赵元浩¹, 张力小¹, 梁赛¹, 郝岩¹, 庞明月², 王长波³
1. 北京师范大学环境学院, 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100875;
2. 青岛大学环境科学与工程学院, 青岛 266071;
3. 南京航空航天大学经济与管理学院, 能源软科学研究中心, 南京 210016
收稿日期: 2018-08-10; 修回日期: 2018-12-21; 录用日期: 2018-12-21
基金项目: 国家自然科学基金—国际（地区）合作与交流项目（No.51661125010）；国家重点研发计划重点专项项目（No.2017YFC0505703）；国家重点实验室联合基金课题（No.17L02ESPC）
作者简介: 赵元浩(1995-), 男, E-mail:201721180058@mail.bnu.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 张力小, zhanglixiao@bnu.edu.cn

摘要: 废弃餐饮油脂的资源化利用是关乎公众健康和环境保护的重要举措.目前我国废弃餐饮油脂炼制生物柴油的环境效益尚不明晰、国家政策模糊，相关产业发展滞缓.本研究以国内废弃餐饮油脂炼制生物柴油的典型企业为例，利用GaBi软件对废弃餐饮油脂的收集、预处理、酯化和运输等过程全生命周期阶段的资源环境影响进行系统核算，评估其环境效益，以期为国家生物柴油行业发展和相关政策制定提供科学依据.研究结果表明：1整个生命周期过程中，酯化阶段的环境影响最大，各指标占比为52.91%~96.05%，其环境影响主要是由燃煤、用电和甲醇消耗引起；2敏感性分析结果显示，燃煤、用电、甲醇消耗和收集距离的变化对整个生命周期环境影响结果有着较大影响；3废弃餐饮油脂炼制的生物柴油生命周期化石能源消耗16406 MJ·t^-1、温室气体排放815 kg CO₂ eq·t^-1，与石化柴油相比，具有较好的节能和温室气体减排效益.
关键词:废弃餐饮油脂生物柴油生命周期环境影响
Environmental benefits of biodiesel production from waste cooking oil based on the life cycle perspective
ZHAO Yuanhao¹, ZHANG Lixiao¹ , LIANG Sai¹, HAO Yan¹, PANG Mingyue², WANG Changbo³
1. State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875;
2. School of Environmental Sciences and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071;
3. College of Economics and Management & Research Center for Soft Energy Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016
Received 10 August 2018; received in revised from 21 December 2018; accepted 21 December 2018
Abstract: The appropriate utilization of waste cooking oil (WCO) can benefit public health and environmental protection. Environmental benefits of biodiesel production from WCO have not been fully investigated, which cannot fully support WCO-related policy decisions and the development of related industries. Taking a typical enterprise producing biodiesel from WCO as an example, this study investigated its environmental impacts throughout the whole life cycle based on the GaBi platform, including the processes of WCO collection, pre-treatment, esterification, and transportation. Results show that the esterification stage has the largest environmental impacts by contributing 53%~96% of the total. Its environmental impacts are mainly attributable to the uses of coal, electricity, and methanol. The sensitivity analysis identifies critical factors influencing the life cycle environmental impacts:the uses of coal, electricity, and methanol and the collection distance of WCO. The life cycle energy consumption and greenhouse gas emissions of biodiesel production from WCO are 16406 MJ·t^-1 and 815 kg CO₂ eq·t^-1, which are lower than that of fossil-based diesel. Findings of this study can provide scientific foundations for WCO management in China.
