（光学工程专业论文）车用代用燃料二甲醚生命周期评价.pdf

j i 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作孝签名：夯馅 日期：拗& 指导教师签名：奠迎移7 b 日期加c o 6 矿 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 学位论文作者签名：；搿易 日期：弹6 tp 指导教师签名：鱼疆- 吕l 日期2 p t o bt 矿 西华大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的迅猛发展和全世界汽车保有量的持续增多，汽车排放的有害物对大 气污染日益严重，内燃机的发展面临着巨大挑战。另外，世界石油资源日趋枯竭，石油 资源的限制和大气环境的恶化，已成为影响国家经济发展和人们生活质量的重大问题。 为了解决由汽车带来的大气污染问题和日益严峻的能源问题，世界各国大力寻找代用燃 料。其中，二甲醚作为一种新型的清洁燃料走入人们的视线。 寻找代用燃料不仅要考虑其优越的动力性能，还要考虑其来源的丰富性、生产过程 的能源消耗及经济性。本文考虑二甲醚的全生命周期过程，包括其原材料开采及运输、 燃料生产及运输以及使用过程。建立了二甲醚的生命周期评价模型和经济成本模型。在 经济成本模型中，加入了环境成本的概念，从而使得二甲醚生命周期成本更加丰富。可 以更准确的量化了二甲醚生命周期过程中对环境的影响程度。本文编制了二甲醚的生命 周期评价软件，在软件中将二甲醚生命周期评价指标进行量化，使得评价指标具有可比 性，明确的说明二甲醚的能源消耗、资源消耗以及对环境影响的情况。 通过软件运行的结果分析，发现二甲醚的生命周期过程中燃料生产能耗最大，温室 气体排放物中c 0 2 的排放量最大，而标准排放物中，s 0 2 的排放量最大，这主要与采用 的原材料相关。根据以上分析结果，为降低二甲醚生命周期能耗、环境影响提供建议， 具有一定的积极意义。该软件可以作为政府制定相应的环境政策的一种工具。 关键词：代用燃料；二甲醚；生命周期评价 厂 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h es u s t a i n e di n a e a s eo ft h ew o r l d a u t o m o b i l ei n v e n t o r y ，t h ea i rp o l l u t i o ni sd a yb yd a ys e r o u sb e c a u s eo ft h eh a r m f u l a u t o m o b i l ed i s c h a r g e s t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei sb e i n gn e a rt h eh u g e c h a l l e n g e m o r e o v e r , t h ew o r l d o i lr e s o u r c e sd r yu pd a yb yd a y ，n i er e s t r i c t i o no fo i la n dt h e w o r s e n i n go fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n th a sb e e nt h em a j o ri s s u co fi n f l u e n c es t a t ee c o n o m y d e v e l o p m e n ta n d t h ep e o p l el i f eq u a l i t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fa i rp o l l u t i o nb e c a u s e o ft h ea u t o m o b i l ea n dt h es t r a i te n e r g yq u e s t i o nd a yb yd a y ，t h ew o r l dv a r i o u sc o u n t r i e s d e v e l o p st h ea l t e r n a t ef u e la u t o m o b i l ev i g o r o u s l y a n d ，a so n en e w c l e a nf u e l ，t h ed i m e t h y l e t h e r ( d m e ) i se s p e c i a l l yn o t i c e a b l e t h ef u e l sa so n ea l t e r n a t