（热能工程专业论文）二甲醚生产及应用过程的生命周期评价及价格体系研究.pdf

摘要 摘要 目前，全球面临着经济、能源和环保协调发展的挑战。针对我国自然条件 和“富煤、少油、有气 的能源资源特色，如何合理利用我国的能源资源，尤 其是煤炭资源，寻找新型的清洁能源载体已经迫在眉睫。二甲醚作为替代城市 燃气，无论是在促进我国能源结构的可持续发展，还是在降低污染物排放方面， 都表现出来显著的优势。 本文从三个角度分析了煤基二甲醚作为替代城市燃气的应用性： 1 ) 利用生命周期评价方法分析了煤基二甲醚全生命周期过程，从原料煤炭 的开采n - 甲醚的应用过程，提出了能源消耗和环境排放算法模型，具体细化 各生产过程并建立了生命周期清单，量化给出各阶段的有害气体c o 、v o c 、 p m ”s 0 2 、n o 。和温室气体c o ：、c h 。、n 2 0 的污染排放，对比了煤基二 甲醚作为城市燃气燃烧与煤直接燃烧的单位可利用热量下的能源消耗及各项污 染排放。 2 ) 对煤基二甲醚各项环境负荷数据与五种环境影响类型( 不可再生资源消 耗、全球变暖、光化学氧化物、酸化和人体毒性影响) 利用s e t a c 的当量模型 建立对应关系，计算二甲醚全生命周期对各项环境影响类型的潜值，并细化分 析二甲醚各阶段对潜值的贡献，对比了煤基二甲醚作为城市燃气燃烧与煤直接 燃烧的单位可利用热量下的各项环境影响潜力。 3 ) 分析计算二甲醚作为城市燃气替代液化石油气的经济效益，总成本分为 内部成本和外部成本，内部成本按照行业内部收益率基准，通过项目财务分析 计算二甲醚的内部成本价格，外部成本利用生命周期成本法计算二甲醚的大气 污染成本、固体废弃物成本和液体排放成本，计算得到二甲醚的全生命周期成 本值。 通过与煤对比，发现煤基二甲醚具有很好的环境效益，尤其在降低酸化潜 力和人体毒性潜力上贡献最大；在能耗性方面，煤基二甲醚与煤炭终端应用单 位可利用热量下的能源消耗基本相等，给出的生命周期清单利于对二甲醚生命 周期过程生产环节优化提供数据参考；在经济性分析上，研究表明二甲醚作为 替代城市燃气具有经济优越性。 关键词：二甲醚、生命周期评价、经济成本分析 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，b a l a n c e dd e v e l o p m e n tb e t w e e ne c o n o m y , e n e r g ya n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o ni sc h a l l e n g i n gt l l ew h o l ew o r l d i nv i e wo ft h en a t u r a lc o n d i t i o n sa n dt h e e n e r g yr e s o u r c e sc h a r a c t e r i s t i c s ”r i c hi nc o a l ，l e s so i l ，l i m i t e dg a s ”，h o wt om a k e r a t i o n a lu s eo fe n e r g yr e s o u r c e s ，e s p e c i a l l yc o a lr e s o u r c e s ，t h es e a r c hf o rn e wc l e a n e n e r g yc a r r i e rh a sb e e ni m m i n e n t d m ea sa na l t e r n a t i v ec i t i e sf u e l ，b o t hi nc h i n a s e n e r g ys t r u c t u r et op r o m o t es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，o ri nr e d u c i n ge m i s s i o n s ，h a v e d e m o n s t r a t e ds i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s t h i sp a p e rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h r e ea s p e c t so fc o a l - b a s e dd m et oa n a l y z e t h ea p p l i c a t i o no fc i t yg a s ： 1 ) l c am e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ep r o d u c i n gp r o c e s so fd m e l i f e c y c l e t h e m o d e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a le m