生物柴油全生命周期资源和能源消耗分析

2生物柴油LCA边界与评价指标的确定
生物质液体燃料生产主要包括原料收集、预处理、产品生产及销售[11]，生物柴油生命周期各环节和系统边界如图1所示。以菜籽油和麻疯树油为原料时，生命周期从油菜和麻疯树种植开始，经过原料收集运输、原料预处理(榨油过程)、生物柴油生产和配送，直至消费(生物柴油的燃烧使用)；以地沟油为原料时，生命周期包括地沟油收集运输、生物柴油的生产、配送和消费。生物柴油的生产方法为酯交换法，生产规模设定为3万t/a。生物柴油生命周期评价的功能单位为1t或1MJ。本工作重点针对生物柴油全生命周期的土地资源使用、水资源和能源消耗进行分析，能源消耗不仅包括直接消耗，还包括由于使用化肥、甲醇、蒸汽等物质引起的间接能源消耗。

图1生物柴油生命周期流程和资源、能源消耗示意图
3生物柴油LCA分析的基础数据及计算方法
对生物柴油全生命周期各环节的基础数据进行收集、筛选是全生命周期分析的基础。基础数据包括各环节的土地占用、水耗、不同品位能源(煤炭、燃油、电力等)消耗、各种原材料的消耗及由此引起的物质流和能量流数据。
3.1原料种植环节
3.1.1种植环节的土地需求
根据生产规模，建立3万t/a生物柴油项目，首先应确定满足生产的油料作物需求量，再根据亩产量确定对土地的需求量。根据采摘过程的损失率(k1)、原料果实配送到榨油厂的损失率(k2)、榨油环节的出油率(ϕ)、酯交换反应中脂肪酸甲酯的收率(y)和生物柴油在配送环节的损失率(k3)、油菜籽和麻疯树果的亩产量α(t/亩)，有

式中，A为生产1t生物柴油在种植阶段的土地资源需求量，Qf为生产1t生物柴油所需的原料量。本工作中生物柴油生命周期各环节相关参数如表1所示。将表中的基础数据带入上式，可计算出生产1t生物柴油的土地占用面积。
表1生物柴油LCA过程的基本参数

3.1.2种植环节的水资源需求
种植环节的水消耗主要用于植物生长过程的灌溉。生物质能水资源消耗变化很大，主要与生物质原料种类、产地气候、当地农业发展水平有关。我国采用传统灌溉模式的平均灌水量为6750∼7500m3/hm2[17]，本工作中油菜灌溉用水量为6900m3/hm2。虽然麻疯树通常根系粗壮发达，具有较强的耐干旱、耐瘠薄能力，但Hoekstra等[18]对13种不同生物燃料作物的水源足迹评估报告表明，麻疯树单位能源的需水量是甘蔗和玉米的5倍、甜菜的10倍，说明麻疯树是非常耗水的生物燃料作物。本工作麻疯树灌溉用水量采用世界统计平均值，为36915m3/hm2。
3.1.3种植环节的化肥需求
种植环节使用化肥是保证油料作物高产的前提。种植麻疯树的化肥施用量分别为尿素300kg/(hm2·a)，磷肥600kg/(hm2·a)[19]；种植油菜的化肥施用量为尿素195kg/(hm2·a)，磷肥105kg/(hm2·a)，KCl肥195kg/(hm2·a)[20]。
根据种植土地需求及单位面积化肥用量，可计算得到3万t生物柴油项目种植环节的化肥消耗量。
3.1.4种植环节的能源消耗
麻疯树和油菜种植环节的能量消耗主要包括灌溉用电直接能耗和化肥使用间接能耗两部分。灌溉用电根据水泵的功率(5.5kW·h)、泵的送出流量(100m3/h)和油菜、麻疯树灌溉需水量计算得到。每生产1kgN，P2O5，K2O消耗的标煤分别为95.80，21.85，9.65MJ[10]。
3.2植物果实/地沟油的收集运输过程
根据生物质资源岛式分布模型[21]，原料收集过程分为原料产地的采集环节及从产地到加工企业的运输环节。麻疯树果和油菜籽的资源密度等于其亩产量，分别为975.0和220.5t/km2；而根据北京市每年废餐饮油的产量和城区面积，计算出地沟油的资源密度为68.0t/km2。
由原料的收集量和资源密度计算出麻疯树果、油菜籽、地沟油岛内收集半径分别为11，22和29km，资源岛中心到加工企业的直线距离设定为40km，生产1t生物柴油收集运输麻疯树果、油菜籽和地沟油的柴油消耗分别为12.51，12.24，6.44L。
3.3榨油过程
麻疯树果或油菜籽收集到加工厂后，需进行压榨，为生物柴油转化环节提供原料油。榨油环节需要占用一定的土地资源，用作油料作物果实、压榨后的原料油和油渣的存储厂房用地及榨油厂房用地，为20亩/万t。根据Qf可计算出以麻疯树油和菜籽油为原料制备生物柴油时榨油环节的土地需求。