第21卷(2003)第5期內(nèi)燃機學報Vol.21(2003)No.5Transactions of cSIce文章編號:1000-0909(2003)05-0341-0521-086木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期評價胡志遠,戴杜,張成,浦耿強,王成燾(上海交通大學機械與動力工程學院,上海200030)摘要:利用生命周期評價理論,對E10、E2、85和Elo0等木薯乙醇—汽油混合燃料進行了生命周期能源、環(huán)境及經(jīng)濟性評價,并提岀木薯乙醇—汽油混合燃料推廣可行度指標。結(jié)果表明:與汽油比較,所有木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期旳整體能源消耗増加,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,并需要政府補貼政策支持。從平衡能源消耗、環(huán)境影響和經(jīng)濟性角度考慮E10是較合適的推廣應用形式關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機;生命周期評價;木莙乙醇;汽油;混合燃料中圖分類號:TK411.71文獻標識碼:A最有效地利用當?shù)啬臼碣Y源引言生命周期評價是一種評價產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝以及我國在1993年后成為石油凈進口國,石油供需活動對環(huán)境的壓力的客觀過程。傳統(tǒng)的生命周期缺口越來越大。同時,汽車尾氣已成為一些大中城評價主要集中在能源消耗和環(huán)境影響兩個方面。然市空氣污染的主要來源,我國百萬人口以上城市的而,經(jīng)濟性是決定一個項目是否可行的關(guān)鍵因素。大氣污染正由第一代煤煙型向第二代汽車型轉(zhuǎn)本文的研究目標是從生命周期能源消耗、環(huán)境影響化。因此,迫切需要開發(fā)燃料乙醇等石油替代品,和經(jīng)濟性岀發(fā),對廣西木薯乙醇—汽油混合燃料進采取措施節(jié)約石油資源,降低汽車尾氣對城市環(huán)境行生命周期評價,為廣西政府提供決策依據(jù)的污染。從1996年起,廣西石油產(chǎn)量與消費量倍數(shù)比一直保持在1:1.5,石油資源十分短缺。預測到1研究方法2005年~2020年,廣西消費石油約425萬噸~7261.1生命周期框架萬噸,供需缺口約191萬噸~303萬噸,急需替代資木薯乙醇—汽油混合燃料的生命周期是從木薯源。廣西具有豐富的木薯資源,種植面積和產(chǎn)量種植開始到燃料燃燒/車輛使用結(jié)束的系統(tǒng)過程,由占全國木薯種植總面積和總產(chǎn)量的60%。結(jié)合我原料、燃料和燃燒/車輛使用三個子過程組成,包括國的燃料乙醇政策和西部大開發(fā)戰(zhàn)略,廣西政府正化學品生產(chǎn)和運輸;木薯種植、預處理和運輸;乙醇在進行利用當?shù)啬局Y源生產(chǎn)燃料乙醇的可行性研生產(chǎn)和變性;原油開采、汽油精煉、燃料輸配及燃料究,爭取在對環(huán)境沖擊盡量小、成本盡量低的條件下燃燒等階段。如圖1所示原料燃料「化學品牛產(chǎn)和運輸乙醒生產(chǎn)及變性木憑種植、傾處用及運輸木薯乙醇與汽油混合燃料輸配原油開采、運輸及貯存汽油精中國煤化工圖1生命周期框CNMHGFig. 1 Life cycle framework稿日期:2003-04-07;修訂日期:20030基金項目然科學基金資助項目(50175070)作者間代甜恙遠(1970-),男,博士研究生,主要研究方向為綠色設計、生命周期評價342內(nèi)燃機學報第21卷第5期1.2木薯乙醇一汽油混合燃料的權(quán)重因子A1=1.5,PM的權(quán)重因子A5=1.3。木著乙醇—汽油混合燃料包括E10(目前世界經(jīng)濟性評價指標為生命周期成本C。對于木薯上最常用的應用形式4,包括美國、加拿大、瑞典、乙醇生產(chǎn)過程,以一個年產(chǎn)10萬噸95.6%木薯乙墨西哥、中國等)、E22(巴西的乙醇燃料應用形醇的工廠為計算依據(jù),工廠綜合考慮乙醇生產(chǎn)過程式)、E85(靈活燃料汽車燃料中乙醇與汽油混合比中先進工藝的采用及副產(chǎn)品的綜合利用,例的最高值)和E100四種C=C1+C2-C3(6)1.3研究對象及評價指標式中:C1為生產(chǎn)成本;C1=原料成本一退稅十能源以一輛百公里油耗為9.9L(混合工況)的汽油成本十勞力成本十折舊成本+維修費用成本+雜項車或功能相當?shù)囊掖肌突旌先剂掀囆旭?0費用成本;C2為期間成本,C2=財務成本十地租成萬km為研究對象。