i s s i o ni sb r o u g h tf o r w a r df r o m t h ee x p l o i t a t i o no fr a wm a t e r i a l st ot h ep r o d u c i n gp r o c e s so fd m e d e t a i l sa b o u t h o wt om a k eal i s to f l i f e c y c l ef o rt h ep r o c e s so fp r o d u c i n ga r es e tf o 曲a n dd e t a i l e d f i g u r e so ft h ep o l l u t i o ne m i s s i o no fs t a n d a rg a s e s ( c o ，v o c ，p mio ，s 0 2 ，n o x ) a n d g r e e n h o u s eg a s e s ( c 0 2 ，c h 4 ，n 2 0 ) a r es h o w ni np h a s e ac o m p a r i s o ni sm a d e b e t w e e ne n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o l l u t i o ne m i s s i o n so fd m ea saf u e la n dr a w m a t e r i a lc o a lu n d e rt h ec o n d i t i o n so fa v a i l a b l eh e a tv a l u e 2 ) t h es e t a ce q u i v a l e n tm o d e li su s e dt oe s t a b l i s h c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne n v i r o n m e n t a ll o a dd a t aa n dt h ef i v et y p e so fe n v i r o n m e n t a l i m p a c t ( n o n - r e n e w a b l er e s o u r c ed e p l e t i o n ，g l o b a lw a n n i n g ，p h o t o c h e m i c a lo x i d e s ， a c i d i f i c a t i o na n dh u m a ni m p a c to fp o t e n t i a lt o x i c i t y ) ac o m p a r i s o no nv a r i o u s p o t e n t i a le n v i r o n m e n t a li m p a c t si sa l s om a d eb e t w e e nc o a la n dd m e 3 ) e c o n o m i ca n a l y s i si sd i v i d e di n t oi n t e r n a la n de x t e r n a lc o s t s r e g a r d i n g i n t e r n a lc o s t ，t h ed m ei n t e r n a lc o s t sa r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e dt h r o u g ht h ep r o j e c t f i n a n c i a la n a l y s i si na c c o r d a n t ew i t ht h ei n d u s t r yb e n c h m a r ko ft h ei n t e r n a lr a t eo f r e t u r n r e g a r d i n ge x t e r n a lc o s t s ，t h ed m ef u l ll i f e - c y c l ec o s ti sg o tb yu s i n ga l i f e c y c l ec o s ta n a l y s i sm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ed m ec o s t so fa i rp o l l u t i o n ，s o l i d w a s t ea n dl i q u i de m i s s i o n s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t hc o a l ，i ti sf o u n dt h a td m ei sb e t t e rt h a nc o a l i i a b s t r a c t w h i c hi su s e df o