不同原料制备生物柴油生命周期能耗和排放评价

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不同原料制备生物柴油生命周期能耗和排放评价
0 引 言
生物柴油是一种可再生能源，以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃食用油等为原料，与醇类(甲醇、乙醇)经酯交换反应获得的可供内燃机使用的一种燃料——脂肪酸甲酯或乙酯。研究表明：生物柴油是一种可再生、易于生物降解的清洁含氧燃料，具有燃烧后污染物排放低、温室气体排放低等特点[1 ]，生产和使用生物柴油对发展国内经济，减少对石油供给的需求，实现可持续发展具有积极作用 。
中国拥有丰富的生物柴油原料资源，北部盛产大豆油，南部盛产菜籽油，西部盛产棉籽油等。另外，木本油料植物资源，包括麻疯树、绿玉树、光皮树、油桐等也十分丰富。中国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向，生物柴油将成为未来最具潜力的汽车替代燃料之一。
发展生物柴油是一个系统工程，需要用系统工程的方法进行分析和决策。生命周期评价是对一种产品在其生产工艺以及活动中对环境的影响及对自然资源的消耗进行全面分析和评价[6]，在决策时能更加清楚需要关注的各方面问题，已成为汽车代用燃料决策的有力工具。国外对乙醇、生物柴油、甲醇等替代燃料进行了系统的生命周期评价[7I引，国内对乙醇[。]、甲醇no]等汽车替代燃料进行了生命周期评价。本文建立了大豆、油菜籽、光皮树、麻疯树等原料制生物柴油生命周期能源消耗和环境排放模型，并对其进行了生命周期能源消耗和环境排放评价，为中国生物柴油发展提供决策依据。
1 评价方法
1．1 生物柴油和石化柴油的生命周期
生物柴油的生命周期是从大豆、油菜籽、光皮树、麻疯树等生物柴油原料种植开始到生物柴油燃烧／车辆使用结束的系统过程，由原料生产、燃料生产和燃烧／车辆使用3个子过程组成，包括化学品生产和运输；大豆、油菜籽种植和收获；光皮树和麻疯树果实收获；原料运输；原料油生产、运输；生物柴油生产；燃料输配及燃烧／车辆使用等阶段。石化柴油的生命周期是从原油开采开始到石化柴油燃烧／车辆使用结束的系统过程，包括原油开采及运输、柴油精炼和运输及燃烧／车辆使用等阶段。如图1所示。
                                       
1．2 研究对象及评价指标
以一辆百公里油耗为8 L(混合工况)的柴油车或功能相当的生物柴油汽车行驶2O万km为研究对，以柴油车为评价参照基准，对大豆、油菜籽、光皮树、麻疯树制生物柴油进行生命周期能源消耗和排放评价。
评价指标包括生命周期能源消耗和生命周期排放两类。生命周期能源消耗评价指标包括生命周期整体能源消耗E 、化石能源消耗 、生命周期能源效率7丁和化石能效比j7 等4个指标。
生命周期整体能源消耗 根据下式计算

式中 EFi —— 生命周期i阶段原料能输入，即生物柴油、柴油等能源生产过程中可直接转化为燃油产品的原料(如大豆油、菜籽油、光皮树油、麻疯树油)中所包含的能量，MJ／MJ；ηi—— 生命周期i阶段的能源利用效率； ，λij—— 生命周期i阶段第J类能源消耗比例；ETij——— — 生命周期i阶段第J类能源生命周期过程能源消耗，MJ／MJ；Nij —— 生命周期i阶段第J种运输方式的能源消耗强度，MJ／(MJ•km)；dij —— 生命周期i阶段第J种运输方式的运输距离，km。
化石能源消耗Ep(MJ／MJ)指生物柴油和柴油生命周期中所有来自石化燃料的能量，其计算方法与整体能源消耗ET 类似。
生命周期能源效率孙是燃油产品热值与其生命周期整体能源消耗的比值
              
式中 H—— 燃油产品热值，MJ／MJ。
化石能效比 是指单位化石能源消耗产生的燃油
产品热值
      
生物柴油生命周期排放评价指标包括生命周期HC、CO、NOx、PM10、SOx和CO2排放指标。

式中   Mi——生命周期第i类污染物排放，g／MJ；Mpij     ——第j类能源生产产生的第i类污染物排放系数，g／MJ；Mckjli —— 生命周期k阶段第J类能源第l种使用方式产生的第i类污染物排放系数，g／Mj；MVOI———生物柴油或柴油“燃烧／车辆使用”产生的第i类排放，g／km；F。—— 生物柴油或柴油“燃烧／车辆使用”单位公里能源消耗量，MJ／km；Ekjl —— 生命周期k阶段第j类能源第 l种使用方式消耗量，MJ／MJ；

