生物柴油环境影响生命周期评价

生物柴油环境影响生命周期评价

摘要：采用生命周期评价方法(LCA)，评估了生物柴油项目对环境的影响。统计了以菜籽油、地沟油为原料的生物柴油全生命周期(包括作物的种植、收获、运输、预处理，以及生物柴油的生产和配送和消费)的各种污染物排放。结果表明：生物柴油全生命周期中，CO2排放量低于石化柴油，HC、CO排放量与石化柴油接近，NOx、可吸入微粒排放量略高于石化柴油，SO2排放量远高于石化柴油。生物柴油排放的SO2主要发生在种植和生产环节，其他气体污染物排放主要在车辆使用阶段。这几种作物的生物柴油全生命周期排放的液体和固体废弃物远高于石化柴油。因此，需要开发新品种油料植物。

关键词：生物柴油；生命周期评价方法（LCA）；污染物

1前言

利用取之不尽、用之不竭的可再生资源生产燃料和大宗有机化工产品是绿色化学实现可持续发展的重要方向[1]从植物油生产的柴油称为生物柴油(Biodiesel)，它是一种长链脂肪酸的单烷基酯天然油脂多由直链脂肪酸的甘油三酯组成，与甲醇酯交换后，分子量降至与柴油相近，且具有接近于柴油的性能。从植物油生产的生物柴油不含硫和芳烃，十六烷值高，并且润滑性能好，所以是一种优质清洁柴油[2~4]这些长链脂肪酸单烷基酯可生物降解，闪点高，无毒，挥发性有机物(VOC)

含量低，具有优良的润滑性能和溶解性，也是制造可生物降解的具有高附加值的精细化工产品原料

生物柴油作为一种可再生的液态车用燃料。与化石柴油相比，其排气管的污染物排放大大减少，但生物柴油在使用阶段的清洁性，并不代表这种产品一定是环境友好的。需用生命周期评价方法(LCA)对生物柴油从种植到使用全过程进行分析。

2系统边界与评价指标

生命周期从油菜和麻疯树的种植、地沟油收集开始，经过油料作物果实的收集与运输，原料油生产(榨油过程)，生物柴油生产和分配，直至生物柴油燃烧使用结束。任何子过程由于物质、能量的使用，人类活动的参与，都会向环境排放一定量的污染物。对3万t·a-1

生物柴油项目进行生命周期污染物排放分析，结果以1t生物柴油对应的排放量表示。本文所考虑排放的污染物既包括各环节直接排放的污染物，又包括由于化肥、甲醇等的使用及燃煤、电力等能源消耗间接排放的污染物。生物柴油LCA污染物排放示意如图1所示。

图1生物柴油生命周期污染物排放示意图

2环境影响评价基础数据

生物柴油LCA环境影响的基础数据包括植物光合作用的固碳量、生物柴油LCA各环节的直接环境排放以及由于化肥、甲醇、电力生产和燃煤使用间接向环境排放的污染物。生物柴油LCA过程燃煤消耗是由种植环节化肥生产，生产环节中低压蒸汽、循环水、软化水等耗能工质生产，甲醇生产引起的。电力消耗主要是由于种植环节植物的灌溉、麻疯树果和油菜籽的压榨、生物柴油生产用电和生物柴油配送时加油站用电引起的。

2．1植物光合作用固碳

分析生物柴油生命周期排放的CO

2，需考虑植物生长期间通过光合作用吸收的CO

2

，耕

地固碳速率0.45~2 t·a-1·hm-2[5]。根据油菜籽单位面积产量(2.21 t·hm-2)、出油率(35.7%)和油中的碳元素含量(69%)计算可知，油菜籽固定碳量为0.54t·a-1·hm-2。油菜植物体较

轻，本文设定油菜植物体固定碳量为0.20 t·a-1·hm-2，油菜固定碳量0·74 t·a-1·hm-2。据四川省麻疯树生物柴油原料林基地提供的数据，麻疯树基地成林后麻疯树果实产量为1.65~5·85 t·a-1·hm-2。麻疯树果实和植物活体两部分固定碳量为1.18~3.08 t·a-1·hm-2。文本设定麻疯树固定碳量为2.62 t·a-1·hm-2。