i v ef u e l si sn o to n l yt oc o n s i d e rt h es u p e r i o rp o w e rp e r f o r m a n c e ， b u ta l s ot h er i c h n e s so fi t ss o u r c e s ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni np r o d u c t i o np r o c e s sa n de c o n o m y 1 1 1 i sp a p e rc o n s i d e r st h ee n t i r el i f ec y c l eo fd m e p r o c e s st h a ti n c l u d er a wm a t e r i a l sm i n i n g a n dt r a n s p o r tp r o c e s s ，f u e lp r o d u c ta n dt r a n s p o r ta n du s ep r o c e s s t l l i sp a p e re s t a b l i s h e d d m e sl i f ec y c l ea s s e s s m e n tm o d e la n de c o n o m i cc o s tm o d e l a d d i n gt h ec o n c e p to f e n v i r o n m e n t a lc o s t si ne c o n o m i cc o s tm o d e lt h a tm a k e st h el i f e c y c l ec o s to fd m em o d e li s m o r ea b u n d a n t i na d d i t i o nt ot h i s ，t h a tc a nq u a n t i f yt h ed m e sl i f ec y c l ei m p a c to nt h e e n v i r o n m e n tm o r ea c c u r a t e t h i sp a p e rp r o g r a m m e dt h ed m e sl i f ec y c l ea s s e s s m e n t p r o c e d u r e s i no r d e rt om a k et h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r sa r ec o m p a r a b l e ，i n t h i sp r o c e d u r e s ， q u a n t i f i e dt h el i f ec y c l ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r s ，a n de x p l a i n e dd m ee n e r g yc o n s u m p t i o n ， r e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a li m p a c to ft h es i t u a t i o nc l e a r l y t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t st h a tf r o mt h es o f t w a r e ，w ec a n f i n dt h a tt h el a r g e s te n e r g y c o n s u m p t i o np r o c e s si sf u e lp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h el a r g e s tg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n si sc 0 2 a n ds t a n d a r de m i s s i o n si ss 0 2 t 1 1 i si sm a i n l yr e l a t e dw i t ht h eu s eo fr a wm a t e r i a l s b a s e do n t h ea b o v er e s u l t s ，w ec a na d v i c et or e l a t e dd e p a r t m e n t sh o wt or e d u c el i f e - c y c l ee n e r g y c o