燃料乙醇溫室氣體排放與能量投入/產(chǎn)出的探討

化進(jìn)展2013年第32卷第11期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●2599●進(jìn)展與述評。05000500052燃料乙醇溫室氣體排放與能量投入/產(chǎn)出的探討岳國君，王滿(mǎn)意，林鑫(國家能源生物液體燃料研發(fā)(試驗)中心，北京100020)摘要:介紹了基于全生命周期評價(jià)和生物燃料系統分析模型的燃料乙醇溫室氣體排放及能量投入/產(chǎn)出研究結果，總結相關(guān)研究工作進(jìn)展。從降低溫室氣體排放和能量投入/產(chǎn)出比的角度，對燃料乙醇原料的選擇、生產(chǎn)工藝優(yōu)化的指導原則、能源產(chǎn)品多元化以及工廠(chǎng)布局與物流等問(wèn)題提出相應建議。關(guān)鍵詞:生物燃料;溫室氣體;燃料乙醇;能量投入/產(chǎn)出; 全生命周期評價(jià)中圖分類(lèi)號: TQ 519文獻標志碼: A文章編號: 1000- 6613 (2013) 11 - 2599 - 05.DOI: 10.39/jissn. 0006613.2013.11.012Study on the green house gas(GHG)emission and energy input/outputassessment for fuel ethanolYUE Guojun, WANG Manyi, LIN Xin(National Energy Research Center of Liquid Biofuels, Beijing 100020)Abstract: Green house gas (GHG) emission and energy input/output analysis for fuel ethanol, based onlife cycle assessment (LCA) as well as biofuel model-based system analysis, is introduced, and relatedresearch progress is summarized in the paper. In order to reduce GHG emission and consider energyinput/output, feedstock selection, manufacturing process optimization, energy output maximization bydiversified energy products and layout of fuel ethanol plant are recommended.Key words: bio-fuel; green house gas; fuel ethanol; energy input/output; life cycle assessment我國作為世界能源消費大國，1993 年開(kāi)始已成可利用程度的一種度量。降低能量投入產(chǎn)出比是當為原油凈進(jìn)口國，對外原油依存度從1993年的6%今生物質(zhì)能研究的核心課題之一，而溫室氣體分析逐年遞增，2009 年首次突破50%，2012 年達到是另- -熱點(diǎn)。發(fā)展生物質(zhì)液體燃料與上述兩大問(wèn)題56.4%。同樣，煤炭也經(jīng)歷了類(lèi)似的過(guò)程。2009年直接相關(guān)。因此，可以把能量投入/產(chǎn)出比和溫室氣起，從煤炭?jì)舫隹趪優(yōu)閮暨M(jìn)口國，2012年進(jìn)口煤.體排;放看作是評價(jià)生物質(zhì)能轉化為生物液體燃料是炭2.9億噸，居世界第一，超出第二名的日本近億否可行的兩個(gè)關(guān)鍵因素。噸?；茉炊倘睂⑹俏覈l(fā)展長(cháng)期面臨的重大全生命周期評價(jià)以及基于全生命周期的生物燃課題。