一种基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法

本发明涉及生命周期评价，具体为一种基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法。

背景技术：

1、在现有技术的背景下，全球对气候变化和化石燃料造成的环境污染的关注已经引发了对开发可再生资源的巨大需求，生物质，作为一种可再生能源原料，可以通过物理化学、热化学及生化过程转化为能源，特别是生物乙醇，作为由生物质原料生产的产品，被认为是最佳的化石燃料替代品之一，具有替代化石燃料的巨大潜力，农林废弃物秸秆，作为木质纤维素生物质的一种，随着农作物种植及产量的增长，秸秆产量不断增加，秸秆的不当处理，如焚烧和随意丢弃，会对环境产生负面影响，同时也是对资源的严重浪费。

2、生命周期评估(lca)是一种评价产品整个环境影响的工具，已被广泛应用于评估生物乙醇系统的环境影响，然而，现有技术在生物乙醇生产过程中主要将生物质原料加工为生物乙醇，而木质素残留物通常被燃烧转化为电能和热能，这种处理方式虽然能够部分利用木质素，但并未充分发挥其潜在价值，此外，第二代生物乙醇生产对环境生命周期的影响在很大程度上取决于生物质的类型以及评估所考虑的系统边界，而现有的lca研究往往集中在比较不同原料、种植系统和转换技术的环境影响，缺乏对生物乙醇联产木质素这一过程的全面评估。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的生命周期评估方法存在利用率低，效率低，可靠性低，以及如何实现对生物乙醇联产木质素这一过程的全面评估的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法，包括收集生物质原料并记录原料参数，将生物质原料进行预处理；预处理后进行生物乙醇转化流程，采用监测系统对转化数据进行分析；提取生物乙醇联产木质素，建立生命周期评价模型对木质素进行生命周期评价。

4、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的一种优选方案，其中：所述收集生物质原料并记录原料参数包括选用玉米芯、玉米秸秆以及小麦秸秆作为生物质原料；原料参数包括原料组成和质量、物理特性、化学特性以及环境影响参数；原料组成和质量包括秸秆干重、秸秆湿重、纤维素含量以及灰分含量；物理特性包括粒径大小和分布、密度以及粗糙度和表面特性；化学特性包括ph值、糖含量以及抗生物质和抑制物含量；环境影响参数包括温室气体排放和能源消耗。

5、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的一种优选方案，其中：所述将生物质原料进行预处理包括将收集的生物质原料干燥、打包并使用柴油车运输到生物乙醇加工厂进行纤维素乙醇联产副产物，生物质原料的收集半径表示为：

6、

7、其中，f为年生物质原料干重的需求量，fa为原料的收集系数，fb为种植系数，y表示生物质原料的产量。

8、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的一种优选方案，其中：所述生物乙醇转化流程包括生物质原料经皮带送至粉碎机，粉碎至20-50mm，粉碎后的原料通过螺旋给料机和皮带输送到糖化装置中进行糖化反应；在糖化反应器中进行预处理，在糖化反应器中加入酸溶液和蒸汽，破坏纤维素、半纤维素和木质素间的键，使纤维素在糖化或水解时与酶进行作用，纤维素、半纤维素以及木质素分离后原料中的半纤维素转化为木糖，反应后的物料通过喷放锅泄压，基于螺旋输送机到挤干机进行固液分离，获取木糖液和粗纤维素，木糖液进一步处理获取木糖产品，粗纤维素加入生产水后通过泵送到酶解工段；粗纤维素送至原料缓冲罐，通过连续补料酶解的方式制成浆料，加入纤维素酶，纤维素在纤维素酶的作用下水解成葡萄糖，经过72h的酶解获取酶解液，酶解液通过固液分离装置进行固液分离，固体为木质素副产物，液体的酶解液进行发酵处理，酶解液与酵母及营养盐同时进入发酵罐进行发酵处理，糖化和酶解反应中的葡萄糖和水解物发酵为生物乙醇，发酵72h后的醪液乙醇浓度为58-68g/l，发酵后的混合液在蒸馏塔中进行蒸馏获得无水乙醇，在精馏塔中分子筛进行纯化获得燃料乙醇；发酵后的醪液进入精馏工段中的脱气塔，二氧化碳及杂质通过闪蒸并分离出去，废水从塔底排出，脱气塔中粗酒精进入粗馏塔，在粗馏塔中的粗酒精进过预热后进入精馏塔进行精馏，在塔顶上汽相获得95％的酒精蒸汽进入分子筛工段脱水后获得的纤维素乙醇产品为合格品。

