我国生物质燃料乙醇示范工程的全生命周期评价

第27卷第6期可再生能Vol 27 No 62009年12月renewable Energy Resources我国生物质燃料乙醇示范工程的全生命周期评价张艳丽,高新星,王爱华,赵立欣农业部规划设计研究院能源环保所,北京100125)摘要:目前,我国甜高粱、木薯等“非粮燃料乙醇正处于规模化推广的前期论证阶段,亟需对其进行全面深入的可行性分析。文章基于生命周期评价原理,结合国内4家燃料乙醇生产企业的示范工程,对其全生命周期过程的能源消耗、环境影响和经济成本提供定量的评价结果,为评价、对比“非粮”乙醇和“粮食基”乙醇提供科学、权威的数据,填补了这一方面国内研究领域的空白。评价结果表明,发展甜高粱和木等非粮乙醇是可行的,与玉米乙醇相比具有较强的优势关键词:燃料乙醇;生命周期;评价中图分类号:S2162文献标志码:A文章编号:1671-5292(2009)06-0063-06Life-cycle assessment for Chinese fuel ethanoldemonstration projectsZHANG Yan-li, GAO Xin-xing WANG Ai-hua, ZHAO Li-xinInstitute of Energy and Environment Protection, Chinese Academy of Agriculture Engineering, Beijing 100125, China)Abstract: At present, "non-food"fuel ethanol including sweet sorghum, cassava and other energycrops is at the early stage of large-scale demonstration phase, and it is urgently needed to conducta comprehensive and in-depth feasibility analysis. Based on the principle of life cycle assessment,his study analyzes the whole processes of energy consumption, environmental impact and ecccosts for china's four ethanol demonstration projects, and providentitative evaluation resultThe results will provide scientific and authoritative information for comparing " non-grain"andfood-based"ethanol and fill the gaps in the field of domestic research. Evaluation results showthat the development of sweet sorghum and cassava, and other non-grain ethanol is feasible, andnon-grain"has a strong advantage by comparison with com ethanolKey words: fuel ethanol; life cycle; assessment0引言多元化势在必行。为保障粮食安全,我国提出将停随着化石能源的日益枯竭和原油基价的提止建设粮食乙醇项目,坚持发展“非粮”乙醇,主要高,燃料乙醇替代石油已成为国内外发展的一种以薯类和甜高粱为原料。趋势。