料系統分析模型在國內外得到廣泛研究[-4),如美國從能源的形式看，高品質(zhì)液體燃料最為緊缺，的GREET ( greenhouse gases, regulated emissions,而生物質(zhì)液體燃料代替化石燃料已經(jīng)成為發(fā)展替代and energy use in transportation) 模型、加拿大的能源的一個(gè)重要趨勢。在替代高品質(zhì)液體燃料方面，.LEM (life cycle emissions model) 模型和英國的不妨分兩個(gè)層次考慮:一是將 固體化石能源轉化成E4tech模型5-]、國內清華大學(xué)的TLCAM液體燃料，如煤制油;二是將可再生資源轉化成液體燃料。在將可再生資源轉化為液體燃料的過(guò)程中，收稿日期: 2013-08-27 :修改稿日期: 2013-09-17.還是要消耗一定數量的化石資源。而化石能源消耗第一作者:岳國君(1963- -)， 男，教授級高級工程師，博士，主要從事生物燃料方面研究工作。聯(lián)系人:王滿(mǎn)意，主要從事生物化工方面量的多少也即常說(shuō)的能量投入/產(chǎn)出比則可視為其研究。E-mail wangm中國煤化工YHCNMH G化I進(jìn)展2013年第32卷(Tsinghua China automotive energy LCA model)模reduction value, NGRV)的概念，即1 MJ生物燃料型8]、農業(yè)部規劃設計院與意大利都靈理工大學(xué)合相對于基準燃料的全生命周期GHG排放減少量,作建立的ECEBM評價(jià)模型41。能量投入/產(chǎn)出以及而GHG凈減少比例(net GHG reduction ratio,溫室氣體排放作為兩大核心主題貫穿其中，具體的NGRR)是指1 MJ生物燃料的凈減排量相對于基準模型可參考相關(guān)的綜述)和專(zhuān)著(zhù)I0。本文僅對能量燃料的全生命周期GHG排放量的比例。表2列出投入產(chǎn)出以及溫室氣體排放的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，了生物燃料與汽油全生命周期GHG排放結果的并根據這些結果得到關(guān)于生物燃料乙醇發(fā)展的啟示對比。和相關(guān)建議。由于模型、邊界條件以及基礎數據的不同，對1全生命周期評價(jià)(LCA)溫室氣體于同種乙醇產(chǎn)品，表2所列數據結果也不盡相同。除玉米(中國)和甜高粱燃料乙醇外的NGRV出現排放正值外，其它均為負值，說(shuō)明所列生物質(zhì)乙醇的全燃料乙醇在其生命周期內產(chǎn)生許多環(huán)境排放,.生命周期碳排放量明顯減少;此外,木質(zhì)纖維素(玉環(huán)境排放又可分為直接排放和間接排放，兩者之和米秸稈、柳枝稷、芒草)類(lèi)燃料乙醇的NGRV相對稱(chēng)為完全排放。直接排放是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中直接產(chǎn)更低，說(shuō)明二代燃料乙醇的減排效果更明顯。生的排放;燃料乙醇生產(chǎn)中需要投入原料和能源，從生命周期各階段考慮，原料生產(chǎn)階段的排放為取得這些原料和能源而產(chǎn)生的排放為燃料乙醇生對整個(gè)生命周期排放有重要影響，玉米乙醇種植階產(chǎn)中的間接排放。分析燃料乙醇的環(huán)境效益，必須段排放占到總量的47%，這其中氮肥的投入是導致考慮其生命周期內的完全排放。文獻[2，11-12]報道排放增加的主要因素1!3]?？紤]生產(chǎn)過(guò)程中吸收CO2，了單位質(zhì)量玉米燃料乙醇配比成的E10 燃料和普木質(zhì)纖維素類(lèi)乙醇原料在原料生產(chǎn)中排放值為負，通汽油生命周期內的排放值。由于乙醇的熱值小于這使得木質(zhì)纖維素乙醇相對玉米燃料乙醇具有更好汽油，因而以汽油能量為基準折算后的排放量將進(jìn)的減排效果7。一步減小，其具體結果見(jiàn)表1。燃料生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品分攤能較好地降低其由表1可見(jiàn)，在整個(gè)生命周期內，E10燃料的總排放量和汽油的總排放量相當。