楊秋穎 張 蕓 孫德林 侯昊晨 劉昱彤

(工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116024)

石油是目前全球的第一大能源，占全球能源消耗的33%。交通運(yùn)輸是石油的主要消耗者，占比約55%，運(yùn)輸所需能源約95%是由石油煉制得到的液體燃料提供的，其中汽油是最廣泛使用的運(yùn)輸燃料[1]。能源需求的快速增長，以及對生態(tài)環(huán)境的日益關(guān)注，引發(fā)了對于運(yùn)輸燃料的尾氣排放、環(huán)境影響、燃燒效率、能源消耗的探索。為降低能源消耗和污染物排放、解決能源資源短缺和環(huán)境污染等問題，目前國內(nèi)外采用多種手段和技術(shù)研究發(fā)動機(jī)，同時也對低污染、低能耗的新型燃料(如醇類燃料、含氧燃料和汽油添加劑等)進(jìn)行非常活躍的研究。

汽油添加劑是指添加到汽油中用于增強(qiáng)汽油辛烷值、提高汽油燃燒效率和抗爆性的含氧化合物。最早的汽油添加劑是四乙基鉛，由于其劇烈的神經(jīng)毒性，1972年起，各國開始提出使用甲基叔丁醚(MTBE)替代四乙基鉛，之后的30多年MTBE一直被認(rèn)為是最廣泛使用的汽油添加劑。但20世紀(jì)90年代初，由于MTBE的致癌性及對環(huán)境的影響，使其成為爭議的對象。2005年，美國通過了可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)，使用乙醇替代MTBE作為汽油中的含氧添加劑。2017年，中國也提出推廣車用乙醇汽油。實(shí)際上，一直有學(xué)者在探索可替代MTBE作為添加劑的化學(xué)物質(zhì)，包括乙醇、甲醇、3-羥基丁酸甲醇、甲基叔戊基醚和碳酸二甲酯(DMC)等。乙醇一直是研究的熱點(diǎn)，由于其理論上的碳中性和可再生性被中國等多個國家采用，1992年通過歐洲無毒化學(xué)品認(rèn)證的綠色化學(xué)品DMC作為汽油添加劑的研究卻很少。

DMC是近年來廣受關(guān)注的環(huán)保型綠色化學(xué)品，是一種重要的有機(jī)合成原料及中間體。DMC的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域主要是醫(yī)藥、有機(jī)化工原料、農(nóng)藥和涂料等領(lǐng)域，用途十分廣闊。由于DMC具有無毒、環(huán)保等特性，作為汽油添加劑后對汽油的飽和蒸氣壓、水溶性影響不大，并可提高汽油的含氧量[2]，降低尾氣中部分污染物的排放量[3]，因此它也一直被學(xué)者認(rèn)為是極具潛力的替代MTBE的新型汽油添加劑[4-5]。但目前DMC的總產(chǎn)能很低，生產(chǎn)裝置主要集中在美國、歐洲、日本等，成本較高，所以一直未能作為汽油添加劑而推廣使用[6]。

目前，對于DMC的研究多關(guān)注于它自身的生產(chǎn)工藝、過程[7-12]，僅有少量關(guān)于DMC作為汽油添加劑研究，但局限于探究燃料性能和尾氣排放[13]，對于DMC為添加劑的汽油的環(huán)境影響的研究十分有限。因此，有必要從生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等全部過程評估其對環(huán)境的影響。

生命周期方法強(qiáng)調(diào)貫穿于從獲取原材料、生產(chǎn)、使用、生命末期的處理、循環(huán)和最終處置，即從搖籃到墳?zāi)沟漠a(chǎn)品的生命周期的環(huán)境因素和潛在的環(huán)境影響[14-15]。并且，它可有效避免環(huán)境影響在不同過程中轉(zhuǎn)移[16]。通過檢查目標(biāo)系統(tǒng)，量化向空氣、水和土壤的物質(zhì)/能量輸入與輸出，評估該系統(tǒng)對環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響。本研究采用生命周期評價(LCA)對DMC為添加劑的汽油的環(huán)境影響進(jìn)行評估。使用eBalance軟件進(jìn)行分析，該軟件采用國際生命周期基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫公開版，內(nèi)置中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)、瑞士Ecoinvent數(shù)據(jù)庫等，包含十幾種LCA特征化指標(biāo)及中國節(jié)能減排政策目標(biāo)的指標(biāo)，分析結(jié)果更符合中國國情。

