楊興林，劉巖冰，朱宗淵，顧叢匯，芮逸欣，王 群，張曦卓，王天祥

大豆油和地溝油制備生物柴油生命周期評(píng)價(jià)

楊興林，劉巖冰，朱宗淵※，顧叢匯，芮逸欣，王 群，張曦卓，王天祥

（江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003）

該研究應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法，以大豆油和地溝油分別制備1 t生物柴油為研究對(duì)象，計(jì)算生物柴油全生命周期過程中的能源消耗和周期排放，結(jié)果表明：以大豆油為原料制備生物柴油全生命周期總能耗約為地溝油的2.65倍，且以地溝油為原料制備生物柴油過程中CO2、SO2、NOx、CO和粉塵各項(xiàng)排放與大豆油為原料時(shí)相比分別降低了82.92%、45.68%、94.91%、53.40%和90.61%。通過對(duì)制備生物柴油生命周期排放的廢氣和廢物對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行量化分析，結(jié)果表明以大豆油為原料時(shí)生命周期環(huán)境影響潛值約為地溝油的11.70倍，其數(shù)值分別為8.42和0.72，大豆油制備生物柴油過程中對(duì)環(huán)境的影響主要是全球性的變暖，地溝油制備生物柴油過程中對(duì)環(huán)境的影響主要是地區(qū)性的酸化。

生物柴油；環(huán)境；排放；大豆油；地溝油；生命周期評(píng)價(jià)

0 引 言

隨著化石能源在全球的短缺，清潔能源的出現(xiàn)可以幫助人們擺脫化石燃料短缺的束縛[1]。近年來，生物燃料[2-3]和生物質(zhì)衍生的化學(xué)品[4]在能源領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注，其中，生物柴油是清潔可再生能源中極其重要的組成部分，其各項(xiàng)理化性質(zhì)和化石柴油相近，且生物柴油具有高閃點(diǎn)、高十六烷值、低黏度和生物可降解的優(yōu)點(diǎn)[5-8]。生物柴油可直接替代或與化石柴油調(diào)和使用[9-12]，從而有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒物、二氧化碳、硫化物等污染物的排放[13]。因此，其優(yōu)越的環(huán)保性、可再生性及使用安全性受到了廣泛關(guān)注[14-16]。

中國(guó)油料資源豐富，包括大豆油、菜籽油、麻風(fēng)樹油和地溝油等[17-18]，但以不同油料為原料的生物柴油在其制備和使用過程中對(duì)環(huán)境的影響具有顯著差別。因此，亟需系統(tǒng)工程的方法對(duì)其制備和使用過程進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，以挑選出適合中國(guó)發(fā)展生物柴油的原料。生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)一種產(chǎn)品在其生產(chǎn)工藝以及活動(dòng)中消耗的自然資源和對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行全面分析和評(píng)價(jià)的一種手段[19]。國(guó)內(nèi)外利用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)不同原料制備的生物柴油進(jìn)行了廣泛研究。國(guó)內(nèi)，劉凱瑞等[20]運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)法，對(duì)光皮樹果油與地溝油制取生物柴油在全生命周期的能耗和環(huán)境排放進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明2種原料在CO2減排和廢棄物利用方面相比傳統(tǒng)柴油表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。邢愛華等[21]針對(duì)以菜籽油、麻瘋樹油和地溝油為原料制取生物柴油全過程能耗進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明在菜籽油、地溝油、麻風(fēng)油制備生物柴油生命周期中的總能源效率分別為26%，35%和55%，因此我國(guó)比較適合地溝油和麻瘋油生物柴油產(chǎn)業(yè)。國(guó)外，Esteves等[22]應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)法，對(duì)大豆油和牛脂制備生物柴油的過程中進(jìn)行了評(píng)價(jià)比較，結(jié)果表明在大豆種植期間由于化肥的使用對(duì)環(huán)境造成了重大損害，主要表現(xiàn)在臭氧層和非生物資源的破壞，并且對(duì)淡水、陸地造成了一定的生態(tài)毒性。Siregar等[23]對(duì)以麻風(fēng)樹和棕櫚樹為原料的生物柴油進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)，其結(jié)果表明相對(duì)于化石柴油，以麻風(fēng)樹油為原料制備生物柴油能夠大幅度降低CO2排放量（63.61%），具有顯著優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)可食用油與廢棄油制備生物柴油的全生命周期評(píng)價(jià)對(duì)比研究較少，且大部分研究基于傳統(tǒng)的同相催化體系（KOH或NaOH）。傳統(tǒng)的同相催化體系產(chǎn)品分離復(fù)雜，催化劑無法重復(fù)利用，因此固體催化體系在化學(xué)工業(yè)合成中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注[24]。在固體催化劑中，CaO催化劑[25-27]催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的研究最為廣泛，具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。然而，目前基于CaO催化劑催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)制備生物柴油的生命周期評(píng)估研究[28]極少。因此，本文以大豆油和地溝油為原料，用自制的固體堿性CaO納米催化劑[29]進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)分別利用大豆油和地溝油為原料制備生物柴油，以制備1 t生物柴油為對(duì)象，計(jì)算二者制備生物柴油在全生命周期過程中的能源消耗和污染物排放，并對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行量化分析。同時(shí)，本文在對(duì)大豆油制備生物柴油進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)過程中，將廢棄物資源大豆秸稈再次利用，通電燃燒發(fā)電為生命周期提供一定的電能，減少其能源消耗。

