木薯乙醇-汽油混合燃料生命周期评价

第21卷(2003)第5期内燃机学报Vol.21(2003)No.5Transactions of cSIce文章编号:1000-0909(2003)05-0341-0521-086木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期评价胡志远,戴杜,张成,浦耿强,王成焘(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)摘要:利用生命周期评价理论,对E10、E2、85和Elo0等木薯乙醇—汽油混合燃料进行了生命周期能源、环境及经济性评价,并提岀木薯乙醇—汽油混合燃料推广可行度指标。结果表明:与汽油比较,所有木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期旳整体能源消耗増加,石油消耗降低;生命周期CO、CO和HC排放降低;生命周期成本增加,并需要政府补贴政策支持。从平衡能源消耗、环境影响和经济性角度考虑E10是较合适的推广应用形式关键词:内燃机;生命周期评价;木莙乙醇;汽油;混合燃料中图分类号:TK411.71文献标识码:A最有效地利用当地木薯资源引言生命周期评价是一种评价产品、生产工艺以及我国在1993年后成为石油净进口国,石油供需活动对环境的压力的客观过程。传统的生命周期缺口越来越大。同时,汽车尾气已成为一些大中城评价主要集中在能源消耗和环境影响两个方面。然市空气污染的主要来源,我国百万人口以上城市的而,经济性是决定一个项目是否可行的关键因素。大气污染正由第一代煤烟型向第二代汽车型转本文的研究目标是从生命周期能源消耗、环境影响化。因此,迫切需要开发燃料乙醇等石油替代品,和经济性岀发,对广西木薯乙醇—汽油混合燃料进采取措施节约石油资源,降低汽车尾气对城市环境行生命周期评价,为广西政府提供决策依据的污染。从1996年起,广西石油产量与消费量倍数比一直保持在1:1.5,石油资源十分短缺。预测到1研究方法2005年~2020年,广西消费石油约425万吨~7261.1生命周期框架万吨,供需缺口约191万吨~303万吨,急需替代资木薯乙醇—汽油混合燃料的生命周期是从木薯源。广西具有丰富的木薯资源,种植面积和产量种植开始到燃料燃烧/车辆使用结束的系统过程,由占全国木薯种植总面积和总产量的60%。结合我原料、燃料和燃烧/车辆使用三个子过程组成,包括国的燃料乙醇政策和西部大开发战略,广西政府正化学品生产和运输;木薯种植、预处理和运输;乙醇在进行利用当地木著资源生产燃料乙醇的可行性研生产和变性;原油开采、汽油精炼、燃料输配及燃料究,争取在对环境冲击尽量小、成本尽量低的条件下燃烧等阶段。如图1所示原料燃料「化学品牛产和运输乙醒生产及变性木凭种植、傾处用及运输木薯乙醇与汽油混合燃料输配原油开采、运输及贮存汽油精中国煤化工图1生命周期框CNMHGFig. 1 Life cycle framework稿日期:2003-04-07;修订日期:20030基金项目然科学基金资助项目(50175070)作者間代甜恙远(1970-),男,博士研究生,主要研究方向为绿色设计、生命周期评价342内燃机学报第21卷第5期1.2木薯乙醇一汽油混合燃料的权重因子A1=1.5,PM的权重因子A5=1.3。木著乙醇—汽油混合燃料包括E10(目前世界经济性评价指标为生命周期成本C。对于木薯上最常用的应用形式4,包括美国、加拿大、瑞典、乙醇生产过程,以一个年产10万吨95.6%木薯乙墨西哥、中国等)、E22(巴西的乙醇燃料应用形醇的工厂为计算依据,工厂综合考虑乙醇生产过程式)、E85(灵活燃料汽车燃料中乙醇与汽油混合比中先进工艺的采用及副产品的综合利用,例的最高值)和E100四种C=C1+C2-C3(6)1.3研究对象及评价指标式中:C1为生产成本;C1=原料成本一退税十能源以一辆百公里油耗为9.9L(混合工况)的汽油成本十劳力成本十折旧成本+维修费用成本+杂项车或功能相当的乙醇—汽油混合燃料汽车行驶20费用成本;C2为期间成本,C2=财务成本十地租成万km为研究对象。以汽油车为评价参照基准,针本十销售费用成本;C3为乙醇生产过程中的副产品对不同混合比例的木薯乙醇—汽油混合燃料,进行收益。生命周期能源、环境、经济性评价。用燃料推广可行度指标把能源、环境和经济评价指标包括生命周期能源、环境和经济性三性指标综合为一个指标,类。能源评价指标包括生命周期总体能源消耗EPENP|×(-PeM)(7)和石油消耗EpPENT×Pc∑∑E式中:PsNP为与汽油比较,第j种木薯乙醇汽油(1)混合燃料生命周期石油消耗降低程度式中:Eτ为生命周期i阶段第j类能源消耗量ENP(8)EE为第j种木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期石式中:Ep为生命周期i阶段的石油消耗量。油消耗;E为汽油生命周期石油消耗。