1 LCA

1.1 目標(biāo)和范圍定義

由于DMC并沒有商業(yè)化使用，基于文獻(xiàn)[3]數(shù)據(jù)，本研究以添加10%(體積分?jǐn)?shù))DMC的汽油(D10)作為研究對象，重點(diǎn)關(guān)注添加劑DMC的上游生產(chǎn)等過程的環(huán)境影響，將研究的系統(tǒng)范圍定義為包括5個子過程(化工原料生產(chǎn)、DMC生產(chǎn)、運(yùn)輸、汽油生產(chǎn)調(diào)和及儲存、汽車使用)的整個生命周期過程，功能單位設(shè)定為小型乘用車輛行駛1 km。

1.2 清單分析

本研究假設(shè)：(1)D10在企業(yè)生產(chǎn)后，忽略運(yùn)輸至加油站的距離；(2)調(diào)和過程忽略電力消耗；(3)不考慮車輛制造及后續(xù)報廢處置過程；(4)建模遵循取舍規(guī)則，通常規(guī)定低于產(chǎn)品質(zhì)量的1%或環(huán)境影響低于1%可忽略，但總忽略量不超過5%[17]。

1.2.1 化工原料生產(chǎn)

環(huán)氧丙烷、甲醇、甲醇鈉、碳酸丙烯酯和食品級液體CO2是生產(chǎn)DMC的主要化工原料。其中，環(huán)氧丙烷、甲醇和甲醇鈉的生產(chǎn)數(shù)據(jù)引用CLCD和Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫；本研究中食品級液體CO2生產(chǎn)工藝選用國內(nèi)較成熟的精脫硫、貴金屬催化氧化及冷凝液化提純相組合的工藝，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[10]；碳酸丙烯酯生產(chǎn)數(shù)據(jù)引自相關(guān)的環(huán)境影響評價報告。

1.2.2 DMC生產(chǎn)

本研究中DMC生產(chǎn)選用酯交換法，該法投資低、收率高、運(yùn)行成本低，并可避免CO、氮氧化物等易燃易爆氣體。國內(nèi)的酯交換法廣泛都是DMC聯(lián)產(chǎn)1，2-丙二醇，本研究根據(jù)質(zhì)量分配計(jì)算DMC環(huán)境影響。DMC生產(chǎn)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[10]。

1.2.3 運(yùn) 輸

該部分包含化工原料運(yùn)輸至DMC生產(chǎn)企業(yè)和DMC運(yùn)輸至煉油廠兩部分運(yùn)輸，假定運(yùn)輸距離均為100 km。選用CLCD中10 t重型柴油車作為運(yùn)輸車輛。

1.2.4 汽油生產(chǎn)調(diào)和及儲存

假設(shè)DMC與汽油的調(diào)和在煉油廠進(jìn)行。該過程包含的汽油生產(chǎn)部分的環(huán)境影響引自CLCD中國內(nèi)煉油廠平均數(shù)據(jù)。

1.2.5 汽車使用

本研究中汽車使用數(shù)據(jù)引自美國阿貢實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的GREET模型中計(jì)算的燃料排放數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[3]。

1.3 影響評價

影響評價是LCA的核心內(nèi)容，LCA包括影響指標(biāo)結(jié)果的特征化和標(biāo)準(zhǔn)化。生命周期清單結(jié)果乘以eBalance軟件內(nèi)置的特征化因子得到特征化結(jié)果，再將特征化結(jié)果除以中國2010年物質(zhì)總量，得到標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，最后對標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果進(jìn)行分析。本研究主要考慮12種環(huán)境影響類型，即全球變暖潛值(GWP)、酸化潛值(AP)、富營養(yǎng)化潛值(EP)、非生物資源消耗潛值(ADP)、淡水消耗量、氮氧化物、固體廢棄物、一次能源消耗(PED)、COD、氨氮、人體毒性潛力(HTP)和可吸入無機(jī)物(RI)。

2 結(jié)果分析

2.1 LCA標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

經(jīng)LCA分析，D10的總環(huán)境影響為2.74×10-11，其不同環(huán)境影響類型的LCA標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見圖1。其中，HTP的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，遠(yuǎn)高于其他環(huán)境影響類型。

圖1 D10的LCA標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果Fig.1 LCA standardization results of D10