1 生命周期評(píng)價(jià)方法

1.1 分析邊界的定義

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA），是評(píng)價(jià)不同原料制備生物柴油全生命周期能耗、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性的重要手段[30]。生物柴油的生產(chǎn)主要包括原料的收集、預(yù)處理、制備生物柴油及其運(yùn)輸和使用，大豆油和地溝油制備生物柴油的生命周期有不同的邊界界定，如圖1所示。

圖1 大豆油和地溝油生命周期框架

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

生物柴油全生命周期的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括生命周期能耗和生命周期排放。

生命周期能耗以標(biāo)煤為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其他能源消耗（電、天然氣）均轉(zhuǎn)換為標(biāo)煤進(jìn)行計(jì)算。生命周期排放評(píng)價(jià)指標(biāo)包括生命周期CO2、SO2、NOx、CO、CH4、固體廢棄物和粉塵排放指標(biāo)，生物柴油燃燒產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx、CO和HC數(shù)據(jù)通過收集獲得。

1.3 清單分析

生產(chǎn)生物柴油的原材料為大豆油和地溝油、甲醇、自制的CaO納米催化劑，其在醇油比13:1，催化劑加載量5%，反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度72 ℃的條件下，催化產(chǎn)率分別高達(dá)90%和84%。

以大豆油為原料制備1 t生物柴油，需要大豆油1 087 kg，甲醇519 kg，催化劑54 kg。以地溝油為原料制備1 t生物柴油，需要預(yù)處理后的地溝油1 229 kg，甲醇586 kg，催化劑61 kg。

1.3.1 大豆種植

假設(shè)大豆油的產(chǎn)油率為17%[31]，1 087 kg大豆油需要6 394 kg大豆。康軍紅[32]對(duì)4種不同大豆品種的產(chǎn)量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示大豆產(chǎn)量在2 019.5～2 353.0 kg/hm2之間變化，在本文的研究中取中間值，即大豆的產(chǎn)量為2 191.25 kg/hm2，因此6 394 kg大豆需要土地面積2.92 hm2。大豆屬于一年生的植物，它在1a內(nèi)吸收CO2的量即是它在生長(zhǎng)過程中吸收的C量。大豆生長(zhǎng)過程中吸收的C量為1.73 t/(hm2·a)[33]，折合生產(chǎn)6 394 kg大豆需要CO2的量為3 786.39 kg。大豆的種植過程中能量消耗為化肥（氮肥，磷肥和鉀肥）的使用，生產(chǎn)化肥產(chǎn)生的總能量消耗為26 520 MJ。同時(shí)化肥的生產(chǎn)過程產(chǎn)生排放，相關(guān)化學(xué)品生產(chǎn)的排放數(shù)據(jù)根據(jù)美國(guó)能源部阿岡國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的GREET（Greenhouse gases, Regulated Emissions and Energy use in Transportation）模型代入中國(guó)化邊界條件計(jì)算得到[34]，如表1所示。

表1 大豆種植過程的環(huán)境排放和能源消耗[31, 33-34]