2.2 石化柴油生产过程污染物排放

石化柴油全生命周期包括石油开采、原油运输、炼油和柴油使用，石化柴油的污染物主要来自加工和使用过程。原油以管道运输为主，对环境影响不大，本文忽略原油开采的环境排放。炼油向环境排放的污染物包括废气、废液和固体废物。炼油企业加工1 t原油排放0.2 t废水，废水中化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、氨氮、挥发酚、氰化物、硫化物、悬浮物(SS)浓度分别为50、10、5、0.5、0.5、0.5、1mg·L-1[6]。根据中国石油四川1 000万t·a-1炼油项目的环评说明，炼油企业生产1t柴油排放的HC、CO、可吸入微粒(PM10)、NOx、SOx和CO2分别为5.768×10-5、6.947×10-4、2.702×10-4、1.729×10-3、1.239×10-3、0.682t。石油炼制业在生产过程中，有多种固体废弃物产生，种类多，危险性大。几乎所有装置都或多或少地产生固体废弃物，常见的炼油工业固体废弃物主要有废酸渣、废碱渣、罐底泥、各种废催化剂及污水处理场“三渣”等。炼油项目的工业固体废物排放系数为8.288×10-4，综合利用系数为2.822×10-4，送污泥焚烧炉焚烧系数为3.448×10-4，送危废中心处理系数为1.709×10-4，送石化基地的一般固体废物系数为3.084×10-5。

2.3直接环境影响基础数据

2.3.1种植环节

种植环节的直接环境影响是施用化肥造成土壤、大气和水源的污染。目前，中国氮肥当季利用率仅为30%~35%，所施氮肥的一半在其被作物吸收之前就以气体形态扩散到大气中或从排水沟渠流失，造成土壤、地下水、地表水和空气的污染；磷肥利用率仅为10%~20%；钾肥利用率为35%~50%。由于化肥使用阶段对土地、空气和水源造成的直接环境影响尚难于准确测算，本文仅考虑化肥生产引起的间接环境影响。

2.3.2榨油环节

麻疯树果实含油率约35.29%，用其榨油生产原料油时，产生的固体残渣可作为农药、饲料或是肥料。以麻疯树果为原料生产3万t生物柴油，可副产4.63万t麻疯树油渣，用作优良的有机肥。油菜籽的出油率一般在27%~43%之间。以油菜籽为原料生产3万t生物柴油，副产菜籽油饼4.85万t，可用作优良饲料和肥料。榨油环节的副产物都可以加以利用，该环节不直接向环境排放污染物。

2.3.3生产环节

生物柴油生产环节直接排放的气、液、固污染物参考上海中生化能源科技有限公司年产15万t生物柴油建设项目的环境影响报告中的数据。生物柴油生产环节排放的废水包括工艺废水、公用工程废水、环保工程废水和生活废水，废水为有机废水和清净下水二类，废水排放量为0.16 m3·t-1生物柴油。废水中COD、甲醇、SS、动植物油、氨氮的排放浓度标准分别为120、10、30、15、10mg·L-1。由于以地沟油为原料生产生物柴油时原料需要预处理，其废水量排放量大于麻疯树油和菜籽油为原料生产生物柴油的废水排放量。在前处理车间产生的原料油脚量、废水处理装置产生的剩余污泥、隔油池污油(含水10%)、生活设施产生的生活垃圾的质量与生产的生物柴油质量之比分别为0.015、3.73×10-4、9.33×10-6、1.50×10-4t·t-1。生产环节废气中甲醇、SO

、NOx、烟尘和NMHC的排放标准

2

分别为202、500、400、300、4mg·m-3。

2.3.4收集运输环节和配送环节

燃油的消耗包括原材料收集运输、生物柴油配送。收集运输和配送环节向环境排放的污染物主要是指柴油在使用时从排气管中排放的污染物。燃油使用过程对环境的污染分为运输过程泄漏造成的污染(泄漏率为0.5%)和燃油在排气管中燃烧引起的污染。葛蕴珊等[7]以4102QBZ增压柴油机为试验用发动机测得的2种柴油燃烧排放如表1所示。除此之外，石化柴油燃烧排放的可挥发有机物(VOC)、SOx分别为0.0271、0.585 g·L-1[8]。

表1 柴油机排气污染物测量结果