油菜籽制生物柴油生命周期的化学污染物排放风险评价

2013-09-18田秉晖袁宪正

生物质化学工程 2013年3期

王健，常青，田秉晖，袁宪正，潘峰

(1．兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070;2．中国科学院生态环境研究中心，北京 100085;3．中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东青岛 266101)

目前，我国的石油资源仅占世界的2%，石油消费和需求量却排名世界第二，资源的严重匮乏危及到了国家的能源安全［1］。生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源［2－3］。生物柴油(biodiesel)是一种生物质能，是以植物油或者动物油脂等生物质为原料，与甲醇或乙醇等低碳醇发生酯交换反应生成的各种长链脂肪酸单烷基酯的混合物，是一种环境友好型的可再生燃料［4］，具有长远的经济和社会效益，可作为石化柴油的替代品［5］。美国科学家Wolff和Jones在1958年倡议对油脂植物的开发利用进行研究［6］，获得规模供应、廉价、可作为能源用途的植物油料资源。而生物柴油不同于风能、太阳能等其他类型的可再生能源，其生产过程必须消耗生物质原料、电能和煤等，从而不可避免的带来了环境问题。Venkataraman等解析了南亚地区大气中高浓度的污染物(包括烟灰、黑炭、气溶胶等)，结果发现这些污染物主要都来自于生物燃料的燃烧，研究污染物排放已经是发展生物柴油的一个重要前提［7］。

生命周期评价(life cycle assessment，LCA)是一个“从摇篮到坟墓”的全过程评价，ISO 14040标准对生命周期评价进行了定义，即对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。它是目前人们可以科学、全面、综合地了解其所从事活动全过程中资源消耗和环境影响的一种有效方法［8－11］。本文作者以人工种植油菜籽制生物柴油的全生命周期过程为例，重点比较生物柴油和石化柴油的温室气体、酸性气体和颗粒物等化学污染物的排放量，得出生物柴油的温室气体排放风险指数(IG)、酸性气体排放风险指数(IS)和颗粒物排放风险指数(IP)，为构建更适合我国生物柴油发展的框架提供理论支撑。

1 LCA边界及评价指标

1．1 LCA 边界

生物柴油的全生命周期过程包括原料的种植阶段、预处理阶段运输阶段、生产阶段和使用阶段，生物柴油全生命周期各环节和系统边界如图1所示。

图1 生物柴油全生命周期过程及其边界Fig．1 Biomass life cycle process and its boundary

以油菜籽为原料制生物柴油时，全生命周期过程从油菜籽的种植开始，经过原料收集运输过程、生物柴油的生产过程、生物柴油的运输过程和最后的终端消费使用过程。石化柴油的全生命周期过程包括石油的开采过程、石油的收集运输过程、石化柴油的生产过程、石化柴油的运输过程和最后的终端消费使用过程。化学污染物的排放不仅包括生命周期全过程中对环境的直接排放，还包括由于使用化肥、甲醇、蒸汽、煤等其他物质而引起的间接排放。生物柴油和石化柴油全生命周期过程评价的功能单位为1 个 GJ。

1．2 评价指标

1．2．1 温室气体排放风险指数(IG) 温室气体排放风险指数主要考虑的气体有CO2、CH4和N2O，并且以减排的方式进行温室气体减排效率的评价。评价模型如下:

式中:IG—温室气体排放风险指数;Cbf—生物柴油全生命周期过程温室气体净排放量，g/GJ;Ccf—石化柴油全生命周期过程温室气体净排放量，g/GJ。

1．2．2 酸性气体排放风险指数(IS) 酸性气体排放风险指数主要考虑的气体有SO2和NOX，并且以减排的方式进行酸性气体减排效率的评价。评价模型如下:

式中:IS—酸性气体排放风险指数;Sbf—生物柴油全生命周期过程酸性气体排放量，g/GJ;Scf—石化柴油全生命周期过程酸性气体排放量，g/GJ。

1．2．3 颗粒物排放风险指数(IP) 颗粒物排放风险指数主要考虑的气体为可吸入颗粒物PM10，并且以减排的方式进行颗粒物减排效率的评价。评价模型如下:

式中:IP—颗粒物排放风险指数;Pbf—生物柴油全生命周期颗粒物排放量，g/GJ;Pcf—石化柴油全生命周期过程颗粒物排放量，g/GJ。

2 LCA分析的基础数据收集及评价指标的计算

2．1 生物柴油

2．1．1 原料以油菜籽为原料，利用青岛福瑞斯生物能源科技开发有限公司的技术生产生物柴油，该公司的年产量为5万吨生物柴油，全生命周期过程的废弃物则采用资源化利用。经实际检测，油菜籽的含碳率为52．3%、含油率为40%、出油率为33%，青岛福瑞斯生物能源科技开发有限公司每加工1吨菜籽油可产出生物柴油0．98吨，即该厂的生物柴油产率为98%。油菜籽制得的生物柴油的热值为37．81 MJ/kg［12］，石化柴油的热值为 44 MJ/kg［13］。

2．1．2 种植过程油菜种植过程中的化学污染物主要来自种植过程中投加的化肥和农药等农资物质的生产过程的间接排放。参考我国贵州地区的油菜种植管理，油菜籽产量为2 t/hm2，种植过程中，油菜籽所需的氮肥量为 0．09 t/hm2、磷肥量为 0．036 t/hm2、钾肥量为 0．132 t/hm2、杀虫剂量为 0．015 t/hm2、除草剂量为0．000 9 t/hm2。农资物质生产过程中的污染物排放系数如表1所示［14］。

表1 农资物质生产过程中的污染物排放系数Table 1 Pollutant emission coefficient of agricultural goods and materials in the production process g/t

2．1．3 运输过程运输过程包括油菜籽从农田到榨油厂的收集运输、菜籽油从榨油厂到炼油厂的运输、菜籽油从炼油厂到生物柴油生产地的运输以及生物柴油从生产地到终端消费地点的运输。运输过程的污染物排放主要来自各个运输过程中石化柴油的使用。各个过程中的运输距离均为150公里，运输工具均采用8吨的石化柴油卡车，其环境排放清单见表2［15］。全国柴油车的平均燃料消耗水平约为54．74 g/(t·km)［13］。

2．1．4 生产过程生物柴油的生产过程是一个酸碱催化的酯交换过程，此方法是目前工业化生产生物柴油的主要方法，即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［12］。该过程的污染物排放来源主要包括菜籽油榨取炼制过程的排放、生物柴油生产过程的排放和所需甲醇制取过程的排放。生产1 t生物柴油需消耗0．096 t甲醇、0．56 t蒸汽和40 kW·h电［16］。菜籽油在榨取、炼制过程中的环境排放清单见表2［17］。煤气化生产 1 t甲醇所需 3．61 t煤和 634．67 kW·h 电［18］。原煤及电的排放清单见表 2［19－21］。

2．1．5 使用过程生产得到的生物柴油从工厂运输至加油站，并应用到汽车上。本研究使用的车辆类型对象借鉴美国GREET模型中采用缸内直喷技术的轻型乘用车［22］。生物柴油使用过程的环境排放系数见表 2［12］。

表2 生物柴油生命周期全过程的相关数据Table 2 Data relevant to the whole life cycle of biodiesel

2．2 石化柴油基础数据收集

石化柴油由原油炼制生产，原油的收集运输距离和石化柴油的运输距离均为150 km，全生命周期过程的废弃物采用资源化处理。石化柴油生产过程的消耗量为原油1．30 t，燃料油0．030 6 t，电169．052 kW·h。［23］。1 t石化柴油使用过程中向环境排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 结果与讨论

3．1 温室气体排放风险指数(IG)