n s u m p t i o no fd m ea n de n v i r o n m e n t a li m p a c t t h es o f t w a r ec a n b eu s e da sat o o lw h e nt h e g o v e r n m e n ti nf o r m u l a t i n ga p p r o p r i a t ee n v i r o n m e n t a lp o l i c y k e yw o r d s ：a l t e r n a t i v ef u e l ；d m e ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t n 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 发动机代用燃料发展现状2 1 2 1天然气k 3 1 2 2 液化石油气3 1 2 3 醇类燃料4 1 2 4 生物质燃料4 1 2 5二甲醚4 1 3 生命周期评价及其研究现状7 1 3 1 生命周期评价的来历7 1 3 2 车用代用燃料生命周期评价研究现状8 1 4 本文主要研究内容及意义10 2 二甲醚生命周期评价模型一1 1 2 1生命周期评价概述1 1 2 1 1 生命周期评价研究的内容一1 l 2 2 二甲醚生产工艺简介1 4 2 2 1 合成气法制取二甲醚一1 5 2 2 2甲醇催化脱水法16 2 2 3 二氧化碳加氢法1 7 2 3 二甲醚生命周期评价模型18 2 3 1 二甲醚生命周期模型建立，l8 2 3 2 计算方法分析2 0 2 3 3 生命周期影响评价计算2 4 2 4 本章小结2 8 3二甲醚生命周期成本分析2 9 3 1生命周期成本简介。2 9 3 1 1生命周期成本的分类2 9 3 1 2开展生命周期成本研究的必要性3 1 3 1 3开展生命周期成本研究的意义3 l m 、 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 3 2 二甲醚生命周期成本3 2 3 2 1二甲醚生命周期成本分析模型的建立3 2 3 2 2 敏感性分析3 6 3 3 本章小结3 8 4 生命周期评价软件的编制3 9 4 1软件设计3 9 4 1 1 软件设计目标：3 9 4 1 2 软件的设计思想。3 9 4 1 3软件的总体设计4 0 4 1 4系数的计算4 3 4 2 软件的应用实例4 5 4 2 1 程序：4 5 4 2 2 目标界定4 5 4 2 3 功能单位4 6 4 2 4 清单分析4 6 4 3 数据分析5 9 4 4 本章小结。6 l ! 客论6 ：! 本文总结6 2 展望6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表学术论文情况。6 7 至| 【谢 6 8 i v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 自我国实行改革开放以来，国家经济发展迅猛，从而提高了人民的生活水平，使得 人们购买汽车的热情日益高涨，尤其是家用汽车逐渐普及，如表1 1 所示。机动车保有 量的增加不仅与人民生活收入增加有关，而且与国家政策有着密不可分的关系。 表1 1 中国私人汽车保有量 t a b1 1t h en u m b e ro f p r i v a t ec a ri nc h m a 图1 1 机动车保有量与交通运输行业石油消耗量 f i g1 1 t h en u m b e fo fv e h i c l ea n do i lc o n s u m p t i o no ft r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y 由图1 1 可以看出交通运输行业在能源消耗中所占比例愈来愈大，是能源消耗的一 大组成部分，也是能源依赖最强的部门之一。同发达国家相比，我国的车船油耗水平高 出许多，其中机动车油耗水平比欧洲高2 5 、比日本高2 0 、比美国高1 0 ，载货汽车 百公里油耗比发达国家高1 倍以上u 一。2 0 0 7 年我国进口石油1 9 亿吨，据估计，到2 0 2 0 年前后可能超过日本，成为亚太地区第一大石油进口国。根据垦务瓮发晨研究中心的预 测，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，我国汽车消耗石油为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，分别约占全国 石油总消耗量的4 3 和6 7 。