LCA法在木本生物柴油清洁生产评估方面的应用研究

张赟齐，贾黎明，刘诗琦，宋怡静，苏淑钗(1.北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083； 2.北京林业大学国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100083)

LCA法在木本生物柴油清洁生产评估方面的应用研究

张赟齐1,2，贾黎明1,2，刘诗琦1,2，宋怡静1,2，苏淑钗1,2
(1.北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083； 2.北京林业大学国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100083)

生命周期评价(LCA)作为一种能全程评估产业链和产品环境影响、资源消耗、净能效率的重要方法，近年来得到了越来越多的关注，也开始被用于生物柴油清洁生产领域，能为产业可持续提供决策依据。对木本生物柴油的LCA体系、评估模型与方法、国内外木本生物柴油LCA研究现状进行了综述。结果显示：木本生物柴油在燃烧阶段相比石化柴油具有清洁排放的优点，但整个生命周期的排放未必清洁，主要与我国燃煤发电、化肥和辅料生产排放有关；木本生物柴油产业作为低碳产业，温室效应和能源消耗均低于石化柴油，整个生命周期中以种植和生产阶段的排放和消耗最大并针对性提出改进措施；未来我国木本生物柴油生命周期评价应通过建设产业标准数据库、更多注重不同原料不同工艺的对比评估、兼顾经济性和生态服务功能的评估进一步拓展木本生物柴油研究的深度和广度。

木本生物柴油；生命周期评价；环境排放；资源消耗；净能效率

生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)可从环境、资源、能量、经济等角度综合评估全产业链或新产品开发，是公认的评估产业发展的实用工具。早期，一些工业企业将LCA主要用于产品系统的生态识别与诊断、环境影响评估、绿色工艺与流程管控、资源优化配置等方面，随后得到了政府部门、各组织和学者们的更多关注，2000年国际标准化组织对生命周期评价体系(ISO 14042)的完善，使得越来越多的行业开展了LCA对环境和人体损害进行风险评估，LCA已成为清洁生产的重要理论之一。

LCA的应用研究主要集中在金属冶炼及清洁生产、废物回收和处理、建筑设计、交通等[1]。近年来，LCA开始被引入到生物柴油领域，相关研究对象主要以作物柴油为主，木本生物柴油的研究较少。木本生物柴油与作物柴油在生命周期各阶段存在着明显的差异，表现在资源利用(土地和水)、管护投入(肥料、农药)、产量差异、运输成本、工艺流程等方面，作物柴油的研究结果无法衡量木本生物柴油的发展潜力，且根据我国现阶段的国情，发展木本生物柴油依然是优先选择，通过对木本生物柴油开展环境负荷、资源消耗和净能效率的生命周期评价，对衡量木本生物柴油产业的发展具有重要的现实意义。本文对国内外已有的木本生物柴油LCA进行综述，以期为产业的绿色可持续发展提供参考。

1 木本生物柴油的 LCA体系

LCA体系由目标与范围界定、清单分析、影响评价和结果解析4部分构成。

目标与范围界定部分首先要确定系统与环境的边界，环境为系统注入能量和原料，并接受系统的输出，生物柴油的生命周期从种植阶段开始，到燃烧阶段为止，一般可分成5～6个阶段(见图1)。其次要确立功能单位，多为1 t(1 kg)的生物柴油或1 MJ(1 GJ)的燃烧热能等可测度的指标。

图1木本生物柴油生命周期分析模型框架图

清单分析主要是量化指标，采集并分析相关数据，包括各阶段的污染排放、资源消耗和能耗等，制成相应的排放清单、资源清单和能耗清单，建立以功能单位为基准的输入输出是影响评价的基础。

影响评价是在清单分析基础上，对所识别的影响类别进行定性和定量的评价，评估潜在的影响程度，包括定性分类、特征化、标准化和权重4部分。定性分类是将清单数据归到不同的影响类别中，通常先归到中点类别(小项)中，再进一步归到大的影响类别中；数据的特性化是为了定量化研究，主要采用“当量因子法”即以项目的主效因子作为基准(如全球增温以CO2为基准)，将其他排放物按影响程度和排放量与基准物对比，得到各排放物的相对当量；标准化是为了消除各排放物在量纲和级数上的差异，选择的基准量一般为全球、全国或区域的资源消耗或环境排放的总量；权重是确定各影响大类的贡献度，通过赋值可得到数字化的单一指标便于比较不同工艺或不同产品的生命周期影响。