以汽油車為評價參照基準,針本十銷售費用成本;C3為乙醇生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品對不同混合比例的木薯乙醇—汽油混合燃料,進行收益。生命周期能源、環(huán)境、經(jīng)濟性評價。用燃料推廣可行度指標把能源、環(huán)境和經(jīng)濟評價指標包括生命周期能源、環(huán)境和經(jīng)濟性三性指標綜合為一個指標,類。能源評價指標包括生命周期總體能源消耗EPENP|×(-PeM)(7)和石油消耗EpPENT×Pc∑∑E式中:PsNP為與汽油比較,第j種木薯乙醇汽油(1)混合燃料生命周期石油消耗降低程度式中:Eτ為生命周期i階段第j類能源消耗量ENP(8)EE為第j種木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期石式中:Ep為生命周期i階段的石油消耗量。油消耗;E為汽油生命周期石油消耗。環(huán)境評價指標包括生命周期一氧化碳(CO)、二PεN為與汽油比較,第j種木薯乙醇汽油混氧化碳(CO3)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NO,)ˇ合燃料生命周期整體能源消耗升高程度,可吸入顆粒物(PM)排放PEIT-EC(3)(9)式中:M為生命周期第k類排放;M。為生命周期式中:Eπ為第j種木薯乙醇—汽油混合燃料生命周根據(jù)這些污染物排放對大氣的污染程度和對人公體能源消耗;E為汽油生命周期整體能源階段第k類排放。期整體的危害程度確定權(quán)重因子,把這些污染物排放綜Pc為與汽油比較,第j種木薯乙醇—汽油混合合成一個指標P燃料生命周期成本升高程度C-O(4)P(10)式中:PsM為第j種木薯乙醇汽油混合燃料生命式中:C為第j種木薯乙醇—汽油混合燃料生命周周期污染物排放綜合指標;PE為與汽油比較,第;期成本;C為汽油生命周期成本。種木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期第k類排放的α,為第j種木薯乙醇—汽油混合燃料的成本增降低程度;加系數(shù)。通過專家問卷調(diào)查,評價不同乙醇—汽油混合燃料使用過程中由于汽車改造及燃料輸配所導(5)致的成本增加程度,分別取E10的成本增加系數(shù)M為第j種木著乙醇一汽油混合燃料生命周期第a=1.0,F22的成本增加系數(shù)a2=1.3,E85的成本k類排放;Mc為汽油生命周期第k類排放;λ為木增加中國煤化工本增加系數(shù)薯乙醇—汽油混合燃料生命周期第k類排放的權(quán)重1.4CNMHG因子。通過專家問卷調(diào)查,分別評價這些排放對環(huán)絕大部分數(shù)據(jù)通過在廣西實地收集獲得,并經(jīng)境和人類健康的影響程度。取專家評價值的均值為過誤差分析及檢驗;其它部分數(shù)據(jù)來自我國公開出相應排放的權(quán)重因子:CO的權(quán)重因子λ1=1.2,CO2版的文獻資料8,部分數(shù)據(jù)來自美國阿岡國家實的權(quán)重因方數(shù)0,HC的權(quán)重因子3=1.0,NO.驗室的 GREET模型數(shù)據(jù)庫。所有來自國外的數(shù)2003年9月胡志遠等:木著乙醇—汽油混合燃料生命周期評價據(jù)都根據(jù)廣西的具體情況進行了校對和修正。綜合表1、表2可知,與汽油比較,木薯乙醇2評價結(jié)果汽油混合燃料生命周期整體能源消耗増加不明顯石油消耗降低顯著。因此,在廣西推廣使用木薯乙2.1能源消耗醇—汽油混合燃料,可以在生命周期整體能源消耗木薯乙醇—汽油混合燃料及汽油生命周期整體定程度提高的條件下,大幅度降低石油消耗,增強能源消耗如表1所示。與汽油比較,所有木薯乙醇地方燃料系統(tǒng)的獨立性及能源安全性汽油混合燃料生命周期整體能源消耗升高,而且2.2環(huán)境影響隨著木薯乙醇在汽油中混合比例的增加,其生命周乙醇—汽油混合燃料屬于含氧燃料。燃料含氧期整體能源消耗相應升高。導致木著乙醇—汽油混量的增加將有助于燃料充分燃燒.