而我国石油对外依存度很高，预计2 0 1 0 年，中国原油产 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 量将为1 8 亿吨，进口量将达到1 4 亿吨，进口依存度将达到4 4 ；到2 0 2 0 年，原油自 产量将为1 8 2 0 亿吨，进1 ：3 量将达到2 5 - - 2 7 亿吨，进口依存度将达到5 6 - - 6 0 t 4 8 1 。 若能源对外依存度过高，将不利于国家的安全，所以节能是当务之急即降低石油消耗， 而汽车是石油消耗的最大途径之一。因此，寻找和开发可代替能源势在必行。 国内的汽车主要为汽油车，所以汽油需求量加大，柴油的使用相对较少，这主要是 因为国内柴油达不到标准而使得柴油车的保有量降低。在欧美汽车工业发达的国家，柴 油车的销售量在新车销售中的比例随着柴油机技术的提高突破了4 0 ，德国的柴油车保 有量甚至达到5 0 以上。国内轿车市场中，2 0 0 4 年的柴油轿车销售比例还不到所有轿 车销售量的o 6 ，而且国内汽车制造商很少研发柴油轿车。在这种情况下，加大柴油 技术的研发和运用柴油车是解决能源危机的一个途径，目前也有许多机构及高校在研究 柴油的代用燃料来缓解这一危机。但是柴油为不可再生能源，它也有用尽的一天，因此， 在发展柴油车的同时也要寻找柴油的代用燃料。 汽车保有量的迅猛增长，不仅带来能源消耗的危机，而且使得汽车尾气排放成为城 市污染的主要来源，对大气环境造成重大影响。此外还对人们的生活带来困扰，目前交 通噪声已经成为市民投诉的热点问题，影响着人们的生活。据2 0 0 0 年我国城市环境状 况公告显示，监测的3 3 8 个城市中，超过国家大气质量二级标准的城市占到6 3 5 ，其 中超过三级的有1 1 2 个，我国大气污染已由工业废物、煤烟气型向光化学烟雾型转变， 大城市中汽车排放尾气成为大气的主要污染源之一。现阶段，城市空气污染源中约有 7 0 来自汽车的废气排放。此外，机动车的排放物还包含了温室气体，由此产生的温室 效应不可忽视。从可持续发展的角度、环境保护及国家能源战略来看，寻找和开发清洁 的代用燃料已成为不可避免的选择。清洁燃料的开发与应用不仅能降低石油消耗，同时 也能减轻对环境污染的程度，对于我国发展循环经济、保护生态环境和优化能源结构来 说有着重要意义。 1 2 发动机代用燃料发展现状 目前的发动机燃料主要以汽油、柴油为主，因此代用燃料的研究与开发主要围绕这 两者展开。其主要的研发目的在于降低污染排放这一方面。现阶段用于替代汽油和柴油 的清洁燃料主要有天然气、液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ，l p g ) 、醇类燃料、 醚类燃料以及生物质燃料等，其中天然气包含了液化天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ， l n g ) 和压缩天然气( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ，c n g ) 两种燃料。作为良好的代用燃料 必须要有丰富的制取资源，意料昌0 性质能够满足发动机及汽车的各项性能的要求、储存 运输方便以及安全性和良好的排放性能等要求。 2 西华大学硕士学位论文 1 2 1 天然气 天然气在四川省的储量非常丰富，其探明储量排中国第二位。目前天然气汽车已经 投入运营，是汽车的清洁燃料，对环境污染少。根据取样分析对比，相对于汽油车相比， 相同状态下h c 减少6 2 、c o 减少9 9 、n o x 减少3 9 、c 0 2 减少2 4 、s 0 2 减少 9 0 、噪声降低4 0 ，而且没有苯和芳香烃等致癌物对人体的危害。 表1 2 天然气和汽油的性质 t a b1 2t h ec h a r t e ro fc n ga n dg a s o l i n e 由上表可以看出，天然气的辛烷值要高于汽油，因此减少了发动机的爆燃倾向。相 比于汽油机，天然气发动机运行平稳、噪音低、无积碳，而且其寿命要比汽油机长。但 是天然气的低热值比汽油的高，而其理论混合气的热值要低于汽油，所以，天然气在不 计算天然气占用气体空间情况下，天然气为燃料时动力性能要下降。其次，天然气发动 机充气效率低，从而使发动机动力性下降。另外，天然气的着火温度高，所以火焰发展 期长，在同一空燃比范围内，天然气的层流火焰传播速度比汽油的要低1 2 ，使得发动 机燃烧持续期增长，燃烧重心迟后，燃烧等容度下降，致使发动机动力性下降。 天然气在柴油机上主要是以双燃料的形式来应用的，主要是通过少量的柴油来引燃 天然气或液化石油气与空气的预混合工质。对天然气柴油双燃料发动机性能和排放的研 究表明，其排放性能强烈地依赖于发动机运行条件。一般情况是：天然气柴油双燃料发 动机在中等负荷以上工况具有良好的性能，热效率与柴油机相当；在稀混合气的条件下 能同时降低颗粒和氮氧化物；但在低负荷有未燃碳氢排放增加的缺点。 