其中, VOC、NO、表2生物燃料與汽油 GHG排放結果對比CH4和N2O稍大于汽油的排放，而CO、PM10、燃料種類(lèi)GHGNGRV NGRR數據來(lái)源SO,和CO2明顯小于汽油的排放，因此玉米燃料乙/gCO2, eM.J'醇部分替代汽油可較大幅度地減小空氣酸化及氣候1013]中國變暖趨勢。[14]近期研究[10提出了GHG減少凈值(net GHG[s， 15] 美國，中國玉米乙醇13137 39%表1 E10 燃料和汽油的全生命周期排放"765]美國排放項目汽油E10折算比率“木薯乙醇25 - 27% [I3]/mgkg'/mgkg1%小麥乙醇3914]歐洲VOC21.1618.8320.689.82甜高粱乙醇1451 54%321.46.501.69 .314.12-37.392%16]內蒙NO,26.1425.2125.541.32甘蔗乙醇PM103.083.0-0.1582. - 87%5.618.095.48-32.24甜菜乙醇I4]CH47.4.32玉米秸稈乙醇23N2O2.742..684.3746- 49% [17]CO231 206.58 35 515.0330 493.34-14.1418]加拿大①折算為與汽油能:量相等的EI0燃料燃燒后的排放。②比率計算方柳枝稷乙醇65- 69%法: (折算后排放 汽油排放) /汽油排放，例(20.68- 18.83) /18.83=芒草乙醇22- -72- -779.82%。⑧voC為揮發(fā)性有機化合物。注:NGRV及N中國煤化工CO2, eMJ計算。TYHCNMH G第11期岳國君等:燃料乙醇溫室氣體排放與能量投入產(chǎn)出的探討●2601●排放水平，根據文獻[13]報道，玉米、木薯和甜高用能量替代法，即在圖1中用生產(chǎn)主產(chǎn)品與副產(chǎn)品粱燃料乙醇副產(chǎn)品在溫室氣體排放方面的分攤比率功能相當的替代產(chǎn)品所需能量FE5加以表示。例分別為30.%、18.06%和 20%，因此單從燃料乙醇如，有關(guān)飼料生產(chǎn)所需能量可以用生產(chǎn)具有相同營(yíng)的角度考慮，增加副產(chǎn)品的產(chǎn)量和價(jià)值能有效降低養量的大豆粉或玉米粉所需的能量表示。同理，玉溫室氣體排放。米油可以用大豆油替代。這種方法通過(guò)擴展系統邊界，將與副產(chǎn)品功能相當的替代產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程包括2能量投入/產(chǎn)出評價(jià)進(jìn)來(lái)，避免了對副產(chǎn)品生產(chǎn)所需能量的直接計算。2.1能量投 入/產(chǎn)出評價(jià)方法能量輸出包括乙醇的燃燒熱能( biomass energy ,20世紀70年代中期，美國就開(kāi)始關(guān)注玉米燃BE)和副產(chǎn)品的替代能量FE5。料乙醇的能量平衡問(wèn)題的研究19-20]。當時(shí)乙醇替代除典型的玉米燃料乙醇外，我國農業(yè)部的研汽油的能量效益的有關(guān)研究指出，玉米燃料乙醇的究4已擴展至對包括中糧廣西北海木薯燃料乙醇在能量投入/產(chǎn)出略顯負值。內的甜高粱、木薯等非糧燃料乙醇，并得出初步結至20世紀80年代末期，為了減少空氣污染，論，認為非糧與玉米乙醇相比具有較強的優(yōu)勢，但玉米燃料乙醇再次引起人們的關(guān)注，其能量平衡問(wèn)在生產(chǎn)過(guò)程中需要積極開(kāi)發(fā)副產(chǎn)品，加強對廢液和題的研究不斷出現13.16)， 但由于劃定的系統邊界、廢渣的回收利用，實(shí)現經(jīng)濟、能量和環(huán)境的“三贏(yíng)”?？紤]的影響因素等多種條件的不同，其研究結果存2.2幾種常見(jiàn)原料的生物燃料能量投入/產(chǎn)出評價(jià)在很大差異，這也影響到其在評價(jià)可持續性工作中表征燃料乙醇能耗的參數是能量?jì)糁?NEV)、的應用。