生物柴油的生产主要包括原料收集、预处理、生物柴油的生产、运输和使用。生物柴油生命周期各环节和系统边界如图 1所示。生命周期从种植开始, 经过原材料收集运输、原材料预处理(榨油过程)、生物柴油生产和配送, 直至消费(生物柴油的燃烧使用)。

图  1  生物柴油全生命周期流程示意图

1) 种植环节。以1 hm²光皮树林地为单位进行计算, 根据湖南省林业科学院2015年提供数据显示, 每年每公顷的光皮树林地产生的光皮树果实量约为4.5 t, 每公顷光皮树所需氮肥、磷肥、钾肥的量分别约为70、90、70 kg。根据参考文献[5], 可以算得1 hm²光皮树林种植环节化肥的能耗(见表 1)。

表 1  光皮树种植环节能耗

2) 果实运输。果实的运输方式主要有汽油机运输和柴油机运输。根据2015年湖南省林业科学院提供的数据, 多为采用5 t载重汽车使用汽油进行运输, 运输路面为公路, 运输半径约为50 ~ 100 km。公路运输需消耗的汽油为0.070 6 L/(t· km), 汽油密度为0.72 g/cm³。运输4.5 t光皮树果, 运输80 km, 则消耗汽油25.416 L, 质量为18.3 kg。参考汽油的热值为33.22 MJ/L, 共产生热量为844.32 MJ。

3) 榨油环节。光皮树果实的含油率约为33% ~ 36%, 本文选取33.3%的含油率进行计算, 则4.5 t的光皮树果可以获得光皮树油的重量为1.5 t。光皮树果实制油选用双螺旋榨机预榨再浸出的新型制油工艺。根据湖南省林业科学院2015年提供数据, 每吨果实在榨油环节需要消耗的水、蒸汽、电分别为0.55 t、0.8 t和100 kW· h。根据GBT 2589—2008《综合能耗计算通则》中水、蒸汽和电的能值, 光皮树果实在榨油环节的能耗数据如表 2。

表 2  光皮树果榨油环节能耗

4) 生物柴油制取。生物柴油的制取有水解法、酯交换法、催化裂解等多种方法, 可得到不同产品。本文选用酯交换法制取甲酯基燃料。甲酯基生物柴油的转化以实际广泛应用的酯交换法进行分析。根据2015年湖南省林业科学院提供数据, 1 t光皮树精炼油消耗甲醇135 kg, 可获830 kg精制甲酯基液体燃料、135 kg甘油。每吨甲酯基生物燃料在转化环节所需要的水、蒸汽、电的量分别为3.48 t(其中0.48 t为生产水, 3 t为循环水)、1 t和80 kW· h。于是, 生物柴油制取环节的能耗参见表 3。

表 3  光皮树油制取生物柴油环节能耗

5) 生物柴油运输。生产完成的生物柴油通过5 t载重汽车使用汽油进行运输, 运输路面为公路, 距离为20 km。1.5 t光皮树油制造了1.120 5 kg生物柴油, 则运输1.120 5 t生物柴油20 km消耗汽油1.58 L, 共1.139 kg, 能耗为52.49 MJ。

生物柴油在全生命周期对环境影响的基础数据包括光皮树在光合作用过程中的固碳量、种植环节使用化肥和生产环节使用甲醇造成的间接排放, 以及生物柴油在全生命周期每个环节的直接排放。

1) 植物光合作用固碳。分析光皮树制取生物柴油在全生命周期的CO₂排放, 需要计算光皮树生长过程中光合作用所吸收的CO₂。根据参考文献[6]的数据, 光皮树林分固CO₂量约为1 t/(a· hm²)。

2) 环境影响。由于光皮树种植环节使用化肥对环境造成的直接影响难以准确测算, 本文仅考虑其对环境造成的间接影响。榨油环节以及生物柴油制取环节不向环境直接排放污染物。用在光皮树制取生物柴油的原材料的收集运输, 以及生物柴油的配送环节使用汽油对外界环境产生的污染物主要包括CO、NO_x、HC、CO₂。目前我国汽车行驶每公里排出CO、NO_x、SO_x、HC、CO₂分别为8.6、2.8、1.9、1.0、170 g^[7]。故收集运输阶段排放的CO、NO_x、SO_x、HC、CO₂分别为0.688、0.224、0.155、0.080、13.6 kg, 生物柴油运输阶段排放的CO、NO_x、SO_x、HC、CO₂分别为0.172、0.056、0.039、0.020、3.4 kg。