Keywords: waste cooking oilbiodiesellife cycle assessmentenvironmental impacts
1 引言(Introduction)废弃餐饮油脂, 即人们通常所说的“地沟油”, 指的是餐饮业在生产过程中产生的不能食用的动植物油脂.部分餐饮企业直接将这些废弃油脂排入下水道, 导致地下管道的腐蚀、堵塞, 设施损坏甚至水体污染; 过度烹调的废弃餐饮油脂一旦被不法分子收购, 继而回流餐桌, 会对人体健康带来极大的危害(曹文明等, 2011; 丁传芹等, 2012; Ortner et al., 2016).废弃餐饮油脂过去只能当作污染物进行无害化处理(杜泽学等, 2013).而以废弃餐饮油脂为原料炼制生物柴油, 不仅可以避免它对环境与人体健康的危害, 还能在一定程度上替代化石燃料, 减轻环境污染, 实现资源、环境与社会效益的多赢.
生物柴油是指以动植物油脂、废弃餐饮油脂等为原料, 通过一定的化工反应过程获得的长链脂肪酸单烷基酯.目前实验室研究的生物柴油生产技术较多, 涉及直接混合法、高温热解法和酯交换法等, 但实现工业化生产的方法只有部分酯交换法, 即酸碱催化和超临界法, 不过存在生产较粗放、成本高等问题(李昌珠, 2005; 鲁厚芳等, 2011).
由于石化能源紧缺、环境问题日益彰显, 生物柴油的发展受到美国、欧盟等广泛关注.美国是研究、生产生物柴油最早的国家.政府在财政补贴与税收减免方面均给予生物柴油一定优惠.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, 如从2009年开始强制性的规定石化柴油必须掺入一定比例的生物柴油(侯坚, 2010).但生物柴油的生产过程中, 需要投入一定的厂房建设、机器设备、化工原料, 也需要消耗化石燃料并排放温室气体和污染物, 因此引起了人们对于其整个生命周期清洁性的怀疑.国外****对废弃餐饮油脂炼制生物柴油与石化柴油及其他原料(微藻、大豆等)炼制的生物柴油对比分析, 认为它在减少生命周期环境影响方面具有一定优势(Peiró et al., 2010;Ripa et al., 2014; Tu et al., 2016), 并从煤电利用效率、化学品的投入等方面为企业高效生产提出了改进建议(Eguchi et al., 2015; Fernandez et al., 2016).
我国从2000年开始逐渐重视生物柴油的研究和开发.特别是2006年《中华人民共和国可再生能源法》颁布后, 2006—2007年国家迅速规划并建成了近百家生物柴油企业, 额定生产能力达到近300×10⁴ t.生产使用的主要原料为餐饮业、食品加工业等行业产生的废弃动植物油脂.2008年经济危机以及2014—2015年国际油价下跌后, 由于原料收购价格以及缺少政府明晰的产业支持, 大部分企业难以存活(鲁厚芳等, 2011; 李璐, 2013).2017年, 我国生物柴油实际年产量不足50×10⁴ t(Kim, 2017).究其原因, 主要是废弃餐饮油脂相关环境效益不明确, 使得政策模糊, 产业发展举步维艰.目前国内对废弃餐饮油脂炼制生物柴油的研究较少, 研究数据来源多为理论或“虚拟”数据, 如实验室和行业环评报告数据.其中具有代表性的研究中, Ou等利用文献数据分析了包括废弃餐饮油脂在内的6种不同生物质原料的生命周期能耗和温室气体排放情况(Ou et al., 2009); 邢爱华等利用企业规划环评报告, 结合文献数据对地沟油等原料生命周期资源和能耗进行分析, 但相关企业并没有建成运营(邢爱华等, 2010).由此可见, 目前的“虚拟”案例研究难以反映行业的现状, 未能准确捕捉实际运营的生物柴油企业的环境效益, 不足以支撑国家政策的制定.
唐山金利海有限公司年产生物柴油10×10⁴ t, 是我国最大的生物柴油企业之一, 在行业中具有很强的典型性与代表性.本研究以其为典型案例, 借助GaBi软件分析生物柴油从“摇篮到大门”各阶段的资源环境影响, 以期建立高分辨率的清单数据, 确定生物柴油生命周期的资源环境效益和造成较大环境影响的关键环节, 丰富我国生物柴油研究的基础数据库, 为国家相关产业发展政策的制定提供定量化参考依据.
2 研究方法(Methodology)生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)是一种用于评价服务或者产品在整个生命周期阶段的资源消耗及环境影响的工具, 包括产品、过程或活动从原材料获取和加工、生产、运输、销售、使用、再循环到最终处置的阶段, 也称“摇篮到坟墓”的分析方法(EPA, 2010).LCA最早出现于20世纪60年代末70年代初美国开展的一系列针对包装品的分析和评价.进入20世纪80年代, LCA的思想无论在方法还是应用领域都在不断地发展.如今各类LCA模型已经应用于能量、环境、社会政策以及经济分析等各方面.生命周期分析软件GaBi是由德国斯图加特大学LBP研究所和德国PE公司共同研发, 拥有Ecoinvent等数据库的支持, 是目前生命周期评价分析广泛应用的分析工具与平台.
2.1 系统边界案例工厂位于唐山市滦南县扒齿港镇吴家代庄村东, 建设单位为唐山金利海生物柴油股份有限公司.生产采用中温中压酸催化技术, 年产生物柴油10×10⁴ t, 副产品甘油4800 t.主要流程包括：废弃餐饮油脂收集、废弃餐饮油脂预处理、生物柴油酯化和生物柴油运输.系统边界图如图 1所示.需要注意的是, 本文未考虑各种设备生产、厂房建设、人力消耗以及生物柴油的使用阶段的资源环境影响.
图 1(Fig. 1)

