（环境科学与工程专业论文）化学法生产生物柴油的能耗与温室气体排放评价——以餐饮废油为原料.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s h o r t a g eo ff o s s i le n e r g ya n dg l o b a lw a r m i n gh a sb m u g 致g r e a tc h a l l e n g et oh u m a n s e x i s t e n c ea n d d e v e l o p m e n t d e v e l o p i n gb i o e n e r g yi sa ni m p o r t a n tm e a s u r et or e l i e v ee n e r g y s t e n s i o ns u p p l ya n dg l o b a lw a r m i n g b i o d i e s e la sab i o l o g i c a ll i q u i df u e lw h i c hc a nb ed i r e c t l y u s e di nv e h i c l e ss u b s t i t u t i n gp e t r o l e u md i e s e l ，i t sd e v e l o p m e n ti sa t t a c h e d 诚如l yi m p o r t a n c e b yal o to fc o u n t r i e s b i o d i e s e li sn o tn a t u r a l l ye x i s t e d ，a n dp r o c e s s e so fo b t a i n i n ga n d p r o c e s s i n go ff e e d s t o c k ，t r a n s - e s t e r i f i c a t i o n f o rb i o s i e s e la r ea l o n gw i t hf o s s i le n e r g y c o n s u m p t i o na n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n s 。t oa n a l y z et h e l i f ec y c l ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d g r e e n h o u s eg a se m i s s i o n so fb i o d i e s e li so fi m p o r t a n tm e a n i n gt oa s s e s st h es u s t a i n a b i l i t yo f t h ed e v e l o p m e n to fb i o d i e s e ls c i e n t i f i c a l l y c h i n ah a sah l l g en u m b e ro fp o p u l a t i o n s ， a g r i c u l t u r a ll a n di sr e l a t i v e l yi ns h o r t a g e ，a g r i c u l t u r a lp r o d u c t sl i k ev e g e t a b l eo i lm a i n l y d e p e n d so ni m p o r t ，a n dp r o d u c t i o no fb i o d i e s e ld i r e c t l yb yv e g e t a b l eo i li so fg r e a tt h r e a tt o c h i n a sf o o ds e c u r i t y w a s t eo i li st h em a i nf e e d s t o c kf o rc h i n at op r o d u c eb i o d i e s e l t h e p r e s e n tp a p e rb yu s i n gt h el i f ec y c l ea s s e s s m e n tt h e o t y , m a k i n glm jo f b i o d i e s e la st h eu n i t f u n c t i o n , a n a l y z e dt h el i f ec y c l ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sf o r b i o d i e s e lm a d ef r o mf o o dw a s t eo i lb yc h e m i c a lc a t a l y s i si nc h i n a t h