王 健，常 青，田秉暉，袁憲正，潘 峰

(1．蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2．中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;3．中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101)

目前，我國(guó)的石油資源僅占世界的2%，石油消費(fèi)和需求量卻排名世界第二，資源的嚴(yán)重匱乏危及到了國(guó)家的能源安全［1］。生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源［2－3］。生物柴油(biodiesel)是一種生物質(zhì)能，是以植物油或者動(dòng)物油脂等生物質(zhì)為原料，與甲醇或乙醇等低碳醇發(fā)生酯交換反應(yīng)生成的各種長(zhǎng)鏈脂肪酸單烷基酯的混合物，是一種環(huán)境友好型的可再生燃料［4］，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，可作為石化柴油的替代品［5］。美國(guó)科學(xué)家Wolff和Jones在1958年倡議對(duì)油脂植物的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行研究［6］，獲得規(guī)模供應(yīng)、廉價(jià)、可作為能源用途的植物油料資源。而生物柴油不同于風(fēng)能、太陽(yáng)能等其他類型的可再生能源，其生產(chǎn)過(guò)程必須消耗生物質(zhì)原料、電能和煤等，從而不可避免的帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題。Venkataraman等解析了南亞地區(qū)大氣中高濃度的污染物(包括煙灰、黑炭、氣溶膠等)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些污染物主要都來(lái)自于生物燃料的燃燒，研究污染物排放已經(jīng)是發(fā)展生物柴油的一個(gè)重要前提［7］。

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)是一個(gè)“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^(guò)程評(píng)價(jià)，ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行了定義，即對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)。它是目前人們可以科學(xué)、全面、綜合地了解其所從事活動(dòng)全過(guò)程中資源消耗和環(huán)境影響的一種有效方法［8－11］。本文作者以人工種植油菜籽制生物柴油的全生命周期過(guò)程為例，重點(diǎn)比較生物柴油和石化柴油的溫室氣體、酸性氣體和顆粒物等化學(xué)污染物的排放量，得出生物柴油的溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IG)、酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IS)和顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IP)，為構(gòu)建更適合我國(guó)生物柴油發(fā)展的框架提供理論支撐。

1 LCA邊界及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1．1 LCA 邊界

生物柴油的全生命周期過(guò)程包括原料的種植階段、預(yù)處理階段運(yùn)輸階段、生產(chǎn)階段和使用階段，生物柴油全生命周期各環(huán)節(jié)和系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 生物柴油全生命周期過(guò)程及其邊界Fig．1 Biomass life cycle process and its boundary

以油菜籽為原料制生物柴油時(shí)，全生命周期過(guò)程從油菜籽的種植開(kāi)始，經(jīng)過(guò)原料收集運(yùn)輸過(guò)程、生物柴油的生產(chǎn)過(guò)程、生物柴油的運(yùn)輸過(guò)程和最后的終端消費(fèi)使用過(guò)程。石化柴油的全生命周期過(guò)程包括石油的開(kāi)采過(guò)程、石油的收集運(yùn)輸過(guò)程、石化柴油的生產(chǎn)過(guò)程、石化柴油的運(yùn)輸過(guò)程和最后的終端消費(fèi)使用過(guò)程?；瘜W(xué)污染物的排放不僅包括生命周期全過(guò)程中對(duì)環(huán)境的直接排放，還包括由于使用化肥、甲醇、蒸汽、煤等其他物質(zhì)而引起的間接排放。生物柴油和石化柴油全生命周期過(guò)程評(píng)價(jià)的功能單位為1 個(gè) GJ。

1．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1．2．1 溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IG) 溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)主要考慮的氣體有CO2、CH4和N2O，并且以減排的方式進(jìn)行溫室氣體減排效率的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型如下:

式中:IG—溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Cbf—生物柴油全生命周期過(guò)程溫室氣體凈排放量，g/GJ;Ccf—石化柴油全生命周期過(guò)程溫室氣體凈排放量，g/GJ。

1．2．2 酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IS) 酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)主要考慮的氣體有SO2和NOX，并且以減排的方式進(jìn)行酸性氣體減排效率的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型如下:

式中:IS—酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Sbf—生物柴油全生命周期過(guò)程酸性氣體排放量，g/GJ;Scf—石化柴油全生命周期過(guò)程酸性氣體排放量，g/GJ。