结果解析即是对影响评价结果做出分析解释，识别整个生命周期内各环节产生的影响，并可针对性地提出改进措施或流程再造。

木本生物柴油生命周期各阶段的能耗、资源消耗和排放主要有：①种植阶段的能耗涉及灌溉用电的直接能耗和生产化肥、除草剂、杀虫剂用电的间接能耗，资源消耗主要是土地占有和水肥供给，污染排放为耗电折算成标煤的间接排放、肥料等生产过程中的废气排放、肥料施用后土壤的扩散排放；②果实运输阶段的能耗主要来自化石燃料，排放主要是汽车尾气排放；③原油初榨阶段的能耗主要是榨油机的电耗，排放主要是耗电折算成标煤的间接排放；④生物柴油生产阶段的工艺流程不一，一般认为能耗主要是高中压蒸汽、冷却水等耗能工质的使用、生产用电的直接能耗、辅料(甲醇、催化剂等)生产的间接能耗，资源消耗主要是水资源消耗，排放主要是耗电折算成标煤的间接排放和生产过程的废气排放，包括辅料生产；⑤生物柴油运输阶段的能耗和排放与第2阶段一致；⑥生物柴油的使用阶段也即燃烧是产能阶段，污染排放主要是CO、CO2、HC、NOx等。

2 LCA的评价模型与方法

有关LCA影响评价的争议焦点主要集中在同行评议和不确定性分析，为了便于在国际水平上相互评议以及减少数据偏差，建立标准化的程序和方法非常重要，主要的LCA评价方法都是基于中点分析、中点/损害或终点破坏模型。

中点分析模型通用性强，着眼于影响类别本身及其作用机理，可直观描述清单数据对影响类别的贡献度，且能较好地将数据的不确定性控制在量化模型的早期阶段，但不涉及人们关心的损害程度；终点破坏模型更关注整个生命周期中所造成的损害，最后通过权重形成单一指标进行表征，有可能会产生较高的不确定性[2]；中点/损害模型能较好地结合前两者的优点，既关注到造成的损害，又能在一定程度上降低不确定性。目前，生物柴油LCA更多采用基于中点分析模型的CML-IA法[3-4]和基于中点/损害模型的Impact 2002+法[5-6]。ReCiPe法[7]近年来也开始得到关注，其涵盖了中点分析、中点/损害和终点破坏模型。在中点层面上，定义了18种影响小项；在终点层面上，通过对人体健康、生态系统、资源3大影响类别加权最后行成单一分值，具体在哪一层次进行研究可由学者们根据对象和领域自由选择。

2.1 LCA的环境影响评价

各环境影响类别的影响指数可根据公式(1)[9-10]计算：

(1)

式中：D为某一影响类别的影响指数；n为某一影响类别的子项总数；m为某一子类型中排放物种类数；Dij为某一影响类别第i子项的第j种排放物的影响指数；Mij为第i子项的第j种排放物的排放量；λij为第i子项的第j种排放物的特征化因子；fij为第i子项的第j种排放物的标准化系数；qij为第i子项的第j种排放物的权重系数。

2.2 LCA的能效分析

生物柴油生命周期的能耗通常用净能平衡(NEB)、净能收益(NEV)、净能效率(NER)、净能产出(NEY)来表征。净能平衡表示为能量输出与能量输入的差值，单位MJ；净能收益为单位体积能量输出与能量输入的差值，单位MJ/L；净能效率表示为能量输出与能量输入之比，反映能量的有效利用率，无量纲；净能产出指单位面积上能量输出与能量输入的差值，单位GJ/hm2。以上指标见公式(2)～(5)[4,11]：

NEB=Eoutputs-Einputs

(2)

NEV=(Eoutputs-Einputs)/V

(3)

NER=Eoutputs/Einputs

(4)

NEY=(Eoutputs-Einputs)/S

(5)