er e s u l t ss h o w s ： p r o d u c i n g1m jb i o d i e s e l ，t h el i f ec y c l et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni s1 3 7 5 6 m j ，l i f ec y c l et o t a l e n e r g ye f f i c i e n c yi s7 2 7 ，l i f ec y c l ef o s s i le n e r g yc o n s u m p t i o ni s0 3 3 9 8 m j ，f o s s i le n e r g y r a t i oi s2 9 4 ，l i f ec y c l eg l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ( g w p ) i s2 9 2 4 8 7g c 0 2 e q ；c o m p a r i n gt o p e t r o l e u md i e s e l ，l i f ec y c l ef o s s i le n e r g yc o n s u m p t i o na n dg w p o fb i o d i e s e lh a v er e d u c e db y 7 6 4 2 a n d6 2 。7 4 r e s p e c t i v e 堍e n e r g yo u t p u tb yu n i tf o s s i le n e r g yc o n s u m p t i o ni s3 。9 4 t i m e so fp e t r o l e u md i e s e l ，s od e v e l o p i n gb i o d i e s e lp l a y sap o s i t i v er o l et or e d u c ef o s s i le n e r g y c o n s u m p t i o na n dm i t i g a t eg l o b a lw a r m i n g ；t h el i f ec y c l ee m i s s i o n so fc h 4 a n dn 2 0a r e10 6 5 a n d 7 。2 4t i m e so fp e t r o l e u mr e s p e c t i v e l y , a n dt h eg r e a tp r o p o r t i o no ft h e 璐eo fc o a li nt h e p r o d u c t i o no fb i o d i e s e li st h em a i nr e a s o nf o rt h er i s i n go fl i f ec y c l ee m i s s i o n so fc h aa n d n 2 0 ；t h es t a g eo ft r a i l s - e s t e r i f i c a t i o nf o rb i o s i e s e lc a u s e st h em o s te n e r g yc o n s u m p t i o na n d g r e e n h o u s eg a se m i s s i o n si nt h el i f ec y c l e ，a n dp r o m o t i n gt r a n s - e s t e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , r e d u c i n gf e e d s t o c k ，m e t h a n o la n ds t e a mc o n s u m p t i o ni st h ek e yt ol o w e rt h el i f ec y c l ee n e r g y u a b s t r a c t c o n s u m p t i o na n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n s ；a f t e ra l l o c a t i o n , l i f ec y c l ee n e r g yc o n s u m p t i o n a n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sa l lr e d u c e db y5 s os t r e n g t h e n i n gb y p r o d u c t s r e c o v e r ya n d i n t e g r a t e du s eh e l pt ol o w e rl i f ec y c l ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n