式中ηk—— 生命周期k阶段能源生产过程的能源利用效率；λj —— 生命周期k阶段第J类能源消耗比例；λl ——生命周期k阶段第J类能源第l各使用方式消耗比例。
显然，生物柴油、柴油等燃油生命周期能源消耗和排放计算是一个迭代过程，利用Excel工作表分别编写煤、石油、天然气、电、柴油、生物柴油等燃料的生命周期能源消耗和排放计算模型，并利用相互引用和循环计算实现阿一工作表内和不同工作表阃的迭代计算。
对于能源燃烧产生的HC、CO、NOx、PM 。排放系数，通过数据收集获得；对于能源燃烧产生的SOx和Co 排放系数，通过硫平衡和碳平衡计算。
  
式中 ，Mcjl —— 第J类能源第l种使用方式产生的SOx排放系数，g／MJ；Eji —— 第J类能源第i种使用方式消耗量，MJ／MJ；ρj —— 第J类能源的密度，g／MJ；ρsj —— 第J类能源的含硫质量百分比；Sjl  —— 第 j类能源第l种使用方式的硫回收量，g／MJ；Sso2——S02中含硫质量百分比

式中  Mcjl一第J类能源第l种使用方式产生的CO2排放系数，g／MJ；Ejl —— 第J类能源第l种使用方式消耗量，MJ／MJ；ID』—— 第J类能源的密度，g／MJ；ρj—— 第J类能源的含碳质量百分比；Mcor—— 第J类能源第l种使用方式产生的CO排放系数，g／MJ；ρcco——CO中含碳质量百分比；MHCjl —— 第 j类能源第l种使用方式产生的HC 排放系数，g／MJ；ρCHC——HC中含碳质量百分比；Cco2——C02中含碳质量百分比。
1．3 数据收集及处理
大部分大豆、油菜籽种植、光皮树、麻疯树果实收获等相关数据通过实地调研、咨询相关专家及查阅文献资料I11 等方式得到，如表1所示。化学品生产相关数据根据美国能源部阿冈国家实验室发表的GREET模型[1z]代人中国化边界条件计算得到，如表2所示。甲醇、生物柴油生产工艺及生产过程中相关能源消耗来自国内公开出版的文献资料¨1卜¨]，如表3所示。车辆使用阶段污染物排放按与石化柴油比较降低的百分比计算，所用数据来自美国可再生能源实验室的相关数据r1 ，如表4所示。煤、石油制品、天然气等能源生产产生的污染物排放系数根据国内公布的统计数据[17-20]计算得到，煤、石油制品、天然气等能源燃烧产生的污染物排放系数来自国内公开出版的文献资料_2 ，如表5所示。
表1，原料种植数据
项目        亩产量
Kg/亩        施肥量  （Kg/亩）
                N        P2O5        K2O
大豆        233        14.4        4.0        9.4
油菜子        133        6.0        2.4        8.8
光皮树（种子）        650        ——        ——        ——
麻疯树（干果）        3000        ——        ——        ——
表2，化肥生产数据   
项目        能源消耗
MJ/Kg        排放系数   （g/Kg）
                HC        CO        PM10        NOX        SOX        CO2
N        95.80        0.58        4.29        5.20        36.01        32.32        10366
P2O5        21.85        0.08        0.83        0.39        4.75        2.81        1585
K2O        9.65        0.04        0.35        0.16        1.99        1.17        662
表3，甲醇与生物柴油生产相关数据
项目        甲醇        生物柴油
        原料煤        电        原料油        甲醇        燃料煤        电
消耗量（MJ/MJ）        5.270        0.114        1.094        0.049        0.090        0.006
表4，“车辆使用数据”
项目        排放降低百分比/%
        HC        CO        PM10        NOX
        燃烧        蒸发                燃烧        制动及轮胎磨损       
生物柴油        -37        0        -46        -68        0        +66
表5，煤、石油、天然气和电生产和燃烧相关数据
项目        能源效率/%        排放系数   （g/Kj）
                HC         CO        PM10        NOX        SOX        CO2
煤         生产        96        0.00234        0.002225        0.000908        0.011879        0.007195        3.982353
        燃烧        78        0.006210        0.037260        0.068310        0.407471        0.382153        105.030724
柴油        生产        87        0.001354        0.016308        0.006343        0.040587        0.029077        16.00874
        燃烧        70        0.000673        0.014752        0.022480        0.112398        0.252896        74.674232
重油        生产        93        0.001048        0.010150        0.003817        0.029270        0.019313        10.131288
        燃烧        88        0.000863        0.019108        0.030572        0.152861        0.343938        76.153369
天然气        生产        98        0.000086        0.000729        0.000787        0.003796        0.005021        1.787824
        燃烧        90        0.002559        0.038957        0.044376        0.355011        0.088753        50.384263
电        生产        30        0.013925        0.144929        0.070464        0.834773        0.503536        283.985062

