餐饮废弃油脂的生物柴油生命周期能耗与CO2排放分析

侯 坚,张培栋,王有乐,袁宪正

1.中国科学院青岛生物能源与过程研究所,山东青岛 266101 2.兰州大学资源环境学院,甘肃兰州 730000

餐饮废弃油脂的生物柴油生命周期能耗与CO2排放分析

侯 坚1,2,张培栋1＊,王有乐2,袁宪正1

1.中国科学院青岛生物能源与过程研究所,山东青岛 266101 2.兰州大学资源环境学院,甘肃兰州 730000

对以餐饮废弃油脂为原料,利用化学催化法生产的生物柴油进行了生命周期能耗与 CO2排放分析,以具有 1M J能量的生物柴油产品为功能单位.结果表明：生物柴油生命周期总能耗为1.648 9M J,化石能耗为0.616 9M J,化石能效比为 1.62,生命周期净能量产出为0.383 1M J,生命周期 CO2净排放量为 -10.34 g.与生产和使用 1M J能量的石化柴油相比,生物柴油生命周期总能耗升高 37%,化石能耗降低 49%,可减少 CO2排放 90.99 g.

餐饮废弃油脂;生物柴油;生命周期;能耗;CO2排放

生物柴油是指由植物油脂、动物油脂和餐饮业废弃油脂等与醇类物质经酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料[1],随着能源资源日益紧张和环境污染日趋严重,生物柴油成为能源替代领域的研究热点.我国目前可供较大规模采集的油料植物种类较少,且产量极为有限,餐饮业废弃油脂是我国目前生物柴油生产原料的主要来源[2].

生命周期评价是对某种产品或服务系统在其生产工艺以及活动中对自然资源消耗及环境影响进行的全过程分析和评价[3-5].利用生命周期分析方法对生物柴油生产和使用过程的能量效率与 CO2等重要污染物质的排放特征进行系统分析和评价,是实现生物柴油大规模生产和使用的基础.

BERNESSON等[6-9]分别对英国、瑞士等国利用菜籽油、大豆油等原料生产的生物柴油进行了生命周期能耗与排放分析,目前我国关于该方面的研究较少.

笔者利用生命周期分析方法,对以餐饮废弃油脂为原料的化学催化法制备的生物柴油进行能耗与CO2排放分析,并根据生物柴油在生命周期各阶段的能耗和 CO2排放特征提出相应的改进建议,以期为促进我国生物柴油的清洁生产提供依据.

1 研究目标与研究范围

以废弃食用菜籽油为原料,采用化学催化法制取的生物柴油为研究对象,对其能耗特征、化石能源效率 (能效比)和 CO2排放特征进行了分析,对比不同阶段能耗和 CO2排放量,提出相应的改进建议.以具有 1M J能量的生物柴油产品为功能单位.研究包括原料生产和运输、产品生产和运输以及产品在车用柴油机上使用的全过程(见图 1).原料生产经历了油菜种植和运输、菜籽油生产和运输、餐饮业消费、餐厨垃圾收集和废弃油脂炼制等过程.未考虑制造各种运输、加工设备和厂房建设的能耗及人力消耗.

图 1 以废弃油脂为原料生产的生物柴油的生命周期研究范围Fig.1 The life cycle analysisof bio-diesel based foodwaste oil

2 评价指标

生物柴油生命周期能耗与 CO2排放量的计算基于 ISO 14040《环境管理生命周期评价原则与框架》(2006年)进行[10].

生物柴油生命周期能耗评价指标包括总能耗、化石能耗、化石能效比和净能量产出.总能耗 (TE)指生命周期中投入的所有能量;化石能耗(FE)指生命周期中消耗的化石能源能量;化石能效比 (η)指单位化石能耗产出的产品能量;净能量产出 (NE)为生命周期能量产出 (BE)与化石能耗的差值[11].

总能耗的计算公式：

式中,RM E为生物柴油生产原料中所含的能量,M J;G为生物柴油制取过程中的原料消耗量,kg;E原料为原料热值,M J/kg;FEi为生命周期 i阶段的化石能耗,M J;FEi显性为生命周期i阶段消耗的以煤、电和石油等形式出现的化石能源能量,M J;FEi隐性为生产生命周期中投入的物料消耗的化石能源能量,M J;Xij为生命周期 i阶段第 j种化石能源消耗量,kg或kW·h;Ej为第 j种化石能源的热值,M J/kg或M J/(kW·h);Yik为生命周期 i阶段第 k种物质消耗量,kg;Pikj为生命周期 i阶段第 k种物质单位质量生产过程中消耗的第 j种化石能源数量,kg/kg或(kW·h)/kg.