s k e yw o r d s ：f o o dw a s t eo i l ；c h e m i c a lc a t a l y z e ；l i f ec y c l e ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；g r e e n h o u s e g a se m i s s i o n s i n 黧目录 图目录 图l ：l c a 系统边界的般划分方法1 0 图2 ：清单分析的基本步骤1l 图3 废弃油脂为原料生产生物柴油的生命周期研究范围1 6 图4 ：餐厨垃圾处理流程1 7 图5 ：生物柴油制取流程1 8 图6 ：累计法计算能耗2 l 图7 ：生物柴油生命周期系统能量流向2 3 图8 ：生物柴油生命周期温室气体流向2 8 图9 ：生物柴油与石化柴油生命周期各种能源类型消耗对比3 5 v i 表毽录 表目录 表l ：世界主要国家( 地区) 的生物柴油发展目标4 表2 ：我国生物柴油原料消耗情况( 2 0 0 7 ) 5 表3 ：生物柴油生命周期各阶段数据收集清单3 0 表4 ：生物柴油生产、运输消耗与产出清单3 l 表5 ：化学品和动力生产能耗、运输燃料消耗与生物柴油燃烧温室气体排放及其数据来 源3 2 表6 ：煤、石油、天然气、餐饮废油与生物柴油热值1 6 9 ，8 3 ，8 4 】( m j k g ) 3 2 表7 ：煤、石油、天然气燃烧的温室气体排放系数 8 5 ，8 6 】( g m j ) 3 2 表8 ：1 m j 生物柴油生命周期能源消耗与温室气体排放清单，3 3 表9 ：生产i t 石化柴油消耗清单 2 7 】3 4 表1 0 ：1 m j 生物柴油与石化柴油生命周期能耗与温室气体排放对比3 4 表11 ：1 m j 生物柴油生命周期各阶段能耗与温室气体排赦对比3 6 表1 2 ：生物柴油制取阶段能耗与温室气体排放3 6 表1 3 ：与副产物进行分配后的生物柴油生命周期能耗与温室气体排放3 7 v l i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 俊笙 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：丝l 导师签名：逝日期；狮、多夕 1 绪论 1 1 研究背景与问题的提出 1 绪论 随着经济的快速发展与入口数量的持续增长，能源供应短缺与全球气候变暖不断加 捌。2 0 世纪粥年代末以来，中国作隽世界上发展最快的发震中国家，经济社会发展取 得了举世瞩目的成就。在国民经济快速增长的拉动下，中国能源供应与需求持续快速增 长。从总量来看，中国已成为囡前世界第一大能源生产国和第二大能源消费国。中国常 规能源资源的总储量绝对量较为丰富，僵人均能源资源相对不足，资源开采难度较大， 能源资源以煤炭为主，环境污染问题极为突出，能源供需形势从长期看十分紧张，严重 制约着经济社会的持续发展。2 0 0 9 年，中囡进口原油2 0 4 亿吨，对外依存度达5 2 f l 】。 麓源是经济发展和社会进步的重要物质基础，中国正处予工业化发展的中期阶段，随着 工业化进稷的持续推进，经济社会发展对能源的依赖将进一步增大，加强煤、石油、天 然气等化石能源的替代战略研究是解决能源供应紧张，促进经济发展与环境友好的必要 措施。生物质能源是生物质通过光合作用将太阳熊转化、储存在生物体中的一种能量形 式。随着化石能源资源的目趋耗竭和全球气候变暖的日益突出，生物能源开发利用成为 能源替代领域的研究热点。 生物柴油是嘲植物油脂、动物油脂、废餐饮油等与醇类物质经酯交换工艺制成的甲 酯或乙酯燃料，可代替石化柴油在车辆发动机上直接使用，并具有硫含量低，含氧量与 十六烷值高等特点，具有较好的润滑性能、燃烧性能和低温使用性能，可降低油耗，提 高动力性，其开发利用受到世界各国的广泛重视瞬。 生物柴油不能欲自然界中直接获取，生物质原料经获取、加工著在一定条件下转化 成为生物柴油【3 1 ，以上过程均会直接或间接地消耗化石能源并向环境排放温室气体等污 染物质。生物柴油开发利用是否具有可持续性及其可持续性大小，取决于生物柴油能量 产爨与生产过程消耗的化石能源相比，是否具有净能量产出和净产出戆量的大小，以及 与石化柴油相比，生物柴油生产、使用全过程对全球变暖等环境问题的影响是否减少。 对生物柴油全生命周期的能耗与温室气体排放进行系统分析，对于科学评价生物柴油开 发利用的可持续性具有重要意义。 l 绪论 1 2 生物柴油的发展现状 l 。2 1 研究与应用概况 基于生物柒油在加强能源安全、减少温室气体排放与促进农业发展等方面的潜力， 世界上许多国家和地区均在发展生物柴油产业( 表1 ) ，制定了严格的生物柴油技术标准 和行业规范，通过规定石化柴油必须掺入一定比例的生物柴油，对生产和销售生物柴油 实行税收优惠，以及对种植生物柴油原料进行补受占等一系列政策措施支持和鼓励生物柴 油的生产和使用，完善生物柴油的产业化条件。美国是研究、生产和应用生物柴油最早 的国家，政府的大力推动是美国生物柴油产业发展的最大特点。