rd i r e c tc o m b u s t i o ni ne m i s s i o n - r e d u c i n g ；d m ec a nw e l li m p r o v e t h es o l v i n go fs o m ep r o b l e m se s p e c i a l l yi na c i d i f i c a t i o np o t e n t i a lh e a l t ht o x i c i n t h ee c o n o m i ca n a l y s i s ，t h es t u d ys h o w st h a td m eh a st h ee c o n o m i cs u p e r i o r i t ya sa r e p l a c e m e n to fc i t yg a s k e yw o r d s ：d i m e t h y le t h e r ( d m e ) 、“f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) 、e c o n o m i c a lc o s t a n a l y s i s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 拐 扣踔f 月f 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 泗痒f 月j7 日 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，国际市场原油价格一直在较高的水平上波动，与此同时，我国的 石油消费逐年增加，2 0 0 5 年我国进口石油量达到了1 l 亿吨以上，据专家预测， 到2 0 1 0 年我国进口石油量将达到l5 亿吨【。尤其液化石油气( l p g ) 更是长 期依赖进口，现已成为全球第三大液化石油气消费国，消费量仅低于美国和日 本。2 0 0 6 年全国l p g 产量为1 7 4 5 3 万吨，与去年同期同比增长5 。进口量 为5 3 5 6 4 万吨，同比降低1 2 7 8 ，出口1 5 1 万吨，同比上涨4 6 5 5 5 1 2 】。 而我国煤炭资源十分丰富，已探明的一次性能源总量中煤占9 6 ，每年产 量占世界产量的3 5 左右，高达1 3 亿吨，大约占世界煤储存总量的3 0 ，居 世界第三位。同时，我国的煤炭消耗占整个能源消费的7 0 左右，煤炭提供了 我国7 5 的工业燃料、7 6 的发电燃料和8 0 的民用商品能源【3 】。 由于我国商品煤中的平均含硫量约1 0 1 ，平均灰分为2 3 8 5 t 4 1 ，所以在 燃烧中造成了大量的二氧化硫( s 0 2 ) 、氮氧化物( n o 。) 和烟尘微粒排放，我国排 放s 0 2 的9 0 ，n o x 的7 0 来自燃煤。目前，我国s 0 2 排放总量已居世界第 一，按照环境容量分析，我国每年可允许排放的处量约为1 2 0 0 万t ，而实际排 放量已超出大气环境容量的8 0 以上，致使酸雨区面积达到了国土面积的1 3 ， 2 3 的城市大气环境质量不达标，全国有1 1 6 亿的城市人口生活在空气质量劣 于三级的环境中【引。 造成我国煤烟型污染的原因主要是和现行落后的煤炭消费方式有关。据统 计，我国每年约有1 0 亿t 煤炭用于工业和民用的直接燃烧，而且煤炭的利用效 率也很低，我国煤炭平均利用效率只有3 0 ，比国际平均水平低1 0 【6 j 。因此， 努力把煤炭转化成清洁的d m e 燃料，可有效解决我国的煤烟型污染问题，同 时有利于提高煤炭利用效率和我国能源结构的健康发展。 目前，为调整和优化我国能源结构，发展石油替代能源，推进煤化工产业 的发展，保障国家能源安全，在国家发改委和内蒙古自治区政府协调下，由中 国中煤能源集团公司出资3 2 5 、中国石油化工股份有限公司出资3 2 5 、申 第1 章绪论 能( 集团) 有限公司出资1 2 5 、中国银泰投资有限公司出资1 2 5 和内蒙古 满世煤炭集团有限责任公司出资1 0 ，合资组建有限公司，在鄂尔多斯的乌审 旗共同开发3 0 0 万吨d m e 及其配套工程的大型煤炭、化工、发电、运输一体 化工程近日在鄂尔多斯市启动，该项目是世界上目前最大的d m e 项目。 1 2 二甲醚的研究进展 1 2 1 二甲醚的物化性质 d m e 是一种无色气体，具有轻微的醚香味，室温下的蒸汽压力约为0 5 m p a 。d m e 具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。与二乙醚不同，d m e 在空气中长期曝露不会形成过氧化物。 d m e 是一种重要的超清洁能源和环境友好产品，它可由煤、石油、天然气 和生物质等经合成气制得，原料来源十分广泛。目前d m e 主要用途是作气雾 剂的抛射剂、合成硫酸二甲酯等的化工原料。 因为，d m e 燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中无残渣、无黑烟，c o 、 n o x 排量低。