环境评价指标包括生命周期一氧化碳(CO)、二PεN为与汽油比较,第j种木薯乙醇汽油混氧化碳(CO3)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO,)ˇ合燃料生命周期整体能源消耗升高程度,可吸入颗粒物(PM)排放PEIT-EC(3)(9)式中:M为生命周期第k类排放;M。为生命周期式中:Eπ为第j种木薯乙醇—汽油混合燃料生命周根据这些污染物排放对大气的污染程度和对人公体能源消耗;E为汽油生命周期整体能源阶段第k类排放。期整体的危害程度确定权重因子,把这些污染物排放综Pc为与汽油比较,第j种木薯乙醇—汽油混合合成一个指标P燃料生命周期成本升高程度C-O(4)P(10)式中:PsM为第j种木薯乙醇汽油混合燃料生命式中:C为第j种木薯乙醇—汽油混合燃料生命周周期污染物排放综合指标;PE为与汽油比较,第;期成本;C为汽油生命周期成本。种木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期第k类排放的α,为第j种木薯乙醇—汽油混合燃料的成本增降低程度;加系数。通过专家问卷调查,评价不同乙醇—汽油混合燃料使用过程中由于汽车改造及燃料输配所导(5)致的成本增加程度,分别取E10的成本增加系数M为第j种木著乙醇一汽油混合燃料生命周期第a=1.0,F22的成本增加系数a2=1.3,E85的成本k类排放;Mc为汽油生命周期第k类排放;λ为木增加中国煤化工本增加系数薯乙醇—汽油混合燃料生命周期第k类排放的权重1.4CNMHG因子。通过专家问卷调查,分别评价这些排放对环绝大部分数据通过在广西实地收集获得,并经境和人类健康的影响程度。取专家评价值的均值为过误差分析及检验;其它部分数据来自我国公开出相应排放的权重因子:CO的权重因子λ1=1.2,CO2版的文献资料8,部分数据来自美国阿冈国家实的权重因方数0,HC的权重因子3=1.0,NO.验室的 GREET模型数据库。所有来自国外的数2003年9月胡志远等:木著乙醇—汽油混合燃料生命周期评价据都根据广西的具体情况进行了校对和修正。综合表1、表2可知,与汽油比较,木薯乙醇2评价结果汽油混合燃料生命周期整体能源消耗増加不明显石油消耗降低显著。因此,在广西推广使用木薯乙2.1能源消耗醇—汽油混合燃料,可以在生命周期整体能源消耗木薯乙醇—汽油混合燃料及汽油生命周期整体定程度提高的条件下,大幅度降低石油消耗,增强能源消耗如表1所示。与汽油比较,所有木薯乙醇地方燃料系统的独立性及能源安全性汽油混合燃料生命周期整体能源消耗升高,而且2.2环境影响随着木薯乙醇在汽油中混合比例的增加,其生命周乙醇—汽油混合燃料属于含氧燃料。燃料含氧期整体能源消耗相应升高。导致木著乙醇—汽油混量的增加将有助于燃料充分燃烧.从而导致使用乙合燃料生命周期整体能源消耗高的主要原因为木薯醇—汽油混合燃料发动机的CO和HC排放降低;乙醇“燃料”子过程中乙醇生产及变性阶段的高能源同时,乙醇—汽油混合燃料的HC值比汽油高,其消耗。因此,降低木薯乙醇—汽油混合燃料生命周燃烧产生的CO比汽油低;由于乙醇—汽油混合燃期整体能源消耗的主要因素是开发转化效率髙的木料的气化澘热比汽油大,使进气温度降低,以致燃烧薯乙醇生产新技术。温度下降,使NO排放降低0。从生命周期的角度出发,木薯乙醇—汽油混合燃料及汽油生命周期的表1木著乙醇一汽油混合燃料及汽油生命周期整体能源消耗排放指标分别如图2~图6所示。Tab. 1 Life cycle total energy consumption of cassava-based由图2可知,随着木薯乙醇在汽油中混合比例ethanol blended gasoline fuelsMJ/km的增加木薯乙醇汽油混合燃料生命周期CO排燃料燃烧/车放增加。但与汽油比较,木薯乙醇—汽油混合燃料项目原料辆使用周期比较生命周期CO排放降低。由图3和图4可知,木薯汽油0.1350.6183.1793基准乙醇—汽油混合燃料生命周期CO和HC排放比汽E100.689油低.而且随着木薯乙醇混合比例的增加,其生命周0.1410.7993.1794.119期CO2和HC排放降低。由图5可知,除E10外,其4.824%它木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期NO排放比E1000.1991.7223.0284.948汽油高。而且,随着木薯乙醇混合比例的增加.生命周期NO排放升高.E100的生命周期NO排放比木薯乙醇—一汽油混合燃料及汽油生命周期石油汽油高103%肖耗如表2所示。与汽油比较,除“原料”阶段外,木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期“燃料”和“燃烧车由图6可知随着木薯乙醇混合比例的增加,其生命周期PM排放增加。但是,当混合比例小于辆使用”阶段石油消耗降低。从生命周期角度出发81%时,木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期PM排木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期石油消耗比汽油放比汽油低;当混合比例大于81%时,其生命周期低,在广西推行木瞽乙醇—_汽油混合燃料可以替代PM排放比汽油高。