“十五”期间,我国开始以玉米、小麦等陈化目前,我国甜高粱、木薯等“非粮”燃料乙醇开粮为原料的燃料乙醇试点,年生产能力达到了发正处于大规模推广的前期论证阶段,与玉米、小102万四。目前,由于粮食供需处于紧平衡状态,麦等粮食基乙醇相比其能源消耗、经济成本和环世界粮食价格大幅度上涨,以玉米等陈化粮为原‘境影响等是否真正具有优势,亟需对其进行系统料的燃料乙醇发展空间受到了很大的限制,原料的可行性分析针对上述问题,本研究将应用全生收稿日期:2009-06-04;修回日期2009-07-03基金项目:国家自然科学基金项日(70741031)。作者简介:张艳丽(1976-),女社会学硕士,T程师研究方向为农村环境与能中国煤化工询。-mail:hangyanli27@yahoo.com.cn遁讯作者:赵立欣(1967-),女,博土,研究员,研究方向为生物质能T程咨询及CNMHG习耳旎源2009,27(6)命周期评价方法,对国内4家分别以甜高粱、木薯种植过程,原料运输过程,燃料乙醇生产过程。和玉米为原料的燃料乙醇生产示范工程进行全面应用生命周期分析方法对这3个过程的能量消评价,对其经济性、环境影响和能量平衡给出定量耗、环境排放和经济成本进行数据收集和清单的评价结果。通过此研究将为全面评价、对比“非分析。粮”乙醇和“粮食基”乙醇提供科学、准确的数据,(1)“原料种植及运输”单元过程填补这一方面国内研究领域的空白,也为政府推原料种植及运输”单元过程指从土壤备耕、进“非粮乙醇”发展及制定相关决策提供科学依据播种到原料收获、运输的全过程。包括整地、播种和重要参考施肥、除草、浇水、收获、打包(捆)、运输等活动整1燃料乙醇全生命周期评价模型个过程中的输入变量(即投入或消耗)包括种子、1.1燃料乙醇生命周期评价模型化肥、除草剂、杀虫剂、农机及拖拉机消耗的柴油生命周期评价方法的产生可追溯到上世纪(汽油)等输出为燃料乙醇的生物质原料即甜高70年代的二次能源危机时期,当时,制造业人士粱、木薯、玉米等。该单元过程见图2。认识到提高能源利用效率的重要性,于是采取些方法来评估产品生命周期的能耗问题,以求提高总能源利用效率。按国际标准化组织定义:“生命周期评价是对一个产品系统的生命周期中输人、输出及其潜在环境影响的汇编和评价”。根据国家标准GB24040的相关说明,生命周期评价须包括4步:目标与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释。基于生命周期评价(LCA)原理,农业部规划设计院与意大利都灵理工大学合作建立了能源作脑杆处物能量平衡全生命周期评价模型(简称“E-图2原料种植及运输单元过程CEBM"),主要目的是通过分析,测算生产企业燃Fig 2"Plantation and transportation"unit料乙醇,从原料种植到运输、乙醇加工及生产过程不同原料的种植过程会有所不同,比如甜高中物质能量、环境和经济的投入与产出,系统评粲种植过程有耙地、分蘗等工作,而木薯在处理阶价燃料乙醇生产的全生命周期过程在经济、环境段要考虑木薯晾昞和打包等工作。不同原料产地和能量等方面产生的影响,从而为政府决策或制的生产方式也有差別,如在东北可进行大面积耕定规划提供重要参考种,农机使用较为普遍;而在广西山区,由于地形1.2 ECEBM模型的系统边界关系农机使用受限。在具体的建模过程中充分考该模型界定了燃料乙醇生产的系统边界(具虑了不同原料种植过程的多样性。体框架如图1),主要包括3个单元过程:农业作物(2)“乙醇生产阶段”单元过程乙醇生产阶段单元过程是将原料运输到生产企业后,将原料加工成高纯度(95%)燃料乙醇的过程。它包括“预处理、液化、糖化、发酵、蒸柳阳上P曰馏,脱水后处理等环节整个过程的输人变量包括原材料、酵母等各种辅料、以及电、煤、天然气等动力能源,本研究不考虑太阳能、风能等能量输人,输出包括副产品和燃料乙醇。