能量產(chǎn)率(NER)以及化石能源強度( 1/NER) [10]在典型的研究中，生物燃料全生命周期的能耗所謂能量?jì)糁凳侵溉〉玫纳锶剂夏芰颗c所用化石過(guò)程概括為化石能和太陽(yáng)能共同驅動(dòng)的兩個(gè)系統，能耗的差值。能量產(chǎn)率為1MJ化石能耗所取得的生其能量的輸入、輸出及內部流動(dòng)如圖1所示B。物燃料能量，即能量的產(chǎn)出/投入比，化石能源強度在圖1中，能量輸入包括太陽(yáng)能( solar energy,則為投入/產(chǎn)出比。NEV大于0或NER大于1表明SE)和從玉米種植到乙醇燃燒整個(gè)生命周期直接或生產(chǎn)系統的能量輸出與化石能輸入相比具有能量盈間接消耗的化石能( fossil energy，FE)。 其中，FE余[13. 2212包括玉米生產(chǎn)過(guò)程的能耗FE1 (由種子、化肥、農綜合以玉米、木薯、甜高粱等糧食或非糧作物藥、電力和燃料等間接載入的化石能)、乙醇轉化過(guò)為原料，以及玉米秸稈、柳枝稷等以木質(zhì)纖維素為程消耗的能量FE3 (主要來(lái)自于玉米粉碎、蒸煮，原料的燃料乙醇評價(jià)結果見(jiàn)表3所示。如果以汽油酒糟的干燥，乙醇的蒸餾及脫水，以及副產(chǎn)品生產(chǎn)為基準，除某些以玉米和甜高粱為原料的研究外,等操作)以及運輸玉米以及燃料乙醇消耗的能量幾乎所有考核的生物質(zhì)原料制取燃料乙醇的能量?jì)鬎E2和FE4 (與運輸方式和運輸半徑有關(guān))。乙醇值都是正值，能量產(chǎn)出均有盈余。轉化過(guò)程生產(chǎn)的副產(chǎn)品包括干法工藝的全干精糟飼全生命周期中化石能量的投入主要來(lái)自原料生料(ditiller's dried grains with solubles, DDGS) 和產(chǎn)和燃料生產(chǎn)兩個(gè)階段，清華大學(xué)在車(chē)用能源技術(shù)濕法工藝的玉米面筋粉(corm gluten meal, CGM)、路線(xiàn)全生命周期分析中作了詳細分析[10]。針對近期玉米面筋飼料(corm gluten feed, CGF)以及玉米油。的文獻報道，忽略原料混配和運輸過(guò)程的化石能源為了考慮FE3中生產(chǎn)副產(chǎn)品所占份額，文獻[21]采消耗，把能量投入分解成原料生產(chǎn)和燃料生產(chǎn)兩個(gè)階段，結果見(jiàn)表4。原料種植階段的化石能量投入系統邊界FE 化石能基本占到30%~50%，因此，降低這兩個(gè)階段的能耗對于提升能量產(chǎn)出比例均有顯著(zhù)意義。sEFEI，FE2+ FE3, FE4_JSE與溫室氣體排放相似，可采用不同的計算方法玉米生產(chǎn)巡想乙醇轉化乙醇燃燒太陽(yáng)能抵扣燃料乙醇全生命周期中的化石能量投入。例如，生物能采用市場(chǎng)價(jià)值量法，玉米燃料乙醇的副產(chǎn)物可以分副產(chǎn)品副產(chǎn)品替代畢5攤36.71%的總化石能耗，其凈能量值也由分攤前的負值(-9.961 MJ/L)變成正值(1.472 MJL),說(shuō)明圖1玉米燃料乙醇生命周期系統的能量流動(dòng)副產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)中國煤化工響川。.MHCNMH G●2602●化I進(jìn)展2013年第32卷表3生物燃料全生命周期凈能量分析結果表4生物燃料全生 命周期中化石能源投入分析化石能燃料種類(lèi)原料種植%燃料生產(chǎn)%文i源強度NER NEV文獻數據來(lái)源玉米乙醇30.7569.25[1汽油1.34 0.74 -0.34 [5, 13, 17]美國38.0062.00[10]0.80-0.25[23]中國木薯乙醇24.5375.47[l1.13 0.88 -0.1313]30.00 .70.000.62 1.61 0.385]美國甜高粱乙醇49.0051.000.0.C4]中國吉林小麥乙酉51.2348.77[2(0.75 1.30.22]纖維素乙醇40.8059.20[17]0.77 1.30 0.23[11]0.80 1.23]中國(千法伴生產(chǎn)品的數量和價(jià)值是攤薄燃料乙醇這兩項指標工藝) .