部分石油资源,降低石油消耗。3,493表2木薯乙醇一汽油混合燃料及汽油生命周期石油消耗2.6386502.740Tab 2 Life cycle petroleum consumption of cassava-basedethanol blended gasoline fuelsMJ/km项目原料燃料燃烧/车比较中国煤化工汽油0.0400.310基准CNMHE100.0440.2792.823.14411%000.0490.2552.5542.858图2木著乙醇一汽油混合燃料生命周期CO排放E850.0910.0830.6400.814-77%Fig. 2 Life cycle CO emissions of cassava-basedethanol blended gasoline fuelsE100万片数0.0260.000.13096%344内燃机学报第21卷第5期0.1530.15E0.150.1360.13E兰=拦0.05汽油汽油E10F85 100图3木著乙醇一汽油混合燃料生命周期CO2排放图4木著乙醇一汽油混合燃料生命周期HC排放Fig 3 Life cvcle Co, emissions of cassava-basedFig. 4 Life cycle Hc emissions of cassava-basedethanol blended gasoline fuelsethanol blended gasoline fuels0.0500.0430.0440.040.2870.316·尝乏0.0260.020.0油E10E22E85E100汽汕E10E85图5木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期NO.排放图6木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期PM排放Fig 5 Life cycle NO, emissions of cassava-basedFig 6 Life cycle PM emissions of cassava-basedethanol blended gasoline fuelsethanol blended gasoline fuels综合图2~图6可知,木薯乙醇—汽油混合燃2.4燃料推广可行度料生命周期CO、CO2和HC排放比汽油低;PM排综合木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消放随混合比例的变化而变化;除E]0外,余者的耗、环境影响和经济性指标,得出木薯乙醇—汽油混NO,排放比汽油高。合燃料推广可行度指标如图7所示。木瞽乙醇—汽油混合燃料生命周期排放综合指乙醇一汽油混合燃料成本(元/升)标如表3所示。可见,E10、E22和E85的排放综合Tab 4 Life cycle cost of cassava-based ethanol指标小于0,El00的排放综合指标大于0。从环境blended gasoline fuels (RMB/liter)影响角度出发,E10、E22和E85是较合适的应用汽油E10E22E85E100形式。1.982.04表3木著乙醇一汽油混合燃料生命周期排放综合指标Tab 3 Life cycle combine emissions indicator ofcassava-based ethanol blended gasoline fuelsE10E85E100排放综合指标一1.252.3经济性中国煤化工木薯乙醇—汽油混合燃料及汽油生命周期成本CNMH GA如表4所示。显然,木薯乙醇—汽油混合燃料的成混合比例本比汽油高。因此,木薯乙醇—汽油混合燃料的价图7木薯乙醇一汽油混合燃料推广可行度格也相应较高,无论以何种形式应用木薯乙醇,都需Fig 7 Promotion viability indictor of cassava-based要政府的不数。ethanol blended gasoline fuels2003年9月胡志远等:木著乙醇—汽油混合燃料生命周期评价可见,随着混合比例的增加,木薯乙醇一汽油混合燃料的推广可行度指标降低。当混合比例小于参考文献22%时,推广可行度指标急剧降低;当混合比例大于[1]常蓉,钱旭.我国汽车尾气污染及其控制[J.云南90%时,推广可行度指标小于0。因此,广西木薯乙境科学,1999,18(3):30~32醇—汽油混合燃料较合适的应用形式为E10,或作]黄朝关,李志红.广西石油资源可供性预分析[]为汽油含氧添加剂使用西地质,2001,14(3):30~32[3 Society of Environmental Toxicology and Chemistry3结论( SETAC). Guidelines for Life-Cycle Assessment: aCode of Practice [ M. Brussels: SETAC Europe(1)与汽油相比木薯乙醇—汽油混合燃料的1993.127生命周期整体能源消耗增加,石油消耗降低。