生物柴油使用造成的环境排放见表 4^[8]。根据参考文献[9], CO₂排放量为224.3 g/km。故该阶段排放的CO、NO_x、HC、CO₂分别为7.041、38.093、1.958、978.6 kg。

表 4  柴油机排气污染测量结果 g/(kW· h)

根据表 5中氮肥、磷肥和钾肥的环境排放数据^[10], 在光皮树种植环节使用化肥排放的HC、CO、SO_x、NO_x、CO₂分别为50.6 g、752.3 g、449.9 g、2 597.2 g、914.61 kg。

表 5  化肥生产的环境排放 g/kg

根据甲醇的环境排放数据^[9], 每生产1 kg甲醇排放的HC、CO、SO_x、NO_x、CO₂分别为4.45、0.398、7.81、1.20、921 g, 故在生物柴油生产阶段使用甲醇排放的HC、CO、SO_x、NO_x、CO₂分别为901 g、80.6 g、1 582 g、243 g、186.5 kg。

1) 地沟油的收集和运输。地沟油制取生物柴油全生命周期分析不包含种植环节, 从餐饮企业收集餐厨垃圾, 从中提取得到废油进行加工处理。该运输环节仍采用5 t载重汽车使用汽油进行公路运输, 运输距离为20 km。假设共收集1 t原料油, 消耗汽油1.02 kg, 产生热量33.77 MJ。

2) 预处理。通过固液分离、脱水、粉碎、挤压、干燥等环节提取废油, 并精炼去除一些杂质, 最后可获得0.6 t精炼油。该环节每吨地沟油产生的水耗为1 t、汽耗0.8 t、电耗为100 kW· h。根据GBT 2589—2008《综合能耗计算通则》中水、蒸汽和电的能值, 地沟油的预处理环节的能耗数据见表 6。

表 6  地沟油预处理阶段的能耗

3) 生物柴油制取。生物柴油制备方法主要有直接混合法、微乳化法、高温裂解法和酯交换法。本文选用酯交换法制取甲酯基燃料。1 t精炼的地沟油消耗甲醇135 kg, 可获875 kg生物柴油。根据湖南省林业科学院2015年提供的数据, 每吨甲酯基生物燃料转化环节的水耗为3 t、蒸汽消耗为1 t、电耗为80 kW· h。生物柴油制取环节的能耗如表 7。

表 7  地沟油制取生物柴油阶段的能耗

4) 生物柴油运输。生产完成的生物柴油通过5 t载重汽车使用汽油进行运输, 运输路面为公路, 距离为20 km。0.6 t精炼油共制造了525 kg生物柴油, 则运输0.525 t生物柴油20 km, 消耗汽油1.58 L, 共0.534 kg, 产生热量17.73 MJ。

地沟油制取生物柴油在全生命周期对环境影响的基础数据, 包括生产环节使用甲醇造成的间接排放, 以及生物柴油全生命周期每个环节的直接排放。

1) 直接环境影响。用地沟油制取生物柴油的原材料的收集运输, 以及生物柴油的配送环节使用汽油对外界环境产生污染物, 主要包括CO、NO_x、HC、CO₂。根据参考文献[7], 收集运输阶段排放的CO、NO_x、SO_x、HC、CO₂分别为0.172、0.056、0.039、0.020、3.4 kg, 生物柴油运输阶段排放的分别为0.172、0.056、0.039、0.020、3.4 kg。根据表 4, 该阶段排放的CO、NO_x、HC、CO₂分别为3.299、17.848、0.917、458.5 kg。

2) 间接环境影响。在生物柴油生产阶段使用甲醇排放的HC、CO、SO_x、NO_x、CO₂分别为360.45 g、32.24 g、637.47 g、97.2 g和74.6 kg。

