生物柴油项目的生命周期评价
第27卷第9期2007年9月现代化工
ModernChemicalIndustry
Sep.2007
・59・
管理科学
生物柴油项目的生命周期评价
董进宁,马晓茜
(华南理工大学电力学院,广东广州510640)
摘要:应用生命周期评价(LCA)方法,以大豆制取生物柴油项目为研究对象,对大豆的种植、豆杆发电、豆油炼制、生物柴油制取、各段运输和生物柴油燃烧排放等6个子过程进行了清单分析,:每kg豆油制取生物柴油,对环境的总影响负荷为9169毫人当量;生物柴油制取对环境影响主要为CO2排放,位;过程中整个系统共从环境吸收CO2221264kg,向环境释放CO2221527kg。极作用,与柴油相比生物柴油是一种环境友好项目的结论。
关键词:生命周期评价;生物柴油;制取;资源消耗;环境影响中图分类号:TQ91;TK6
文献标识码-4320(2007)09-0059-05
production
2ning,MAXiao2qian
(UniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)
:stagesoftheprojectofproducingbiodieselbysoybeansuchassoybeanplanting,soy2strawpowergeneration,soybeanoilrefining,biodieselproduction,thetransportationandbiodieselcombustionemissionareanalyzedbyLCA.Theenergyconsumptionandtheimpactonenvironmentineachstagearealsocollectedandcalculated.Theresultsshowthatthetotalloadoftheimpactonenvironmentis9169mPET.Themainimpactonenvironmentbyproducingbiodieselisfromthecarbondioxideemission,whichalsobringsmuchimpactonglobalwarming.1kgofsoybeanoilcanabsorb221264kgthenrelease221527kgofcarbondioxide.Itcanbefoundthattheprojectsofproducingbiodieselarepositiveinreducingtheemissionofgreenhousegases,andfriendlytotheenvironment.
Keywords:lifecycleassessment;biodiesel;production;resourceconsumption;environmentalimpact
石油资源逐渐枯竭,价格不断上涨,全世界都面临着能源短缺的危机。石油衍生燃料也带来一系列环境问题。寻找新的环境友好的替代能源成为全世界面临的迫切问题,因此生物柴油的制取成为解决资源紧缺的一种良好途径。我国是一个农业大国,动植物资源丰富,为生物柴油的大规模生产提供了必要条件。如能在油料作物资源集中地区,建设生物柴油厂,既缓解石油压力,又能增加农民收入,具有良好的经济性和社会效益。研究者对生物柴油的制取工艺研究较多,而对其全生命周期分析研究较少。为了掌握生物柴油的资源消耗和环境影响的全面数据,笔者就生物柴油项目进行生命周期评价。
用1kg大豆油。在进行生命周期分析时主要考虑大豆的种植、豆杆发电、豆油炼制、生物柴油制取、各
段运输和生物柴油燃烧排放等6个子过程,其中,豆杆发电过程产生的能量直接供给生物柴油制取过程。对这6个子过程进行分析时,主要从环境影响和能耗2个方面进行编目分析。生物柴油项目全生命周期的编目分析如图1所示。112 大豆的种植过程11211 大豆生长过程中吸收CO2量
我国大豆平均产量为167717kg/hm2[1],假设大豆的产油率为17%,则每生产1kg大豆油需要大豆5188kg,需要3151×10-3公顷种植面积的大豆。大豆是一种一年生的作物,它在一年内吸收CO2的量就是它在整个生长过程中吸收的量。大豆生长过程中吸收的C量为1173t/(hm2・a)[2],折合为产生1kg豆油所需大豆种植过程吸收CO2221264kg。
1 生物柴油制取过程的生命周期清单分析
111 研究目标与研究范围
以我国油料作物大豆为研究对象,功能单位采
收稿日期:2007-06-29
基金项目:广东省自然科学基金研究团队资助项目(项目编号:003045)
作者简介:董进宁(1983-),男,硕士,[email protected];马晓茜(1964-),男,教授,博士生导师,主要从事高效低污染燃烧和生物质能的研究。
・60・现代化工第27卷第9期