1．2．3 顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IP) 顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)主要考慮的氣體為可吸入顆粒物PM10，并且以減排的方式進(jìn)行顆粒物減排效率的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型如下:

式中:IP—顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Pbf—生物柴油全生命周期顆粒物排放量，g/GJ;Pcf—石化柴油全生命周期過(guò)程顆粒物排放量，g/GJ。

2 LCA分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集及評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算

2．1 生物柴油

2．1．1 原料 以油菜籽為原料，利用青島福瑞斯生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司的技術(shù)生產(chǎn)生物柴油，該公司的年產(chǎn)量為5萬(wàn)噸生物柴油，全生命周期過(guò)程的廢棄物則采用資源化利用。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，油菜籽的含碳率為52．3%、含油率為40%、出油率為33%，青島福瑞斯生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司每加工1噸菜籽油可產(chǎn)出生物柴油0．98噸，即該廠的生物柴油產(chǎn)率為98%。油菜籽制得的生物柴油的熱值為37．81 MJ/kg［12］，石化柴油的熱值為 44 MJ/kg［13］。

2．1．2 種植過(guò)程 油菜種植過(guò)程中的化學(xué)污染物主要來(lái)自種植過(guò)程中投加的化肥和農(nóng)藥等農(nóng)資物質(zhì)的生產(chǎn)過(guò)程的間接排放。參考我國(guó)貴州地區(qū)的油菜種植管理，油菜籽產(chǎn)量為2 t/hm2，種植過(guò)程中，油菜籽所需的氮肥量為 0．09 t/hm2、磷肥量為 0．036 t/hm2、鉀肥量為 0．132 t/hm2、殺蟲劑量為 0．015 t/hm2、除草劑量為0．000 9 t/hm2。農(nóng)資物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放系數(shù)如表1所示［14］。

表1 農(nóng)資物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放系數(shù)Table 1 Pollutant emission coefficient of agricultural goods and materials in the production process g/t

2．1．3 運(yùn)輸過(guò)程 運(yùn)輸過(guò)程包括油菜籽從農(nóng)田到榨油廠的收集運(yùn)輸、菜籽油從榨油廠到煉油廠的運(yùn)輸、菜籽油從煉油廠到生物柴油生產(chǎn)地的運(yùn)輸以及生物柴油從生產(chǎn)地到終端消費(fèi)地點(diǎn)的運(yùn)輸。運(yùn)輸過(guò)程的污染物排放主要來(lái)自各個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中石化柴油的使用。各個(gè)過(guò)程中的運(yùn)輸距離均為150公里，運(yùn)輸工具均采用8噸的石化柴油卡車，其環(huán)境排放清單見(jiàn)表2［15］。全國(guó)柴油車的平均燃料消耗水平約為54．74 g/(t·km)［13］。

2．1．4 生產(chǎn)過(guò)程 生物柴油的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)酸堿催化的酯交換過(guò)程，此方法是目前工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油的主要方法，即油脂與甲醇在酸性或者堿性催化劑和高溫下發(fā)生酯交換反應(yīng)，生成脂肪酸甲酯，與甘油分離后，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油成品［12］。該過(guò)程的污染物排放來(lái)源主要包括菜籽油榨取煉制過(guò)程的排放、生物柴油生產(chǎn)過(guò)程的排放和所需甲醇制取過(guò)程的排放。生產(chǎn)1 t生物柴油需消耗0．096 t甲醇、0．56 t蒸汽和40 kW·h電［16］。菜籽油在榨取、煉制過(guò)程中的環(huán)境排放清單見(jiàn)表2［17］。煤氣化生產(chǎn) 1 t甲醇所需 3．61 t煤和 634．67 kW·h 電［18］。原煤及電的排放清單見(jiàn)表 2［19－21］。

2．1．5 使用過(guò)程 生產(chǎn)得到的生物柴油從工廠運(yùn)輸至加油站，并應(yīng)用到汽車上。本研究使用的車輛類型對(duì)象借鑒美國(guó)GREET模型中采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的輕型乘用車［22］。生物柴油使用過(guò)程的環(huán)境排放系數(shù)見(jiàn)表 2［12］。

表2 生物柴油生命周期全過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 2 Data relevant to the whole life cycle of biodiesel