因此，d m e 可以替代柴油用作清洁的汽车燃料以及替代液化石 油气( l p g ) 作燃料。另外，d m e 还可掺入l p g 、煤气或天然气混烧并能提高 热量。d m e 作为洁净的燃料，其重要性越来越被人们所认识。d m e 与l p g 和 天然气的特性比较见表1 1 所示。 表i 1d m e 与l p g 和天然气的特性比较7 】_ 【8 1 t a b 1 1d m ea n dl p ga n dn a t u r a lg a sp r o p e r t i e sc o m p a r i s o n 比较特性 d m el p g天然气 相对分子质量 4 64 4 5 61 6 液态密度( k g m 3 ) 6 6 75 0 14 4 5 沸点( )2 4 9_ 4 2 o一1 6 2 o 自燃温度( ) 2 3 54 7 06 5 0 低热值( m j m 3 )6 4 6 8 69 1 9 6 03 4 7 5 0 气化潜热( k j k g ) 4 6 8 4 2 65 1 0 动力粘度2 0 ( m p s ) 0 1 50 1 5 饱和蒸汽压2 0 ( m p )0 5 1 10 3 7 0 爆炸极限( )3 4 1 7 02 1 9 4 4 5 15 o 第1 章绪论 1 2 2 二甲醚作为替代燃料的应用 二甲醚作为替代燃料目前的应用领域主要包括：城市燃气和汽车燃料，以 及后续研发应用的工业燃料和发电燃料。 二甲醚作为汽车燃料，燃用二甲醚燃料不但能够保持柴油机热效率高、动 力性好等优点，更重要的是能够有效解决传统柴油机上最难解决的碳烟和氮氧 化物排放问题。二甲醚作为汽车燃料的研究最早是从西安交通大学开始，目前 由上海交通大学等单位组成的二甲醚汽车研发的产学研团队研制成功的二甲醚 公交车已投入上海1 4 7 路公交车车队试验运行与示范，同时建成了国内第一个 车用二甲醚加注站，美国能源部阿冈国家实验室开发的g r e e t 软件可以模拟 二甲醚作为汽车替代燃料的能源消耗和污染排放。 二甲醚作为城市燃气应用是关注的焦点，对于改变我国的能源消费结构， 降低污染物排放有着积极的贡献，具体表现为以下几个方面： 1 ) 作为液化石油气的替代物 d m e 在用于炊事采暖方面与液化石油气( l p g ) 物理特性比较相似( 见表 1 1 ) ，而且作为燃料性质更优。具体表现为： ( 1 )由于d m e 的临界温度( 1 2 6 7 5 ) 较高，较易液化，液化后较易储运。 d m e 的沸点( 2 4 9 ) 较低，容易气化，在常温常压下为气态，可采 用管道输送。d m e 不会腐蚀金属，可以采用传统管材储运【9 】。 ( 2 ) d m e 在空气中的爆炸下限比液化石油气高一倍，在使用时d m e 比液 化石油气更安全。 ( 3 ) 虽然d m e 热值仅为液化石油气的0 6 8 7 倍，但d m e 自身含氧，在燃 烧过程中所需空气量仅为液化石油气的0 6 1 5 倍，因此，d m e 理论燃 烧温度比液化石油气高1 9 5 ( 9 5 ) 【l 。 ( 4 ) 由于它碳链短，燃烧充分完全，燃烧过程不析碳不会产生黑烟，无残液， 燃烧尾气十分干净。d m e 灶具燃烧检测结果见表1 2 【l 。 ( 5 ) d m e 作为民用生活燃料可以和l p g 的基础设施、灶具通用，现有的 l p g 储运与罐装系统可完全适用于d m e 。 因此，在我国煤炭资源丰富的中西部产煤区大力发展d m e ，将煤炭转化成 洁净能源，除了能解决当地居民的清洁燃料供应和污染问题外，还可将剩余的 d m e 用低压管道、油槽车和罐车运输到天然气、l p g 贫乏的其它地区。 3 第1 章绪论 表1 2 二甲醚灶具燃烧检测结果 t a b 1 2d m ec o o k e rc o m b u s t i o nt e s tr e s u l t s 项目g j 一4 8 3 标准要求 实测结果 着火率启动1 0 次着火不少于8 次 1 0 0 点火性能0 5 和1 5 倍压力下能正常点燃 正常 传火性 点燃一孔后4 秒钟内传遍所有孔1 秒 火焰状态均匀、清晰、稳定均匀 热负荷小低于2 9 k w ( 2 5 0 0 k c a 协) 3 6 4 及3 8 1 k w 热效率 额定负荷下热效率 5 5 5 9 5 及6 0 1 烟气c o额定负荷下烟气c o 9 06 0 8 3 7 57 4 0 8 8 57 6 7 9 d m e 选择性7 0 8 09 5 一1 0 09 7 5 9 8 87 9 8 4 ( 2 ) 浆念床法 用浆态床代替固定床可使反应器结构简化，所用溶剂因其热容量大，可使 反应热易于移出。这对于强放热反应的二甲醚合成过程易于实现等温操作，使 得副产品减少，催化剂不易失活。 