216860kg标煤,排放SO2313661×10-3kg,排放413088kgCO2,吸收221264kgCO2,排放烟尘111579×10-3kg。
11213 大豆秸秆发电消耗排放
根据大豆秸秆的产量系数110∶116[9]计算出每公顷大豆生产秸秆2684132kg。大豆秸秆中含C44179%、N0185%、S0111%、低位发热量16146kJ/kg[10],生产1kg大豆油所产生的大豆秸秆质量
为5188×116=91408kg,(TSP)的排放因子为5185kg[11],7倍,NOx排[10],1t煤燃烧大约排
图1
生物柴油制取项目全生命周期的编目分析11212 5tCO2、9kgNOx、125kg烟尘[12]。设C都以CO2的形式排放,SO2、NOx排放完全符合以上条件,电厂发电效率为20%,厂用电10%,可知1kg大豆油所产生的大豆秸秆发电产生热量15190116kJ,发电量81439kWh,厂用电量715951kWh,供电量715951kWh,排放SO2010207kg、CO21514076kg、NOx0105681kg、烟尘01055kg。
、硫
酸钾为例,]309145kg、磷6517kg、钾135375176、495193、3011154kg。
(1)大豆种植过程的氮肥消耗,根据《中国节能技术政策大纲(2005年修订征求意见稿)》知全国吨合成氨能耗(大、中、小加权平均)能耗为1699kg标煤,由文献[4-5]知合成氨的排放以煤为原料尾气为SO22128kg/t、烟尘为0142kg/t[5]、合成每吨氨需要排放314tCO2。
(2)大豆种植过程的磷肥消耗,参照《云南省主要工业产品能耗限额(试行)》可知普钙的综合能耗为每吨133kg标煤,根据《普钙工业污染物排放标准》知每吨矿最大容许粉尘为015kg。由文献[6-7]可知每吨硫酸排放01202kgSO2,进一步可以折算出生产每吨普钙SO2的排放量为010713kg。
(3)大豆种植过程的钾肥消耗,目前我国平均电力的煤耗为01404kg/kWh,由文献[8]可知每吨硫酸钾消耗硫酸371874kg,能耗为202113kg标煤。每kg豆油的大豆在种植过程中化肥能耗与排放量见表1。
表1 1kg豆油的能耗与排放量
化肥名称氮肥磷肥钾肥
能耗/
kg(标煤)[***********]
SO2排放量/
kg[***********]
CO2排放量/
kg413088
因此1kg大豆秸秆发电过程供给电量折算为
310680kg标煤。11214 大豆炼油过程
生产豆油过程中煤用于燃烧加热,豆粕作饲料用,文献[13]可计算生产1kg豆油消耗标煤0105911kg,排放SO201001412kg、CO20117655kg、NOx6136×10-4kg、烟尘01008828kg。11215 生物柴油制取过程
生物柴油的生产采用氢氧化钠作催化剂的酯交换反应,由于氢氧化钠作催化剂需要的量极少,因此可忽略,产生的甘油可用于工业产品。综合文献[14-16]可计算出每吨甲醇排放SO2210kg、CO212018kg、NOx011kg、烟尘110kg。
豆油转换成生物柴油的能耗为1MJ生物柴油的能量需要消耗110801MJ能量[17],由文献[18]可知生物柴油热值为36136MJ/kg,折算为生产1kg生物柴油的能耗为113405kg标煤。故1kg豆油转化成生物柴油消耗113405kg标煤,排放SO2014314×10-3kg、NOx0102157×10-3kg、CO22610566×10-3kg、烟尘012157×10-3kg。11216 生物柴油的燃烧排放
烟尘排放量/
g[1**********]0
纯生物柴油的CO排放量为1185g/kWh,HC为1104g/kWh,NOx为13190g/kWh,柴油机功率617584kW,柴油消耗量11624kg/h[19],SO2的排放
由此1kg豆油的大豆在种植过程中消耗
2007年9月董进宁等:生物柴油项目的生命周期评价・61・
量为0,生物柴油中各种甲酯的含量与豆油中脂肪酸的相对含量是一致的[14],因此生物柴油中的碳的质量分数为7712%,每kg生物柴油燃烧CO2排放量为21831kg,由此可知1kg豆油制取的生物柴油排放CO714787g、HC412042g、NOx5611915g、SO20g、CO221597kg。11217 运输转移
汽车内燃机排放对人体和环境影响最大的污染物主要是CO、NOx、HC、CO2,目前国内内燃机废气排放水平是汽油车每行驶1km,排出CO816g、NOx218g、HC110g、CO2170g[12]。在运输过程中排放物
全部由5t汽车平均分担,故各生产阶段运输过程中的排放量见表2。
表2 各生产阶段运输过程中废气的排放量
运输阶段
CO排放量/gNOx排放量/gHC/g2g