1.3.2 大豆秸稈發(fā)電

大豆秸稈中含C 44.79%、H 5.81%、N 0.85%、S 0.11%、低位發(fā)熱量16 146 kJ/kg[35]，大豆秸稈的產(chǎn)量系數(shù)1.0：1.6[36]，計(jì)算生產(chǎn)6 394 kg大豆所產(chǎn)生的大豆秸稈質(zhì)量為6 394×1.6=10 230.4 kg，燃燒秸稈煙塵（TSP）的排放因子為5.85 g/kg[37]。設(shè)秸稈完全燃燒其C都以CO2的形式排放，SO2、NOx排放完全符合以上條件，電廠發(fā)電效率為20%，廠用電10%，可知9 591 kg大豆秸稈發(fā)電產(chǎn)生熱量165 180.04 MJ，發(fā)電量9 176.67 kW·h，廠用電量4 588.34 kW·h，排放CO24 582.20 kg、SO211.25 kg、NOx86.96 kg、粉塵59.85 kg，具體數(shù)據(jù)在表2中給出。

表2 大豆油制備生物柴油各階段的能耗及環(huán)境排放[35-40]

1.3.3 大豆油榨取及地溝油預(yù)處理

大豆油的榨取過程采用電機(jī)榨油技術(shù)，主要能量及動(dòng)力消耗為電力，處理1 t大豆油需要消耗電量30 kW·h[38]，折算得到制備1 087 kg大豆油需要消耗能量117.40 MJ。大豆油榨取過程中主要消耗電能，因此其生產(chǎn)過程中主要環(huán)境排放為產(chǎn)生電能過程中帶來的廢氣及固體廢棄物等污染物質(zhì)，包括CO2、SO2、NOx、CH4、固體廢棄物和粉塵[39]，具體排放數(shù)據(jù)在表2中列出。

由于地溝油中含有大量的雜質(zhì)和高的游離脂肪酸，在制備生物柴油時(shí)會(huì)影響生物柴油的品質(zhì)，因此以地溝油作為制備生物柴油的原材料時(shí)，需要對(duì)地溝油進(jìn)行預(yù)處理，主要是過濾其中的雜質(zhì)并對(duì)其進(jìn)行脫酸處理[17]。不同的地溝油成分和理化性質(zhì)不同，對(duì)處理后的地溝油利用氣相色譜法-質(zhì)譜連用技術(shù)（GC-MS）進(jìn)行脂肪酸成分及含量的分析，地溝油中的脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度主要集中在C16～C18之間，主要脂肪酸組成有油酸、亞油酸、棕櫚酸、硬脂酸，總質(zhì)量含量達(dá)到了90%以上，在表3中列出了地溝油的主要成分（質(zhì)量含量在1%以上的）以及地溝油的基本理化性質(zhì)[41]。地溝油來源廣泛，成分復(fù)雜，與一般的油脂和化石柴油理化性質(zhì)相差較大，特別是運(yùn)動(dòng)黏度、凝點(diǎn)和酸值，而含水率與柴油相近。

經(jīng)試驗(yàn)折算后，收集1 kg地溝油經(jīng)過預(yù)處理后得到0.63 kg精煉油，可用于生物柴油的制備，因此1 229 kg處理后的地溝油需要收集未處理的地溝油1 951 kg。地溝油的預(yù)處理過程主要消耗電能和水資源，參考國(guó)內(nèi)發(fā)表的文獻(xiàn)[38]，處理從餐飲店收集的1 951 kg地溝油消耗標(biāo)煤23.21kg。地溝油預(yù)處理階段主要環(huán)境排放為產(chǎn)生電能過程中帶來的廢氣和固體廢棄物等污染物，包括CO2、SO2、NOx、CH4、固體廢棄物和粉塵，具體排放數(shù)據(jù)在表4中列出。

1.3.4 生物柴油的制取

大豆油和地溝油制備生物柴油均需要甲醇和自制CaO納米催化劑。原料甲醇采用國(guó)內(nèi)煤制方法，煤制甲醇的工藝中主要環(huán)境排放污染物包括CO2、SO2、NOx、CO、固體廢棄物和粉塵等，每生產(chǎn)1 kg甲醇消耗能量7.97 MJ，向環(huán)境中排放CO20.193 6 g、SO20.119 g、NOx0.299 g、CO 0.009 g、固體廢棄物10.86 g、粉塵0.492 g[40]。經(jīng)折算生產(chǎn)519 kg甲醇需要消耗能量4 139.07 MJ，生產(chǎn)586 kg甲醇需要消耗能量4 670.42 MJ，具體排放數(shù)據(jù)在表2和表4中列出。

