CN117747004A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，涉及生命周期评价技术领域，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。本发明所述方法通过对原料质量和组成的精确控制，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，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，确保生产过程的环境友好性和可持续性。
Description
技术领域
本发明涉及生命周期评价技术领域，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
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。
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。
发明内容
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明第一个实施例提供的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的整体流程图。
图2为本发明第三个实施例提供的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的整体流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
实施例1
参照图1，为本发明的一个实施例，提供了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：
S1：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。
更进一步的，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。
应说明的是，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：
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。
还应说明的是，预处理是指将收集的生物质原料进行干燥、打包，然后使用柴油车运输到生物乙醇加工厂的过程，确保原料的质量和运输效率，干燥可以减少原料中的水分，提高其能源密度，从而降低运输成本和提高后续转化过程的效率，打包则有助于提高物流效率，减少运输过程中的损耗，将预处理后的生物质原料转化为纤维素乙醇，同时产生一些副产物，纤维素乙醇是一种可再生能源，相比传统的化石燃料，其生产和使用过程中释放的温室气体更少，对环境的影响也更小，联产的副产物，如木质素、糖类等，可以进一步加工利用，提高整体资源的利用效率，优化收集半径可以减少运输成本，降低整个生产过程的碳足迹。
S2：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。
更进一步的，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。
应说明的是，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：
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。
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。
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。
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。
还应说明的是，在酶解后，固液分离装置用于分离木质素副产物和酶解液，酶解液进一步经过发酵处理，转化为生物乙醇，发酵后的混合液在蒸馏塔中进行蒸馏，以获得无水乙醇，然后在精馏塔中进行纯化，提高生物乙醇的纯度和质量，同时有效利用副产物，增加经济效益，通过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，根据转化效率的不同，可以采取相应的措施，如对低效率的转化流程进行全面检查和调整，对合格效率的流程进行原料质量检查和反应时间调整，对高效率的流程进行记录和标准化，提高生产效率，确保产品质量，以及优化生产过程。
S3：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。
更进一步的，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；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。
应说明的是，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：
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。
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。
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。
还应说明的是，提取过程的关键在于基于转化效率的调整，当转化效率低时，提取的木质素需要进行额外的预处理以满足质量标准；而在转化效率高时，可以直接使用提取的木质素，提高木质素的利用率和质量，同时根据生产效率灵活调整处理流程，提高整体生产的经济效益，模型考虑了原料的物理和化学特性，以及环境影响参数，从而提供了一个全面的环境影响评估，能够准确评估木质素生产的环境影响，指导生产过程的优化，减少环境污染，提高生产的可持续性，生命周期评价值是衡量木质素环境影响的关键指标，当评价值大于等于0.6时，意味着木质素的环境影响较大，需要对生物乙醇转化流程的原料质量和碳排放进行优化处理，当评价值小于0.6时，木质素的环境影响在可接受范围内，可以记录评价模型中的指标和结果，用于未来生产的参考，提供了一个量化的环境影响评估标准，有助于指导生产过程的持续改进和环境管理。
实施例2
本发明的一个实施例，提供了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，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证，
首先，将收集好的生物质原料干燥、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，原料的收集半径为：
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表示生物质的产量，以玉米秸秆为例，干重取113792t/a，收集系数为0.85，种植系数为0.5，生物质产量为12.89t/(ha·a)，算得半径为81.34km，收集半径取100km，柴油运输玉米芯、玉米秸秆和小麦秸秆的耗油量为0.0221t、0.0242t、0.0242t。
参考表1生产1t生物乙醇的质量清单，木质纤维素生物质生产纤维素乙醇的过程包括五个主要的子过程：粉碎、糖化、酶解、发酵和精馏，本发明选择的木质纤维素生物质的原料为小麦秸秆、玉米芯、玉米秸秆。
表1生产1t生物乙醇的质量清单
参考表2乙醇净能量和净能量比表，以玉米芯为原料，对纤维素乙醇生产阶段的各个工段输入的蒸汽和电力产生的能量进行对比，从下表中可以看出精馏输入的能量最多，精馏车间需要大量的蒸汽进行蒸馏以提纯纤维素乙醇，其次糖化阶段，可能是因为在糖化阶段需要进行生物质的蒸汽爆破，分解纤维素、半纤维素和木质素。
表2乙醇净能量和净能量比表
| 原料 | 玉米芯 | 玉米秸秆 | 小麦秸秆 |
| NEB(MJ/t) | 3977 | 3131 | 3656 |
| NER | 1.17 | 1.13 | 1.16 |
从表中可以得出，以玉米芯为原料生产的纤维素乙醇净能量最高，并且净能量比最高，而净能量比相比文献中低，可能是因为其中木质素和半纤维素等残渣生成了木糖和木质素产品而不是焚烧产生剩余电力。
根据计算得出玉米芯、玉米秸秆、小麦秸秆生产1吨纤维素乙醇的二氧化碳排放为1267.58kg、1418.36kg、1444.30kg，将其与汽油产品(94gCO2/MJ)的二氧化碳排放进行对比，温室气体减排分别为54％、49％、48％，符合欧盟提出的可持续标准中至少35％的减排，由于在计算并未减去副产物(木质素和木糖)固碳效果，倘若减去木质素和木糖固定的碳含量，则生物乙醇减排能达到82％，超出美国环境保护署(EPA)提出需要减少60％的要求，故，我方发明具有创造性。
实施例3
参照图2，为本发明的一个实施例，提供了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，包括原料预处理模块，转化分析模块，生命周期评价模块。
其中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；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；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。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于秸秆生产生物乙醇联产木质素生命周期评价方法，其特征在于，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。
2.如权利要求1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，其特征在于：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。
3.如权利要求2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，其特征在于：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：
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。
4.如权利要求3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，其特征在于：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。
5.如权利要求4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，其特征在于：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：
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；
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；
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；
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。
6.如权利要求5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，其特征在于：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；
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。
7.如权利要求6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，其特征在于：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：
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；
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；
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。
8.一种采用如权利要求1～7任一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系统，其特征在于：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。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项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步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项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步骤。
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