假设大豆炼油厂、秸秆发电厂、生物柴油制取厂都建设在大豆产地附近,使用5t载重汽车运输,路面为公路,运输距离为20km。
(1)运输能耗
公路运输的单位汽油为010706L/(t・km),汽油密度为0172g/cm,则运输5188kg大豆,运输km,消耗汽油81302×10-3L,5×10-kg,汽油热值为33122MJ/L当于91412×10-39kg大豆秸秆,运输201×10-3L,质量为91564×10-313284×10-3L汽油相当于151061×10-3kg标煤。运输1kg豆油,20km消耗
3
大豆运输
[**************]2×10-3
大豆秸秆运输
[1**********]284×10-3
豆油运输
[***********]16811601×10-3
kg()
11218 清单分析
(1)生物柴油制取生命周期内的排放清单
假定设整个生命周期过程中排放的CO2完全供给大豆生长过程中吸收,秸秆发电过程供给的电量折算为等价标煤,完全供给生命周期过程中的能源、资源消耗,产生1kg豆油制取生物柴油的生命周期向环境排放的清单见表3。
烟尘排放量/kg
11158×10-3
HC排放量/kg
CO排放量/kg
汽油11412×10-3L,质量为11016×10-3kg,11412×10-3L汽油相当于11601×10-3kg标煤。
(2)运输对环境的影响
生产过程种植过程大豆运输秸秆发电秸秆运输大豆榨油豆油运输生物柴油制取生物柴油排放总排放量
CO2排放量/kg
-[1**********]×10-3
1514161397×10-3
011766618×10-421606×10-2
[1**********]
014314×10-3
[1**********]12×10-32107×10-2SO2排放量/kg31366×10-3
61586×10-551681×10-211054×10-46136×10-41112×10-521157×10-551619×10-2
011138NOx排放量/kg
表3 1kg豆油制取生物柴油生命周期的清单
能耗/kg(标煤)
21686
21352×10-5
515×10-2
31763×10-5
81828×10-3
410×10-6
21157×10-4
41204×10-3
010652
41269×10-3
71479×10-381039×10-3
11042
3144×10-531236×10-421023×10-4
91412×10-3
-3106811328×10-251911×10-211601×10-3
11341
(2)环境排放清单分析结果
生物柴油制取中废弃物排放主要为废气。每1kg豆油制取生物柴油项目中,废气中排放量最大的是CO2为012631kg,其次是NOx为011138kg,烟尘为0106520kg,SO2为0102591kg,CO为01008039kg,HC为0100042694kg,其他忽略不计。通过分析CO2的排放,发现其主要来自秸秆燃烧发电过程。其他废气的排放(NOx、烟尘、SO2)也呈相似格局。因此削减秸秆发电过程中的废气排放量是削减生物柴油制取项目废气排放的主要途径。但与制取石化柴油相比,其废气排放总量和各种废气排放单量都
大大减少[21]。
2 生命周期的影响评价
211 环境影响评价
环境影响评价包括定量和定性评价。按照国际标准化组织的ISO14040的框架,影响评价包括3个步骤:分类、特征化和加权评估。上述清单分析结果,只表达了各种输入和输出的相对值大小,因为各种排放因子对生态系统和环境变化的贡献不同,所以需要进行生命周期影响评价,将清单分析的结果转化为既容易理解,又能反映环境影响潜值的指标。
・62・
212 环境影响类型的确认
现代化工
214 环境影响负荷21411 环境影响潜值计算
(1)全球变暖
第27卷第9期
根据清单分析的结果,生物柴油项目可能造成的资源耗竭和潜在环境影响为全球性的全球变暖(GW),地区性的酸化(AC)和富营养化(NE),局地性的烟尘和灰尘(SA)。213 资源耗竭系数
资源耗竭系数通过一次能源消耗来表征,在此将能源作为资源进行评价,秸秆发电产生的电量折算为等价标煤,供给生命周期过程中能源资源消耗,则整个过程中能耗和资源消耗情况如表4所示。
表4 生物柴油制取项目的一次性资源能耗
燃料及原料汽油煤 总计
总耗能/MJ
[***********]77
将各种废气排放转化为全球变暖潜值GW(100
年),得出总GW为361708kgCO2eq./a(见表6),其中主要贡献来源于NOx(99120%),其他如CO2(0172%)、CO(0104%)、HC(0103%)对全球变暖的影响很小可以忽略。
表6 1kg/
kg[1**********]×10-341269×10-3
EF]Gg・g-11(CO2eq.)320(CO2eq.)2(CO2eq.)3(CO2eq.)
