2024年4月12日发(作者：)

杨秋颖等

碳酸二甲酯为添加剂的汽油生命周期评价研究

碳酸二甲酯为添加剂的汽油生命周期评价研究

杨秋颖

张

芸

&

孙德林侯昊晨刘昱彤

(

工业生态与环境工程教育部重点实验室

，

大连理工大学环境学院

，

辽宁大连

116024

)

摘要

碳酸二甲酯

(DMC

)

是近年来广受关注的环保型绿色化学品

，

由于其含氧量高

、

环保

、

无毒

"

一直被认为是极具潜力的替

代甲基叔丁醚的汽油添加剂

。

使用生命周期评价方法对

DMC

为添加剂的汽油的环境影响进行分析

，

将其整个生命周期分为

5

个

子过程

，

并考虑包括人类健康毒性

(HTP)

等

12

种环境影响

。

结果表明

：

DMC

为添加剂的汽油的总环境影响为

2.74X10

珂

，

其中

HTP

的环境影响贡献最大

&

气油生产调和及储存子过程的环境影响贡献最大

，

运输和汽车使用子过程的环境影响贡献相对很低

。

关键词碳酸二甲酯汽油添加剂生命周期评价环境影响

DOI

：

10.

15985/.

1001-3865.2021.02.

017

Life

cycle

assessment

of

gasoline

with

dimethyl

carbonate

as

additive

YANG

Qiuying

,

ZHANG

Yun

,

SUN

Delin

,

HOU

Haochen

,

LIU

Yutong

.

(

Key

Laboratory

of

Industrial

Ecology

and

Environmental

Engineering

(MOE

),

School

of

Environmental

Science

and

Technology

"

Dalian

University

of

Technology

"

Dalian

Liaoning

116024

)

Abstract

:

Dimethyl

carbonate

(DMC

)

is

an

environmentally

friendly

green

chemical

that

has

attracted

much

a

t

eofitshighoxygencontent

"

environmentalprotection

"

andnon-toxicity

"

ithasbeen

consideredaecycleassessmentmethod

wasusedtoanalyzetheenvironmentalimpactofgasolinewith

DMCasadditive

"

divideditswholelifecycleintofive

sub-processesand

consideredtwelveenvironmentalimpactsincluding

human

healthtoxicity

(

HTP

%

.Theresults

showed

that

the

total

environmental

impact

of

gasoline

with

DMC

as

additive

was

2.74X10

_11

.

HTP

wasthelargest

olineproductionblendingandstoragesub-process

contributedthe

most

"

whilethe

environmentalimpactcontribution

oftransportation

and

vehicle

operation

sub-

processeswaslow.

Keywords

:

dimethylcarbonate

&

gasolineadditive

&

lifecycleassessment

&

environmentalimpact

石油是目前全球的第一大能源

，

占全球能源消

耗的

33%

。

交通运输是石油的主要消耗者

，占比约

直被认为是最广泛使用的汽油添加剂

。

但

20

世纪

90

年代初

，

由于

MTBE

的致癌性及对环境的影响,

使其成为争议的对象

。

2005

年

，

美国通过了可再生

燃料标准

，

使用乙醇替代

MTBE

作为汽油中的含

氧添加剂

。

2017

年

，

中国也提出推广车用乙醇汽

油

#

实

际上

，

一

直

有

学

者

在

探

索

可

替

代

MTBE

作

55%

，

运输所需能源约

95%

是由石油炼制得到的液

体燃料提供的

，

其中汽油是最广泛使用的运输燃

料

[

1

]

„

能源需求的快速增长

，

以及对生态环境的日

益关注

，

引发了对于运输燃料的尾气排放

、

环境影

响

、

燃烧效率

、

能源消耗的探索

。

为降低能源消耗和

为添加剂的化学物质

，

包括乙醇

、

甲醇

、

3

-羟基丁酸

甲醇

、

甲基叔戊基醚和碳酸二甲酯

(DMC

)

等

。

乙

污染物排放

、

解决能源资源短缺和环境污染等问题

，

目前国内外采用多种手段和技术研究发动机

，

同时

醇一直是研究的热点

，

由于其理论上的碳中性和可

再生性被中国等多个国家采用

，

1992

年通过欧洲

无毒化学品认证的绿色化学品

DMC

作为汽油添

也对低污染

、

低能耗的新型燃料(如醇类燃料

、

含氧

燃料和汽油添加剂等)进行非常活跃的研究

。

汽油添加剂是指添加到汽油中用于增强汽油辛

加剂的研究却很少

。

烷值

、

提高汽油燃烧效率和抗爆性的含氧化合物

。

最早的汽油添加剂是四乙基铅

，

由于其剧烈的神经

DMC

是近年来广受关注的环保型绿色化学品,

是一种重要的有机合成原料及中间体

。

DMC

的传

统应用领域主要是医药

、

有机化工原料

、

农药和涂料

毒性

，

1972

年起

，

各国开始提出使用甲基叔丁醚

(MTBE

)