美国能源署及环保署早 在1 9 9 2 年就明确提出使用生物柴油作为替代燃料，并于1 9 9 6 年在清洁空气法的2 1 1 ( b ) 部分中确认了美国生物柴油标准采用善际标准a s t md6 7 5 1 。美国1 9 9 9 年颁布的 开发可再生能源的法令中，生物柴油是重点发展领域之一。在财政补贴与税收减免方面， 1 i 1 2 0 0 1 年1 1 月起，美国农业部每年拿出1 5 亿美元用于补贴生物柴油等生物燃料的使用。 i 参2 0 0 4 年开始，美国政府对生产生物柴油给予生产玉米乙醇所享受的藤等优惠政策，对 以废油和大豆为原料生产的生物柴油，政府分别提供每加仑( 等于3 7 8 5 升) o 5 美元和l 美元的税收减免，对于年产量低于6 0 0 0 万加仑( 2 2 7 1 0 万升) 的小型生物柴油生产企业， 对其在1 5 0 0 万加仑( 5 6 7 7 5 万升) 以内的生物柴油产邀给予1 0 美分幼嚣仑( 2 氍美钟升) 的企业所得税优惠。根据美国能源信息局的统计资料，2 0 0 7 年，美圆生物柴油产量约为 8 0 万吨。美国的生物柴油发展计划是至1 j 2 0 1 6 年产量达到3 8 亿升。欧盟是目前最主要的生 物柴油生产与销售基地，生物柴油产量占欧盟生物燃料总产量的8 0 以上，占世界生物 柴油总产量的6 8 。在欧洲，加油站可直接销售b 1 0 0 纯生物柴油，也可直接销售b 5 生物 柴油而不需做任何标注( 欧洲化石柴油规范e n 5 9 0 ) 。欧盟对生物能源的原料种植、生 产加工、以及市场销售与使用等各个环节均给予了一系列的政策支持与优惠。根据 d i r e c t i v ee c2 0 0 3 9 6 文件，欧盟委员会允许其各成员凰对生物柴油生产实行税收优惠与 减免政策。为减少因税收减免对政府财政收入的影响，欧盟许多国家开始实施在石化柴 油中强制性添加生物柴油的规定，对于达到规定者给予一定的税收优惠。根据欧洲未来 霹再生能源指令框架，欧盟国家生物柴油掺混毙例2 0 1 2 年将达到7 ，2 0 1 5 年达到8 。5 。 同时，欧盟规定对以休耕地种植能源作物给予一定补贴。欧盟的共同农业政策中制定的 土地闲置计划规定：农民必须闲置部分种植食品作物或者饲料作物的耕地用于种植工业 用途的油菜籽、葵花籽和大豆，由政府提供适当的经济补贴，以不超过1 5 0 万公顷为上 2 1 绪论 限，每公顷能源作物可享受4 5 欧元的补贴，目前在德国种植用于生产生物柴油油菜籽的 农民可获得1 0 0 0 马克公顷的补贴。欧盟的生物柴油发展圈标是2 0 1 0 年生物柴油占交通所 用能源的5 7 3 ，2 0 2 0 年占1 0 。巴西政府于2 0 0 4 年1 2 月6 日颁布了实施生物柴油的临时 法令，宣布从2 0 0 7 年开始，必须在矿物油中掺加2 的生物柴油，在2 0 0 8 年7 月1 日提高 到3 ，计划至u 2 0 1 3 年增加到5 。日本予1 9 9 5 年开始研究生物柴油，1 9 9 9 年建成了2 5 9 l d 生产生物柴油的工业化实验装置，目前日本生物柴油年生产能力达4 0 万吨年。新加坡从 2 0 0 8 年下半年开始利用煎炸废油生产生物柴油。马来西皿是驻洲最大的生物柴油生产 国，政府批准了3 2 个生物柴油生产企业，总的生产能力达至u 2 6 0 万吨年1 4 - 9 1 。 我国也在积极加强生物柴油的研究与应用。我国对于生物柴油的系统研究始于中囡 科学院的“八五”重点科研项目“燃料油植物的研究与应用技术”。“十五”计划发展纲要中 提出要发展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。2 0 0 4 年，科 技部高新技术和产业化司启动“十五”国家科技攻关计划“生物燃料油技术开发”项圈，其 中包括生物柴油开发利用的相关内容。2 0 0 5 年，侯祥麟院士主持的替代燃料发展战略研 究将生物柴油纳入替代燃料的主要研究方向之一。2 0 0 5 年5 月，国家8 6 3 计划生物和现代 农业技术领域提前启动“生物能源技术开发与产业化”项目，设立了“生物柴油生产关键技 术研究与产业化 毋究课题。在生物柴油生产与应用方面，2 0 0 5 年，中国农业大学石元 春院士主持的国家专项农林生物质加工工程痘动，制定了2 0 1 0 年我国生物柴油产量达 n 2 0 0 万吨晦：的发展县标。2 0 0 5 年1 2 月，国家发改委办公厅组织实施的生物质工程高技 术产业化专项中明确指出要支持以棉籽、油菜籽、废弃油及其他用木本植物原料生产生 物柴油产业化。2 0 0 6 年1 月1 日，可再生能源法正式生效，为生物柴油等替代燃油进入 市场提供了重要保障。2 0 0 6 年4 胃，国家发改委就我国生物燃料产业发展做出了三个阶段 的统筹安排：“+ 五”实现技术产业化，“十二五”实现产业规模化，2 0 1 5 年屠实现迅速发 展。2 0 0 6 年底，国家发改委组织编制可再生能源中长期发展规划和生物质能发展 纲要，提出以发展车用替代燃料为重点，到2 0 2 0 年我国生物柴油替代达到5 0 0 万吨的战略 目标。