不同原料生产燃料中国煤化工在具体的建模过图1 ECEBM模型的生命周期系统边界程CNMHG式的多样性,如Fig. I Life cycle border of ECEBM model图3所示。张艳丽,等我国生物质燃料乙醇示范工程的全生命周期评价(4)吉林玉米燃料乙醇公司吉林玉米燃料乙醇公司于2003年9月正式原料处理投产,主要以玉米基为原料,年产燃料乙醇40万t,是我国第一个大型燃料乙醇生产基地。燃料乙液化和糖化醇是主要产品,另外,该工程还利用在蒸馏过程中产生的酒糟生产优质蛋白饲料。14数据来源和相关参数(1)数据的收集收集详细准确的数据是建立3E清单数据库、进行生命周期分析的基础,也是生命周期评价图3乙醇生产单元过程中最重要的一步。根据清单设计,评估的数据包括Fig 3"Bio-fuel production"unit能源消耗、环境排放和经济成本三大类。本研究主1.3评估研究对象要通过下面几种途径获得有关数据。本研究将以国内现有4个典型燃料乙醇示范①实地调查。通过实地调查黑龙江桦川四益工程作为案例研究对象依据 ECEBM模型,分别乙醇公司、广西中粮木薯乙醇公司、吉林玉米乙醇建立能量、环境和经济分析清单,根据清单分析结公司、内蒙古五原甜高粱乙醇中试基地,了解甜高果对不同原料的燃料乙醇进行综合比较和评价。粱、木薯、玉米制取燃料乙醇的生产工艺流程,收(1)内蒙古五原ASSF法甜高粱茎秆固态发集相关技术经济参数;深入走访农户并与广西、吉酵生产乙醇林和黑龙江桦川农业相关部门合作,获取不同作清华大学与内蒙五原县合作开发了以甜高粱物种植方式、农艺流程及化肥农药种子、农机等为原料的工业化工艺可以实现工业化生产、自动方面的信息化控制的发酵装置及甜高粱乙醇生产工艺与设②问卷调査。向内蒙古五原甜高粱乙醇中试备。该技术不同于黑龙江桦川等示范点的传统“窖基地黑龙江桦川四益乙醇公司、中粮广西木薯乙池”工艺,克服了传统工艺发酵周期长、自动化程醇公司及相关农业推广部门等单位发放了“能源度低的缺点初步具备了工业化生产的条件,这种作物种植生产数据统计表”,收集详细的数据。工艺方法被称为“ASSF法甜高粱茎杆固态发酵”③查阅公开出版物。通过查阅国家权威部门目前该工艺已顺利完成了5m转鼓式固态发酵发布的年鉴专业书刊行业标准等收集杀虫剂罐中试,初步具备商业化运作条件。本研究中,将除草剂、各类化肥等物料的能耗标准对该工艺按年产5880t来进行模拟评价分析。④进行专家咨询。通过向能源作物种植燃料(2)黑龙江桦川甜高梁乙醇乙醇工艺、生命周期评估等有关方面专家了解相黑龙江四益乙醇有限公司在黑龙江桦川已建关情况并收集相关数据成年产5000t甜高粱茎秆乙醇的示范工程,是⑤参考相关数据库。由于无法收集到吉林玉米“十五”国家863“甜高粱茎秆制取乙醇”项目示范乙醇生产阶段的详细能耗数据(商业机密),考虑其点,是目前国内甜高粱燃料乙醇生产规模最大的生产工艺引进的是美国工艺部分数据来源于美国示范点。阿岗实验室的 GREET生命周期评价数据库。(3)中粮广西北海木薯燃料乙醇(2)相关参数的界定中粮广西木薯燃料乙醇示范工程是国家发改通过实地调查,对4个典型示范工程中的相委通过立项的第一个非粮燃料乙醇项目,以木薯关生产参数界定如下。基为原料,2007年12月22日投料生产,年产木广西中粮木薯乙醇:667m2地(1亩)产3t鲜薯燃料乙醇20万t,是目前国内唯一一个非粮乙木薯中国煤化工产量相对较高),醇生产企业,燃料乙醇产品2008年4月15日起75t在广西全区进行封闭运行CNMHG秆固态发酵生可再生能獠2009,27(6)产乙醇:667m2地产4.3t甜高粱茎秆,16t茎秆经济评估的分析清单用来计算燃料乙醇的全产1t乙醇。生命周期成本。“原料种植及运输阶段"的成本因黑龙江桦川甜高粱乙醇:667m2地产4t甜高素包括:租地费、种植成本(种子、地膜、施底肥、农粱茎秆,16t茎秆产1t乙醇。