式中：Eoutputs为能量输出；Einputs为能量输入；V为生物柴油产量，体积单位；S为原料种植用地面积。

2.3 LCA的资源耗竭

木本生物柴油的种植阶段需占用大面积土地，并且需要水资源，我国是土地和水资源均短缺的国家，发展生物柴油产业应该对土地占用和水资源消耗做进一步的生命周期评估。国外学者对生命周期的环境影响和能源消耗关注较多，对土地占用和水资源消耗的分析较少，邢爱华等[12]通过生产负荷和亩产逆推土地需求量(公式(6))，水资源消耗可以根据实际灌溉用水量来衡量。

A=Of/α=[α(1-k1)(1-k2)yφ(1-k3)]-1

(6)

式中：A为生产1 t生物柴油在种植阶段的土地资源需求量；Qf为生产1 t生物柴油所需的原料量；k1为采摘过程的损失率；k2为原料配送损失率；k3为生物柴油配送损失率；α为亩产；y为酯交换过程转化率；φ为原油提取率。

3 木本生物柴油的LCA

生物柴油具有环境友好、清洁排放等优点，发展潜力巨大。但就生命周期而言，由于评估标准、前提假设、系统界定等的不同，涉及原料种类、能源结构、环境条件、管理方式、工艺流程、综合利用等，在定量评估方面的结论却不一而论，评估的结果更适用于本地区，对其他地区类似工艺水平的相关产业可起到借鉴和参考作用。木本生物柴油的原料分为“食用”和“不可食用”两类，典型树种分别为油棕和麻疯树。

3.1 棕榈柴油的LCA

棕榈油是世界上最主要的食用木本植物油之一，东南亚(泰国、马来西亚、印尼等)和南美(巴西、哥伦比亚等)地区多以棕榈油为主大力发展木本生物柴油。

Silalertruksa等[13]对泰国棕榈柴油生产过程的能效和环境影响进行了LCA，功能单位为1 000 L，研究显示：在能效方面，考虑副产品输出时的NER可达4.30，高于以棕榈柴油(2.07)为单一终产品；在环境影响方面，生产棕榈柴油对全球增温、酸化和人体毒性的影响要低于石化柴油，但对光化学烟雾生成和富营养化的影响则稍高于石化柴油，综合利用废弃物(制沼气和堆肥处理)对环境更友好；在土地占用方面，生产等量(1 000 L)和等能量(1 TJ)棕榈柴油的土地需求量均低于木薯乙醇和糖蜜乙醇；在土地利用格局方面，若将森林转为种植油棕，每年每公顷将多贡献21.76 t的CO2，需要对油棕种植业加以调控避免过度扩张，鼓励充分利用合适的土地类型(预留地、其他类型农业用地)。Delivand等[14]对巴西油棕多联产进行的评估认为：改变土地利用格局后(退化草地转变为油棕种植园)，1 hm2土地可生产约3.1 t的生物柴油、354.5 kg的生物乙醇(空果穗通过酶水解后发酵)、2.4 MW·h的电能(油渣饼等用于热电联产)和其他副产品(甘油等)，在油棕25年的寿命期里，每公顷可减排188 t的CO2。Sawangkeaw等[15]对超临界方法制备棕榈生物燃油的工艺进行了LCA，研究显示：醇的用量关系到环境负荷和能量消耗。新的超临界工艺(400℃)制备生物柴油与传统的超临界工艺(300℃)制备生物柴油相比，虽然新方法提高了反应温度，但大大降低了醇的用量，对环境的负荷更小；相比超临界乙醇，使用超临界甲醇对环境更友好。Pleanjai等[16]用NEB和NER衡量泰国不同原料生物柴油的生命周期能效，结果显示：棕榈柴油的NEB优于椰子柴油的，但NER略低于椰子柴油的；仅考虑单一生物柴油产品时，棕榈柴油的NER表现更好，而考虑副产品时，麻疯树柴油的NEB和NER最高。