1 2 2 液化石油气 液化石油气是石油在提炼汽油、煤油、柴油、重油等油品过程中剩下的一种石油尾 气，通过一定程序，对石油尾气加以回收利用，采取加压的措施，使其变成液体，装在 受压容器内。它在气瓶内呈液态状，旦流出会汽化成比原体积大约二百五十倍的可燃 气体，并极易扩散，遇到明火就会燃烧或爆炸。由于液化石油气与天然气一样，其辛烷 值高，因此比较适合火花点火发动机，但也有应用于柴油机上。在柴油机上燃用液化石 油气常用少量的柴油作为引燃油来点燃天然气或液化石油气与空气的预混合工质。 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 在以直喷式柴油机改装的液化石油气发动机上的研究表明：燃用液化石油气发动机 在低速区域扭矩大幅度提高，在全负荷区域烟度仍能保持为零，n o x 也得到降低，但 h c 排放升高【3 】。 1 2 3 醇类燃料 醇类燃料制作来源广泛，其燃烧比汽油彻底，无积碳，抗爆性好，但是其汽化潜热 大，冷起动较汽油困难，而且醇类燃料的饱和蒸汽压和沸点都较低，易形成气阻。另外 醇类燃料是有机溶剂，易使橡胶和塑料零部件发生溶涨，提前老化，对某些有色金属具 有腐蚀作用。其中甲醇对人体有较强的毒害作用。而且生产醇类燃料的成本比汽油高， 若使用乙醇汽油混合燃料，发动机的经济性会下降。 在柴油机方面，由于其十六烷值很低，着火性能差，且醇类的相对密度小于柴油， 所以应用比较少。由于相对密度不同，以及醇类含有羟基容易吸水，使醇类和柴油的互 溶性变差，这就更加限制了醇类燃料在柴油机上的应用。据国内外研究结果表明，乳化 法、助燃法及柴油引燃法等方法可以使得醇类在柴油机上实现燃烧，但是都有碳烟、 n o x 、h c 、醛类等排放增加的现象。而且冷启动性能差。 1 2 4 生物质燃料 生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油 脂、餐饮垃圾油等原料通过酯交换工艺制程的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。国外 研究表明，生物柴油可适用于不经过任何改装的任何柴油发动机，而不影响运转性能， 而且其热值在所有代用燃料中是最高的，获得单位能量的生物柴油所需耗能最少。由此 可见，生物柴油是一种优质清洁柴油，可从各种生物质提炼，因此可以说是取之不尽， 用之不竭的能源，在石化燃料日益枯竭的今天，尤其是柴油比较短缺的地区，采用生物 柴油作为燃料具有重要的意义。 采用生物柴油作为燃料，其尾气中有毒有机物排放量仅为传统柴油的十分之一，颗 粒物为传统柴油的2 0 ，一氧化碳和二氧化碳排放量仅为传统柴油的1 0 ，无硫化物和 铅及有毒物的排放，混合生物柴油可将排放含硫物浓度从5 0 0 p p m ( p p m 百万分之一) 降低到5 p p m 。 1 2 5 二甲醚 二甲醚( d i m e t h y le t h e r ，d m e ) 是近年来新兴的汽车代用燃料，其原料来源广泛， 是一斡无毒筻含氧燃料，在常温常压下为气态，在中等压力5 个大气压下可液化，易于 储存与运输。 4 西华大学硕士学位论文 二甲醚是在2 0 世纪9 0 年代中期以后作为汽车代用燃料走进人们视野的，起初，d m e 只是作为醇类燃料发动机的着火改善剂，但是经过进一步的研究发现，二甲醚可以在柴 油机上燃烧，而且是柴油的理想代用燃料，所以，研究人员的注意力主要集中在柴油机 上燃烧纯二甲醚来代替传统的柴油工作上。 表i 3 二甲醚常用特性参数 t a b 1 3d m e sc o m m o n l yu s e dp a r a m e t e r s 通过表1 2 和表1 3 可以得知，二甲醚有如下特点： ( 1 ) 二甲醚分子式中不存在c c 键，也就是说不存在c 原子之间的直接结合，而 且其含氧量高达3 4 8 ，所以在燃烧时不会产生碳烟，而且容易实现完全燃烧，降低污 染程度。 ( 2 ) 二甲醚的十六烷值远高出柴油及其他代用燃料，也就是说燃用d m e 的滞燃期 较短，减少了滞燃期内形成的可燃混合气量，从而使最高燃烧温度和压力升高率都有所 降低，所以减少了内燃机工作的粗暴性，降低了n o x 的排放。二甲醚发动机相对于传 统柴油机来说，其燃烧噪音降低1 5 分贝，其排放污染物的值达到欧m 标准，碳烟排放 为零。 ( 3 ) 二甲醚的饱和蒸汽压要低于液化石油气的饱和蒸汽压，所以二甲醚运输、存 储及应用等基础设施可以采用液化石油气的装置。在同等温度下储运过程比液化石油气 更安全。 ( 4 ) 二甲醚原料来源丰富，可从天然气、煤层气、煤炭、生物质、重油残渣等多 种资源制取。 ( 5 ) 二甲醚的沸点低，喷人气缸可立即汽化，能快速形成良好混合气，缩短点火 延迟时间，使柴油机具有良好的冷起动性能，同时也可在低喷射压力下就能满足燃烧的 要求。 