机、灌溉、人工)、收获成本、秸秆预处理及收获预吉林玉米乙醇:667m2地产08t玉米,32t处理、运输。“乙醇生产”阶段的成本因素包括原料玉米产1t乙醇。成本,辅料成本,水、电、气成本,人工成本,管理费2生命周期清单分析结果与讨论和折旧费等。在这里需要特别指出的是,“乙醇生2.1能量、环境和经济分析清单产”成本包含了原料成本,而原料成本并不等同于2.l.1能量分析清单“原料种植及运输成本”,这是由于生产企业通常能量分析清单用来分析燃料乙醇生产全生命会直接从农户或市场上收购原材料,因此原料成周期过程中的能量输入和能量输出,从而计算出本通常会大于种植及运输成本。燃料乙醇生产的能量效率。能量效率是指单位2.2结果与讨论能量产出所需要的能量投入,即能量的“投入产出综合以上清单分析,对4个示范工程中的能比”。能量效率小于1时,表明该能量产品净能量量清单、经济清单和环境清单分析结果进行汇总。为正,即产出大于投人,且数值越小,转化效率越(1)经济分析清单高,性能越优。能量效率大于1时,表明该能量产综合4个示范工程的经济清单分析结果(如品净能量为负,即产出小于投入,从能量角度看不表1所示),可知玉米燃料乙醇的生产成本最高具有可行性表1不同原料生产燃料乙醇的单位成本能量输入和能量输出均需要考虑“原材料种 Table 1 Bio-- fuel production cost with different raw materials植及运输”和“乙醇生产阶段”3个单元过程。“原各阶段甜高粱甜高梁玉米材料种植及运输”过程中的能量输入包括种植阶段涉及化学品的用量及能耗种子的用量及能耗,种植及2571228026723752成本(内蒙五原)(黑龙江桦川)(中粮广西)(吉林Z种植阶段消耗的能源用量,化学品的运输耗能及运输成本人畜耗能等。“乙醇生产阶段”的能量输入包括原料收购3040300033755120原材料的运输、生产菌种耗能、前处理阶段各项工成本艺耗能、发酵阶段的耗能及后处理阶段的耗能等生产总4261.6451686l20能量输出变量指最终产出物所含的能耗,包括谷投入成本副产品870(暂时还未开1180物籽粒燃料乙醇及副产品。由于木薯和玉米籽粒冲减成本发副产品)全部转化为燃料乙醇,因此计算能量输出时仅考单位燃料3391351684940虑终端产品含有的能量:即燃料乙醇和副产品含乙醇成本有的能量。种植甜高粱获得的主产品包括甜高粱包含原料成本)茎秆和籽粒,甜高粱茎秆最终转化为燃料乙醇和为4940元;其次为木薯乙醇,单位生产成本为副产品,而籽粒自身含有的能量包含在能量输出4764元/;甜高粱乙醇的生产成本最低,基本控范围内。制在3500元左右。车用乙醇汽油的销售价格212环境分析清单按照《国家计委关于车用乙醇汽油定价原则的通针对环境排放清单,本研究主要考虑CO2这知》(计价格[001134号)的要求,试点期间生物种主要温室气体的排放,重点是计算、分析整个原燃料乙醇需以0911(燃料乙醇价格折算系数)乘料种植和乙醇生产过程中由于化石能源的投入而以90汽油出厂价卖给指定的石油公司,销售价造成的CO2排放,而煤炭、天然气石油这3种主格和生产成本间的差额由政府补贴按此计算燃要化石能源的CO2排放系数分别为0112kg/MJ,料乙1元,如果不享受政府补中国煤化工0.062kgM,00815kg/MJ。贴1120元,129621.3经济分析清单CNMHG。66张艳丽,等我国生物质燃料乙醇示范工程的全生命周期评价原料成本在乙醇生产成本中占了相当大的比木薯、吉林玉米乙醇的能量效率均为正值,从能量重,吉林玉米原料成本占总投人成本的83%,这角度看都具有应用的可行性:单位乙醇能耗最少是导致玉米乙醇生产成本最高的主要原因;木薯的是内蒙五原甜高粱乙醇,其次为中粮广西木薯原料成本占投入成本的71%,内蒙五原和黑龙江乙醇最后是吉林玉米乙醇。