表3 地溝油的典型組分和基本理化性質(zhì)[41]

表4 地溝油制備生物柴油各階段的能耗及環(huán)境排放[17,39-40]

制備CaO催化劑需要高溫煅燒，因此在制取過程中主要能耗為電能，經(jīng)試驗(yàn)折算制取54 kg CaO催化劑需要消耗電能55 kW·h，折合標(biāo)煤6.77 kg。高溫煅燒催化劑時(shí)，會(huì)生成H2O和CO2，原子守恒計(jì)算生成54 kg CaO的同時(shí)，產(chǎn)生86.785 7 kg H2O和84.857 1 kg CO2。制取61 kg CaO催化劑需要消耗電能62 kW·h，折合標(biāo)煤7.64 kg，煅燒過程生成98.035 7 kg H2O和95.857 1 kg CO2。制備催化劑過程中主要環(huán)境排放為消耗電能和產(chǎn)生蒸汽帶來的污染物，包括CO2、SO2、NOX、CO、CH4、固體廢棄物和粉塵，具體排放數(shù)據(jù)在表2和表4中列出。

生物柴油的制取采用酯交換反應(yīng)進(jìn)行，制備過程主要消耗電能，電能利用潔凈煤火力發(fā)電技術(shù)生產(chǎn)。生產(chǎn)1 t生物柴油需要消耗電能25 kW·h，折合標(biāo)煤3.075 8 kg，即每生產(chǎn)1 t生物柴油消耗能量90.00MJ。生物柴油制取過程中的主要排放物有CO2、SO2、NOx、CO、CH4、固體廢棄物和粉塵等，具體排放數(shù)據(jù)在表2和表4中列出。

1.3.5 運(yùn)輸過程

運(yùn)輸過程包括大豆的運(yùn)輸、大豆秸稈的運(yùn)輸、地溝油的運(yùn)輸、生物柴油的運(yùn)輸。假設(shè)運(yùn)輸均通過5 t載重汽車使用汽油進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸路面為公路，距離50 km。公路運(yùn)輸需消耗的汽油為0.0706 L/(t·km)[42]，則運(yùn)輸1 087 kg大豆消耗3.837 1 L汽油，運(yùn)輸10 230.4 kg大豆秸稈消耗36.113 3 L汽油，運(yùn)輸2 156 kg從餐飲店收集的地溝油消耗7.610 7 L汽油，運(yùn)輸1 t生物柴油消耗3.53 L汽油，參考汽油的熱值為33.22 MJ/L[42]。目前中國(guó)汽車行駛每公里排出的CO2、SO2、NOx、CO、HC分別為170、1.9、2.8、8.6、1.0 g[42]，具體數(shù)據(jù)在表5列出。

表5 運(yùn)輸過程階段的能耗及環(huán)境排放[42]

2 生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 生命周期能源消耗

大豆油和地溝油生產(chǎn)生物柴油的全生命周期各個(gè)階段的能源消耗情況在表6中給出，由表可得：大豆油和地溝油分別生產(chǎn)1 t生物柴油的全生命周期總能耗為15 990.75 MJ和6 033.23 MJ，以大豆油為原料制備生物柴油生命周期的能耗是以地溝油為原料的2.65倍。

表6 大豆油和地溝油生產(chǎn)1 t生物柴油的生命周期能耗

大豆油和地溝油生產(chǎn)生物柴油生命周期各個(gè)階段的能耗占總能耗的百分比如圖2所示，可知在大豆油生產(chǎn)生物柴油的生命周期中，主要的能耗處于大豆種植階段，占總能耗的62.55%；其次是甲醇和催化劑的生產(chǎn)，占總能耗的27.12%，此階段甲醇的生產(chǎn)能耗比較大，占該過程的95.43%，故可優(yōu)先從生產(chǎn)甲醇的工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用制取甲醇的新工藝（如秸稈等生物質(zhì)來制取甲醇），降低甲醇的工業(yè)成本和能耗；大豆油的榨取、生物柴油生產(chǎn)和運(yùn)輸階段的能耗比例較小，分別為0.73%、0.56%和9.03%。而以地溝油為原料制取生物柴油的生命周期中，主要的能耗處于甲醇和催化劑的生產(chǎn)階段，占總能耗的81.12%；其次是地溝油預(yù)處理階段，占總能耗的11.25%；運(yùn)輸階段占總能耗的6.13%，生物柴油生產(chǎn)階段的能耗比例較小，為1.49%。