表1 4 一步法浆态床工艺开发情况 t a b 1 4o n e s t e ps l u r r yb e dp r o c e s sd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n 日本钢美国空气产品 开发单位中科院清华大学 华东理工大学 管公司与化学品公司 工艺名称 n k kl p d m e 合成气来源煤层气煤煤煤煤 h 2 c o ( m o l m 0 1 ) 1 oo 721 o2 4 催化剂 c u z n 撼k 1 2 0 3c u z n b a 1 2 0 3 c u z i 测v z s m 一5 搅拌釜 反应器类型鼓泡浆态床鼓泡浆态床循环浆态床鼓泡浆态床 浆态床 医- 3m p a 3 75 1 044 63 5 温度2 5 0 2 8 02 5 0 2 8 02 8 02 6 0 2 9 0 2 3 0 2 7 0 c o 单程转化率 5 5 6 03 36 0 6 56 0 d m e 选择性 9 04 2 9 08 0 8 5 9 5 9 0 产品二二甲醚9 9 53 0 8 0 9 08 7 8 8 组成 甲醇 9 0 9 8 9 0 9 9 表1 6 国内对甲醇气相脱水工艺开发应用情况 t a b 1 6d o m e s t i cg a sd e h y d r a t i o no fm e t h a n o lp r o c e s sd e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o n 西南化工上海石化浙江化工 中科院南化 华东理 上海吴泾 单位山西公司 研究设计院研究院研究院工大学 化工公司 煤化所研究院 开发年份 1 9 9 51 9 9 11 9 9 6 催化剂c m 一3 1 型d - 4 型 硅铝酸盐 z s m 5 r - a 1 2 0 s r - a 1 2 0 3 z s m 一5 粉状结晶 医) 3m p a0 1 1 00 8o 8 5o 1 o 1 温度2 5 0 3 8 02 8 0 3 3 0 3 0 02 1 0 2 4 01 3 0 2 0 0 液空速h 1 1 0 2 00 8 1 o2 0 _ 4 0 转化率 7 5 8 56 0 7 07 0 8 5 8 5 8 0 选择性 9 99 9 9 9 9 9 6 第1 章绪论 1 2 4 国内外二甲醚生产状况 1 ) 国外生产情况 国外大规模生产二甲醚始于1 9 6 6 年，2 0 0 0 年能力为3 0 0 k f f a 以上，产量超 过1 5 0 k t 。在相当长的一段时期，二甲醚主要用作气雾剂等其它化工原料，国外 的主要生产厂家见表1 7 。 表1 7 国外二甲醚主要生产厂家 t a b 1 7m a j o rf o r e i g nd m em a n u f a c t u r e r s 囡别公司能力k t a工艺方法 美国杜邦公司3 0两步气相脱水 美国联合讯号公司 1 0 不祥 德国 联合莱褐煤料公司 6 0两步气_ 卡 脱水 德国d e a 公司 6 5 两步气相脱水 荷兰阿克苏公司 3 0 两步气相脱水 澳大利业悉尼溶剂公司两步气相脱水 日本 住友精细化学株式会社 1 0两步气相脱水 2 ) 国内生产情况 国内二甲醚生产起步较晚，2 0 世纪9 0 年代初，我国仅有江苏吴县合成化 工厂、武汉硫酸厂等少数几个厂家生产，且规模较小，年总产量仅3 0 0 0 吨左右。 1 9 9 4 年，广东中山市精细化工实业公司采用西南化工研究院技术建成 2 5 0 0 t a 高纯度二甲醚装置；1 9 9 5 年，成都华阳威远天然气化工厂建成2 0 0 0 f f a 二甲醚装置；之后，安徽省蒙城县化肥厂、浙江诸暨新亚化工公司、广东江门 氮肥厂和浙江义乌光阳化工实业有限公司也纷纷建成1 0 0 0 2 5 0 0 t a 二甲醚装 置，这些千吨级装置的建成投产，标志着我国二甲醚生产有了长足的进步。 2 0 0 2 年，山东久泰化工科技股份有限公司采用自主开发的液相两步法工艺 技术建成5 0 0 0 f f a 二甲醚装置，接着在2 0 0 3 年1 0 月建成3 万t a 二甲醚装置； 2 0 0 3 年底，重庆英力燃化公司采用清华大学浆态床一步法建成3 0 0 0 f f a 二甲醚 示范装置并试车投产。山东久泰化工公司万吨级二甲醚装置和重庆英力燃化公 司浆态床一步法二甲醚装置的成功投产，标志着我国二甲醚生产有突破性的发 展，并跻身世界先进行列。 与此同时，2 0 世纪9 0 年代建成的3 0 0 0 f f a 以下二甲醚装置，与近年来建成 第l 章绪论 的新装置相比，规模小、工艺技术落后、生产成本高，没有竞争力，大多数处 于停产或半停产状态。 目前国内仅大陆的二甲醚生产能力就达到7 万t a 左右，年产量约4 万吨。 中国台湾的二甲醚生产能力在2 万t a 左右，年产量约1 5 吨。中国大陆和中国 台湾的二甲醚生产能力加起来一共9 万讹左右，约占全球3 0 ，所以可以说我 国已成为二甲醚生产大国。 鉴于二甲醚市场前景看好，以及二甲醚生产技术的发展，国内有许多地方在 建设或计划建设二甲醚项目，从发展趋势上看，二甲醚装置规模向大型化方向 发展，将从目前的万吨级升级到十万吨级，再升级到百万吨级；生产技术向一 步法发展，尤其是液相浆态床一步法；原料则继续保持煤与天然气并举的局面， 各地因地制宜，选择煤或天然气。 