生物柴油和石化柴油全生命周期过程温室气体排放清单见表3。

由表3中有关温室气体的数据知，以油菜籽为原料的生物柴油全生命周期过程的温室气体排放量为66 645．391 g/GJ，石化柴油全生命周期过程的温室气体排放量为93 590．151 g/GJ，由温室气体排放风险评价模型中的公式(1)可知，以油菜籽为原料的生物柴油全生命周期过程的温室气体排放风险指数为0．71，表示以油菜籽为原料的生物柴油全生命周期过程的温室气体排放量是石化柴油全生命周期过程温室气净排放量的71%，说明相对于生产使用石化柴油，以油菜籽为原料的生物柴油可以减排温室气体。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过程中，CH4和N2O的排放量分别占温室气体排放量的5．49% 和2．13%，CO2的排放量远远高于CH4和N2O，占温室气体净排放量的92．38%，由于油菜籽在种植过程需要消耗化肥，并且生物柴油生产链较长、生产过程复杂，所以相比于石化柴油在生产过程排放了更多的温室气体，并且生产单位能量的生物柴油需要大量的油菜籽和菜籽油，在运输过程也需要更多的车辆，所以运输过程也会向环境排放更多的温室气体。但是由于油菜籽在种植过程中可以通过光合作用从大气中吸收一定量的CO2，这些CO2抵消了生物柴油在使用过程排放的一部分温室气体，这也体现了生物质能的特点，即生物质能燃烧释放出来的CO2可以在再生时重新固定合吸收，所以不会破坏地球的CO2平衡［24］。从生物柴油的全生命周期过程来看，使用过程排放的温室气体最多，同样由于种植过程中存在光和作用，使得全生命周期过程的温室气体排放量小于石化柴油全生命周期过程的温室气体排放量。

3．2 酸性气体排放风险指数(IS)

生物柴油和石化柴油全生命周期过程的酸性气体排放清单见表3。

由表3中有关酸性气体的数据知，以油菜籽为原料的生物柴油全生命周期过程的酸性气体排放量为1 166．998 g/GJ，石化柴油全生命周期过程的酸性气体排放量为725．774 g/GJ，由酸性气体排放风险评价模型中的公式(2)可知，以油菜籽为原料制生物柴油全生命周期过程的酸性气体排放风险指数为1．61，表示以油菜籽为原料制生物柴油全生命周期过程酸性气体排放量是石化柴油全生命周期过程酸性气体排放量的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过程中，酸性气体的排放以NOX为主，占酸性气体排放量的74．08%;生产过程中的酸性气体排放量远远高于其他过程，占全生命周期过程酸性气体净排放量的75．20%，原因在于生物柴油的生产链较长、生产过程复杂，工厂生产效率较低。生物柴油的NOX排放量和SO2排放量均高于石化柴油，且生物柴油在生产过程中酸性气体排放量较高，而石化柴油在使用过程中酸性气体排放量较高。生物柴油在种植过程、运输过程和使用过程的酸性气体排放量分别占全生命周期过程酸性气体排放量的13．33%、8．47%和 3．00%。

3．3 颗粒物排放风险指数(IP)

生物柴油和石化柴油生命周期全过程的颗粒物排放清单见表3。

由表3中有关颗粒物的数据知，以油菜籽为原料的生物柴油全生命周期过程的颗粒物排放量为149．785 g/GJ，石化柴油全生命周期过程的颗粒物排放量为25．537 g/GJ，由颗粒物排放风险评价模型中的公式(3)可知，以油菜籽为原料制生物柴油全生命周期过程的颗粒物排放风险指标为1．17，表示以油菜籽为原料制生物柴油全生命周期过程的颗粒物排放量是石化柴油全生命周期过程颗粒物排放量的5．87倍，生物柴油生产过程的颗粒物排放量最大，占全生命周期过程的74．13%，种植过程、运输过程和使用过程的颗粒物排放量分别占全生命周期过程颗粒物排放量的18．14%、1．72% 和6．01%;并且油菜籽种植过程、生物柴油运输过程、生产过程及使用过程的颗粒物排放量分别是原油开采过程、石化柴油运输过程、生产过程和使用过程的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单1)Table 3 Emission inventory of biodiesel and fossil diesel g/GJ

4 结论

以油菜籽为原料制生物柴油的全生命周期过程中:

4．1 温室气体温室气体排放风险指数为0．71，温室气体排放量是石化柴油全生命周期温室气体排放量的0．71倍，生物柴油温室气体的排放以CO2为主，其排放量占温室气体净排放量的92．38%。

4．2 酸性气体酸性气体排放风险指数是1．61，酸性气体排放量是石化柴油全生命周期过程酸性气体排放量的1．61倍，生物柴油酸性气体的排放以NOX为主，其排放量占酸性气体排放量的74．08%;生物柴油全生命周期中，生产过程的酸性气体排放量最大，占全生命周期过程的酸性气体净排放量75.20%，为了减少生物柴油全生命周期过程的酸性气体排放量，需要优化生产工艺，提高生产效率，减少生产过程中辅料的使用，研发新型辅料以及在油菜籽种子过程中需要减少化肥的使用。