2.2 生命周期排放

以大豆油和地溝油為原料制備生物柴油的全生命周期產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx、CO、CH4、HC、固體廢棄物和粉塵各個(gè)物質(zhì)的總排放在表7中列出。

圖2 生物柴油生命周期能源消耗對(duì)比

表7 生產(chǎn)1 t生物柴油生命周期排放

可以看出在大豆油和地溝油制備1 t生物柴油全生命周期過程中CO2的排放量最大，分別為2 411.29、411.93 kg，HC氣體的排放量最小，分別為0.15和0.10 kg，其數(shù)值可以忽略不計(jì)。雖然在大豆種植階段光合作用吸收了2 406.45 kg CO2，但其秸稈燃燒發(fā)電過程中產(chǎn)生了4 582.2 kg CO2，其凈CO2排放為2 175.75 kg，因此削減秸稈發(fā)電過程中的廢棄排放量是削減大豆油制備生物柴油項(xiàng)目廢棄排放的主要途徑。

以大豆油和地溝油制備生物柴油的全生命周期過程中產(chǎn)生的SO2、NOx、CO、CH4、固體廢棄物和粉塵的排放量柱狀圖如圖3所示，從圖中可以看出大豆油作為原料制備生物柴油的過程中，兩者固體廢棄物（131.54、175.89 kg）的排放量均比較大，其主要來源于甲醇的生產(chǎn)（111.04、125.37 kg），其次是地溝油預(yù)處理階段的廢渣（34.95 kg）；兩者CO和CH4的排放量均比較小。與大豆油為原料制備生物柴油生命周期排放相比較，以地溝油為原料制備生物柴油生命周期中SO2的排放降低了45.68%，NOx的排放降低了94.91%，CO的排放降低了53.40%，粉塵的排放降低了90.61%。由于以地溝油為原料制備生物柴油的全生命周期中無原料種植階段，因此與大豆油相比，地溝油的生命周期排放相對(duì)較低。

圖3 大豆油和地溝油生命周期中環(huán)境排放

本文中生物柴油的燃燒車輛使用采用在四沖程柴油機(jī)中滿負(fù)荷進(jìn)行運(yùn)行，生物柴油在柴油機(jī)中消耗時(shí)向環(huán)境排放CO2、SO2、NOx、CO和HC氣體，1 t生物柴油和1 t傳統(tǒng)柴油燃燒時(shí)產(chǎn)生的排放數(shù)據(jù)在表8中列出?？梢钥闯鲆源蠖褂秃偷販嫌蜑樵现苽涞纳锊裼腿紵欧诺腃O2均低于傳統(tǒng)柴油燃燒排放的CO2，分別降低了27.18%和72.53%，就2種生物柴油相比較，地溝油為原料的CO2排放比大豆油為原料排放降低了62.28%。由于大豆油中不含S元素，所以產(chǎn)生的SO2排放為0，地溝油生物柴油燃燒排放了1.661 kg SO2，較傳統(tǒng)柴油減少了14.69%。大豆油生物柴油和地溝油生物柴油燃燒排放的NOx均高于傳統(tǒng)柴油，分別升高了127.75%和10.45%，大豆油生物柴油NOx排放量較高是由于大豆油中N元素的含量相比較多；其CO的排放量均低于傳統(tǒng)柴油，分別降低了81.04%和28.15%；大豆油生物柴油HC的排放量較傳統(tǒng)柴油降低了54.25%，而地溝油生物柴油HC的排放量較傳統(tǒng)柴油升高了34.03%。

表8 生物柴油燃燒的環(huán)境排放

總的來看，以地溝油為原料制備生物柴油的生命周期能耗和排放均低于大豆油制備生物柴油，兩者最大的污染物排放均為CO2，其次為廢渣。相比傳統(tǒng)柴油，大豆油生物柴油和地溝油生物柴油燃燒時(shí)排放溫室氣體CO2明顯降低，使用生物柴油有利于環(huán)境的保護(hù)。就大豆油和地溝油制備生物柴油而言，利用地溝油制備生物柴油更具有優(yōu)勢(shì)，一方面其生命周期的能耗較少；另一方面地溝油作為廢棄油脂，將其轉(zhuǎn)化為生物柴油實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再次利用，變廢為寶，符合資源的可持續(xù)利用。