5 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 表1 4d m e 与柴油及其它代用燃料性能对比 t a b i 4c o m p a r i s o nc h a r a c t e ro f d m e d i e s c lo i la n do t h e rs u b s t i t u t i o nf u e l s ( 6 ) 二甲醚的汽化潜热要高于传统柴油，可以有效降低最高燃烧温度，从而降低 n o x 排放。 ( 7 ) 二甲醚的热值要小于柴油，若得到与柴油机相同的动力，则应该使循环供油 体积量需增加为传统柴油的1 8 1 9 倍。 ( 8 ) 二甲醚的粘度较低，润滑性较差，可能造成油泵柱塞和喷油器针阀等精密耦 件磨损、卡死以及泄漏。 从已有的研究结果表明，二甲醚柴油机不仅保留了柴油机的高热效率、发动机强劲 耐久性等优点外，还具有无毒无腐蚀性，不损害臭氧层的优点。 综上所述，二甲醚是代替柴油的理想燃料，研究二甲醚发动机不仅可以保持现有柴 油发动机的优点，还可以解决柴油机的工作粗暴、n o x 排量高的问题。 6 西华大学硕士学位论文 1 3 生命周期评价及其研究现状 1 3 1 生命周期评价的来历 生命周期评价( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 起源于2 0 世纪6 0 年代，起初只是针 对可口可乐公司的饮料包装瓶进行的一系列的研究，其主要方法是量化产品资源利用 和环境排放，这一过程被称为资源和环境纲要分析( r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a lp r o f i l e a n a l y s i s ，r e p a ) 。这一阶段主要研究的热点为包装品废弃物问题。随着世界人口的迅 猛增长，环境问题、能源问题日益突出，能源会用尽，而能源生产是环境污染的主要途 径。所以能源分析方法逐渐成为资源分析工具。由于全球能源危机的出现，许多研究工 作又从污染物排放转为能源分析与规划。由于没有统一的研究方法论，许多从事研究的 人员以及相应的研究项目逐渐减少。而且在研究过程中的一些分析数据常常无法得到， 不同产品的分析步骤也有所区别，同类产品的评价程序及数据有时也不统一，因此无法 解决现实所面临的问题，企业界几乎放弃了这一方面的研究【4 】。 随着区域性和全球性环境问题的日益严重、全球环境保护意识的加强、可持续发展 思想的普及和可持续行动计划的兴起，大量的r e p a 研究重新开始，这涉及到研究机构、 管理部门、工业企业、产品消费者等，由于各部门使用r e p a 的目的及侧重点各不相同， 而且所分系统的产品和系统变得越来越复杂，急需加强对r e p a 的方法研究和统一化。 因此在1 9 9 0 年，环境毒理学与化学学会( s o c i e t yo f e n v i r o n m e n t a lt o x i c o l o g ya n d c h e m i s t r y ，s e t a c ) 主持召开了首届有关生命周期评价的国际研讨会，并提出了生命周 期评价的概念，并于1 9 9 3 年制定了生命周期评价大纲。s e t a c 将生命周期评价的基本 结构归纳为定义目标与确定范围、清单分析、影响评价和改善评价四个相互联系的部分。 国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，i s o ) 于19 9 7 年颁布 了i s 0 1 4 0 4 0 标准，在原来s e t a c 框架基础上作了一些改动，成为指导企业界进入 i s 0 1 4 0 0 0 环境管理的一个国际标准。i s o 将生命周期评价分为互相联系和不断重复进 行的四个步骤：目的与范围的确定、清单分析、影响评价和解释。i s o 对s e t a c 技术 框架的一个重要改动是去掉了改善评价阶段，主要是因为i s o 认为改善是开展生命周期 评价的目的，而不是其本身所必需的：同时又增加了结果解释阶段，对前三个相互联系 的步骤进行解释，这种解释是双向的、需要不断进行调整。1 9 9 3 年，i s o 开始起草 i s 0 1 4 0 0 0 系列国际标准，正式将生命周期评价纳入该体系。生命周期评价从系统的角 度考虑问题，有助于人们更加全面的认识、评估和改进产品。当今世界，人类的可持续 发展已成为世界的主题，当前我国正开始推广循环经济和清洁生产的理念，所以，生命 周期评价必将成为产品评估的主流思想和工具【5 】。 7 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 1 3 2 车用代用燃料生命周期评价研究现状 最早的车用燃料生命周期的研究出现在西方发达国家，尤其是北美和欧洲，而比较 系统和全面的车用燃料生命周期研究始于2 0 世纪9 0 年代初。 