《Science of The Total Environment》：Life cycle assessment of microwave torrefaction and pellet production from agri-forest residues
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本研究通过生命周期评估分析微波热解 camelina 秸秆和 switchgrass 制备生物燃料颗粒的环境影响，使用回收 HDPE 作为粘合剂，结果显示添加生物炭（MW 吸收剂）的颗粒 global warming potential 显著降低，为减少塑料废弃物污染和促进循环生物经济提供新路径。
奥比奥拉·S·阿古（Obiora S. Agu）|洛佩·G·塔比尔（Lope G. Tabil）|埃德蒙·穆蓬德瓦（Edmund Mupondwa）|薛莉（Xue Li）
萨斯喀彻温大学化学与生物工程系，加拿大萨斯卡通市Campus Drive 57号，SK，S7N 5A9
摘要
本研究通过多种途径，对利用微波（MW）热解法处理的 camelina 秸秆和 switchgrass 生产生物燃料颗粒的生命周期进行了评估。采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）的分析方法，研究了与原料生产、预处理（通过热解）、以及使用回收塑料（高密度聚乙烯（HDPE）作为粘合剂来制备 camelina 秸秆（CS）和 switchgrass（SG）颗粒相关的环境影响，例如全球变暖。评估基于每 1 公斤 CS 和 SG 颗粒的功能单位。研究应用了 Impact 2002+ 区域方法（该方法结合了中间点和终点评估方法），将库存数据转化为潜在的环境影响。结果表明，使用微波热解/生物碳/HDPE 颗粒的生产过程产生的全球变暖潜力较低（热解后的 camelina 秸秆与生物碳/HDPE 颗粒为 0.00327 公斤二氧化碳当量，热解后的 switchgrass 与生物碳/HDPE 颗粒为 0.00224 公斤二氧化碳当量），其他环境影响类别也存在差异。这表明，将热解生物质与微波吸收剂（生物碳）混合使用以生产 CS 和 SG 颗粒，可以减少温室气体排放，从而有助于缓解废弃塑料处理带来的环境负担。
引言
在全球范围内，循环生物经济作为减少对化石资源依赖的可持续进程正受到越来越多的关注。这一创新促进了可再生能源的多样化发展，涵盖了经济、环境和社会发展价值，同时提高了能源的可获得性和可持续性，并目标是在 2050 年前实现低碳足迹（Makepa 等，2023；Agu 等，2023）。加拿大拥有未充分开发的可再生能源资源，人均生物质产量居全球首位；超过 23% 的可再生能源来自固体生物质，其中 9% 来自林业残余物。加拿大已投资超过 70 亿美元用于推动和支持生物能源的发展和技术应用（Agu 等，2023；Buss 等，2021）。木质生物质和农作物残余物被视为可再生能源原料，是替代不可再生化石燃料的潜在选择，能够减少温室气体（GHG）排放，并在能源供应链中创造经济机会。由木质和农作物残余物制成的颗粒在加拿大偏远社区中用于家庭供暖，并显示出巨大的创新燃料替代潜力。此外，加拿大正在投资和发展智能电网，以促进偏远社区获得清洁能源，并通过碳污染定价系统来调节排放（Sadaghiani 等，2023；Agu 等，2023）。
Camelina 和 switchgrass 是第二代生物燃料原料，其栽培过程可能因合成肥料（氮、钾、磷氧化物和氨）和农药的使用而导致酸化和臭氧层损耗。这些化合物是作物生产中的重要大量营养素，其排放物以氧化物形式存在，可能是全球变暖潜力、光化学氧化剂形成和富营养化的潜在贡献者（Ashworth 等，2015）。研究表明，Camelina 秸秆和 switchgrass 在减少温室气体排放方面比传统化石燃料或第一代原料更有效（Ashworth 等，2015；Li 和 Mupondwa，2014）。塑料废物管理策略的不足破坏了生态系统，塑料废物的低降解性带来了严重的环境挑战，导致大规模污染。塑料废物具有高挥发性物质含量、低水分和灰分含量，以及高氢碳比和低氧碳比。我们研究了使用高密度聚乙烯（HDPE）作为 camelina 秸秆和 switchgrass 的粘合剂，以及使用线性低密度聚乙烯（LLDPE）作为热解大麦和小麦秸秆的粘合剂（Emadi 等，2017）。生物质含有低氢碳比和高氧碳比（Agu 等，2025）。尽管在处理、运输和储存生物质作为燃料方面存在挑战，但热化学处理和生物质致密化有助于缓解这些操作问题。在生物能源供应链中使用热解颗粒具有环境影响，特别是在原料和颗粒生产以及能源最终使用方面。同样，有研究表明，作物栽培占整个生物燃料或生物能源生产链总环境影响的 95%（Krzyzaniak 和 Stolarski，2019）。可以通过生命周期评估（LCA）来评估各种生产情景的环境影响，LCA 是一种广泛用于评估农业作物和生物质作为生物能源原料生命周期的工具（Ashworth 等，2015；McNamee 等，2016）。LCA 已在 ISO 14040–14044 标准中得到认可和标准化，采用了多种方法和影响评估技术（ISO14040，2006；ISSO14040，2006）。多项研究表明，农业和林业残余物含有高碳和氧含量，可以显著影响热解后产生的炭 fractions 和生物油的质量。另一方面，塑料废物含有高碳和氢含量，在热解过程中释放氢，与生物质相互作用生成更多碳氢化合物和氧化物，如酚类、醇类和酮类（Agu 等，2022；Guo 等，2023）。微波热解（200°C 至 300°C）是一种将生物质转化为增值产品（如炭 fractions、热解液和非冷凝气体）的有前景的技术。其他研究还报告了炭 fractions 的质量、影响热解过程的因素、颗粒的质量，以及使用废弃塑料作为粘合剂的热解生物质颗粒燃烧后的灰分特性（Agu 等，2025）。热解技术允许生产可再生且碳中性的固体生物质能源资源，促进农作物残余物生物能源作为不可再生化石燃料的替代品。