從而導致使用乙合燃料生命周期整體能源消耗高的主要原因為木薯醇—汽油混合燃料發(fā)動機的CO和HC排放降低;乙醇“燃料”子過程中乙醇生產(chǎn)及變性階段的高能源同時,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燒產(chǎn)生的CO比汽油低;由于乙醇—汽油混合燃期整體能源消耗的主要因素是開發(fā)轉(zhuǎn)化效率髙的木料的氣化澘熱比汽油大,使進氣溫度降低,以致燃燒薯乙醇生產(chǎn)新技術(shù)。溫度下降,使NO排放降低0。從生命周期的角度出發(fā),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體能源消耗排放指標分別如圖2~圖6所示。Tab. 1 Life cycle total energy consumption of cassava-based由圖2可知,隨著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排燃料燃燒/車放增加。但與汽油比較,木薯乙醇—汽油混合燃料項目原料輛使用周期比較生命周期CO排放降低。由圖3和圖4可知,木薯汽油0.1350.6183.1793基準乙醇—汽油混合燃料生命周期CO和HC排放比汽E100.689油低.而且隨著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。由圖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,隨著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。與汽油比較,除“原料”階段外,木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期“燃料”和“燃燒車由圖6可知隨著木薯乙醇混合比例的增加,其生命周期PM排放增加。但是,當混合比例小于輛使用”階段石油消耗降低。從生命周期角度出發(fā)81%時,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;當混合比例大于81%時,其生命周期低,在廣西推行木瞽乙醇—_汽油混合燃料可以替代PM排放比汽油高。部分石油資源,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項目原料燃料燃燒/車比較中國煤化工汽油0.0400.310基準CNMHE100.0440.2792.823.14411%000.0490.2552.5542.858圖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 fuelsE100萬片數(shù)0.0260.000.13096%344內(nèi)燃機學報第21卷第5期0.1530.15E0.150.1360.13E蘭=攔0.05汽油汽油E10F85 100圖3木著乙醇一汽油混合燃料生命周期CO2排放圖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·嘗乏0.0260.020.0油E10E22E85E100汽汕E10E85圖5木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期NO.排放圖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綜合圖2~圖6可知,木薯乙醇—汽油混合燃2.4燃料推廣可行度料生命周期CO、CO2和HC排放比汽油低;PM排綜合木薯乙醇—汽油混合燃料生命周期能源消放隨混合比例的變化而變化;除E]0外,余者的耗、環(huán)境影響和經(jīng)濟性指標,得出木薯乙醇—汽油混NO,排放比汽油高。合燃料推廣可行度指標如圖7所示。木瞽乙醇—汽油混合燃料生命周期排放綜合指乙醇一汽油混合燃料成本(元/升)標如表3所示。可見,E10、E22和E85的排放綜合Tab 4 Life cycle cost of cassava-based ethanol指標小于0,El00的排放綜合指標大于0。從環(huán)境blended gasoline fuels (RMB/liter)影響角度出發(fā),E10、E22和E85是較合適的應用汽油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綜合指標Tab 3 Life cycle combine emissions indicator ofcassava-based ethanol blended gasoline fuelsE10E85E100排放綜合指標一1.252.3經(jīng)濟性中國煤化工木薯乙醇—汽油混合燃料及汽油生命周期成本CNMH GA如表4所示。