3 生命周期的環(huán)境影響評(píng)價(jià)

3.1 環(huán)境影響評(píng)價(jià)及類型

生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)包括定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)價(jià)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 14010的框架，影響評(píng)價(jià)包括3部分：分類、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估[31]。根據(jù)上面對(duì)大豆油和地溝油生物柴油生命周期排放的廢氣和廢物對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行量化分析，本論文考慮全球性的變暖（GW）、地區(qū)性的酸化（AC）和富營(yíng)養(yǎng)化（NE）、局地性的煙塵和灰塵（SA）3種環(huán)境影響類型，采用參考系數(shù)的方法進(jìn)行計(jì)算。

3.2 環(huán)境影響負(fù)荷

3.2.1 環(huán)境影響潛值計(jì)算

1）全球變暖

將大豆油和地溝油制備生物柴油全生命周期排放的各種廢氣轉(zhuǎn)化為全球變暖潛值GWP，GWP值越大，說明排放的廢氣對(duì)全球變暖的影響更大，其具體數(shù)據(jù)在表9中列出。以大豆油為原料制備生物柴油總GWP為31 983.86 kg/a，其中主要貢獻(xiàn)來源于NOx（92.45%）和CO2（7.54%）；以地溝油為原料制備生物柴油總GWP為1 916.61 kg/a，其中主要貢獻(xiàn)來源于NOx（78.47%）和CO2（21.46%），兩者CO和HC的影響均較小，可以忽略。相比之下，以地溝油為原料制備生物柴油全生命周期廢氣的排放對(duì)全球變暖（GW）影響較小，較大豆油降低了94%。

表9 大豆油和地溝油制取1t生物柴油全球變暖影響潛值

注：影響潛值EP=效應(yīng)當(dāng)量因子×EF排放量。

Note: Impact potential EP= Effect equivalent factor ×EF emission.

2）酸化

酸化嚴(yán)重污染了土壤和水體資源，土壤酸化土壤貧瘠化，傷害植物，造成森林死亡；水體酸化，嚴(yán)重影響水體動(dòng)植物的繁殖和發(fā)育。大豆油和地溝油制備生物柴油全生命周期酸化影響潛值計(jì)算見表10。以大豆油為原料制備生物柴油總AC為82.37 kg/a，主要貢獻(xiàn)來源于NOx（78.52%）；以地溝油為原料制備生物柴油總AC為12.90 kg/a，其中主要貢獻(xiàn)來源于SO2（74.50%）。因此相比之下，以地溝油為原料制備生物柴油全生命周期廢氣的排放對(duì)區(qū)域性酸化（AC）影響較小，較大豆油降低了84.34%。

3）富營(yíng)養(yǎng)化

富營(yíng)養(yǎng)化是指氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入天然水體而惡化水質(zhì)，過多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促使水中的藻類死亡后沉積于水底，微生物分解消耗大量溶解氧，導(dǎo)致魚類因缺氧而大批死亡。富營(yíng)養(yǎng)化的主要物質(zhì)為NOx，其效應(yīng)當(dāng)量因子為1.35 g/g。大豆油制備生物柴油全生命周期富營(yíng)養(yǎng)化影響潛值為124.74 kg/a；地溝油制備生物柴油全生命周期富營(yíng)養(yǎng)化影響潛值為6.34 kg/a。因此相比之下，以地溝油為原料制備生物柴油全生命周期廢氣的排放對(duì)區(qū)域性酸化（NE）影響較小，較大豆油降低了92.69%。

表10 大豆油和地溝油制取1t生物柴油酸化影響潛值

4）煙塵和灰塵

煙塵和灰塵對(duì)人體健康的危害影響較大，可能會(huì)引起多種心血管、呼吸道損壞等疾病。大豆油和地溝油制備生物柴油全生命周期煙塵和灰塵影響潛值的數(shù)值等于其全生命周期中排放粉塵的數(shù)值，分別為65.26和6.13 kg/a。因此相比之下，以地溝油為原料制備生物柴油全生命周期粉塵的排放對(duì)局地性煙塵和粉塵（SA）環(huán)境影響較小，較大豆油降低了92.69%。