4．3 颗粒物颗粒物排放风险指数为1．17，颗粒物排放量是石化柴油全生命周期过程颗粒物排放量的5．87倍，生物柴油全生命周期中，生产过程颗粒物的排放量最大，占全生命周期过程颗粒物净排放量的74．13%。在生产过程中装置阻滞降尘的设施、优化生产工艺、提高生产效率、减少煤等颗粒物排放量较大的物资使用量是减少生物柴油全生命周期过程颗粒物排放量的有效措施。

相对于石化柴油，以油菜籽为原料制生物柴油全生命周期过程中，温室气体有一定的减排，但是酸性气体和颗粒物没有减排，其排放量反而超过了石化柴油。因此，为了减少对环境的污染，应该对生物柴油的全生命周期过程进行优化，种植过程中需要提高油菜籽的产量，减少化肥等农资物质的使用;生产过程中探寻更加优化的生产工艺，缩短生产链、简化生产工艺、提高生产效率，从而减少污染物的排放。对于甲醇的生产过程也应提高效率，减少蒸汽、煤和电的使用。

［1］方升佐，万劲，彭方仁．木本生物质能源的发展现状和对策［J］．生物质化学工程，2006，40(增刊):95－102．

［2］中华人民共和国国家发展计划委员会基础产业发展司．中国新能源与可再生能源1999白皮书［M］．北京:中国计划出版社，2000．

［3］蒋剑春．生物质能源应用研究现状与发展前景［J］．林产化学与工业，2002，22(2):75－80．

［4］梅德清，孙平，袁银南，等．柴油机燃用生物柴油的排放特性研究［J］．内燃机学报，2006(4):331－335．

［5］PARK E Y，SATO M，KOJIMA S．Lipase-catalyzed biodiesel production from waste activated bleaching earth as raw material in a pilot plant［J］．Bioresource Technology，2008，99(8):3130－3135．

［6］李昌珠，蒋丽娟，程树棋．四种木本植物油制取生物柴油的研究［J］．生物质化学工程，2006，40(增刊):51－55．

［7］VENKATARAMAN C，HABIB G，EIGUREN-fERNANDEZ A，et al．Residential biofuels in South Asia:Carbonaceous aerosol emissions and climate impacts［J］．Science，2005，307(5714):1454－1456．

［8］邓南圣，王小兵．生命周期评价［M］．北京:化学工业出版社，2003．

［9］赵辉，陈郁，张树深．环境管理工具:生命周期清单分析方法［J］．环境保护，2005(1):26－29．

［10］曾敏．基于生命周期评价的废旧家电资源化研究及其案例分析［D］．广州:广东工业大学硕士学位论文，2006．

［11］王寿兵，胡聃．生命周期评价主其在环境管理中的应用［J］．中国环境科学，1999，19(1):77－80．

［12］侯坚．化学法生产生物柴油的能耗与温室气体排放评价［D］．兰州:兰州大学硕士学位论文，2010．

［13］刘俊伟．生物质能资源化利用系统的初始条件及生物周期评价的研究［D］．北京:北京化工大学硕士学位论文，2010．

［14］胡志远，谭丕强，楼狄明，等．不同原料制备生物柴油生命周期能耗和排放评价［J］．农业工程学报，2006(11):141－146．

［15］胡志远．车用生物柴油生命周期评价及多目标优化［R］．上海:同济大学博士后研究工作报告，2006．

［16］王存文．生物柴油制备技术及实例［M］．北京:化学工业出版社，2009．

［17］朱祺．生物柴油的生命周期能源消耗、环境排放与经济性研究［D］．上海:上海交通大学硕士学位论文，2008．

［18］吴鹏鸣．300kt/A 甲醇投资分析［J］．石油化工技术经济，2003(6):22－25，35．

［19］袁宝荣，聂祚仁，狄向华，等．中国化石能源生产的生命周期清单(Ⅰ)——能源消耗与直接排放［J］．现代化工，2006(3):59－62，64．