2．2 石化柴油基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

石化柴油由原油煉制生產(chǎn)，原油的收集運(yùn)輸距離和石化柴油的運(yùn)輸距離均為150 km，全生命周期過(guò)程的廢棄物采用資源化處理。石化柴油生產(chǎn)過(guò)程的消耗量為原油1．30 t，燃料油0．030 6 t，電169．052 kW·h。［23］。1 t石化柴油使用過(guò)程中向環(huán)境排3 239 445 g的CO2，258．28 g的CH4，128．88 g的N2O，4142．26 g的 SO2，33 545．16 g的 NOX和718．83 g的 PM10。

3 結(jié)果與討論

3．1 溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IG)

生物柴油和石化柴油全生命周期過(guò)程溫室氣體排放清單見(jiàn)表3。

由表3中有關(guān)溫室氣體的數(shù)據(jù)知，以油菜籽為原料的生物柴油全生命周期過(guò)程的溫室氣體排放量為66 645．391 g/GJ，石化柴油全生命周期過(guò)程的溫室氣體排放量為93 590．151 g/GJ，由溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中的公式(1)可知，以油菜籽為原料的生物柴油全生命周期過(guò)程的溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0．71，表示以油菜籽為原料的生物柴油全生命周期過(guò)程的溫室氣體排放量是石化柴油全生命周期過(guò)程溫室氣凈排放量的71%，說(shuō)明相對(duì)于生產(chǎn)使用石化柴油，以油菜籽為原料的生物柴油可以減排溫室氣體。由表3中生物柴油的CO2、N2O和CH4排放量知，生物柴油全生命周期過(guò)程中，CH4和N2O的排放量分別占溫室氣體排放量的5．49% 和2．13%，CO2的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CH4和N2O，占溫室氣體凈排放量的92．38%，由于油菜籽在種植過(guò)程需要消耗化肥，并且生物柴油生產(chǎn)鏈較長(zhǎng)、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，所以相比于石化柴油在生產(chǎn)過(guò)程排放了更多的溫室氣體，并且生產(chǎn)單位能量的生物柴油需要大量的油菜籽和菜籽油，在運(yùn)輸過(guò)程也需要更多的車輛，所以運(yùn)輸過(guò)程也會(huì)向環(huán)境排放更多的溫室氣體。但是由于油菜籽在種植過(guò)程中可以通過(guò)光合作用從大氣中吸收一定量的CO2，這些CO2抵消了生物柴油在使用過(guò)程排放的一部分溫室氣體，這也體現(xiàn)了生物質(zhì)能的特點(diǎn)，即生物質(zhì)能燃燒釋放出來(lái)的CO2可以在再生時(shí)重新固定合吸收，所以不會(huì)破壞地球的CO2平衡［24］。從生物柴油的全生命周期過(guò)程來(lái)看，使用過(guò)程排放的溫室氣體最多，同樣由于種植過(guò)程中存在光和作用，使得全生命周期過(guò)程的溫室氣體排放量小于石化柴油全生命周期過(guò)程的溫室氣體排放量。

3．2 酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IS)

生物柴油和石化柴油全生命周期過(guò)程的酸性氣體排放清單見(jiàn)表3。

由表3中有關(guān)酸性氣體的數(shù)據(jù)知，以油菜籽為原料的生物柴油全生命周期過(guò)程的酸性氣體排放量為1 166．998 g/GJ，石化柴油全生命周期過(guò)程的酸性氣體排放量為725．774 g/GJ，由酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中的公式(2)可知，以油菜籽為原料制生物柴油全生命周期過(guò)程的酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為1．61，表示以油菜籽為原料制生物柴油全生命周期過(guò)程酸性氣體排放量是石化柴油全生命周期過(guò)程酸性氣體排放量的1．61倍;由表3中生物柴油的SO2和NOX的排放量知，生物柴油全生命周期過(guò)程中，酸性氣體的排放以NOX為主，占酸性氣體排放量的74．08%;生產(chǎn)過(guò)程中的酸性氣體排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他過(guò)程，占全生命周期過(guò)程酸性氣體凈排放量的75．20%，原因在于生物柴油的生產(chǎn)鏈較長(zhǎng)、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，工廠生產(chǎn)效率較低。生物柴油的NOX排放量和SO2排放量均高于石化柴油，且生物柴油在生產(chǎn)過(guò)程中酸性氣體排放量較高，而石化柴油在使用過(guò)程中酸性氣體排放量較高。生物柴油在種植過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程和使用過(guò)程的酸性氣體排放量分別占全生命周期過(guò)程酸性氣體排放量的13．33%、8．47%和 3．00%。

