊一筹，但依然盈利可观，投资回收期为2.41年，投资回报率为36%，净现值为1052万欧元。然而，值得注意的是，热解装置的初始投资额显著高于气化装置，这可能会成为投资者决策中的一个阻碍因素。

为了选择最佳方案，除了经济影响外，还需要评估两种方案的环境影响。本研究采用从摇篮到大门的生命周期评价（LCA）方法，对两种方案进行了18项影响指标的评估。LCA评估结果表明，气化方案（包括棉花种植、棉秆运输和最终转化）的总体环境影响可能略大。

尽管这项研究尚属初步，但其重要性在于它提供了宝贵的见解，表明与气化相比，棉秆热解是更优的生物能源生产选择。据作者所知，目前尚无其他研究比较希腊棉秆气化和热解的经济可行性和环境影响。本研究旨在清晰概述两种利用途径的潜在优缺点，并提出更优方案。总体结果表明，热解工艺略胜一筹。

期刊介绍

主编：Prof.Dr. Dimitris P. Makris

Biomass (ISSN 2673-8783) 创刊于2021年，是一个国际开放获取期刊。期刊内容涵盖生物能源、材料/能源的生物精炼以及以生物质形式的生物碳的循环利用等各个方面。

2025 IF：6.1

2025 CiteScore：6.7

Time to First Decision：19.3 Days

Acceptance to Publication：7.7 Days