2.2 子過程環(huán)境影響分析

化工原料生產(chǎn)、DMC生產(chǎn)、運(yùn)輸、汽油生產(chǎn)調(diào)和及儲存、汽車使用子過程的環(huán)境影響分別為7.88×10-12、3.55×10-13、4.62×10-15、1.92×10-11、2.57×10-14。汽油生產(chǎn)調(diào)和及儲存子過程的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，這是因?yàn)樵撟舆^程包含汽油生產(chǎn)的環(huán)境影響；化工原料和DMC生產(chǎn)子過程的環(huán)境影響貢獻(xiàn)其次；運(yùn)輸和汽車使用子過程的環(huán)境影響貢獻(xiàn)相對很低。本研究重點(diǎn)關(guān)注添加劑的環(huán)境影響，因此對化工原料和DMC生產(chǎn)子過程進(jìn)行具體環(huán)境影響分析，結(jié)果見圖2?；ぴ仙a(chǎn)子過程中，HTP的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，是最主要的環(huán)境影響類型，其次為固體廢棄物；DMC生產(chǎn)子過程中，固體廢棄物的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，其次為HTP。

化工原料和DMC生產(chǎn)子過程中HTP的環(huán)境影響貢獻(xiàn)均較高。經(jīng)分析，化工原料生產(chǎn)中90.93%的HTP環(huán)境影響來源于原料環(huán)氧丙烷的貢獻(xiàn)，即原料環(huán)氧丙烷的上游生產(chǎn)過程中對人體健康毒性影響很大，另外有8.37%的貢獻(xiàn)來自催化劑甲醇鈉的上游生產(chǎn)，其余化工原料包括碳酸丙烯酯、甲醇和液體CO2的上游生產(chǎn)對HTP的貢獻(xiàn)均低于1%，貢獻(xiàn)很小。DMC生產(chǎn)子過程中，蒸氣生產(chǎn)的HTP貢獻(xiàn)最大(65.48%)，其次分別為生產(chǎn)過程排放(22.18%)及壓縮空氣生產(chǎn)(12.24%)，其余的DMC生產(chǎn)投入包括氮?dú)狻㈦娏懊擕}水生產(chǎn)的HTP貢獻(xiàn)均低于1%，貢獻(xiàn)也非常小。

2.3 討 論

前期研究表明，添加10%(體積分?jǐn)?shù))MTBE的汽油(M10)或乙醇的汽油(E10)的總環(huán)境影響分別為2.27×10-11、1.92×10-11[18]，均低于D10。3者環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的類型均為HTP，但D10的HTP環(huán)境影響貢獻(xiàn)高于E10、M10。

圖2 化工原料和DMC生產(chǎn)子過程環(huán)境影響分析Fig.2 Environmental impact analysis of chemical raw materials and DMC production sub-process

由于DMC在汽車使用過程會降低碳?xì)浠?、氮氧化物等物質(zhì)的排放，并且DMC作為綠色化學(xué)品，具有無毒環(huán)保等特性，從而被視為極具潛力的汽油添加劑。但本研究的LCA結(jié)果表明，它的使用過程雖然環(huán)境影響低，但其主要的環(huán)境影響來源于上游生產(chǎn)過程。DMC本身確實(shí)是無毒綠色化學(xué)品，但追溯其生命周期全過程發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)DMC的化工原料在上游的生產(chǎn)過程中會對環(huán)境造成很大影響，其中HTP造成的環(huán)境影響最大，主要是由環(huán)氧丙烷的上游生產(chǎn)造成的，因此想要降低該過程的HTP環(huán)境影響，可考慮改進(jìn)環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)工藝，對其進(jìn)行全過程控制管理，以降低污染物排放，或通過改進(jìn)DMC生產(chǎn)工藝，使用環(huán)境影響貢獻(xiàn)小的原料替換環(huán)氧丙烷，從而達(dá)到降低環(huán)境影響的目的。

3 結(jié) 語

(1) 經(jīng)LCA分析，D10的總環(huán)境影響為2.74×

10-11，其中HTP的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，遠(yuǎn)高于其他環(huán)境影響類型；汽油生產(chǎn)調(diào)和及儲存子過程的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，運(yùn)輸和汽車使用子過程的環(huán)境影響貢獻(xiàn)相對很低。

(2) D10的總環(huán)境影響大于M10和E10，導(dǎo)致D10環(huán)境影響大的原因是HTP的貢獻(xiàn)。如果想進(jìn)一步發(fā)展DMC為汽油添加劑，應(yīng)考慮降低其上游生產(chǎn)過程的環(huán)境影響，如全過程控制管理、使用環(huán)境影響貢獻(xiàn)小的原料等。