3．3 顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(IP)

生物柴油和石化柴油生命周期全過(guò)程的顆粒物排放清單見(jiàn)表3。

由表3中有關(guān)顆粒物的數(shù)據(jù)知，以油菜籽為原料的生物柴油全生命周期過(guò)程的顆粒物排放量為149．785 g/GJ，石化柴油全生命周期過(guò)程的顆粒物排放量為25．537 g/GJ，由顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中的公式(3)可知，以油菜籽為原料制生物柴油全生命周期過(guò)程的顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為1．17，表示以油菜籽為原料制生物柴油全生命周期過(guò)程的顆粒物排放量是石化柴油全生命周期過(guò)程顆粒物排放量的5．87倍，生物柴油生產(chǎn)過(guò)程的顆粒物排放量最大，占全生命周期過(guò)程的74．13%，種植過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程和使用過(guò)程的顆粒物排放量分別占全生命周期過(guò)程顆粒物排放量的18．14%、1．72% 和6．01%;并且油菜籽種植過(guò)程、生物柴油運(yùn)輸過(guò)程、生產(chǎn)過(guò)程及使用過(guò)程的顆粒物排放量分別是原油開(kāi)采過(guò)程、石化柴油運(yùn)輸過(guò)程、生產(chǎn)過(guò)程和使用過(guò)程的4．70、7．39、36．14 和0．55 倍。

表3 生物柴油和石化柴油污染物排放清單1)Table 3 Emission inventory of biodiesel and fossil diesel g/GJ

4 結(jié)論

以油菜籽為原料制生物柴油的全生命周期過(guò)程中:

4．1 溫室氣體 溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0．71，溫室氣體排放量是石化柴油全生命周期溫室氣體排放量的0．71倍，生物柴油溫室氣體的排放以CO2為主，其排放量占溫室氣體凈排放量的92．38%。

4．2 酸性氣體 酸性氣體排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是1．61，酸性氣體排放量是石化柴油全生命周期過(guò)程酸性氣體排放量的1．61倍，生物柴油酸性氣體的排放以NOX為主，其排放量占酸性氣體排放量的74．08%;生物柴油全生命周期中，生產(chǎn)過(guò)程的酸性氣體排放量最大，占全生命周期過(guò)程的酸性氣體凈排放量75.20%，為了減少生物柴油全生命周期過(guò)程的酸性氣體排放量，需要優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)過(guò)程中輔料的使用，研發(fā)新型輔料以及在油菜籽種子過(guò)程中需要減少化肥的使用。

4．3 顆粒物 顆粒物排放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為1．17，顆粒物排放量是石化柴油全生命周期過(guò)程顆粒物排放量的5．87倍，生物柴油全生命周期中，生產(chǎn)過(guò)程顆粒物的排放量最大，占全生命周期過(guò)程顆粒物凈排放量的74．13%。在生產(chǎn)過(guò)程中裝置阻滯降塵的設(shè)施、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率、減少煤等顆粒物排放量較大的物資使用量是減少生物柴油全生命周期過(guò)程顆粒物排放量的有效措施。

相對(duì)于石化柴油，以油菜籽為原料制生物柴油全生命周期過(guò)程中，溫室氣體有一定的減排，但是酸性氣體和顆粒物沒(méi)有減排，其排放量反而超過(guò)了石化柴油。因此，為了減少對(duì)環(huán)境的污染，應(yīng)該對(duì)生物柴油的全生命周期過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，種植過(guò)程中需要提高油菜籽的產(chǎn)量，減少化肥等農(nóng)資物質(zhì)的使用;生產(chǎn)過(guò)程中探尋更加優(yōu)化的生產(chǎn)工藝，縮短生產(chǎn)鏈、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率，從而減少污染物的排放。對(duì)于甲醇的生產(chǎn)過(guò)程也應(yīng)提高效率，減少蒸汽、煤和電的使用。

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