3.2.2 環(huán)境影響潛值的標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)評(píng)估

對(duì)以上所計(jì)算的各類環(huán)境影響潛值（全球、地區(qū)和局地）采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將不同的污染物排放具體到特定的環(huán)境影響種，進(jìn)而比較大豆油和地溝油制備生物柴油對(duì)不同環(huán)境的影響，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見表11。對(duì)環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化是為了說明潛在影響的相對(duì)大小，因此即使兩種不同類型的環(huán)境影響潛值通過標(biāo)準(zhǔn)化得出相同環(huán)境影響潛值，但并不意味著兩者的潛在環(huán)境影響同樣嚴(yán)重。因而需要對(duì)環(huán)境影響類型的嚴(yán)重性進(jìn)行排序，利用不同物質(zhì)的權(quán)重因子計(jì)算，得到加權(quán)后的影響潛值，從而進(jìn)行對(duì)比。

表11 大豆油和地溝油制取生物柴油的環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化[31, 45]

注：標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值=影響潛值/標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)；加權(quán)后的環(huán)境影響潛值=權(quán)重因子×標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值。

Note: Standardized environmental impact potential=Impact potential/Standardized benchmark; Weighted environmental impact potential=Weight factor ×Standardized environmental impact potential.

從表10中可以看出，大豆油制備生物柴油全生命周期中環(huán)境影響潛值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地溝油。在大豆油制備生物柴油全生命周期中，對(duì)環(huán)境的主要影響為全球變暖（36.22%），其次是煙塵和灰塵（26.25%）、酸化（19.83%）、富營(yíng)養(yǎng)化（17.70%）。說明在大豆油制備生物柴油生命周期過程中，全球性影響占據(jù)首位，秸稈發(fā)電產(chǎn)生的CO2和NOx是其主要原因；其次是局地性的煙塵和灰塵影響，其主要原因來源于甲醇的生產(chǎn)。在地溝油制備生物柴油全生命周期中，對(duì)環(huán)境的主要影響為酸化（36.11%），其次是煙塵和灰塵（29.17%）、全球變暖（25.00%）、富營(yíng)養(yǎng)化（9.72%）。說明在地溝油制備生物柴油生命周期過程中，地區(qū)性的酸化影響占據(jù)首位，地溝油預(yù)處理過程中使用的濃硫酸是其主要原因；其次是局地性的煙塵和灰塵影響，其主要原因來源于甲醇的生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

本文利用生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法，評(píng)估了以大豆油和地溝油為原料制備生物柴油的全生命周期能耗和排放，并對(duì)其造成的環(huán)境影響進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：

1）大豆油制備生物柴油生命周期總能耗約為地溝油的2.65倍，且以地溝油制備生物柴油時(shí)CO2、SO2、NOx、CO和粉塵各項(xiàng)排放均較低，分別降低了82.92%、45.68%、94.91%、53.40%和90.61%；

2）將生物柴油和傳統(tǒng)柴油用于車輛燃燒，生物柴油燃燒排放的CO2、SO2、CO均小于傳統(tǒng)柴油燃燒的排放，使用生物柴油可以大幅度減少溫室氣體和酸性氣體的排放，若生物柴油大量投入使用，對(duì)溫室效應(yīng)會(huì)有所緩；

3）地溝油制備生物柴油生命周期環(huán)境影響潛值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大豆油，分別為0.72和8.42，大豆油制備生物柴油過程中對(duì)環(huán)境的影響主要是全球性的變暖，地溝油制備生物柴油過程中對(duì)環(huán)境的影響主要是地區(qū)性的酸化。

分析本研究中大豆油和地溝油制備生物柴油生命周期中的整體數(shù)據(jù)，可知以地溝油為原料制備生物柴油可以有效降低能源的消耗、減少污染物的排放。除此之外，地溝油為廢棄油脂，用其制備生物柴油實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的再利用。雖然LCA方法具有全程性、系統(tǒng)性、綜合性、開放性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)評(píng)估生物柴油產(chǎn)業(yè)有現(xiàn)實(shí)的意義，但是由于LCA過程中涉及復(fù)雜的計(jì)算過程（碳排放、不同工藝、環(huán)境毒理等）增加了評(píng)估的難度，不同地區(qū)難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這些都增加了評(píng)估結(jié)果的不確定性。因此在以后的研究中要加快建設(shè)我國(guó)生物柴油產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，加大學(xué)科交叉力度，對(duì)生產(chǎn)階段的不同工藝進(jìn)行優(yōu)化，為產(chǎn)業(yè)升級(jí)、部門決策提供參考依據(jù)，為產(chǎn)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