弱前，湖南海纳百川公司、四川古衫油脂化工公弱、海南正和生物能源公司、福 建卓越新能源发展公司等都建成了薹2 万吨，年的生产装置，其他民营企业如西安兰天生 物工程公司、河北石家庄炼油化工股份有限公谣、藏海碧路生物能源有限公司等也在计 划生产生物柴油【t o - 1 3 1 。与国外相比，我国生物柴油产业发展总体处于初级阶段，存在生 产规模小、技术设备落后、市场不规范等突出| 藤题，促进生物柴油生产、销售、使用的 相关配套政策仍亟待完善。 3 i 缝论 表l ：世界主要国家( 地区) 的生物柴油发展目标 t a b l el ：t a r g e t so fb i o d i e s e ld e v e l o p m e n ta n dm a i nf e e d s t o c ki nm a i nc o u n t r i e so rd i s t r i c t s 1 2 2 原料供应 国家或遣送生物柴油发晨嗣标 欧登 其中；德囡 法豳 意大利 美国 巴西 印度 马来西亚 中国 泰国 菲律宾 2 0 1 0 年占交通所用能源的5 。7 5 ；2 0 2 0 年占1 0 2 01 0 年5 7 5 2 0 1 0 年7 2 0 1 0 年5 2 0 16 年3 8 亿秀 2 0 1 3 年占交通柴油用量豹5 2 0 1 2 年占交逶柴油翔量1 捻2 0 2 0 0 8 年占交通柴油溺量的5 2 0 1 0 年2 5 亿升；2 0 年2 5 亿升 2 0 11 年占交通柴油用量静3 2 0 11 年占交通柴油用量附2 弱蓠世界各国均选择具有自身优势的原料来发展生物柴油。美国、欧盟、巴西等国 家和地区耕地资源较为丰富。美国生物柴油的生产原料主要有大豆油、黄脂膏和牛油脂 等，其中大豆油是主要生产原料，以大豆油力原料生产的生物柴油在美国生物柴油市场 上蠢有率达8 8 5 t 3 1 。欧盟和加拿大等国家主要以菜籽油为生物柴油生产原料，德国已 培育出专门先生物柴油工厂提供大量原料的油菜籽农业区，到2 0 1 2 年德匿将煮3 0 0 - 4 0 0 万公顷土地用于种植生产生物燃料的农作物l 熨。巴西具有蓖麻、大豆、棕榈、棉籽、向 西葵和玉米等丰富的生物柴油原料资源，其中蓖麻籽的年产量可达2 0 0 多万吨，大豆的 产量达5 0 1 0 万吨，占世界总产量的2 6 。马来西亚是棕桐油的最大生产国与爨西国，主 要使用棕榈油生产生物柴油【7 l 。 中国入口数量较大，入均耕地不到o 1 公顷，农产品及檀物油脂资源极为短缺，每年 需进口大量食用油及其他农产品。据中国有关部门数据显示，2 0 0 9 年，中国进1 2 1 8 1 6 万 吨植物油，同比增长8 2 ，对外依存度在6 麟以上醚4 1 。中国作为一个发展中的国家，政 府财力有限，农产品生产与进口应首先用于保障国内食物供应，以食用植物油直接生产 生物柴油对粮食安全存在极大威胁。髓前我国主要以地沟油、植物油下脚料、餐饮废油 等废弃油脂作为生物柴油的生产原料。据有关资料显示，我国每年加工食用油约7 2 4 5 4 1 绪论 万吨，加工过程产生的永他油脚、碱漂皂角、脱臭油酸等下脚油约1 0 0 万吨，占毛油质 量的8 1 2 ，回收加工成“酸化油”，其油脂含量可达9 2 以上；我国大中城市餐饮企 业排出的地沟油、剩饭菜中分离出的潲水油、城市煎炸食品废弃的煎炸油每年约3 0 0 万 吨；此外，皮革、造纸行业也可产生大量的脱脂油和塔尔油等废弃油脂瑟5 1 。泼弃油脂是 重要的生活凌水污染物质，含有大量有毒有害成分，直接搀放到水体，会导致严重的水 质污染，对人类居住环境产生较大影响，处理不当而重新进入食用领域则会对人体健康 产生严重危害，我国2 0 0 2 年颁布的食品生产经营单位废弃食用油脂管理的规定中己 臻令禁止废弃食用油重新进入食用领域。废弃油脂含有大量有机物，8 5 以上为棕榈酸、 硬脂酸、油酸和皿油酸等不饱和脂肪酸，经过加工处理后反应制得的生物柴油可完全满 足车用燃料所需具备的性能l 泊l 。生物柴油生产对油脂原料需求巨大，将废弃油脂加工处 理螽作为生物柴油生产原料可定程度上解决生物柴油生产的原料瓶颈，并可有效解决 废弃油脂的环境污染等问题。目前我国大部分生物柴油生产企业如海南正和生物能源公 司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源发展公司、河北古杉油脂化学有限公司和 无锡华宏生物燃料有限公司等均主要采用废弃油脂生产生物柴油( 表2 ) 。 表2 ：我国生物柴油原料消耗情况( 2 0 0 7 ) t a b l e3 ：r a wm a t e r i a lc o n s u m p t i o no fb i o - d i e s e li nc h i n a ( 2 0 0 7 ) 注；数据与资料来源于文献【1 7 】 5 l 绪论 1 2 3 生产技术 生物柒油的捌备方法包括直接混合法、微乳液法、高温热解法和酯交换法等，酯交 换法是目前普遍用于工业生产的生物柴油生产方法。生物柴油的酯交换生产法是通过将 动、植物油脂与醇类物质进行酯交换反应，改变动、植物油脂的分子结构，使主要成分 舅爵肪酸甘油脂转化为分子量仅为其约i 3 的脂肪酸低碳烷基酯。