为此，一些研究调查了整个供应链中热解固体生物燃料的温室气体排放环境影响。Alizadeh 等（2023）研究了使用未经处理的混合锯末、蒸汽爆炸处理和热解锯末生产生物燃料颗粒的环境影响。结果表明，热解颗粒比其他形式更环保，除了对臭氧层损耗和水体富营养化的影响外。对于发电而言，热解颗粒有利于生态系统质量、气候变化和资源利用。Benetto 等（2015）对葡萄渣颗粒的热能生产进行了 LCA。研究发现，颗粒干燥过程对环境影响显著，占生态系统影响总量的 30% 以上。Lu 等（2015）比较了小麦秸秆颗粒化过程中使用的五种不同预处理方法。结果表明，射频和蒸汽爆炸预处理对环境最为不利。然而，使用木屑作为粘合剂比其他预处理方法更环保。Lu 等（2024）研究了高炉中碳质颗粒的 LCA。研究结论表明，这些评估指标表明了过程的可持续性，并提高了系统的环境性能，从而实现了节能和减排。同样，Sadaghiani 等（2023）研究了加拿大偏远社区中使用木颗粒生产生物能源的 LCA。颗粒化和燃烧阶段显示出最大的环境影响，尤其是在颗粒化的非致癌效应和颗粒燃烧的呼吸效应方面。Martín-Gamboa 等（2020）报告了 84 篇文献中关于生物质颗粒方法选择的相关性，大多数评估基于木颗粒的研究。此外，由于技术特性、假设和方法选择的不同，全球变暖的影响存在很大差异。多项研究报道了生产热解生物质和颗粒化的各种过程，并提供了更多关于木颗粒环境影响的分析（Fokaides 和 Christoforu，2016）。相比之下，尚未有研究尝试评估使用回收塑料作为粘合剂的微波热解农作物残余物颗粒的环境影响。
随着人们对与生物能源利用相关的生物质颗粒生产环境研究的兴趣增加，这项 LCA 研究分析了广泛的影响类别，以评估对人类健康、气候变化、生态系统和资源消耗的毒性影响。该研究评估并记录了生产热解 camelina 秸秆和 switchgrass 生物燃料颗粒在整个生命周期中的环境影响和效益。研究目的是评估使用生物碳混合物作为微波吸收剂的 camelina 秸秆或 switchgrass 的微波热解环境可行性，以及添加 HDPE 作为粘合剂制备高质量固体生物燃料颗粒的可行性。研究结果有助于减少塑料废物焚烧产生的温室气体排放，促进生物质和回收塑料组合的替代可再生能源的可行性，减少对化石燃料的依赖，并为推动循环生物经济发展提供知识支持。
方法论
LCA 系统地包括生命周期清单和生命周期影响评估，以评估与原始生物质生产、应用转换技术和最终产品分配及使用相关的环境影响（Ashworth 等，2015）。LCA 遵循 ISO 14040 标准“环境管理 – LCA – 原则和框架”（ISO14040，2006；ISSO14040，2006）。LCA 使用 SimaPro 9.0.0.49 软件（PRé Sustainability，阿姆斯特丹，荷兰）进行。
Camelina 和 switchgrass 生产的系统能量流
图 2 显示了基于不可再生能源的生物质种植和收获过程中的主要能源消耗比例。考虑到复杂性和不确定性，移动拖车建造材料的能源未包含在研究中。Camelina 秸秆和 switchgrass 生产的总能源分别为每公斤 0.81 MJ 和 0.59 MJ。在栽培和收获操作中使用柴油是能源消耗的一个因素。
结论
本研究对微波热解和颗粒化过程进行了全面的从摇篮到大门（cradle-to-gate）的 LCA，研究了含有/不含生物碳和 HDPE 的热解 CS 或 SG 颗粒的环境性能。可以看出，生产 1 公斤热解生物质和颗粒的每个步骤都对影响类别有独特的影响。生物质生产阶段对所有影响类别的影响最大，其次是
作者贡献声明
奥比奥拉·S·阿古（Obiora S. Agu）：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论研究、数据分析、概念化。洛佩·G·塔比尔（Lope G. Tabil）：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、软件应用、资源管理、项目协调、方法论研究、资金获取、概念化。埃德蒙·穆蓬德瓦（Edmund Mupondwa）：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论研究、资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢加拿大农业和农业食品部-萨斯卡通研发中心（AAFC-SRDC）的技术支持。特别感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）和 BioFuelNet Canada 对该项目的资金支持。