图 1 生物柴油系统生命周期分析框架 Fig. 1Life cycle analysis framework of biodiesel system

酯化阶段是废弃餐饮油脂炼制生物柴油的关键阶段.经预处理后的原料油进入酯化反应器内, 加入片碱和过量甲醇, 在催化剂浓硫酸的作用下发生酯化反应和酯交换反应.其中, 废弃餐饮油脂中的脂肪酸与低碳醇在催化剂作用下, 发生酯化反应, 生成脂肪酸单烷基酯(生物柴油)和水, 反应方程式如公式(1)所示; 而废弃餐饮油脂中的甘油三酯与低碳醇在催化剂作用下, 发生酯交换反应, 生成脂肪酸单烷基酯(生物柴油)和甘油, 反应方程式如公式(2)所示.过量的甲醇进入甲醇蒸馏塔冷凝后循环利用.粗制的生物柴油在常温脱气塔再分离甲醇和水蒸气, 随后粗甲酯进入甲酯车间进行下一步的真空蒸馏, 得到精制符合质量标准的生物柴油.

(1)

酯交换反应

(2)

2.2 清单分析本研究将废弃餐饮油脂当作一种废弃物, 故未考虑其上游产业链的环境影响.工厂所使用的原料油已由外协废弃油脂加工企业进行过滤前处理、水化脱胶除杂.预处理阶段数据参考已有的研究成果进行估算(侯坚, 2010).餐厨垃圾含油率5%, 即每20 t餐厨垃圾可提取1 t粗油.生物柴油生产阶段数据通过现场调研和项目设计书获得.本项目产生的固体废物主要有灰渣和污泥, 灰渣提供给当地农民作为建材使用, 污泥投入锅炉中燃烧, 故未考虑二者的环境影响.废弃油脂供应主要来自北京、天津和河北, 运输距离为3地到唐山的平均距离150 km; 生物柴油主要销往山东、江苏、上海, 运输距离为3地到唐山的平均距离750 km.运输车辆为24.7 t荷载的卡车, 各阶段清单数据如表 1所示.研究的功能单元定义为生产1 t生物柴油.生物柴油生产中主要副产品为甘油, 采用热值分配法对生物柴油制取中共生产品系统进行分配.生物柴油热值为37.81 MJ·kg^-1, 甘油热值为18.08 MJ·kg^-1, 对生物柴油的分配系数为0.95.
表 1(Table 1)

表 1 废弃油脂炼制生物柴油生命周期系统清单 Table 1 Life cycle material list of biodiesel from waste cooking oil

表 1 废弃油脂炼制生物柴油生命周期系统清单 Table 1 Life cycle material list of biodiesel from waste cooking oil 阶段 项目 投入 产出 单位 预处理阶段 餐厨垃圾 20 — t 电 36 — kWh·t-1 煤 34.9 — kgce·t-1 硫酸 1.46 — kg·t-1 氢氧化钠 10.42 — kg·t-1 粗油 — 1 t 酯化阶段 粗油 1.2 — t 水 200 140 m3·d-1 甲醇 150 0.405 kg·t-1 硫酸 15 — kg·t-1 氢氧化钠 1.24 — kg·t-1 煤 160 — kgce·t-1 电 172 — kWh·t-1 生物柴油 — 1 t 甘油 — 48 kg·t-1 SO2 — 1.378 kg·t-1 NH3 — 0.1 kg·h-1 H2S — 0.01 kg·h-1 烟尘 — 0.322 kg·t-1 灰渣 — 0.088 kg·t-1 污泥 — 7.63 kg·t-1 收集运输阶段 废弃油脂 运输距离 150 km 生物柴油 运输距离 750 km