光皮树制取生物柴油的整个生命周期的清单分析如表 8。地沟油制取生物柴油的整个生命周期的清单分析如表 9。

表 8  光皮树制取生物柴油各阶段的能耗及环境排放

表 9  地沟油制取生物柴油各阶段的能耗及环境排放

从两种方法制取生物柴油的过程来看, 能源消耗最多的阶段来自于生物柴油的制取环节, 除SO_x排放大多数来自于生物柴油制取环节外, 其他气体的排放量最多的环节都是生物柴油的使用环节, 光皮树在种植阶段的CO₂排放量为负值。

传统柴油的能耗和排放根据参考文献[9]得到, 传统柴油和生物柴油每升的能耗及排放如表 10。

表 10  传统柴油和生物柴油的能耗及排放对比

光皮树油和地沟油制取的生物柴油在全生命周期的能耗均高于传统柴油, 主要是由于在生物柴油制取阶段的甲醇及电力使用, 以及光皮树种植阶段的化肥施用所造成的。

在全生命周期中, 地沟油制取生物柴油时SO_x排放略低于传统柴油, 而光皮树制取生物柴油时的SO_x排放量略高于传统柴油。生物柴油不含硫, 但是在生物柴油的制取环节消耗的甲醇, 以及光皮树种植环节使用的化肥在生产过程中产生的SO_x较多, 导致了SO_x的排放量并没有显著的减少。光皮树油制取的生物柴油在全生命周期的NO_x和HC排放量都要比传统柴油高, CO排放略高于传统柴油。而地沟油制取的生物柴油在全生命周期的NO_x和HC排放量比传统柴油高, CO排放量比传统柴油低。光皮树油和地沟油制取的生物柴油在全生命周期的CO₂排放要远低于传统柴油, 主要是植物生长过程中需要吸收CO₂。

从整个生命周期看, 光皮树制取生物柴油与地沟油生产生物柴油相比, 由于种植阶段同时吸收和排放CO₂, 使得其CO₂排放量无明显差别。但由于种植阶段化肥的使用, 使得其他大部分气体的排放量以及能耗要明显高于地沟油。

跟传统柴油相比, 虽然两种原料生产的生物柴油在CO₂排放方面具有明显的优势, 但是在全生命周期中, 综合考虑SO_x、NO_x等气体的排放, 生物柴油并未显示出明显的优势。

与传统柴油相比, 两种原料生产的生物柴油在整个生命周期的产业链较长, 由于化肥、甲醇、电力等耗能原料的使用, 使生物柴油在全生命周期的能耗要远远大于传统柴油。

与传统柴油相比, 由于植物在生长过程中光合作用吸收CO₂, 使得两种原料制取生物柴油在全生命周期的CO₂排放量显著减少, NO_x、HC排放高于传统柴油。CO、SO_x排放与传统柴油相当。在全生命周期中, 两种原料生产的生物柴油在使用阶段的CO、NO_x、HC、CO₂排放比例最高, 而SO_x排放主要是生产环节和种植环节产生的, 因此, 提高化肥和甲醇的使用效率能够减少SO_x的排放量。

从整个生命周期看, 两种原料生产的生物柴油跟传统柴油相比并未表现出明显的优势, 我们还需开发出更高含油率的新型油料品种以及其他清洁能源。

地沟油制取生物柴油虽然在能耗和环境排放方面尚未表现出明显的优势, 但是充分利用了餐饮中的废弃物, 对环境影响做出了积极的贡献。因此, 在CO₂减排和废弃物利用方面, 生物柴油表现出显著的优势, 但在其他气体排放方面还需对各环节能源利用效率进行提高后, 重新考量再进行推广。

本研究仅对光皮树和地沟油制取生物柴油进行分析, 不能完整地反映其他原料制取生物柴油在全生命周期的情况。而且本研究仅对每种原料制取生物柴油进行了一个项目数据获取及处理, 所得结果可能与实际情况有所偏差, 为了获得更加准确的结果, 还需对多个项目及品种做进一步的研究。