而黑龙江桦川甜高粱桦川甜高粱茎秆原料成本分别占单位乙醇生产总乙醇的净能值为负值,单纯从能量角度看不具有投人成本的71%,66%。副产品对燃料乙醇的成本可行性。也有很大影响例如,玉米乙醇副产品DDCS冲减通过对不同生物质原料的直接能量输人进行成本为1180元/,占投入成本的184%,对减少分析可知:从原料类型看,甜高粱乙醇的能量输入玉米乙醇生产成本作用很大;内蒙古五原利用甜最大,主要是由于甜高粱种植农艺流程繁多,化肥高粱废渣作为燃料替代蒸汽锅炉中的煤,生产1t施用和农机耗油较多,收获茎秆时运输耗油量较乙醇节约用煤成本为870元,占乙醇生产投入成多;其次为玉米乙醇能量输入为内蒙五原甜高粱本的20%;黑龙江桦川甜高粱乙醇产生的废渣用乙醇的一半;木薯乙醇的能量消耗最小,这主要是作造纸原料,废渣销售收入为1000元,占乙醇因为木薯属于粗放易栽培作物,种植阶段投入的生产投入成本的22%;木薯乙醇产生的废液处理化肥、农药、农机、人工能耗等较少能源消耗仅占难度较大,目前中粮广西木薯乙醇厂还没有对废总能耗的040%。液进行回收利用,这是导致木薯乙醇生产成本相整个生命周期阶段的能量输出包括作物籽对较高的主要原因粒、燃料乙醇和副产品。副产品对整个系统的能另外,通过对内蒙古五原和黑龙江桦川两个量输出影响非常大。例如,内蒙五原利用甜高粱甜髙粱乙醇示范工程进行比较,可知,即使采用同废渣作燃料替代蒸汽锅炉中的煤,节省了外部能种原料生产燃料乙醇,由于种植区域、作物品量输入。这部分能量值为燃料乙醇自身能量值的种、种植方式、市场行情、转化工艺和生产规模等45倍。虽然该案例中的直接能量消耗最多,但净的不同,将会导致原料成本、生产成本的不同。内能量值最高、能量效益最好。而黑龙江桦川由于蒙古五原甜高粱种植和原料成本较低,生产转化没有对甜高粱废渣进行回收利用,导致了能量效工艺较为先进,乙醇最终生产成本就低一些率为负值。(2)能量分析清单(3)环境分析清单表2对4个示范工程的能量输入、能量输出表3对不同生物质在原料种植、生产、使用3进行了汇总,并计算出了净能值(即总能量输人减个阶段向环境排放的CO2进行了汇总,结果表明:去总能量输入的净值)和能量效率。木薯乙醇CO2排放最多,单位燃料乙醇导致的2不同生物质原料燃料乙醇的能量消耗CO2排放为648kg/L,主要是由于木薯乙醇在发Table 2 Energy efficiencies of different bio-fuel productionsMJ/酵和废液处理过程中耗电较多,而据调查广西电甜高梁甜高粱木薯力供应以火电为主,导致燃煤的CO2排放较多;各阶段(内蒙五原)(黑龙江桦川)(中粮广西)(吉林乙醇)其次为内蒙五原和黑龙江桦川,CO2气体排放分总能量输人49.08别为403kg/,327kg/L,两个地区“甜高粱种植乙醇含21.20及运输”阶段CO2排放相对较多,分别约占总排有能量作物籽589全部转全部转放的50%,66%;玉米乙醇CO2排放最少,主要是能量粒含能量化乙醇化乙醇豪3不同生物质原料生产燃料乙醇的CO2排放量输出副产品9544Table 3 CO2 emissions of different bio-fuel productions含有能量总能量1225318.22甜高粱(内蒙)甜高粲(黑龙江)木薯玉米种植及运输阶段2.161551.23能量净能值7345IL.212.70效益能量效率040(<1)16(>1)077(<1)0.91(<1)中国煤化工46213乙醇使031031根据表2可知内蒙古五原甜高粱、中粮广西总排越CNMHG648284可再生能骠2009,27(6)玉米乙醇生产规模大,工农艺技术基本成熟,单位项性能指标还没有达到最优化,尤其是对废液和乙醇种植和生产阶段投入的化学品、农机柴油、废渣没有进行回收利用,副产品带来的经济能源水、电、煤等相对较少四。