2.3 影响评价指标环境影响评价是运用特定评价模型将清单分析得到的大量数据转换为可比较的环境影响指标进行评估的过程, 主要包括分类, 特征化, 归一化等.目前有多种影响评价模型和软件平台, 本文使用目前被广泛应用的生命周期评价软件Gabi进行建模与计算.评价模型为荷兰莱顿大学环境科学中心开发的CML 2001特征化模型(Guinée, 2002).环境影响指标分为全球变暖潜能(GWP100, kg CO₂eq)、酸化潜能(AP, kg SO₂eq)、富营养化潜能(EP, kg PO₄eq)、臭氧消耗潜能(ODP, kg CFC-11 eq)、非生物消耗潜能(ADPfossil, MJ)、淡水生态毒性潜能(FAETP, kg 1, 4-DB eq)、人类毒性潜能(HTP, kg 1, 4-DB eq)、海洋生态毒性潜能(MAETP, kg 1, 4-DB eq)、光化学氧化潜能(POCP, kg C₂H₄ eq)和陆地生态毒性潜能(TETP, kg 1, 4-DB eq)共10个指标, 如表 2所示.
表 2(Table 2)

表 2 生物柴油各阶段特征化结果 Table 2 Characterization results of biodiesel stages

表 2 生物柴油各阶段特征化结果 Table 2 Characterization results of biodiesel stages 指标 收集阶段 预处理阶段 酯化阶段 运输阶段 总计 全球变暖潜能GWP100 1.82×102 9.42×10 4.98×102 4.00×10 8.15×102 酸化潜能AP 1.13 7.56×10-1 3.68 2.48×10-1 5.81 富营养化潜能EP 2.69×10-1 1.32×10-1 5.16×10-1 5.90×10-2 9.76×10-1 臭氧消耗潜能ODP 1.31×10-11 1.04×10-6 2.53×10-5 2.88×10-12 2.64×10-5 非生物消耗潜能ADPfossil 2.51×103 1.62×103 1.17×104 5.51×102 1.64×104 淡水生态毒性潜能FAETP 1.79 2.41×10 9.54×10 3.92×10-1 1.22×102 人类毒性潜能HTP 8.58 2.91×10 1.16×102 1.88 1.55×102 海洋生态毒性潜能MAETP 4.17×103 9.59×104 3.86×105 9.15×102 4.87×105 光化学氧化潜能POCP -4.72×10-1 4.13×10-2 2.32×10-1 -1.04×10-1 -3.02×10-1 陆地生态毒性潜能TETP 7.01×10-2 3.84×10-1 7.69×10-1 1.54×10-2 1.24

3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 生命周期分析结果如图 2所示, 在10种生命周期影响指标中, 生物柴油的酯化阶段环境影响占比均为最大(52.91%~96.05%).预处理阶段对TETP、FAETP、MAETP及HTP贡献较大, 比例分别为31.00%、19.79%、19.71%和18.75%.而废弃餐饮油脂的收集阶段对EP、GWP100和AP贡献较大, 比例分别为27.55%、22.37%、19.41%, 这主要是由于收集过程中的柴油消耗引起的, 而生物柴油运输阶段占比较小.由此可见, 生物柴油的酯化阶段是造成整个生命周期环境污染的关键阶段.需要说明的是, 原料收集和生物柴油运输配送消耗柴油, 由于柴油燃烧排放NO, 会减少POCP指标的影响, 从而呈现负值(Guinée, 2002).
图 2(Fig. 2)

图 2 生物柴油生命周期环境影响比例 Fig. 2Life cycle environmental impact ratio of biodiesel

对生物柴油酯化阶段进一步分析, 结果如图 3所示.GWP100、AP、EP、FAETP、HTP、MAETP、POCP和TETP的环境负荷主要由燃煤和用电造成, 煤电占比达到63.84%~93.37%.甲醇生产对GWP100、POCP和TETP同样有较大贡献, 分别占21.27%、19.79%和24.64%, 硫酸生产对AP(6.15%)和TETP(6.24%)有一定影响.ODP的环境负荷几乎全部由甲醇造成, 约占92.25%, ADP的环境负荷主要来源于煤(45.77%), 甲醇(40.50%)和电(13.42%).因此, 减少甲醇消耗、提高甲醇循环利用率、减少煤电消耗对于调控生物柴油生产阶段从而减少整个生命周期的环境影响具有重要意义.
图 3(Fig. 3)

图 3 酯化阶段环境影响比例 Fig. 3Life cycle environmental impact ratio of esterification stage