目前，鄂尔多斯3 0 0 万吨二甲醚项目正式启动，它是迄今中国规模最大的 集煤炭、电力、煤化产品生产和管道运输为一体的二甲醚项目，将带动中国新 一代汽车工业、电力工业和民用燃料工业的发展。 1 3 生命周期评价及相关研究进展 生命周期评价( 1 i f e c y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 作为当代主要环境管理工程生命 周期评价方法已逐渐发展成为国际公认的环境管理标准，是制定环境政策的依 据，可以用于指导企业进行清洁生产、开发绿色产品和指导材料的环境协调性 设计。 生命周期评价是通过确定和量化相关的能源、物质消耗、废弃物排放，来 评价某一产品、过程或事件的环境负荷，并定量给出由于使用这些能源和原材 料对环境造成的影响；通过分析这些影响，寻找使环境影响达到最小的时机和 方法。评价过程应强调从原料的提取与加工、制造、运输、使用、维持、循环、 回收，直至最终废弃在内的整个生命周期的过程。 目前，人们在评价各种燃料的性能时，多采用这些燃料在使用期间的技术 指标，比如能量消耗、温室气体排放和有害排放物的数量进行比较，而忽略了 这些燃料在原料开采以及制备阶段的影响。由于某些燃料的制备工艺较为落后， 使能耗较高，有害排放物较多，同时也会产生大量的温室气体，使得与这些燃 料路线全生命周期相关的指标并未得到改善，甚至有所恶化，与最初的目标背 8 第1 章绪论 道而驰。 1 3 1 生命周期评价起源与发展 生命周期评价的思想萌芽最早出现于2 0 世纪6 0 年代未7 0 年代初。经过 3 0 多年的发展，目前已纳入i s 0 1 4 0 0 0 环境管理系列标准而成为国际上环境管 理和产品设计的一个重要文持工具。从其发展的历程看，大致可以分为三个阶 段： 1 ) 思想萌芽阶段( 2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初) 生命周期评价最早出现于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初美国开展的一系列 针对化妆品的分析、评价，当时称为资源与环境状况分析( r e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n t s lp r o f i l ea n a l y s i s ，即r e p a ) 。作为生命周期评价研究开始的标志 是在1 9 6 9 年由美国中西部资源研究所( m n ) 所开展的针对可口可乐公司的饮料 包装瓶进行评价的研究。该研究试图从最初的原材料采掘到最终的废弃物处理， 进行全过程的跟踪与定量分析( 从摇篮到坟墓) 。 2 ) 学术探讨阶段( 2 0 世纪7 0 年代中8 0 年代末) 2 0 世纪7 0 年代中期，政府开始积极支持并参与生命周期评价的研究。由 于全球能源危机的出现，很多研究工作又从污染物排放转向于能源分析与规划。 进入2 0 世纪8 0 年代，案例发展缓慢，方法论研究兴起。后来一系列的r e p a 工作未能取得很好地研究结果，对此感兴趣的研究人员和研究项目逐渐减少， 公众的兴趣也逐渐淡漠。尤其是企业界几乎放弃了这方面的研究，这是因为该 研究方法缺乏统一的研究方法论，而且加上分析所需的数据常常无法得到，对 不同产品采取不同的分析步骤，同类产品的评价程序和数据也不统一，实际上 利用它无法解决许多面临的现实问题。 3 ) 广泛关注，迅速发展阶段( 2 0 世纪9 0 年代以后) 随着区域性与全球性环境问题的日益严重以及全球环境保护意识的加强。 可持续发展思想的普及以及可持续行动计划的兴起，大量的e p a 研究重新开始， 公众和社会也开始日益关注这种研究的结果。r e p a 研究涉及到研究机构，管 理部门，工业企业，产品消费者等，因其使用r e p a 的目的和侧重点各不相同， 而且所分析的产品和系统也变得越来越复杂，急需对r e p a 的方法进行研究和 统一。 9 第1 章绪论 1 9 9 0 年初“国际环境毒理学与化学学会( s e t a c ) 主持召开了有关生命周 期评价的国际研讨会。在该会议上提出了“生命周期评价( 1 i f e c y c l ea s s e s s m e n t ， l c a ) 的概念。 在以后的几年里，1 9 9 3 年国际标准化组织( i s o ) 开始起草i s o l 4 0 0 0 国际标 准。正式将生命周期评价纳入该体系。目前，已颁布了有关生命周期评价的多 项标难。我国计对该标准，采用等同转化的原则，现己颁布了两项国家标准： g b t 2 4 0 4 0 ( 环境管理一生命周期评价的原则与框架，g h t 2 4 0 4 1 ( 环境管理 一目的与范围的确定和清单分析) 。 1 3 2 生命周期评价的概念框架 1 ) s e t a c 概念模型 最早提出生命周期评价概念框架 的是环境毒理与环境化学学会 ( s e t a c ) 。该学会于1 9 9 3 年制定的生 命周期评价大纲依然是目前国际学术 界和工业界开展生命周期评价工作的 主要指南。 