的有效手段之一。不妨對原料作如下三方面梳理:0.96 1.04 0.04中國(濕法①提高原料作物在種植生產(chǎn)中的副產(chǎn)品數量和產(chǎn)工藝)量;②原料在乙醇生產(chǎn)中能形成高附加值副產(chǎn)品;0.70 1.42 0.30 .24]③開(kāi)辟農林廢棄物作為原料的途徑。如何綜合考慮以上三點(diǎn)因素，選擇好原料，是當下生物燃料產(chǎn)業(yè)[25]應該仔細慎重思考的問(wèn)題。0.65 1.50.33.2 關(guān)于燃料乙醇生產(chǎn)工藝中國廣西燃料乙醇生產(chǎn)工藝影響生產(chǎn)環(huán)節的化石能源消0.35耗，進(jìn)而影響溫室氣體排放。乙醇的生產(chǎn)基于發(fā)酵1.46 0.61 -0.46法釀酒的古老工藝，但乙醇又可作為可再生能源消0.75 1.34 0.2516]中國內蒙中國黑龍江費，因此促進(jìn)了這一傳統工藝向能源技術(shù)領(lǐng)域的跨越。0.40 2..0.6但與傳統能源化工相比，發(fā)酵工藝離不開(kāi)大量甘蔗乙醇0.23 4.32 0.77的水，而影響能耗的關(guān)鍵恰恰就是水。以玉米燃料0.10.8巴西甜菜乙醇0.50 2.00 0.5025]英國乙醇為例，其生產(chǎn)能耗約占全生命周期總化石能量投入的60%。其中液化至精餾脫水部分的能耗約玉米秸稈乙醇0.21 4.77 0.79占整個(gè)燃料乙醇生產(chǎn)工藝的40%~60%1.13],這說(shuō)3.617]明因水的問(wèn)題而消耗的化石能源占到燃料乙醇整個(gè)0.19 5.2 0.8生命周期內總量的24%~36%，并形成了相應的溫0.81室氣體排放。柳枝稷乙醇0.18 5.40.82因此，從燃料乙醇生產(chǎn)階段來(lái)說(shuō)，降低水的參芒草乙醇0.17 6.01 0.83與是減少能量投入和溫室氣體排放的重要措施，切改進(jìn)燃料乙醇生產(chǎn)工藝的措施都應圍繞降低水的耗量來(lái)進(jìn)行。3若干啟示與思考3.3關(guān)于能源產(chǎn)品多元化3.1關(guān) 于生物質(zhì)原料的選擇在玉米燃料乙醇生產(chǎn)實(shí)踐中，飼料、雜醇等副原料的種植對溫室氣體排放和化石能源投入都產(chǎn)品抵扣了一部分能量投入。在以非糧為原料時(shí)，有顯著(zhù)的影響，因此，選擇合適的生物質(zhì)原料是決從能量投入產(chǎn)出角度考慮，更應關(guān)注以產(chǎn)出能源產(chǎn)定燃料乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之-一。我國的燃料乙醇品最大化為目標，特別是對組成復雜的農林廢棄物，工業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,業(yè)界深刻認識到原料的重要性。應重點(diǎn)考慮建設乙醇_沼氣-電力聯(lián)產(chǎn)裝置。初步可農業(yè)科研人員基于C3、C4光合作物的區分，對行性研究顯示，建設同樣規模的乙醇-沼氣-電力聯(lián)哪些植物適合做能源作物己有明確的結論[2728,，但產(chǎn)裝置與單一生產(chǎn)燃料乙醇裝置相比，投入/產(chǎn)出比從溫室氣體排放和凈能的角度，提高生物質(zhì)原料分別是0.77.中國煤化工YHCNMH G第11期岳國君等:燃料乙醇溫室氣體排放與能量投入產(chǎn)出的探討●2603●3.4關(guān)于布 點(diǎn)和物流京:清華大學(xué)出版社，2011.非糧燃料乙醇原料分散，合理的收集半徑限制1] 鈕勁濤，陶梅，金寶丹.玉米基燃料乙醇的綜合效益分析[].湖南農業(yè)科學(xué)，2010 (21); 105-107.了裝置的規模，而非經(jīng)濟規模的生產(chǎn)裝置更制約了I2] EPA. National Emission Inventory(NEI) Database[DB/OL].