在数据收集过程中，按一定的规则把数据的质量等级分为1⋯2 3 4、5级，根据质量等级对所收集的数据进行打分，每一个数据质量评价指标将对应一个质量评价分，分数越高表明数据的质量越好，不同的质量评价得分组成数据质量评价矩阵。根据质量得分对所收集的数据进行可靠性、完备性、精确度、代表性等指标进行定性和定量评价，确定其是否满足要求。当数据的某项质量
得分不满足要求时，则认定数据为不合格，进行替换或修正。
2 评价结果
2．1 生命周期能源消耗
柴油及不同原料制生物柴油生命周期整体能源消耗、化石能源消耗、生命周期能源效率，化石能效比如表6所示。
表6 柴油及不同原料制生物柴油生命周期能源消耗
项目        柴油        生物柴油
                大豆        油菜子        光皮树        麻疯树
整体能源消耗（MJ/MJ）        1.260733        1.306641        1.278887        1.134288        1.28770
化石能源消耗（MJ/MJ）        1.256407        0.306409        0.278664        0.134220        0.128705
能源效率（%）        79.3        76.5        78.2        88.2        88.6
化石能效比        0.80        3.26        3.59        7.45        7.77

由表6可见，生产1MJ能量的柴油，生命周期整体能源消耗和化石能源消耗分别为1．260733 MJ和
1．256407 MJ，生命周期整体能源效率和化石能效比分别为79．32 9，6和0．796。由于柴油的生产原料是化石能源，其生命周期化石能效比与整体能源效率基本相同。与石化柴油比较，大豆和油菜籽制生物柴油的生命周期整体能源消耗与石化柴油基本相当；光皮树和麻疯树制生物柴油的生命周期整体能源消耗降低约1O％ 。在大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树4种生产原料中，大豆制生物柴油的生命周期整体能源消耗最高，麻疯树制生物柴油的生命周期整体能源消耗最低。与石化柴油比较，大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树制生物柴油的生命周期化石能源显著降低，生命周期化石能效比显著提高。同样生产1 MJ能量的燃油制品(柴油或生物柴油)，大豆和油菜籽制生物柴油生命周期化石能源消耗是柴油生命周期化石能源消耗是的1／4，光皮树和麻疯树制生物柴油生命周期化石能源消耗还不到柴油生命周期化石能源消耗是的1／9。因此，采用生物柴油作为汽车的替代燃料，可以显著降低汽车对化石能源的消耗，尤其是使用光皮树、麻疯树等野生木本植树作为生物柴油的生产原料。
大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树制生物柴油生命周期各阶段产生的整体能源和化石能源消耗占其生命周期整体能源和化石能源总消耗量的百分比分别如图2、图3所示。由图2可见，在生物柴油的生命周期过程中，生物柴油生产是生物柴油生命周期过程中产生整体能源消耗的主要阶段，其产生的整体能禅消耗占生命周期整体能源消耗的83%～97％。其次是原料种植和原料油生产阶段，分别占生命周期整体能源消耗的12％和3%。因此，降低生物柴油生产过程中的整体能探消耗是降低其生命周期整体能想消耗的主要途径．另外，由于光皮树和麻疯树是野生木本植物，其原料种植阶段的整体能源消耗近似为零。