9、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的一种优选方案，其中：所述对转化数据进行分析包括采用监测系统对转化数据进行分析，采集生物乙醇转化流程中的转化数据计算转化效率η，表示为：

10、

11、其中，pethanol为最终产生的生物乙醇量，v为反应体积，ρbiomass为原料的初始密度，λ为原料浓度的衰减系数，e-λv表示原料浓度随反应体积的变化，t0和tf分别为糖化反应的初始和最终温度，topt为糖化反应的最佳温度，σt为温度分布的标准差，表示温度波动的程度，k为常数，tferm代表发酵时间。

12、当转化效率η大于等于0小于0.3时，转化效率为低效率，对生物乙醇转化流程进行全程检查，若出现设备损坏则进行更换处理，若未出现设备损坏则检查原料质量，进行筛选处理。

13、当转化效率η大于等于0.3小于0.8时，转化效率为合格效率，对生物乙醇转化流程进行原料质量检查，调整转化流程中的反应时间。

14、当转化效率η大于等于0.8小于1时，转化效率为高效率，对生物乙醇转化流程进行全程记录，保留一半样品记录转化数据作为标准转化数据。

15、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的一种优选方案，其中：所述提取生物乙醇联产木质素包括基于转化效率对生物乙醇转化流程中的木质素进行提取，当转化效率为低效率时，对提取出的木质素进行预处理后使用。

16、当转化效率为合格效率或高效率时，对提取出的木质素不做预处理进行操作。

17、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的一种优选方案，其中：所述进行生命周期评价包括基于原料参数建立生命周期评价模型对木质素进行生命周期评价，表示为：

18、

19、其中lcalignin为木质素的生命周期评价值，n为不同类型的原料数量，ωi为第i种原料的物理特性权重，mi为第i种原料的总质量，fphys(xi)为第i种原料的物理特性函数，xi为第i种原料的物理特性参数，θi为第i种原料的化学特性权重，gchem(ci,pi)为第i种原料的化学特性函数，ci和pi分别表示第i种原料的化学成分和性质参数，φ为环境影响参数的权重，eghg为温室气体排放量，econs为能源消耗量。

20、当生命周期评价值lcalignin大于等于0.6时，木质素的评价为不合格，检查生物乙醇转化流程用料质量与碳排放量，进行优化处理。

21、当生命周期评价值lcalignin小于0.6时，木质素的评价为合格，记录生命周期评价模型中的指标以及评价结果。

22、本发明的另外一个目的是提供一种基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价系统，其能通过提取生物乙醇联产木质素，建立生命周期评价模型对木质素进行生命周期评价，解决了目前的生命周期评价含有可靠性低的问题。

23、作为本发明所述的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价系统的一种优选方案，其中：包括原料预处理模块，转化分析模块，生命周期评价模块；所述原料预处理模块用于收集生物质原料并记录原料参数，将生物质原料进行预处理；所述转化分析模块用于预处理后进行生物乙醇转化流程，采用监测系统对转化数据进行分析；所述生命周期评价模块用于提取生物乙醇联产木质素，建立生命周期评价模型对木质素进行生命周期评价。

24、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的步骤。

25、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法的步骤。

26、本发明的有益效果：本发明提供的基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法通过收集生物质原料并记录原料参数，将生物质原料进行预处理，实现了对原料质量和组成的精确控制，确保了原料在转化为生物乙醇前处于最佳状态，提高了整个生产过程的效率和产出质量；通过精确控制粉碎、糖化和酶解步骤，实现了高效的生物质转化，有助于提高生物乙醇的产量和质量，采用监测系统对转化数据进行分析，可以实时监控转化效率，及时调整生产参数，提高整个生产过程的可控性和可预测性；通过建立生命周期评价模型对木质素进行生命周期评价，全面评估木质素的环境影响，确保生产过程的环境友好性和可持续性，提高了生命周期评价的可靠性，本发明在效率、可控性以及可靠性方面都取得更加良好的效果。