脂肪酸低碳烷基璐的流 动性和黏度等各项指标均褥到较大改善，可用作车用柴油内燃机燃料使用【1 8 1 ( 式1 1 ) 。 9 l l l 旬o c r l譬丑0 o 嚣 r ic o o r 一o c + 3 1 1 0 h 一糕4 - 玛c o o r 亡魄o o e 墩e 0 珏i t , e o o r ( 1 _ 1 ) 生物柴油的酯交换生产方法根据催化剂的不同又主要分为酸催化、碱催化、生物酶 催化和超临界酯交换法。酸催化采用的催化剂为酸性催化剂，主要有硫酸、盐酸、磷酸 和对甲苯磺酸等。c r a b b e 等研究表明，在反应温度为9 5 ，甲醇与棕桐油摩尔比为4 ：1 ， 硫酸用量为油脂5 的条件下，反应9 小时后脂肪酸甲醮产率可达到9 7 【1 9 1 。碱催化法 采用的催化剂为碱性催化剂，可包括甲醇钠、氢氧化钠、氢氧化钾等无机碱和1 ，5 ，7 三氮杂二环f 4 ，4 ，o 】5 葵烯( t b d ) ，l ，3 二环己基- 2 心辛基胍等一系列含氮的有机碱。 a l e a n t a r a 等使用甲醇钠为催化剂铡备生物柴油，在反应温度为6 0 ，甲醇与油脂摩尔 比7 5 ：l ，甲醇钠用量为油脂的1 ，转速6 0 0 r m i n 的条件下，酯化反应基本完全1 2 0 1 。邬 国英等研究了以k o h 为催化剂，反应温度为4 5 ，醇油摩尔比6 ：1 ，催化荆用量为油 脂的1 1 ，反应l 小时后，精棉籽油与甲醇酯交换反应制取生物柴油的原料转化率可达 9 8 2 。以含氮类的有机碱作为催化剂进行酯交换，分离简单清洁，不易产生皂化物和 乳状液。z h a n g ，y 对酸催化酯化法和碱催化酯化法生产生物柴油进行比较发现，以废 食物油作为生产原料时，酸镬化工艺比碱催化工艺更篱单可行，而直接以精炼植物油作 为生产原料时，则碱催化工艺更可行瞄】。幽于传统的酸碱催化制备生物柴油存在着工艺 复杂、醇消耗量较大，产物回收困难等缺点，近年来，人们开始研究利用生物技术酶法 催化制备生物柴油。用脂肪酶代替传统酸碱的生物催化痢法具有条件温和、醇用量小、 产品易于收集，基本无污染排放等优点，用于合成生物柴油脂肪酶主要有酵母脂肪酶、 根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶、猪胰脂肪酶等。但目前脂肪酶的价格较为昂贵，利用脂肪酶 催化生产生物柴油成本较高，限制了生物酶催化法在王业规模生产生物柴油中的应震 】。超临界酯交换法也是近年来新发展起来的生物柴油制备方法。超临界酯交换法具有 6 1 绪论 反应产物与催化荆易于分离，反应时间短，转化率高等优点，但对反应条件要求高温、 高压，设备要求高、投资大、按耗与能耗均较高 2 4 1 。酸、碱催化等化学催化法仍是躁前 生产生物柴油的主要方法。 1 3 l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t a n a l y s i s ) 方法及其应用 1 3 i l c a 的定义与内涵 l c a 通常被解释为生命周期评价( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) ，或生命周期分析( l i f e c y c l e a n a l y s i s ) ，也被称为“从摇篮到坟墓”分析( f r o mc r a d l et og r a v e a n a l y s i s ) 。星际环 境毒理与环境化学学会( s e t a c ) 对l c a 的定义是：通过对能源、原材料的消耗及“三 废”的排放进行鉴定及量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来负担的客观方法【2 弱。 莺际标准化组织( i s o ) 对l c a 的定义是：汇总和评估一个产品( 或服务) 体系在其整个 生命周期间的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法 2 6 1 。l c a 的核心在于对产品 ( 或服务) 从原材料的获取和处理、产品生产与加工、产品分配和运输到产品使用与回 收以及废弃产品的最终处置等进行全过程豹资源消耗和环境影响分析和评价，为公众和 社会提供科学、全面的资源消耗与环境影响状况，以便于人类采取措施改善自身活动对 资源与环境造成的不利影响。 1 3 。2 l c a 的起源、发展及应用 l c a 最旱出现于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初美国开展的一系列针对包装晶的分析 和评价，当时被称为资源与环境状况分析( r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp r o f i l ea n a l y s i s ， r e p a ) 。