生物柴油生命周期 CO2净排放量等于能源作物生长过程中光合作用吸收的 CO2量、生物柴油生命周期中消耗的化石能源及生物柴油燃烧引起的CO2排放量之和.计算公式：

式中,NETCO2为生物柴油生命周期 CO2净排放量,g/M J;m为生物柴油生命周期消耗的能源作物数量,kg;M为能源作物单位面积产量,kg/hm2;C为能源作物的碳吸收量,t;S为能源作物面积,hm2;γj1为第j种化石能源生产过程的 CO2排放系数,g/M J;γj2为第 j种化石能源燃烧过程的 CO2排放系数,g/M J;λ为生物柴油燃烧过程的 CO2排放系数,g/M J.

3 数据采集与计算

3.1 生命周期各阶段的基础输入

3.1.1 油菜种植

油菜种植以我国贵州地区为例.油菜种植过程中所需的 N,P2O5和 K2O施用量分别为 90,36与 132 kg/hm2,油菜籽产量为2 000 kg/hm2,油菜籽含油率为 40%[12-14].化肥生产能耗来自文献[15],种子和农药生产的能耗数据来自文献[16](见表 1).

根据我国目前的能源消费结构[17],假定农资生产能耗中 70%为原煤,15%为石化柴油,15%为电.根据文献 [18],单位面积油菜的 C固定量为 2.32 t/hm2.

3.1.2 菜籽油生产

菜籽油生产采用预榨 -浸出工艺,炼制过程的出油率为 33%,每生产 1 t菜籽油,压榨、浸出与精炼工艺共消耗原煤 151.51 kg,电 176.24 kW·h[19].

3.

1.3 废弃油脂炼制

据实际调查,餐厨垃圾中 w(油脂)约为 5%.用餐厨垃圾炼制 1 t废弃油脂将消耗 17.48 kg原煤,1.601 3 kW·h电.

表 1 油菜种植过程中农资生产的能耗Tab le 1 Energy consum p tion in the p roduction of fertilizer,seed and pesticide in the grow th of rape

3.1.4 生物柴油制取

生物柴油制取采用化学催化法.废弃油脂与甲醇在酸性或者碱性催化剂和高温下发生酯交换反应,生成脂肪酸甲酯,与甘油分离后,再经洗涤干燥即得生物柴油成品.生产 1 t生物柴油,共消耗 1.1 t废弃油脂,0.15 t甲醇,酯交换、分离和水洗等工艺消耗 0.206 t原煤,137 kW·h电[20].甲醇生产以煤为原料,煤气化生产 1 t甲醇消耗 2.021 t原煤,355.43 kW·h电[21].生物柴油生命周期原料能来自油菜生长过程中光合作用固定的太阳能,根据菜籽油的热值与其在生物柴油生命周期消耗质量计算.

3.1.5 原料与产品运输

包括油菜籽、菜籽油、餐厨垃圾、废弃油脂和生物柴油的运输.假设运输距离均为 30 km,均为石化柴油货车运输,运输 1 t原料或产品每 km消耗石化柴油 0.05 L[22],石化柴油密度为 0.83 kg/L.

3.2 能源转换与 CO2排放系数

假设研究过程中电力消耗均来自火电.原煤、石化柴油和电的热值来自《综合能耗计算通则》(GB/T 2589─2008)[23],分别为 20.91M J/kg,42.65M J/kg和 3.60M J/(kW·h),原煤、石化柴油和电的生产与燃烧阶段的 CO2排放系数来自文献[15,24-27](见表 2).生物柴油燃烧阶段的 CO2排放系数为 74.87 g/M J[28].

3.3 分配程序

在油菜籽加工过程中,副产品有菜籽粕与油脚.菜籽粕富含蛋白质等营养物质,是重要的蛋白质饲料资源之一[29];菜籽油脚中含 20%以上的中性油脂,经提取加工生产脂肪酸后,可作为多种化工产品的生产原料[30].生物柴油生产过程的主要副产品是甘油.甘油作为重要的工业原料,在食品、药品、化妆品和烟草等工业中有着广泛应用[31].