影响潜值
EP(GW)/kg・a-1012631(CO2eq.)361416(CO2eq.)010161(CO2eq.)010128(CO2eq.)361708(CO2eq.)
燃料质量/kg
0101656112NOxCOHC
,
,故此采用资源消耗基准[21]进行标准化。由大豆的生长周期是1年,得出煤、油等资源消耗潜值,见表5。其单位为毫人当量,反映了秸秆发电所耗资源占人均资源消耗量的比重(以1990年为基准)。经标准化后的资源消耗中煤依然为主要部分,占98145%,油占1155%。标准化后的资源消耗仅仅反映各种资源消耗的相对大小,并没有反映该资源的稀缺性。因此进一步采用表5中的权重进行加权分析,计算资源耗竭系数。考虑了资源的稀缺性后,煤的消耗比重降为85195%,而油则升为14105%。由于我国能源结构中煤的消耗占据主要地位,即使经过加权分析后,仍然没有改变整个能源消耗的格局,较真实地反映了资源消耗与资源耗竭之间的关系。
表5 标准化后的生物柴油制取的资源消耗
资源油煤
标准化后的资源消耗/可供应期[21]/加权后的资源消耗/
mPEW[1**********]3
a43170
mPRW[1**********]104
合计
(2)酸化
酸化影响潜值计算见表7。总酸化影响潜值为
0110557kgSO2eq./a,主要贡献来源于NOx(75146%)。
表7 1kg豆油制取生物柴油酸化影响潜值
总排放量/
kg[1**********]38
效应当量因子
EF
[21]
影响潜值
EP(AC)/kg・a-1
0102591(SO2eq.)0107966(SO2eq.)0110557(SO2eq.)
排放物质(AC)/
g・g-11(SO2eq.)017(SO2eq.)
SO2NOx
合计
(3)富营养化
富营养化的主要物质为NOx,其效应当量因子为1135g/g,其环境影响潜值为0115363g/g。21412 环境影响潜值的标准化
对以上所计算的各类环境影响潜值(全球、地区和局地)采用其相应的标准化基准进行标准化,从而比较其相对大小,结果见表8。
表8 豆油制取生物柴油的环境影响潜值标准化和加权分析
标准化全球变暖(GW)酸化(AC)富营养化(NE)烟尘和灰尘(SA)
影响潜值/kg・a
-1
标准化基准[21]/
kg・人-1・a-18700(CO2eq.)36(SO2eq)61(NO3-eq.)
18
标准化后的影响潜值/
mPEChina,90
[**************]2
权重因子[21]
[**************]1
加权后影响潜值/
mPEChina,[***********]1208
361708(CO2eq.)0110557(SO2eq.)0115367(NO3-eq.)
0106520
2007年9月
21413 加权评估及环境影响负荷
董进宁等:生物柴油项目的生命周期评价
(1):19.
・63・
对上述标准化后的影响潜值进行加权,并计算其总环境影响负荷每kg豆油在制取生物柴油中为9169毫人当量。各种环境影响类型的相对贡献为制取生物柴油对环境的主要影响为全球变暖(36115%),其次是烟尘和灰尘(22179%)、酸化(22107%)、富营养化(18199%)。即说明,在生物柴油制取中,全球性影响占据首位,其次是局地性影响,而地区性影响则最小。
[4]吴萱,何有光.合成氨工艺清洁生产分析[J].辽宁城乡环境科
技,2001,21(4):42-44.
[5]陈冠荣.对我国化肥工业布局调整提出建议[J/OL].http://
www.xb-nz.com/1111/xinwen/071901.htm.2006-5-8.[6]李惠跃.普钙厂技术改造的可靠途径[J].化肥工业,2000,27
(2):3-6.
[7]郭景芝.国外硫酸工艺技术进展[J].化工生产与技术,2003,10
(3):25-29.
[8]任杰.[J].中
国井矿盐,1998(3):42-44.