1 9 6 9 年，美国中西部研究所对可口可乐公司的饮料包装瓶进行了从原材料采掘 到废弃物最终处理的全过程进行跟踪与定量分析，并得出一次性塑料瓶较可回收玻璃瓶 更具环境友好性的研究结论。隧后美冒其他及欧洲的一些研究机构和咨询公司也相继开 展了系列类似研究。这一期间的l c a 工作主要由工业企业发起，l c a 研究结果作为 工业企业内部的参考资料用于产品的改进和管理【2 弛s 】。 进入2 0 世纪8 0 年代，l c a 方法学研究逐步展舞。欧溯和美凰的一些研究和咨询机构 根据r e p a 的思想建立了有关废弃物管理的一系列方法论；英国的b o u s t e a d 咨询公司 对清单分析方法做了大量研究，逐步形成了套较为规范的l c a 清单分析方法；瑞士联 邦材料测试与研究实验室为瑞士环境部进行的一项包装材料的研究串首次采用了健康 标准评估系统，这项研究引起了国际学术界的广泛关注，并被后来的许多研究所采用。 7 l 绪论 这些都为l c a 方法学的发展和应用领域的拓展奠定了重要基础f 2 9 。3 0 l 。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着工业化的不断推进，区域性与全球性环境问题目益突出， 全球性环境保护意识与可持续发展思想不断加强与普及，可持续行动计划日益兴起， l c a 研究引起公众和社会的广泛关注。1 9 9 0 年，国际环境毒理学与化学学会( s e t a c ) 首次主持召开有关l c a 的国际研讨会，提出了 l c a 的概念，并随后主持和召开了多 次学术研讨会，对l c a 方法进行了广泛研究。1 9 9 3 年，国际标准化组织( i s o ) 开始 起草i s 0 1 4 0 0 0 国际标准，正式将l c a 纳入i s o 体系，1 9 9 7 年公布了有关l c a 的第一 个国际标准环境管理一生命周期评价。原则和框架，并随后颁布了l c a 相关的多项标 准。欧洲、美国、日本等国家和地区制定了系列促进l c a 的政策和法规，如“生态标 志计划”、“生态管理和审计法规”、“包装及包装废物管理准则”等。澳大利赃、韩国、日 本、印度均建立了本国的l c a 学会。大量l c a 的应用案例也不断出现。日本于1 9 9 5 年开始对各类典型材料进行了l c a 评价，以指导和推进全国范围内材料及其制品产业 的环境协调性发展；丹麦三年内对l o 余种产品进行了l c a 研究。1 9 9 6 年，第一本有关 l c a 研究的专业刊物国际生命周期评价学报( t h ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fl i f ec y c l e a s s e s s m e n t ) 正式出舨，标志着l c a 研究在国际上已占有极其重要的地位u 9 1 。耳前，l c a 已发展成为一种极为重要的产品环境特征分析和决策工具，广泛应用于工业企业的技术 改进、政府管理部f 和国际组织的环境政策与标准制定，以及消费者的生态产晶消费指 导等不同层次和领域【3 1 d 4 】。 1 ) l c a 应用于工业企业部门 l c a 在工业企业的主要应用途径可包括产品系统的生态辨识与诊断、产品环境影响 评价与比较、生态产品设计与新产品开发、再循环_ 工艺与新产品开发等。国际上较为著 名的应用案例有布质和一次性婴儿尿布的评价比较、塑料杯和纸杯的评价比较以及汉堡 包聚苯乙烯和纸质包装盒的评价比较等。冒前，惠普公司) 、氆m 公司、a b b 集团、 话门子公司、奔驰汽车公司等一些园际著名的跨国企业均在积极开展l c a 方法论的研 究和各种产品的l c a 应用。 2 ) l c a 应用于政府管理部门和国际组织 政府和环境管理部门可借勃于l c a 进行环境立法、制定环境标准和产品生态标志 等。在环境政策与立法方面，许多发达国家已经借劲于l c a 制定了“面向产晶的环境政 策”，如欧盟规定必须对包装品进行全过程的环境影响评价等。基予生命周期评价实施 生态标识计划有利于促进生态产品的设计和消费，比较著名的有1 9 9 2 年欧盟颁布的欧 8 l 绪论 盟产品生态标志计划”，德国的“蓝天天使计划”，日本的“生态标记 等。l c a 还可用于 支持政府的环境规划制定，如政府的能源、运输和废物管理方案制定与优化等。蘅兰政 府从1 9 8 9 年开展“国家废弃物管理计划”，通过对废弃物进行l c a 研究提出了综合废弃 物管理规划。国际组织主要运用l c a 建立国际环境管理体系，如产品的l c a 研究极大 地促进了国际环境管理体系( i s o ) 的制定和实施。 3 ) l e a 应用于消费者组织 消费者组织主要利用l c a 研究指导消费者进行生态产品消费以及对公众行动进行 从摇篮到坟墓的环境评价。 1 3 3 l c a 的技术方法f 2 6 - 3 5 0 3 】 根据i s 0 1 4 0 4 0 标准定义的技术框架，l c a 包括目标和范围的确定、清单分析、影 响评价和结果解释四个步骤( 图1 ) 。 1 3 3 1 研究目标与范围 目标定义和范围界定是l c a 研究的第一个步骤，也是整个研究过程的出发点和立 足点，对l c a 的研究方向、深度和准确性都有着重要影响。