和环境效益在本研究中无法体现,这是导致木薯另外需要特别指出的是,由于甜高粱、木薯和乙醇经济成本和能耗与甜高粱相比相对较高的关玉米等作物均具有较高的光合作用效率,在生长键原因。实际上与甜高粱相比,木薯乙醇在成本投过程中能吸收大量的CO2,可冲减上述种植、生产方面基本相同,而且直接能量输入还优于甜高和使用3个阶段向环境排放的CO2,表4对两个粱。按照中粮公司介绍,除年产燃料乙醇20万t过程中的CO2进行了对比分析。今后还将对废液和废渣进行回收利用,预计生产裹4生产乙醇排放CO2和种植阶段吸收CO2对比表纤维饲料5万t、沼气2970万m3、二氧化碳Table 4 Comparisons on absorption and emission of CO5万t,这些副产品的产生将会降低生产成本、能at different stageskg/L耗及环境排放。各阶段甜高梁(内蒙)甜高粱(黑龙江)木薯玉米因此,从长远来看,发展甜高粱和木薯乙醇是生产过程排放CO2403648284可行的,而且与玉米乙醇相比具有较强的优势,但种植阶段吸收CO2882882在生产过程中需要积极开发副产品,加强对废液由表4可知,由于燃料乙醇在原料种植阶段和废渣的回收利用,实现经济、能量和环境的能吸收CO2,较之燃料乙醇在全生命周期中所用赢”。而玉米乙醇由于原料价格的不断上涨导致生化石能源对环境的纯排放,乙醇汽油能有效减少产成本过高,生产企业不依靠国家补贴将无法实温室气体排放。尤其是甜高粱乙醇环境效益最为现盈利,并且将引发国家粮食安全供应问题。明显,种植阶段吸收CO2约为生产过程排放CO2参考文献:的2倍以上。崔凯中国生物质产业地图M北京:中国轻工业出版3结论社,2007通过全生命周期评价研究,可初步得出:甜高2」cB24040-199环境管理生命周期评价原则与框粱乙醇具有较强的综合优势,尤其是内蒙古五原架S」甜高粱乙醇的经济成本和能耗最低,种植阶段吸3]胡志远浦耿强王成焘木薯醇汽油车生命周期排收CO2约为生产过程排放CO2的2倍以上,综合放评价汽车工程2004,26(1):341-345优势最强。木薯乙醇经济成本和能量消耗均低于图岳国,武国庆我国燃料乙醇生产技术的现状与展玉米乙醇但环境排放相对较多;玉米乙醇生产成望小化学进展,2007(07):1084-1090本最高能量投人和产出基本持平而环境排放相1闽海涛,程猛新能源汽车环境影响及能源效率分析拖拉机与农用运输车,2007,34(4):105-107对较少。具体见表5。表5不同生物质原料乙酶的经济能量和环境效益分标6]张治山,袁希钢玉米燃料乙醇生命周期净能量分析门环境科学,2006,27(3):437-441Table 5 Economic, energy and environment assessmentsfor different bio-fuel productions7]李奇峰陈阜,张海林等.吉林省中部粮食主产区玉米种植投入调查{中国农学通报,2007,23(9):628-乙醇生产成本能量环境效益(CO2)原料元∧效率631甜高梁生产排放:403阳光电源中标武汉新火车站(内蒙古五原)339160040种植吸收:88光伏发电项目甜高梁生产排放:327最近,合肥阳光电源有限公司成功中标了由中国节能(黑龙江桦川)3516801.60种植吸收:882投资公司投赉建设的武汉新火车站光伏并网发电工程项生产排放:648木薯476400077种植吸收:3.35目。该工程规橫为22MW,年发电量约2000万kWh。武生产排放:28汉新火车站是全国第一个森林中的火车站,火车站外形为玉米49400091种植吸收缺乏数据9片波浪型重檐屋顶,像9只飞翔的鹤,“九”表达九省通中国煤化工起。某“千年归”需要指出的是,由于中粮广西木薯乙醇示范的造项目就建在九个翼工程运行时间较短,生产运转还在磨合过程中,各棚上CNMH灬晗供稿)