3.2 敏感性分析废弃餐饮油脂炼制生物柴油过程中的资源环境效益受多种因素影响, 为找到造成较大环境影响的关键因素, 并由此提出改善整个生命周期资源环境表现的措施, 有必要开展生命周期敏感性分析.所谓敏感性分析, 即研究在制约系统表现相关系数发生特定变动时对系统表征指标影响程度的一种系统分析方法(李书华, 2014).本文对4种关键因素：煤、电、甲醇和收集距离分别进行敏感性分析, 将煤、电、甲醇和收集距离减少10%, 10种环境影响结果如图 4所示.耗电减少10%, 废弃餐饮油脂生命周期环境影响减少0.24%~2.64%, 其中MATEP和HTP减少幅度最大, 为2.64%和2.04%.燃煤减少10%, 各环境影响指标减少0.29%~5.37%, 其中FAETP、ADPfossil、EP和MAETP分别减少了5.37%、3.98%、3.70%和3.51%.甲醇用量减少10%, 各环境影响指标减少0.30%~8.86%, 其中ODP和ADPfossil受到影响最大, 分别减少8.86%和2.89%.收集距离减少10%, 各环境影响指标减少0.01%~2.76%, 其中EP减少2.76%.如前所述, 收集半径减少会降低柴油消耗量, 使POCP指标增加15.61%.由此可见, ODP主要受甲醇使用的影响; GWP100、AP、ADPfossil等指标不同程度受到燃煤、耗电、甲醇和收集距离的影响, 其中, 燃煤的影响最大.提高甲醇循环使用效率, 减少煤电的消耗以及收集距离, 才能实现资源环境影响的降低, 获得更好的环境效益.
图 4(Fig. 4)

图 4 电耗(a)、煤耗(b)、甲醇消耗(c)和收集距离(d)减少10% Fig. 4Electricity use(a), coal use(b), methanol use(c) and collection radius(d) decrease by 10%

3.3 对比分析为进一步确定案例生物柴油项目的环境表现, 本文对废弃餐饮油脂、大豆和麻风树为原料炼制的生物柴油, 以及石化柴油进行生命周期能耗和温室气体排放进行对比分析(胡志远等, 2006; 董进宁等, 2007; 朱祺, 2008; Ou et al., 2009; 侯坚等, 2010; 刘凯瑞等, 2017).分析结果如图 5所示, 图中空心菱形代表本研究, 矩形的上下边分别代表最大值和最小值, 中间的横线代表平均值.本研究生命周期化石能耗16406 MJ·t^-1, 与石化柴油相比每吨减少能耗约31000 MJ, 温室气体排放815 kg CO₂ eq·t^-1, 与石化柴油相比每吨减排约2800 kg CO₂ eq, 环境效益明显; 与其他废弃油脂炼制生物柴油的研究相比, 本研究生命周期能耗处于中间水平, 温室气体排放较小.而与大豆炼制的生物柴油相比, 废弃餐饮油脂炼制的生物柴油能耗和温室气体排放较小, 具有较好的环境表现.
图 5(Fig. 5)

图 5 不同生物柴油/石化柴油能耗(a)和温室气体排放(b)比较 Fig. 5Comparison of energy consumption(a) and greenhouse gas emissions(b) of different biodiesel/petroleum diesel

4 结论(Conclusions)1) 整个生命周期过程中, 各指标在生物柴油酯化阶段的环境影响占比最大, 为52.91%~96.05%, 此阶段环境影响主要是由消耗的煤、电和甲醇引起.
2) 通过对识别出的关键因素进行敏感性分析, 得出ODP主要受甲醇生产影响(92.25%), 其他环境指标不同程度受到燃煤、用电、甲醇和收集距离影响, 且受燃煤影响最大.由此可见, 企业优化生产效率, 减少煤电消耗, 提高原材料的使用率, 有助于减少环境影响实现清洁生产.
3) 废弃餐饮油脂炼制生物柴油生命周期能耗为16406 MJ·t^-1、温室气体排放为815 kg CO₂ eq·t^-1, 相比石化柴油, 节能减排效益显著.同时, 废弃餐饮油脂的资源化利用避免了其对地下水管道等基础设施和重返餐桌的潜在危害.
4) 由于生物柴油企业收购废弃餐饮油脂面临不法分子竞争, 同时生物柴油销售价格受到国际油价波动影响, 导致企业利润往往较小.因此, 国家需要加大监管力度, 使废弃餐饮油脂能够流入正规的渠道, 降低收集成本, 同时对生物柴油进行合理的经济补贴, 鼓励B5生物柴油(石化柴油与生物柴油掺杂比例为95:5), 保障废弃餐饮油脂能够实现更好的环境效益.

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