表 2 原煤、石化柴油和电的 CO 2排放系数Tab le 2 Em ission factors in the p roduction and com bustion of coal,dieseloil,and electricity

采用热值分配法对菜籽油生产和生物柴油制取过程中存在的共生产品系统进行能耗与 CO2排放分配.分配系数 (ε)计算公式：

式中,m1为菜籽油/生物柴油产品质量,kg;m2为副产品质量,kg;LHV1为菜籽油/生物柴油产品热值,M J/kg;LHV2为副产品热值,M J/kg.

在菜籽油生产过程中,w(菜籽油),w(菜籽粕)和w(油脚)分别为 33%,62%与 5%[19].菜籽油和菜籽粕的热值分别为 37.34[32]和 19.25M J/kg[29],菜籽油脚的热值根据油脂含量与菜籽油热值计算得到,约为 4.93M J/kg.将油菜种植、油菜籽运输和菜籽油生产过程的能耗与 CO2排放在菜籽油、菜籽粕和油脚之间分配,对菜籽油的分配系数为0.42.

每生产 9 kg生物柴油会生产约 1 kg副产品甘油[33],生物柴油的热值为 37.81M J/kg[34],甘油的热值利用热量计测得,为 18.08M J/kg.将油菜种植和运输、菜籽油生产和运输、餐厨垃圾收集、废弃油脂炼制和运输、生物柴油制取过程的能耗与 CO2排放在生物柴油和甘油间进行分配,对生物柴油的分配系数为 0.95.

因此,油菜种植、油菜籽运输和菜籽油生产阶段的能耗与 CO2排放对生物柴油产品系统的总分配系数为 0.42×0.95,菜籽油运输、餐厨垃圾收集、废弃油脂炼制和运输、生物柴油制取等阶段的能耗与 CO2排放对生物柴油产品系统的分配系数为0.95.

3.4 计算结果

根据各类能源的热值与 CO2排放系数,1M J生物柴油生命周期能耗与 CO2排放量见表 3.生产和使用 1M J生物柴油生命周期物料投入见表 4.

4 结果与讨论

石化柴油生命周期能耗与 CO2排放数据来自文献[15,25].

4.1 生命周期总能耗

生物柴油生命周期各阶段能耗所占比例、总能耗与石化柴油总能耗的对比见图 2.

生产 1 M J生物柴油的生命周期总能耗为1.648 9M J,比石化柴油高 37%.生物柴油制取阶段的原料能消耗为 1.032M J,占生物柴油总能耗的62%,是导致生物柴油总能耗升高的主要原因.降低生物柴油生命周期总能耗的关键在于改进或开发新的生物柴油生产工艺,提高原料转化率.相对于石化柴油 99.89%的生命周期总能耗来自于不可再生能源 (化石能源)(见图 3),生物柴油生命周期总能耗主要来自可再生能源 (即原料中固定的太阳能),具有较好的可再生性.

表 3 1M J生物柴油的生命周期能耗与 CO 2排放量Tab le 3 Energy consump tion and CO2 em ission in the life cyc le of bio-dieselw ith energy 1M J

表 4 1M J能量生物柴油生命周期物料投入Tab le 4 M aterial inputs in the life cycle of bio-diesel w ith energy of 1M J

图 2 生物柴油各阶段能耗所占比例及与石化柴油总能耗对比Fig.2 Percentage of energy consump tion in each life cycle stage of bio-diesel and comparison of life cyc le total energy consump tion betw een bio-d iesel and petroleum d iesel

4.2 生命周期化石能耗与净能量产出

生物柴油与石化柴油的生命周期化石能耗与净能量产出对比如图 4所示.1M J生物柴油生命周期化石能耗为0.616 9M J,比石化柴油降低 49%;生物柴油的化石能效比为 1.62,单位化石能源的能量产出比石化柴油高 95%.相对于石化柴油生命周期的净能量产出 (-0.199 5M J)为负,生物柴油生命周期净能量产出为0.383 1M J.油菜种植和生物柴油制取阶段的化石能耗分别占生物柴油全生命周期化石能耗的 43%与 47%,是 2个主要阶段.化肥生产能耗占油菜种植阶段能耗的 97%.生物柴油制取工艺能耗与甲醇生产能耗分别占制取阶段总能耗的43%与 57%.改进种植技术,提高油菜种植过程的化肥利用效率和提高油菜籽单产,降低单位质量油菜籽产出的化石能耗,改进和开发新的生物柴油生产技术,减少生物柴油制取工艺的化石能耗和降低酯交换反应的醇油摩尔比,均有利于降低生物柴油生命周期化石能耗,提高生命周期净能量产出.