顯然,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—汽油混合燃料的價圖7木薯乙醇一汽油混合燃料推廣可行度格也相應較高,無論以何種形式應用木薯乙醇,都需Fig 7 Promotion viability indictor of cassava-based要政府的不數(shù)。ethanol blended gasoline fuels2003年9月胡志遠等:木著乙醇—汽油混合燃料生命周期評價可見,隨著混合比例的增加,木薯乙醇一汽油混合燃料的推廣可行度指標降低。當混合比例小于參考文獻22%時,推廣可行度指標急劇降低;當混合比例大于[1]常蓉,錢旭.我國汽車尾氣污染及其控制[J.云南90%時,推廣可行度指標小于0。因此,廣西木薯乙境科學,1999,18(3):30~32醇—汽油混合燃料較合適的應用形式為E10,或作]黃朝關(guān),李志紅.廣西石油資源可供性預分析[]為汽油含氧添加劑使用西地質(zhì),2001,14(3):30~32[3 Society of Environmental Toxicology and Chemistry3結(jié)論( SETAC). Guidelines for Life-Cycle Assessment: aCode of Practice [ M. Brussels: SETAC Europe(1)與汽油相比木薯乙醇—汽油混合燃料的1993.127生命周期整體能源消耗增加,石油消耗降低。在廣[4 Wheals Alan E, Basso Luiz C. Fuel Ethanol after 25西推廣使用該燃料,可以在生命周期整體能源消耗Years[J]. Trends in Biotechnology, 1999, 17(12)定程度增加的條件下,大幅度降低石油消耗,增強482~487當?shù)厝剂舷到y(tǒng)的獨立性及能源安全性[5 Rask Kevin N. Clean Air and Renewable Fuels: the(2)與汽油相比,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排放隨混合比例增加,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的綜合排放指標比汽油115~124低而El00的比汽油高。從降低環(huán)境影響角度岀η許樹寧,韋文科,梁朝旭,唐紅琴.豐嶺牌多元素復合發(fā),E10、E22和E85是較合適的應用形式肥肥效試驗[J.廣西蔗糖,1999,(2):7~9(4)木薯乙醇—汽油混合燃料的成本都比汽[8]中國電力年鑒編委會.中國電力年鑒[M].北京:中油高,無論以何種應用形式推廣應用木薯乙醇一汽國電力出版社,2000.12~14.油混合燃料,都需要政府補貼支持[9 Wang M Q. GREET 1.5- Transportation Fuel-Cy(5)從木薯乙醇—汽油混合燃料推廣可行度le Model Volume 1: Methodology, Development出發(fā),木薯乙醇—汽油混合燃料較合適的應用形式Use, and Results[R].GREET 1.5為E10,或作為汽油含氧添加劑使用。tion Fuel-Cycle Model, ANL/ ESD-39, Argonne, Argonne National Laboratory, 1999. 34-44(6)對木薯乙醇—汽油混合燃料進行系統(tǒng)的生命周期能源、環(huán)境和經(jīng)濟性評價,可以為廣西政府10]何邦全,閆小光,王建昕.電噴汽油機燃用乙醇一汽油燃料的排放性能研究匚冂].內(nèi)燃機學報,2002,20充分利用當?shù)啬臼碣Y源進行能源、環(huán)境和經(jīng)濟性平衡決策提供依據(jù)。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中國煤化工 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(shù)據(jù)ternal combustion engine; Life cycle assessment; Cassava-based ethanol Gasoline; Blended fuel