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Life cycle assessment of biodiesel from soybean oil and waste oil

Yang Xinglin, Liu Yanbing, Zhu Zongyuan※, Gu Conghui, Rui Yixin, Wang Qun, Zhang Xizhuo, Wang Tianxiang

(,212003)

Life cycle assessment (LCA) is an important method that can fully evaluate the natural resources consumed in the production process and activities, as well as its impacts on the environment. In recent years, LCA has been widely used in the biodiesel production process. China is enriched in various biodiesel feedstocks, such as soybean oil, colza oil, jatropha, microalgae and waste cooking oil. In the current study, a life cycle assessment methodology was applied to evaluate the energy consumption and emissions of biodiesel products derived from soybean oil and waste cooking oil in the process of a whole life cycle. The results showed that in the whole life cycle, the total energy consumption of soybean-derived biodiesel was about 2.65 times higher than that of biodiesel derived from waste cooking oil. In the life cycle of soybean oil production for biodiesel, the majority energy consumption was contributed by the soybean planting stage, accounting for 62.55% of the total energy consumption. Particularly, the energy consumption of methanol production was rather high, accounting for 25.88% of the total energy consumption. In the life cycle of biodiesel made from cooking waste oil, the main energy consumption was in the production stage of methanol and catalyst, accounting for 81.12% of the total energy consumption. It was followed by the pretreatment stage of gutter oil, consuming 11.25% of the total energy input. In combustion, the CO2, SO2and CO emissions from biodiesels either from soybean oil or waste cooking oil were both lower than those from the conventional diesel. Moreover, compared with the emissions of biodiesel derived from soybean oil, the CO2, SO2, NOx, CO, and dust emissions of biodiesel from the waste cooking oil were reduced by 82.92%, 45.68%, 94.91%, 53.40% and 90.61%, respectively. It infers that the application of biodiesel can significantly reduce the emissions of greenhouse and acid gas. It also confirms that the greenhouse effect can be inevitably slowed down when using the biodiesel on a large scale. According to the environmental impact analysis of biodiesel production and utilization processes in the concept of LCA, the potential value of life cycle for the environmental impact of soybean oil as raw material was 11.70 times that of waste cooking oil, which was 8.42 and 0.72, respectively. Global warming was the predominant environmental impact of the biodiesel from soybean oil. In the case of biodiesel derived from waste cooking oil, the regional acidification was the most significant factor. Compared with soybean oil, the biodiesel made from waste cooking oil can effectively reduce the consumption of energy and the emission of pollutants. In addition, it can realize the efficient reuse of waste resources. The life cycle assessment method was of practical significance to evaluate the biodiesel industry. Nevertheless, it is still challenging to form a unified standard among different processes, because of the complex calculation involved in the LCA process. In the future, it is highly necessary to construct a standard database of Chinese biodiesel industry, further to optimize different processes in the production stage. The findings can provide a sound reference for industrial upgrading and department decision-making, and a specific data support for the sustainable development of agricultural industry.

biodiesel; environmental; emissions; soybean oil; waste cooking oil; life cycle assessment

楊興林，劉巖冰，朱宗淵，等. 大豆油和地溝油制備生物柴油生命周期評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(19)：233-241.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.027 http://www.tcsae.org

Yang Xinglin, Liu Yanbing, Zhu Zongyuan, et al. Life cycle assessment of biodiesel from soybean oil and waste oil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 233-241. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.027 http://www.tcsae.org

2020-06-02

2020-09-20

江蘇科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金（1142931706）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51906092）

楊興林，教授，博士生導(dǎo)師，從事船舶動(dòng)力裝置燃燒與排放污染控制方面研究。Email：hcyangxl2010@just.edu.cn

朱宗淵，博士，講師，主要從事生物質(zhì)能源和生物質(zhì)冶煉方面的研究。Email：zongyuan.zhu@just.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.027

S216

A

1002-6819(2020)-19-0233-09