图 2 生物柴油生命周期整体能源消耗


图 3 生物柴油生命周期化石能源消耗

由图3 可见，原料种植、原料油生产和生物柴油生产是产生化石能源消耗的主要阶段．其中，大豆和油菜籽种植阶段产生的化石能砚消耗分别占其生命周期化石能源消耗的55%和52%，光皮树和麻疯树原料种植阶段的化石能源消耗近为零；大豆油和菜籽油生产阶段产生的化石能源消耗占生命周期化石能似消耗的13%，光皮树油和麻疯树油生产阶段产生的化石能源消耗分别占其生命周期化石能源消耗的27%和24%.
2.2 生命周期排放
柴油和生物柴油生命周期HC、CO、PM10、NOx、SOx排放如图4所示，生命周期CO2排放如图5所示．由图4和图5可见，与石化柴油比较，大豆和油菜籽制生物柴油的生命周期HC排放降低31％、CO排放降低44％、PM10排放分别降低36％和40％、NOx排放分别升高79％和76％、SOx排放分别降低29％和40%、CO2排放分别降低67％和72%．光皮树和麻疯树制生物柴油的生命周期HC降低36％、CO降低47％、PM10排放降低51％、NOx排放升高62％、SOx排放降低66％、CO2排放降低 85%。在这4种原料中，由于麻疯树是野生木本植物，并且含油率较高，与其他原料比较，它产生的生命周期排放最低。


图 4 生物柴油生命周期排放
使用生物柴油时，必须采用其
图 5 生物柴油生命周期CO2排放
大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树制生物柴油生命周期各阶段产生的排放占其生命周期相应总排放的百分比分别如图6～9所示。由图6和图7可见，大豆制生物柴油和油菜籽制生物柴油生命周期各阶段产生的排放差别不大，在其生命周期过程中，HC、CO和NOx排放主要产生在车辆使用阶段，PM10排放主要产生在车辆使用、原料种植和生物柴油生产阶段，SOx和CO，排放主要产生在原料种植和生物柴油生产阶段。由图8和图9可见，光皮树和麻疯树制生物柴油生命周期各阶段产生的排放差别不大．在其生命周期过程中，HC、CO和NOx排放主要产生在车辆使用阶段．PM10排放主要产生在车辆使用和生物柴油生产阶段，SOx和CO2排放主要产生在原料油生产和生物柴油生产阶段。
    综合图6～9可见，由于生物柴油中不含硫，发动机燃用生物柴油时．将不产生SOx排放，生物柴油生命周期车辆使用阶段的SOx排放为零。而且，生物柴油燃烧和生物柴油原料生产形成了一个相对较快的碳循环，即：生物柴油在发动机气缸中燃烧，释放CO。I同时，大豆、油菜籽、光皮树、麻疯树等生长过程中通过光合作用吸收CO。，生产出生物柴油的原料。因此，认为生物柴油“车辆使用”阶段排放的CO。与“原料生产”阶段吸收的CO。相平衡。另外，与石化柴油比较，生物柴油物生命周期NOx排放较高。导致生物柴油NOx排放升高的主要原因是其车辆使用阶段的高NOx排放m]，因此，使用生物柴油时，必须采用其它措施控制其NOx排放。
3 结 论
1)与石化柴油比较，大豆和油菜籽制生物柴油的生命周期整体能源消耗与石化柴油基本相当；光皮树和麻疯树制生物柴油的生命周期整体能源消耗降低约1O％。在大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树4种生产原料中，大豆制生物柴油的生命周期整体能源消耗最高，麻疯树制生物柴油的生命周期整体能源消耗最低。
2)与石化柴油比较，大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树制生物柴油的生命周期化石能源消耗显著降低，生命周期化石能效比显著提高。采用生物柴油作为汽车的替代燃料，可以显著降低汽车对化石能源的消耗。
3)与石化柴油比较，大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树制生物柴油生命周期HC、CO、PM 。、SOX和cO。排放降低，NOx排放升高。使用生物柴油时，必须采用其它措施控制其NOx排放。
4)由于生物柴油中不含硫，发动机燃用生物柴油时，产生的SOx排放为零。
5)生物柴油燃烧和生物柴油原料生产形成了一个相对较快的碳循环，生物柴油“原料生产”阶段吸收的CO：与生物柴油“车辆使用”阶段排放的CO 相平衡。
6)在大豆、油菜籽、光皮树和麻疯树4种生产原料中，光皮树、麻疯树等野生植物制生物柴油具有生命周期能源效率高、化石能源消耗和排放低的特点，以木本植物为原料制生物柴油具有一定的优势。

yuanyou

针对“不同原料制备生物柴油生命周期能耗和排放评价”的问题，我作为汽车工程师给出以下回复：

生物柴油作为环保替代燃料，其生命周期内的能耗和排放评价至关重要。不同原料对生物柴油的能耗和排放特性有重要影响。例如，以油脂作物为原料的生物柴油，其生命周期能耗相对较低，且排放物中的温室气体含量较少。而采用废弃油脂或藻类为原料的生物柴油，其能效更高，排放物更为清洁。因此，在评价生物柴油生命周期能耗和排放时，需综合考虑原料来源、生产工艺及最终使用环节，以全面评估其对环境和能源的影响。