李百成1,张承亮1,陈振斌1,蒋盛军2,刘赛武1
(1.海南大学机电工程学院,海南海口570228;2.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所,海南 儋州571737)
摘要:文章对E10,E15,E20及柴油进行生命周期评价。结果表明:与传统柴油相比,E10的全生命周期能耗与柴油相当,E15和E20全生命周期分别节能4.6%和6%;在全生命周期碳排放方面,E10,E15和E20分别减排2%,3.04%,4.1%;在标准排放物方面,除NOx增排外,SOx,PM10,CO,VOC均达到减排的效果,其中VOC,PM10的减排效果较为明显。
0引言
化石能源短缺和环境污染的日益严重,已成为中国当今社会所面临的重大问题,考虑到能源安全、环境保护和经济可持续发展,许多专家学者和科研机构在积极寻求石油替代燃料。
生物乙醇等车用替代能源具有可再生、环境友好、燃烧性能良好的优势。以木薯为原料生产燃料乙醇符合中国“不争粮,不争(食)油,不争糖,充分利用边际土地”的粮食发展战略。乙醇作为一种含氧燃料,在内燃机燃烧过程中具有自供氧的作用,用乙醇部分替代柴油,可以降低柴油机排放对环境造成的污染。近年来,国内外对乙醇-柴油混合燃料的制备、发动机燃烧和排放性能等方面进行了大量的研究。
生命周期评价是对一种产品从“摇篮到坟墓”全生命周期内对环境的压力进行评价的客观过程。生命周期评价可从系统的角度对产品进行更加全面地认识、评估、改进,以做出正确的、可持续发展的决策。本文对E10(乙醇和柴油体积比为1∶9),E15(乙醇和柴油体积比为3∶17),E20(乙醇和柴油体积比为1∶4)及柴油这4种燃料进行生命周期评价,探讨混合燃料E10,E15,E20的节能减排效果。
1生命周期评价
木薯乙醇-柴油混合燃料的生命周期是指从木薯种植、原油开采开始直至燃料燃烧的系统过程,由原料、燃料、车辆和燃烧使用4个阶段组成。木薯-乙醇全生命周期及各阶段的组成部分如图1所示。
1.1功能单元定义
化石能源强度:车辆行驶1km的全生命周期一次化石能源(煤炭、石油、天然气)总消耗量(MJ/km)。
碳排放强度(GHG):车辆行驶1km的全生命周期碳排放量(g/km)。温室气体包括CO2,CH4,N2O,计算时都折算成CO2当量。
标准排放物强度:车辆行驶1km,NOx,SOx,PM10,CO,VOC的全生命周期排放量(g/km)。
1.2计算方法
1.2.1全生命周期化石能源计算方法
2重要数据的收集及整理
2.1木薯燃料乙醇种植阶段数据
木薯燃料乙醇种植阶段主要数据包括肥料和农药的投入。由于部分数据及能源的二次利用的数据难以收集,加之对结果影响不大,故没有考虑在内。表1所示为种植阶段所收集的数据。
将收集的数据,根据为获取该原料所需的一次能源强度系数及相应的碳排放系数,进行相应的换算得出每生产1kg乙醇燃料,木薯种植阶段所消耗的化石能源强度及碳排放强度,结果如表2所示。从表2中数据可以计算出,氮肥的投入是此阶段化石能耗及碳排放的主要因素,分别占到本阶段化石能耗及碳排放的59.6%和71%。
2.2燃料转化阶段数据
木薯乙醇转化阶段包括原料预处理、蒸煮液化、酵母发酵、蒸馏、脱水、废醪处理等环节。根据文献和燃料乙醇企业的实际生产情况,按照新工艺制备乙醇,收集燃料乙醇生产各工艺阶段蒸汽、电力、化学药品等消耗的化石能源及碳排放,并追溯到源生产这些蒸汽、电力、化学药品所消耗的化石能源及碳排放,测算结果如表3所示。蒸馏、蒸煮液化对本阶段的化石能耗及碳排放贡献值较大,通过计算可知,蒸馏、蒸煮液化分别占本阶段化石能耗的44%,31.77%,占本阶段碳排放的45%,29.8%。提高转化阶段蒸煮、蒸馏液化的技术可以减少木薯乙醇全生命周期的化石能耗及碳排放。
2.3其他阶段数据来源
除木薯种植及木薯转化为乙醇方面的数据外,木薯乙醇-柴油的全生命周期数据还包括:原料阶段石油的开采、运输、储存、木薯的运输;燃料阶段柴油的加工与运输;车辆阶段汽车原料生产与运输、汽车制造、车辆的报废与回收;燃烧阶段柴油及混合燃料的燃烧。数据收集与来源如表4所示。
3全生命周期评价
3.1全生命周期化石能源强度及GHG强度评价
全生命周期化石能源强度及GHG强度测算结果如表5所示。
与传统柴油相比,E10的全生命周期能耗与柴油相当,E15,E20全生命周期分别节能4.6%与6%;GHG排放方面,E10,E15和E20分别减排2%,3.04%和4.1%。
3.2全生命周期标准排放物强度
全生命周期标准排放物强度测算结果如图4所示。与传统柴油相比:NOx排放量增加,E10,E15和E20增排量分别为6.5%,13.1%和12.8%;CO排放量与柴油排放相差无几;SOx排放量减少,E10,E15和E20减排量分别为3.92%,5.5%和8.1%;VOC排放量减少,E10,E15和E20减排量分别为12.5%,9.92%和8.05%;PM10排放量减少,E10,E15和E20减排量分别为8.2%,9.6%和13.3%。
4结论
尽管木薯乙醇-柴油目前尚处在实验室研究阶段,距离规模化生产和商品化应用还有很大差距,但进行木薯乙醇-柴油混合燃料的研究可以为木薯乙醇-柴油的推广应用提供一定的支持。通过对混合燃料E10,E15,E20及柴油进行生命周期评价,给出以下结论。
(1)氮肥的投入分别占到木薯种植阶段化石能耗及碳排放的59.6%和71%。
(2)蒸馏、蒸煮液化分别占木薯转化为乙醇阶段化石能耗的44%,31.77%,碳排放的45%,29.8%。
(3)与传统柴油相比,E10,E15和E20全生命周期分别节能3.1%,4.6%与6%;GHG排放方面E10,E15和E20分别减排2%,3.04%和4.1%。
(4)在全生命周期标准排放物强度研究中,和传统柴油相比,除NOx增排外,SOx,PM10,CO,VOC均达到减排的效果,其中VOC,PM10的减排效果较为明显。 |