未來(lái)生產(chǎn)能耗的降低。如果延伸產(chǎn)業(yè)鏈，從收集足2004-01-20.http: /www.cpagov/air/data/neidb.html夠的農林廢棄物開(kāi)始，包括非糧燃料乙醇生產(chǎn)、管[13] Ou X，Zhang X，Chang S, et al. Energy consumption and GHG道運輸、乙醇汽油的調制、儲存、乙醇汽油配送直emissions of six biofiel patways by LCA in (the) Peole's Republicof China[] Applied Energy, 2009， 86: S197-S208.至加油站，以一個(gè)地區的綜合能量投入/產(chǎn)出最佳為14] Wiesenthal T, Schade B, Chritidis P, et al. Analysis of biofuel support目標，以此確定非糧燃料乙醇生產(chǎn)裝置的規?？赡躳olcies[C/Proceedings of the 15th Biomass Conference and會(huì )更加合理。Exhibition, 2007: 7-11.我國的燃料乙醇最初以陳糧為原料，經(jīng)歷了“十[15] Yan X, Inderwildi 0 R, King D A. Biofuels and synthetic fucels in theUS and China: A review of well-to-wheel energy use and greenhouse五”期間的發(fā)展之后，正處于向非糧原料轉型過(guò)程gas emissions with the impact of land- use change[]. Energy &中。建議整合各方面的力量，在現有系統模型的基Environmental Science, 2010， 3 (2): 190-197.礎.上開(kāi)發(fā)標準化的凈能量和溫室氣體排放評價(jià)模16]田宜水，李十中，趙立欣，等.甜高梁莖稈乙醇全生命周期分析[].型，簡(jiǎn)單實(shí)用，可作為業(yè)界，特別是企業(yè)選擇各種農業(yè)機械學(xué)報，2011, 42 (6): 132-137.生物質(zhì)原料轉化為生物液體燃料的評價(jià)工具，以拓[17]田望，廖翠萍，李莉，等.玉米秸稈基纖維素乙醇生命周期能耗與溫室氣體排放分析[].生物工程學(xué)報，2011, 27 (3): 516-525.展非糧原料途徑。[18] Spatari S，Zhang Y，Maclean H L. Life cycle asessment ofswitchgras-and corm stove-derived ethanol-fueled automobiles[].參考文獻Environmental Science & Technology, 2005， 39 (24): 9750-9758.19] Chambers R S, Herendeen R A, JoyceJJ, et al. Giasohol: Does it or[1] 戴杜，劉榮厚，浦耿強，等.中國生物質(zhì)燃料乙醇項目能量生產(chǎn)doesn't it produce positive net energy[J]. Science, 1979， 206:效率評估[].農業(yè)工程學(xué)報，2005， 21 (11); 121-123.90-795.2]戴杜，于隨然，浦耿強，等.基于混合模型的EI0燃料生命周期Emphasis on Corn[ M]. Madison: University of Wisconsin，1979.評估[]..上海交通大學(xué)學(xué)報， 2006， 40 (2): 355-358.21] Kim s, Dale B E. 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