据资料查阅，二甲醚生命周期评价最早为rv e r b e e k 进行的研究，作者通过多年的 研究，将二甲醚与其它车用燃料的生命周期能量利用效率和c 0 2 的排放进行了比较，结 果显示天然气制二甲醚的能量利用率要高于汽油和天然气制甲醇，但是要比柴油低；天 然气n - 甲醚的生命周期c 0 2 排放较低；生物质n - 甲醚可以大幅降低c 0 2 排放。 a t r a xe n e r g ia b 公司对生物质制二甲醚作为车用燃料进行生命周期评价研究，与汽 油、柴油、天然气、乙醇和菜籽油甲酯在轻型和重型车辆上应用的生命周期数据进行比 较。结果表明在重型车上燃烧这些燃料时生物质二甲醚生命周期的h c 、n o x 、p m 和 c 0 2 排放都比柴油路线要低。 d e l u c c h i 在1 9 9 1 年初步建立了多种运输工具所使用燃料的生命周期温室气体排放 评估模型。该项研究发现：以煤为原料的燃料通常会增加温室气体排放；以天然气为原 料的各种燃料路线温室气体排放以天然气制甲醇最少；由木材制得的乙醇可显著减少温 室气体排放【6 刁j 。 m a l c o l maw e i s s 等人对源于原油的汽油、柴油，源于天然气的费托柴油 ( f i s c h e r t r o p s c hd i e s e l ，f t d ) 、甲醇、压缩天然气、氢以及电力作为车用动力系统能 源时的生命周期能源消耗、温室气体排放以及用户成本进行了评估，该研究认为：在现 有的水平下，通过改进传统汽油机技术可降低约1 3 的能源消耗与温室气体排放，但是 会增加5 左右的用户成本；其它先进车辆技术最多可降低5 0 的温室气体排放，同时 增加2 0 的用户成本1 8 - 9 】。 m i c h a e lw a n g 对f t d 能源消耗和温室气体排放方面进行分析并与传统柴油和超 低硫柴油( u l t r al o ws u l f u rd i e s e l ，u l s d ) 路线作了比较，其中涉及了f t d 的三种生产 路线，结果表明：由天然气制取f t d 的路线的能源消耗较高【9 0 们。 e d g a rf u r u h o l t 以挪威为背景，分析了常规汽油、含添加剂甲基叔丁基醚( m e t h y l t e r t i a r yb u t y le t h e r , m t b e ) 的汽油和柴油的生命周期能源消耗与排放，并评价和比较 它们的潜在影响。研究发现，柴油的环境影响比汽油小；含m t b e 的汽油比常规汽油 对环境的影响更大，主要是m t b e 的生产造成的；原料和燃料的运输阶段所排出的 n o x 和s 0 2 占这两种污染物总排量的大部分【9 】【l l 】。 美国国家可再生能源实验室在1 9 9 1 年对重组汽油( r ef o r m u l a t e dg a s o l i n e i u g ) 、含1 0 体积乙醇的汽油( e 1 0 ) 和含9 5 体积乙醇的汽油( e 9 5 ) 的生命周期 排放物进行了研究和比较【1 2 】【1 3 1 。该研究选取了五个具有不同气候的地区的生物质和另 8 西华大学硕士学位论文 一个地区的固体废弃物( m u n i c i p a ls o l i d w a s t e ，m s w ) 作为乙醇的原料来源。结果表明： 与r f g 路线相比，由m s w 制得乙醇所形成的e 1 0 的生命周期排放几乎没有变化，主 要是因为e 1 0 的主要成份仍然是汽油；由生物质制得的乙醇所形成的e 9 5 能够大幅降低 c 0 2 排量9 0 到9 6 ，也可以大幅降低n o x 、s 0 2 和p m 排放，但会增加v o c 与c o 排放；从化石能源替代角度讲，e 1 0 可替代6 ，e 9 5 可替代8 5 。 1 9 9 8 年，美国国家能源部研究实验室( n a t i o n a le n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y ，n r e l ) 为美国农业部和能源部对应用于城市公交车的生物柴油进行了生命周期能源消耗与排 放影响评价研究。结果表明：与柴油相比，生物柴油的使用可以减少9 5 的石油消耗 和7 0 的化石能源消耗；同时能够减少c 0 2 、p m 、c o 、和s 0 2 排放约7 8 、3 2 、 3 5 和8 ；但会增加1 3 的n o x 和3 5 的h c 排放，h c 排量的增加部分主要是由生 物柴油的制造过程所产生【9 】。 车用代用燃料生命周期评价在北美和欧洲发展的同时，在亚洲也悄悄的兴起。在日 本，l c a 的应用已经产生很多成果，例如丰田公司在2 0 0 2 年就推出了基于l c a 模型的o i s t 模型车。