[9]谭支良.].自然资源学报,
,10(1)-78.
[10].[J].可再生能源,2004(4):
,王丹,等.秸秆露天焚烧排放的TSP等污染物
3 结论
(1)以大豆制取生物柴油为例,1kg豆油制取生
物柴油过程中整个系统共从环境吸收CO2221kg,向环境释放CO22215271kg。
(2)运输阶段消耗24,CO0156×10
-3
[J].农业环境科学学报,2005,24(4):800-804.
[12]邹治平,马晓茜.太阳能热力发电的生命周期分析[J].可再生
0-3
kg、HC
能源,2004(2):12-15.
[13]农业部乡镇企业局.食用植物油工业生产与污染防治[M].北
412694×10-32×3对环境贡献很小,
决定性因素;
(3)生物柴油制取过程中秸秆发电提供能量715951kWh,大大减少了生物柴油制取的资源和能源消耗,为社会节能降耗做出了积极贡献;
(4)虽然生物柴油制取的全球性影响大于局地性影响,地区性影响最小,但是其影响远远小于制取石化柴油对环境的影响,说明该系统环境性完善,是一种环境友好的项目。
参考文献
[1]中国农业年鉴编委会.中国农业年鉴2005[M].北京∶中国农业
京:中国环境科学出版社,1991.
[14]徐元浩,叶盛焱,陈忠祥,等.生物柴油的实用性研究[D].武汉:
武汉理工大学,2005.
[15]鲁东霞.以煤制甲醇的清洁生产技术[J].中国资源综合利用,
2005(11):8-11.
[16]吴鹏鸣.300kt/a甲醇投资分析[J].石油化工技术经济,2003,19
(6):22-25.
[17]JohnSheehan,VinceCamobreco,etal.AnOverviewofBiodieseland
PetroleumDieselLifeCycles[R].NationalRenewableRnernyLabora2tory,1998.
[18]忻耀年,SondermannB,EmerslebenB.生物柴油的生产和应用[J].
中国油脂,2001,26(5):72-77.
[19]江清阳.生物柴油的试制及其在柴油机上排放特性的研究[D].
江苏:江苏大学,2003.
[20]邹治平,马晓茜,赵增立,等.水利发电工程的生命周期分析
[J].水利发电,2004,30(4):53-55.
[21]杨建新,徐成,王如松.产品生命周期评价方法及应用[M].北
出版社,2005.492-493.
[2]王修兰.全球农作物对大气CO2及其倍增的吸收量估算[J].气
象学报,1996,54(4):466-473.
[3]撒德山,王金龙.种大豆不能不施肥[J].中国农村科技,2007
京:气象出版社,2002.■
空气产品公司与国丰钢铁签订第3份合同
新空气分离工厂(ASU)将在华北唐山建成
空气化工产品公司日前宣布再次取得唐山国丰钢铁有限公司(前称新丰钢铁集团)工业气体供应合同。这也是空气产品公司自2003年以来与国丰钢铁签订的第3份长期合同,为国丰钢铁位于河北的钢铁厂提供氧气、氮气和液态氩。
新空分工厂即将毗邻国丰钢铁建设,并计划于2008年底投产。该工厂将成为空气产品公司在唐山为国丰钢铁建立的第3座空分工厂。第1座空分厂于2005年年中投产,第2个将于2007年底投入使用。现场提供的氧气、氮气和液态氩将用于国丰钢铁的鼓风炉和氧气顶吹转炉。
国丰钢铁总经理张震先生表示“:空气产品公司的安全及技术水平,服务效率及对客户的承诺给我们留下了非常深刻的印象,我们很高兴能与空气产品公司签订新的合
同,推进业务的进一步发展”。
空气产品公司亚洲区总裁莫炜邦先生表示“:自1999年以来,国丰钢铁公司一直是空气产品公司的战略客户我们能够再次成为国丰钢铁的合作伙伴,协助他们公司下一阶段的扩展感到非常荣幸。这进一步表明了这一长期客户对空气产品公司的产品及服务满意”。
唐山是河北省主要工业城市,也是华北地区领先的钢铁生产中心之一。国丰钢铁建有9座生产厂,年钢铁产量达到700万t。中国炼钢业每年以16%～18%的速度增长,年产量超过412亿t。
新空分工厂将主要由空气产品公司在中国的工程中心和制造中心负责建造和设计。(于亚楠)