s e t a c ( 1 9 9 1 ，1 9 9 2 和1 9 9 3 ) 1 4 1 提 出的l c a 方法论框架，将生命周期评 价的基本结构归纳为四个有机联系部 分( 图1 1 ) ：定义目标与确定范围、清 单分析( i n v e n t o r ya n a l y s i s ) 、影响评价 ( i m p a c ta s s e s s m e n t ) 和改善评价 ( i m p r o v e m e n ta s s e s s m e n t ) 。 2 ) i s 0 1 4 0 0 0 系列标准的l c a 概念框 架 i s o 于1 9 9 7 年6 月颁布丁 i s 0 1 4 0 4 0 ( 环境管理一生命周期评价一 原则和框架) 标准，在原来s e t a c 框架的基础上做了一些改动，成为指导 清单分析 图1 1s e t a c 概念模型 f i g 1 1s e t a cc o n c e p t u a lm o d e l 图1 2i s 0 1 4 0 0 0 系列标准的l c a 概念框架 f i g 1 2i s o 14 0 0 0s e r i e so fs t a n d a r d so fl c a 第1 章绪论 企业界进入i s 0 1 4 0 0 0 环境管理的一个国际标准。 i s 0 1 4 0 0 0 将生命周期评价分为互相联系的、不断重复进行的四个步骤：目 的与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释( 图1 2 ) 。i s o 对s e t a c 框架的 一个重要改进是去掉了改善评价阶段。同时，增加了生命周期解释环节，对前 三个互相联系的步骤进行解释。另外，i s 0 1 4 0 0 0 框架更加细化了l c a 的步骤， 更利于指导开展生命周期评价的研究与应用。 1 3 3 二甲醚的生命周期评价研究进展 二甲醚作为替代燃料是改变能源结构，提高能源利用率、降低能耗的热点， 但是研究往往局限于用二甲醚作为车用燃料与其他燃料( 比如柴油) 的比较。 浙江省能源集团公司贺元启【l6 j 对比了煤气化制二甲醚与生物质制二甲醚 的环境排放性能，得出用生物质制二甲醚可以降低污染排放。 重庆大学吴锐【l 习以天然气基汽车代用燃料系统为研究对象，运用生命周期 评价方法，评估用天然气生产压缩天然气、甲醇、二甲醚、柴油四种代用燃料 系统的生命周期指标，从能源、环境和经济( 3 e ) 三方面评价天然气基汽车代用 燃料系统。 清华大学申威【l8 】对比了天然气基二甲醚、压缩天然气( c n g ) 、甲醇 ( m e o h ) 和天然气合成油( g t l ) 作为汽车替代燃料的能源消耗和温室气体 排放。 清华大学张寒【1 9 】对煤制甲醇燃料从矿井到邮箱进行了生命周期评价，从环 境影响、经济性和能源利用效率3 个方面对中国煤制甲醇生命周期过程的5 种 方案做了全面的评价，为煤制甲醇系统选择提供了有价值的参考。 上海交通大学张亮博士【2 们，首次以煤基二甲醚作为研究对象，建立了二甲 醚作为汽车燃料替代柴油应用的生命周期清单，对全生命周期能源消耗和温室 气体排放进行了研究，并对比了二甲醚与煤制柴油路线，分析了二甲醚的经济 性，肯定了二甲醚作为替代汽车燃料的优越性。 美国阿冈国家实验的m q w a n g 建立了用于评价汽车代用能源燃料生命周 期温室气体和有害排放及能源消耗的g r e e t 模型( t h eg r e e n h o u s eg a s e s ， r e g u l a t e de m i s s i o n s ，a n de n e r g yu s ei nt r a n s p o r t a t i o n ( g r e e t ) m o d e l ) ，可以在 输入生命周期系统边界条件下，对天然气基二甲醚和煤基二甲醚分析以汽车运 第1 章绪论 输距离为功能单位的能源消耗和污染排放的生命周期清单，对汽车代用能源进 行评价与比较【2 1 】- 【2 2 1 。 1 4 主要研究内容 1 4 1 问题的提出 二甲醚是一个具有发展前景的新兴产业，它对国民经济的发展，能源结构 调整，环境保护都具有十分重要意义。将二甲醚纳入发展绿色能源、解决能源 安全问题的重要课题，并给予政策支持，是非常必要的。 虽然关于二甲醚生产及应用的研究很多，可是煤基二甲醚生命周期的能耗 性、环境性以及经济性的研究非常有限，而且没有系统的对二甲醚生命周期清 单的对应环境影响类型进行评价。同时，往往研究具有局限性，更多地倾向于 分析二甲醚作为汽车替代燃料的各项能源消耗与污染排放指标。 二甲醚以煤为生产原料，煤基二甲醚全生命周期过程比煤炭直接利用增加 了煤n - 甲醚生产环节，必然会增加能源消耗和污染排放，二甲醚在终端应用 时的单位可利用热量下的二甲醚与煤直接利用对能耗与环境的贡献值没有系统 的量化比较。 利用生命周期评价这个成熟的理论建立二甲醚生产的生命周期清单，与原料 煤炭直接利用时的终端应用单位可利用热量下比较能源效益和环境效益，对其 推广应用给出技术性指导，是一种完整可靠的分析方法。同时，根据生命周期 清单分析二甲醚生产过程对人和自然生态的影响，并对比原料煤直接利用对外 界的影响，是非常有理论与实际意义的。 