在这个模型车中引入了全新的发动机可变气门正时技术( v a r i a b l ev a l v e t i m i n g ，v v t ) 、发动机、高效的传动机构、减小空气阻力的新型空滤器和更为高效的 空调装置，因而具有更高的燃油经济性，尾气的排放也达到了更高的清洁标准。 一 跨 国内对产品生命周期评价起步较晚，在研究的广度和深度上都还要做很多的工作。 车用燃料生命周期的研究最早始于1 9 9 5 年，是由国家各部委、清华大学、福特汽车公 司和麻省理工学院共同组织进行的。以山西省和其它富煤地区为背景，以原油基汽油作 妒， 为基准路线，将各种煤基代用燃料路线与基准路线进行对比，以确定它们的代用性【9 】。 关于车用代用燃料二甲醚的生命周期评价更晚。同济大学的胡志远等人通过建立二 甲醚、f t 柴油、生物柴油生命周期排放评价模型，对它们进行了生命周期排放评价。 在同等条件下，以柴油为参照基准，指标包括各种排放物以及生命周期排放综合外部成 本指标。结果表明：与柴油相比，甲醇脱水法制d m e 、天然气二步法制d m e 生命周期 c o 、n o x 、p m 、s o x 、c 0 2 排放、排放总和外部成本增加，生命周期h c 、c h 4 、n 2 0 排放降低；天然气一步法制d m e 生命周期p m 、s o x 排放略有增加；其他排放物及生 命周期排放综合外部成本降低。从生命周期排放角度出发，天然气一步法制d m e 、f t 柴油是环境友好的柴油代用燃料。 李芳、周伟国通过考虑二甲醚的特性，建立二甲醚作为燃料应用的生命周期方法框 架，定性给出研究二甲醚的环境的影响评价的方法论，建立了研究模型。为进一步从数 据上进行定量分析打下了坚实的基础。 9 车用代用燃料二甲醚生命周期评价 上海交通大学的张亮等人考虑到中国能源生产结构，对汽油、柴油、甲醇汽油和二 甲醚四种车用燃料配以不同车辆发动机技术建立了煤基车用燃料的全生命周期评价模 型，用来计算和比较四条路线的一次能源消耗与温室气体排放。结果表明：对于一次能 源消耗和温室气体排放情况，汽油和m 8 5 路线要高于其余两条路线；柴油一次能源消 耗和温室气体排放要高于二甲醚路线。从能源消耗与温室气体排放方面考虑，二甲醚为 最好的选择，柴油次之，二甲醚具有很好的发展前景。 张亮在其博士毕业论文中对车用燃料煤基二甲醚进行了全生命周期分析，按照所建 立的评价模型所指出的二阶段算法，得到煤基二甲醚作为车用代用燃料的全生命周期能 源消耗与环境排放数量。结论如下：与传统的柴油路线相比，煤基二甲醚路线在车辆使 用阶段的优势体现在燃料消耗、标准排放物和温室气体排放方面；从全生命周期角度看， 环境排放主要集中在上游阶段的固定源，除了甲烷和二氧化碳外，其他排放物的数量均 有显著下降。 1 4 本文主要研究内容及意义 本文主要研究车用代用燃料二甲醚的生命周期评价，结合二甲醚的生产技术路线和 四j i i 省内丰富的天然气储量及二甲醚生产企业，从环境影响、经济性方面对四川省发展 二甲醚车的可能性进行分析。 本文拟对二甲醚的生产、销售及使用现状进行广泛的调研，通过搜集相关文献及资 料在定性分析、调研、咨询、模型模拟等工作的基础上，定量的分析二甲醚的全生命周 期的能效、排放效果及经济效益状况。主要研究内容包括： ( 1 ) 二甲醚生命周期评价模型的建立； ( 2 ) 二甲醚生命周期成本的分析； ( 3 ) 生命周期评价软件的编制。 ( 4 ) 基于软件的实例分析 1 0 西华大学硕士学位论文 2 二甲醚生命周期评价模型 2 1生命周期评价概述 关于生命周期评价有多种定义，通过归纳可以将生命周期评价定义为：“对一种产 品及其包装物、生产工艺、原材料、能源或其他某种人类活动行为的全过程，包括原材 料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回收以及最终处理等，进行资源和环境影 响的分析与评价”。它的面向对象是产品系统，是对产品或服务“从摇篮到坟墓”的全 过程的评价悔。 2 1 1生命周期评价研究的内容h 罔 ( 1 ) 研究目的与确定范围 根据决策者的需要，即：清楚的说明研究项目的理由和目的以及所需要收集的信息， 由此定义进行评价的目的，并说明研究结果可能应用的领域。 研究范围的确定要足以保证与所要达到的研究目标在广度、深度和详尽程度上保持 一致，具体包括功能单位、系统边界、环境影响类型、数据要求及获取、假设条件、限 制条件、原始数据质量要求、对结果的评议类型、研究所需的报告类型和形式等。在此 过程中，产品的生命周期过程都为系统边界内的过程，而系统边界外为系统环境。 l c a 研究范围中必须明确规定研究系统的功能。只有功能明确了，才能保证研究方 向的一致性。功能单位是指得到系统输出功能的一个量度，假设在本文中的功能单位为 1 t 二甲醚，这主要是为相关的输入和输出提供一个参照基准，从而保证l c a 结果具有 可比性。不同项目的评估与对比，一定要有相同的功能单位，否则l c a 结果无法在