3.2 麻疯树柴油的LCA

麻疯树具有良好的适应性，可充分利用边际土地，农化需求不高，作为“非粮”木本油料树种，得到了广泛的关注。

原料产量的稳定对生物柴油产业而言非常重要，Almeida等[17]在马里的研究显示：高产模式下，增温潜势比石化柴油低20%，低产模式下则高13%；Eshton等[18]在坦桑尼亚的研究显示：若产量增加10%会减少2.6%的排放量；Kumar等[19]在印度的研究显示：人工管理下的麻疯树种植园产量更高，其温室气体减排量和NER也相应更高。对原料废弃物或副产品采用不同的利用方式也会对NER和环境产生影响，Kumar等[19]比较了利用麻疯树废弃物残渣制取生物乙醇和生物肥料的环境影响和能效，前者的NER最高，后者的温室气体减排量最大。Portugal-Pereira等[20]的研究涉及4种利用方式：①种油制取生物柴油+果皮枝梗等废弃物热力发电；②种油制取生物柴油+果皮枝梗等废弃物气化后热力发电；③种油制取生物柴油+果皮枝梗等废弃物气化后制F-T柴油(费托合成法)；④种油催化加氢制生物柴油+果皮枝梗等废弃物热力发电。从能耗角度来看，热电联产模式优于生产F-T柴油；从环保角度来看，生产F-T柴油为优，污染物排放最少。对于如何发展麻疯树柴油产业，一些学者[21-22]认为过快地大规模开发，会引起土地利用格局发生剧烈变化，改变生态质量，学者们更倾向于小规模开发(聚植、栅栏、防风林、间作)并将制取的生物柴油用于当地的交运行业，剩余油渣饼制取沼气。研究[23]显示：小尺度的发展麻疯树柴油产业也能有效降低化石能源的消耗和全球增温效应，但种植阶段的化肥施用对酸化和富营养化的影响高于石化柴油，加大副产品利用有助于提升能效，并降低对环境的影响。

3.3 我国木本生物柴油的LCA

我国的一些学者也对木本生物柴油的LCA进行了相关研究。Lu等[24]对基于不同立地种植模式下的黄连木柴油生产进行了LCA能效评价，功能单位为1 L，相比适宜的立地条件，不良立地模式下的生物柴油生产阶段的能耗占总能耗由61.29%降低到49.21%，而种植阶段的能耗占总能耗由33.20%提高到46.36%，不良立地需要更多的投入进行水肥管理和病虫害防治；当副产品被有效利用时，NER由原来的1.81(适宜立地)、1.46(不良立地)分别提高到2.38和1.91。Ou等[25]对我国6种生物燃料(玉米乙醇、木薯乙醇、甜高粱乙醇、大豆柴油、麻疯树柴油、餐饮废油柴油)的能耗和温室效应进行了LCA，结果显示：麻疯树柴油、木薯乙醇和餐饮废油柴油的能耗和温室气体排放均低于石化燃料，大豆柴油和玉米乙醇的能耗低于石化燃料，但温室气体排放更高，而甜高粱乙醇在两个方面均高于石化燃料。Liang等[26]对我国7种类型(大豆、麻疯树、油菜籽、蓖麻籽、微藻、餐饮废油、废机油)生物柴油的能量收益、环境影响和经济价值做了LCA：除微藻生物柴油和大豆生物柴油外，其余生物柴油的净能收益为正值；微藻柴油对全球增温的影响最大，其他生物柴油均表现出碳固定量大于排放量；微藻柴油的经济收益为负值而其他生物柴油均为正值。开发低质油脂(废弃动物油脂、餐饮废油)的收益更高，但其成分复杂，具有较大的生态毒性，微藻柴油的开发对土地和水资源的需求较小，但现阶段的技术要求更高，净能收益和经济收益水平低，且温室气体排放量大于固定量，考虑到我国有限的土地和水资源，木本油料树种的土地消耗约为作物柴油的1/4[12]，还可利用广大的边际土地(约1 600万hm2)[27]，具有环境友好的特点和更强的固碳能力，能效更高[28]，可作为我国生物柴油产业优先发展的对象。