目前二甲醚作为替代城市燃气，因能源需求的持续上升和二甲醚对液化石 油气的良好可替代性，不存在市场问题，其应用关键在成本的控制。目前国内 二甲醚的成熟生产工艺是采用二步法，工艺流程长，其价格受甲醇价格的影响 较大，如果以二甲醚的热值和目前使用液化石油气的热值相比，二甲醚的成本 不能超过3 0 0 0 元吨，这样才具有竞争力。二甲醚生产的初投资费用较高，如何 进行合理的、适合推广的定价也是二甲醚目前面临的问题。 第l 章绪论 1 4 2 研究内容 基于发展煤制二甲醚面临的问题，本文以我国重点扶持的鄂尔多斯年产3 0 0 万吨二甲醚化工建设项目为分析对象，以东胜煤为原料，分析二甲醚生产及应 用过程的生命周期的能源消耗、环境排放，并与原料煤的可利用热量下的生命 周期各项指标对比，并探讨二甲醚的价格体系构成。 其中，二甲醚输配过程的能耗与排放由运输工具和运输距离所决定，以往 的研究以全国能源运输平均距离和运输工具使用比例来计算，对于实际情况不 具有代表意义，本文仅提出二甲醚输配过程的计算模型，实际过程根据实际运 输状况进行计算，不包含在清单分析之内。 本文以d m e 作为城市燃气的使用方式为研究对象。d m e 作为城市燃气， 是一种绿色清洁能源，本文研究的侧重点在二甲醚生产阶段，建立的生命周期 清单为二甲醚产业优化提供数据参考。研究工作包括以下几个方面： 1 ) 建立生命周期煤基二甲醚生产和输配的算法模型，并分析了二甲醚的 应用。根据算法模型建立煤基二甲醚生命周期清单，各过程将燃料生产子单元 数据进行回归，能源消耗主要为原料煤的消耗，环境排放包括有害气体c o 、 v o c 、p m 。、s o ，和n o ，温室气体c o ，、c h 。和n ，o 。 2 ) 全生命周期对煤基二甲醚与煤炭进行对比，对比单位可利用热量的能 耗指标和环境排放指标。 3 ) 将煤基二甲醚生命周期清单的能源消耗与不可再生资源潜力对应，环 境排放分析对应几种主要环境影响类型，包括全球变暖潜力、光化学氧化物潜 力、酸化潜力和人体毒性潜力，计算煤基二甲醚对这几种环境影响类型的贡献， 并对比单位可利用热量下的煤基二甲醚与煤炭对环境的影响。 4 ) 建立二甲醚生命周期成本分析模型，包含煤开采、二甲醚生产和输配应 用过程，分析二甲醚的内部成本以及由环境排放造成的对社会影响的外部成本， 给出二甲醚的生命周期成本。 第2 章二甲醚生命周期清单分析 第2 章二甲醚生命周期清单分析 二甲醚燃烧性能好，污染物排放少，被认为是理想的清洁性替代燃料并获 得政府的支持。生命周期评价清单分析是针对产品、工艺或活动的整个生命周 期阶段中能源、资源输入和输出以及向环境的排放输出( 包括废气、废水、固 体废弃物及其他环境释放物) 进行以数据为基础的客观量化过程。清单分析的 步骤有数据收集准备、数据收集、数据计算和清单分析结果，其核心是建立以 产品功能单位表达的产品系统的输入和输出( 即建立清单) 。 清单分析的步骤如图2 1 表示，它是一个不断重复的过程【z 引。 缘歪 l 魏蘧舞牧纂i 君的l t _ 一 羲据 盏摆竣臭革 缝厂 革l 数据懿确认 l l _ r _ j 考绶辅 医三高磊习 需要 勇井 的数 据或 革元 谨疆 薮据与功戆单位豹美联 鼓据豹台势 i 茬绞边再豹修改 完成的清单 图2 1 清单分析程序 f i g 2 1i n v e n t o r ya n a l y s i sp r o g r a m 1 4 第2 章二甲醚生命周期清单分析 2 1 目的与范围确定 2 1 1 方法论【2 4 】 确定目的与范围的重要性在于它决定为何要进行某项生命周期评价( 包括 对其结果的应用意图) ，并表述所要研究的系统和数据类型。研究的目的、范围 和应用意图涉及到研究的地域广度、时间跨度和所需数据的质量等因素，他们 将影响研究的方向和深度。 1 ) 研究目的： 研究目的应包括一个明确的关于l c a 研究的原因说明及未来结果的应用。 2 ) 研究范围： 研究范围定义了所研究的产品系统、边界、数据要求、假设及限制条件等。 在确定研究范围时，需要对产品功能( 性能特征) 进行清楚定义，由此衍 生出功能单位的概念。功能单位是对系统功能的测量，必须是明确规定并且可 测量的、与输入和输出数据有关。 3 ) 功能单位： 功能单位确定了量化这些选定功能的基础，功能单位必须与研究的目的与 范围相符。 功能单位的主要作用之一是提供一个在数学意义上统一计量输入与输出的 基准。因此，功能单位必须是明确规定并且可测量的。一旦确定了功能单位， 就须确定实现相应功能所需的产品数量，此量化结果即为基准流。 基准流被用来计算系统的输入与输出，系统问的比较必须基于同样的功能， 以相同功能单位所对应的基准流的形式加以量化。 4 ) 数据质量： 数据质量决定了最终的生命周期评价研究结果的质量。数据质量主要涉及 时间跨度、空间范围( 局地、区域或全球等等) 和技术覆盖面( 技术代表性等 等) 。 应包括下列方面的数据质量要求： 时间跨度：所需数据年限( 如最近5 年内) 和从中收集数据的最短时段( 如 1 年) ； 地域广度：为满足研究目的，从中收集单元过程数据的地理范围( 如局地、 第2 章二甲醚生命周期清单分析 区域、国家、洲、全球) ； 技术覆盖面：技术组合(