l c a 研究开始之前应明确 定义进行此项l c a 研究的原因和意图。在确定l c a 研究范围时应对所研究的产品系统 边界、功能单位、假设及限制条件等进行详细定义。产品系统是由提供一种或多种确定 功能的中间产品流联系起来的多个单元过程的集合，单元过程是进行生命周期评价时从 中收集数据的产晶系统的基本部分。确定系统边界即确定要纳入待模型化产品系统的单 元过程。建立产品系统的模型与确定系统边界时，必须决定在研究中对那些单元过程建 立模型，并决定对这些单元过程研究的详细程度以及确定涉及到其它产品系统的输入和 输出。合理的系统边界应既可反应研究系统的物理行为，又不必为量化对总体结论影响 不大的输入和输出两耗费资源。产i i i l 系统边界的一般划分方法如匿1 所示，系统与包围 他的系统边界分离，边界外的所有区域成为系统环境，系统环境既是系统所有输入的源， 同时也是系统所有输出的汇。 9 1 绪论 原料 能源 一删采掇矬产卜 一 黼制造 卜 一产品使用厘复利用辫卜 一熊鸦黝锻k - 废气 疲水 废渣 产品 其它 图1 ：l c a 系统边界的一般划分方法 f i g u r el ：g e n e r a lm e t h o dt od e c i d et h es y s t e mb o u n d a r yi nl c a 功能单位是对系统功能的测量，l c a 研究中产品系统各方面情况的描述均以一定的 功能单位( f u n c t i o nu n i t ，即f u ) 为基准，清单分析过程中收集的所有数据都必须换算为 功能单位下的输入与输出量。功能单位可为清单分析中输入、输出数据的收集提供参照 基准，保证l c a 结果的可比性，其选取十分重要，在定义功能单位时应保证功麓单位 必须要有可测度。 1 3 3 2 清单分析 清单分析是对研究系统整个生命周期阶段资源、能源的使用和向环境排放的废物进 行定量的技术过程，清单分析结果是l c a 初始数据在功能单位下的表达，是进行生命 周期影响分析的基础。建立清单的过程郎在所确定的产品系统内，针对每个过程单元， 建立以产品功麓单位表达的产品系统的输入和输出。 清单分析的步骤可用图2 篱要表示，包括数据收集的准备、数据收集、数据检验、 数据计算、与副产品系统进行分配以及完善系统边界等。 1 0 l 绪论 目标和范围的定义 数据l | 殳集准备 修正后数据收集单i数据收集单 数据收集 收集麓数据 数据的有效性检验 有效数据 将数据与攀位过程相连 每一个单位过程的有效数据 将数据与功能单位相连 苏功能单位为基础计算、分配后的数据 数据汇总 计算的清单 完善系统边界 图2 ：清单分析的基本步骤 f i g u r e2 ：p r o c e s s e so fl i f ec y c l ei n v e n t o r ya n a l y s i s 1 ) 数据收集的准备 l c a 研究范围确定后，系统的单位过程和有关的数据类型也可基本确定。由于数据 的收集可能覆盖多个报送地点和多种出版物，需做好数据收集前的准备工作，具体可包 括；绘制具体的过程流程图，以描绘所要建立模型的单元过程与它们之闻的相互关系； 详细描述每个单元过程，并列出与之相关的数据类型；编制计量单位清单；针对每种数 据类型，编写数据收集技术的有关说明；对报送地点发布指令等。 2 ) 数据收集 清单分析需要大量的工艺数据，每一个工艺步骤的原材料使用、能量使用、产品或 共生产品的比率、环境排放等都必须量亿。工艺过程的输入与输出数据主要依赖予产业 部门提供，获公_ 歼出版物中收集的数据，必须标明出处。对于从其他文字资料中收集到 的对研究结论影响重大的数据，必须详细说明数据收集过程、收集时间以及其他数据质 需要另外的数据或单馁的过程 1 绪论 量参数的公舞来源。在数据收集过程中必须检查数据的有效性。有效性的确认包括建立 物质和能量平衡和( 或) 进行排放因子的比较分析。在此过程中发现明显不合理的数据， 就要予以替换，应尽量保证数据质量。 3 ) 计算 数据收集是针对每一个单元过程展开的。最终所有单元过程的初始输入与输出都要 通过计算和转换表达为功能单位下的终端交换量，即对每一单元过程确定适宣的基准流 ( 如i k g 物料或i m j 能量) ，并据此计算出单元过程的定量输入和输出数据。搬据流程图 和系统边界可以将各单元过程相互关联，以统一的功能单位作为所有单元过程中物流和 能流的共同基础，求得整个系统中所有的输入和输出数据。 4 ) 分配 实际生产中，只产出单一产品或服务的工业过程极少见。在l c a 研究中，当一种 生产工艺过程产出多种产品或提供多项服务时，必须根据某一分配参数把物流、麓流和 环境排放等合理地分配到各个产品或服务，尽可施客观反映系统的环境行为。分配参数 可以采用产品的质量、能量、体积、物理的量、市场价值等物理参数或经济价值。 1 3 3 3 影响评价 清单分析对产品整个生命周期内的环境交换进行清查，所得到的环境交换数据中某 些对环境的影响可能十分严重，有些可能较小或无。生命周裳影响评馀是对清