图 3 生物柴油与石化柴油中可再生能源与不可再生能源消耗对比Fig.3 Comparison of life cyc le renewab le and un-renewable energy consum p tion between bio-diesel and petro leum diesel

图 5 生物柴油生命周期各阶段的 CO 2排放量以及 CO 2净排放量Fig.5 CO2 em ission in the d ifferen t life cyc le stages and life cyc le netCO2 em ission of bio-diesel

图 6 生物柴油与石化柴油的周期 CO 2排放量对比生命Fig.6 Comparison of life-cycle CO2 em ission betw een bio-d iesel and petroleum d iesel

图 4 生物柴油各阶段化石能耗所占比例、与石化柴油生命周期化石能耗和净能量产出的对比Fig.4 Percentage of fossil energy consump tion in each life cyc le stage of bio-diesel and comparison of life cyc le fossil energy consump tion and net energy output between bio-diesel and petro leum diesel

4.3 生命周期 CO2排放

生物柴油生命周期各阶段的 CO2排放量以及与石化柴油生命周期 CO2净排放量的对比如图 5,6所示.

生产 1M J生物柴油,在油菜种植、生物柴油制取与车辆使用阶段的 CO2排放量分别为 -119.11,26.95与 74.87 g,菜籽油生产、废弃油脂炼制以及原料与产品的运输阶段的 CO2排放量较小,分别为5.33,0.88与 0.74 g,生物柴油生命周期 CO2净排放量为 -10.34 g.相同能量的生物柴油与石化柴油燃烧排放的 CO2差异不大,但生物柴油生产阶段的CO2净排放量为 -85.21 g,较石化柴油降低 90.36 g,生命周期 CO2净排放较石化柴油降低 90.99 g.与石化柴油相比,生物柴油具有良好的 CO2减排作用.加大生物柴油生命周期各阶段的化石能源节约力度,提高可再生能源的使用份额可进一步增大生物柴油的 CO2减排作用.

5 结论与展望

a.以餐饮废弃油脂为原料,采用化学催化法生产的具有 1M J能量的生物柴油生命周期总能耗为1.648 9M J,比石化柴油高 37%,生物柴油生命周期总能耗的 62%为原料能,来自油菜生长过程中固定的太阳能,具有较好的可再生性.

b.1 M J生物柴油的生命周期化石能耗为0.616 9M J,比石化柴油降低 49%,化石能效比提高95%,拥有 0.383 1M J的净能量产出.

c.生物柴油生命周期可显著减少 CO2排放,每生产或使用 1M J能量的生物柴油产品,CO2净排放量为 -10.34 g,比石化柴油降低 90.99 g.

d.仅基于生命周期评价理论对生物柴油的能耗与 CO2排放进行了分析,未全面评价生物柴油生命周期对环境存在的影响,存在一定的局限性.

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L ife Cyc le A ssessm en t o f Ene rgy Consum p tion and CO2Em issions o f B iod iese lM ade from FoodW aste O il

HOU Jian1,2,ZHANG Pei-dong1,WANG You-le2,YUAN X ian-zheng1
1.Q ingdao Institute of B ioenergy and B iop rocess Techno logy,Chinese A cadem y of Sciences,Q ingdao 266101,China 2.College of Resources and Environm ental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

L ife cyc le energy consump tion and CO2em ission analysis of bio-dieselm ade from food waste oil using chem ical catalysis m ethodwere conducted.B io-dieselp roductw ith energy contentof1M Jwas taken as the functionalunit.Resu lts indicated that life cycle to tal energy consump tion of bio-dieselwas1.6489M J,life cyc le fossilenergy consump tionwas0.6169M J,fossilenergy efficiency ratio was1.62,life cyc le netenergyw as0.3831M J,and life cyc le netCO2em ission was-10.34 g.Compared w ith petrochem ical diesel w ith equal energy,the life cyc le to tal energy consump tion of bio-dieselm ade from food waste oil using chem ical catalysism ethod increased by 37%,life cyc le fossil energy consump tion reduced by 49%,and 90.99 g CO2em ission cou ld be reduced.

foodwaste oil;bio-diesel;life cycle;energy consump tion;CO2em issions

X38

A

1001-6929(2010)04-0521-06

2009-09-07

2009-12-10

国家环保公益性行业科研专项 (2008467087);国家自然科学基金项目(40901063)

侯坚 (1985-),女,湖南永州人,houj07@lzu.cn.

＊责任作者,张培栋 (1977-),男,甘肃华池人,副研究员,博士,研究方向为环境工程,eeesc@163.com

(责任编辑：孙彩萍)