在广[4 Wheals Alan E, Basso Luiz C. Fuel Ethanol after 25西推广使用该燃料,可以在生命周期整体能源消耗Years[J]. Trends in Biotechnology, 1999, 17(12)定程度增加的条件下,大幅度降低石油消耗,增强482~487当地燃料系统的独立性及能源安全性[5 Rask Kevin N. Clean Air and Renewable Fuels: the(2)与汽油相比,木薯乙醇—汽油混合燃料生Market for fuel ethanol in the us from 1984 to 1993命周期CO、CO2和HC排放降低;NO排放升高LJ. Energy Economics, 1998. 20(3):325-34(E10除外);PM排放随混合比例增加,先降低后[6] Fank Rosillo-calle, Luis A B Cortez. Towards Proalcool II-a Review of the Brazilian Bioethanol pro升高grammeLJJ. Biomass and Bioenergy, 1998, 14(2)(3)E10、E22和E85的综合排放指标比汽油115~124低而El00的比汽油高。从降低环境影响角度岀η许树宁,韦文科,梁朝旭,唐红琴.丰岭牌多元素复合发,E10、E22和E85是较合适的应用形式肥肥效试验[J.广西蔗糖,1999,(2):7~9(4)木薯乙醇—汽油混合燃料的成本都比汽[8]中国电力年鉴编委会.中国电力年鉴[M].北京:中油高,无论以何种应用形式推广应用木薯乙醇一汽国电力出版社,2000.12~14.油混合燃料,都需要政府补贴支持[9 Wang M Q. GREET 1.5- Transportation Fuel-Cy(5)从木薯乙醇—汽油混合燃料推广可行度le Model Volume 1: Methodology, Development出发,木薯乙醇—汽油混合燃料较合适的应用形式Use, and Results[R].GREET 1.5为E10,或作为汽油含氧添加剂使用。tion Fuel-Cycle Model, ANL/ ESD-39, Argonne, Argonne National Laboratory, 1999. 34-44(6)对木薯乙醇—汽油混合燃料进行系统的生命周期能源、环境和经济性评价,可以为广西政府10]何邦全,闫小光,王建昕.电喷汽油机燃用乙醇一汽油燃料的排放性能研究匚冂].内燃机学报,2002,20充分利用当地木薯资源进行能源、环境和经济性平衡决策提供依据。Life Cycle assessment of Cassava-based Ethanol Blended Gasoline FuelsHU Zhi-yuan, DAI Du, ZHANG Cheng, PU Geng-qiang, WANG Cheng-tao(School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)Abstract: Life cycle energy, environment, and economic assessment were carried out for comparing the energyconsumption, environmental impacts, and economy of different cassava-based ethanol blended gasoline fuels inluding E10, E22, E85 and Elo0. And the promotion viabilitgasoline fuels was put forward. Compared with gasoline, allH中国煤化工 ed ethanol blendedCNMHG gasoline fuels a-chieve more life cycle total energy consumption, less petroleum consumption, lower life cycle CO, CO2,aneHC emissions, higher life cycle cost, and need government subsidy. Form the viewpoint of balancing energyenvironment,and economy, E10 is a better-implemented form.芳芳數据ternal combustion engine; Life cycle assessment; Cassava-based ethanol Gasoline; Blended fuel