4 结束语

木本生物柴油生命周期的温室气体排放量大大低于石化柴油，甚至负排放(固碳效应)；其他污染排放量(NOx、PM、SO2等)因系统界定、各地区能源结构不一而差异较大，我国木本生物柴油生命周期排放量要高于石化柴油，燃煤发电、化肥和辅料生产排放是主要因素。生物柴油能耗普遍低于石化柴油，主要集中在原料种植(20%～30%)和柴油生产阶段(60%～70%)。纵比国内外木本生物柴油产业，我国目前还存在一些问题，表现在污染排放较大、资源消耗较多、能源效率不高方面。对种植和生产阶段进行管控和优化能更好地实现节能减排：在种植阶段可利用优良品种无性系化和改进栽培技术来增加产量，减少农药化肥过量施用，充分利用农林业废弃物实现堆肥、增施有机肥，推行生态管理；在生产阶段鉴于生物柴油转化率已近阈值，可通过提高辅料的生产效率(如改进甲醇生产技术)、实现多联产和整体煤气化联合循环技术，充分利用副产品，也需要在国家层面上积极调整电力能源结构，减少燃煤发电比例、大力发展清洁能源，从而实现能效提高而排放降低。

LCA法具有全程性(贯穿产品生命周期)、系统性(覆盖产品生产链)、综合性(评估环境、资源和能效等)和开放性(评估方法持续更新)等优点，对评估产业潜力有现实的意义，也是产业升级，建设资源节约型、环境友好型社会，发展低碳经济的需要。但由于木本生物柴油LCA需要测定指标多，复杂的测算过程(涉及碳汇和碳排放、环境毒理、不同工艺、土地变更等)增加了评估的难度，且相关企业的数据也较难获得，国内很多研究数据的获取是直接引用或估算其他地区或国家类似研究的数据，或将实验室数据放大，加上国内相关研究常用的方法(CML-IA、 Impact 2002+等)在清单数据特征化、标准化和权重方面还没有实现本地化，这些都增加了评估结果的不确定性，也成为我国木本生物柴油LCA深入研究的障碍。因此，在今后的研究中要加快建设我国木本生物柴油产业标准数据库(包括标准库、方法库、基准物质库、排放数据库等)，加大学科交叉力度，不仅注重产品生命周期内所造成的损害，也要兼顾经济性和生态服务功能的评估，加深研究内容，更多关注不同原料不同工艺的评估结果，以期为工艺优化、产业升级、部门决策提供参考，为产业可持续化发展提供数据支撑。

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EvaluationofcleanerproductionofwoodybiodieselusingLCAmethod

ZHANG Yunqi1,2，JIA Liming1,2，LIU Shiqi1,2，SONG Yijing1,2，SU Shuchai1,2
(1.The Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China; 2.National Energy R amp; D Center for Non-Food Biomass, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

Life cycle assessment (LCA) is considered as an important method for evaluating industrial chain and products environmental effects, resource consumption and net energy ratio. Nowadays, the method has got more and more attention and begins to be used in the field of biodiesel cleaner production for providing decision basis about sustainable development of industrialization. The LCA system of woody biodiesel, evaluation models and methods, related research status at home and abroad were introduced. The results showed that in the combustion phase, woody biodiesel was more cleanly than petroleum diesel, but was not in the all life phases, mainly related to coal-fired power generation emissions, fertilizer and accessories production emissions. As a low-carbon industry, the greenhouse effect and energy consumption of woody biodiesel were lower than that of petroleum diesel, the maximum emission and consumption stage were planting and production stages. For reducing consumption and emissions, the improvement measures were put forward. The further research on LCA of woody biodiesel in China should be broadened through the construction of industrial standard database, comparative evaluation among different raw materials and production processes, evaluation of economic and ecological service functions.

woody biodiesel; life cycle assessment; environmental emission; resource consumption; net energy ratio

2017-02-10；

2017-06-26

中央高校基本科研业务费专项(2015ZCQ-LX-02)；科技部国家国际科技合作专项项目(2014DFA31140)

张赟齐(1985)，男，工程师，博士，研究方向为油脂转化、生物能产业化、生物能资源开发及利用(E-mail)zhyq1985@bjfu.edu.cn。

苏淑钗，教授，博士(E-mail)sushuchai@sohu.com。

油脂化工

S216.2;TE667

A

1003-7969(2017)10-0100-06