替代四乙基铅

，

之后的

30

多年

MTBE

一

等领域

，

用途十分广阔

。

由于

DMC

具有无毒

、

环保

第一作者

：

杨秋颖

，

女

，

1993

年生

，

硕士研究生

，

主要从事生命周期评价研究

」

通讯作者

#

229

环境污染与防治第

43

卷第

2

期

2021

年

2

月

等特性

，

作为汽油添加剂后对汽油的饱和蒸气压

、

水

液体

CO

2

是生产

DMC

的主要化工原料

#

其中

，

环

氧丙烷

、

甲醇和甲醇钠的生产数据引用

CLCD

和

溶性影响不大

，

并可提高汽油的含氧量

2

,

降低尾气

中部分污染物的排放量

3

,因此它也一直被学者认

Ecoinvent

数据库;本研究中食品级液体

CO

：

生产工

艺选用国内较成熟的精脱硫

、

贵金属催化氧化及冷

凝液化提纯相组合的工艺

，

生产工艺数据引自文献

为是极具潜力的替代

MTBE

的新型汽油添加

剂

#

但目前

DMC

的总产能很低

，

生产装置主要

集中在美国

、

欧洲

、

日本等

，

成本较高

，

所以一直未能

作为汽油添加剂而推广使用

6

。

目前

，

对于

DMC

的研究多关注于它自身的生

产工艺

、

过程

［

7

！2

］

，

仅有少量关于

DMC

作为汽油添

加剂研究

，

但局限于探究燃料性能和尾气排放

，

［

7

］

和文献

［

10

］

&

碳酸丙烯酯生产数据引自相关的环

境影响评价报告

#

122

DMC

生产

本研究中

DMC

生产选用酯交换法

，

该法投资

低

、

收率高

、

运行成本低

，

并可避免

CO

、氮氧化物等

对于

DMC

为添加剂的汽油的环境影响的研究十分

有限

#

因此

，

有必要从生产

、

运输和使用等全部过程

评估其对环境的影响

#

生命周期方法强调贯穿于从获取原材料

、

生产

、

使用

、

生命末期的处理

、

循环和最终处置

，

即从摇篮

到坟墓的产品的生命周期的环境因素和潜在的环境

影响

,

4

！

5

-

#

并且

，

它可有效避免环境影响在不同过

程中转移™

#

通过检查目标系统

，

量化向空气

、

水

和土壤的物质

/

能量输入与输出

，

评估该系统对环境

产生的潜在影响

#

本研究采用生命周期评价

（

LCA

）

对

DMC

为添加剂的汽油的环境影响进行评估

#

使

用

eBalance

软件进行分析

，

该软件采用国际生命周

期基准数据库公开版，

内置中国生命周期基础数据

库

（

CLCD

）

、

瑞士

Ecoinvent

数据库等

，

包含十几种

LCA

特征化指标及中国节能减排政策目标的指标

，

分析结果更符合中国国情

#

I

LOA

II

目标和范围定义

由于

DMC

并没有商业化使用

，

基于文献

［

3

］

数

据,本研究以添加

10%

（

体积分数

）

DMC

的汽油

（

D10

）

作为研究对象

，

重点关注添加剂

DMC

的上游

生产等过程的环境影响

，

将研究的系统范围定义为

包括

5

个子过程

（

化工原料生产

、

DMC

生产

、

运输

、

汽油生产调和及储存

、

汽车使用

）

的整个生命周期过

程

，

功能单位设定为小型乘用车辆行驶

1

km

#

1.2

清单分析

本研究假设

：

（

1

）

D10

在企业生产后

，

忽略运输

至加油站的距离

；（

2

）

调和过程忽略电力消耗

；

（

3

）

不

考虑车辆制造及后续报废处置过程

；

（

4

）

建模遵循取

舍规则

，

通常规定低于产品质量的

1%

或环境影响

低于

1%

可忽略，

但总忽略量不超过

5%

［

17

］

#

1.21

化工原料生产

环氧丙烷

、

甲醇

、

甲醇钠

、

碳酸丙烯酯和食品级

230

易燃易爆气体

#

国内的酯交换法广泛都是

DMC

联

产

！

2

-

丙二醇

，

本研究根据质量分配计算

DMC

环

境影响

#

DMC

生产数据引自文献

［

7

］

和文献

,

0

］

#

123

运

输

该部分包含化工原料运输至

DMC

生产企业和

DMC

运输至炼油厂两部分运输

，

假定运输距离均为

100

km

#

选用

CLCD

中

10

t

重型柴油车作为运输

车辆

#

12.4

汽油生产调和及储存

假设

DMC

与汽油的调和在炼油厂进行

。

该过

程包含的汽油生产部分的环境影响引自

CLCD

中国

内炼油厂平均数据

#

125

汽车使用

本研究中汽车使用数据引自美国阿贡实验室

研发的

GREET

模型中计算的燃料排放数据和文

献

［

3

］

#

13

影响评价

影响评价是

LCA

的核心内容

，

LCA

包括影响

指标结果的特征化和标准化

#

生命周期清单结果乘

以

eBalance

软件内置的特征化因子得到特征化结

果

，

再将特征化结果除以中国

2010

年物质总量

，

得

到标准化结果

，

最后对标准化结果进行分析

#

本研

究主要考虑

12

种环境影响类型

，

即全球变暖潜值

（

GWP

）

、

酸化潜值

（

AP

）

、

富营养化潜值

（

EP

）

、非生

物资源消耗潜值

（

ADP

）

、

淡水消耗量

、

氮氧化物

、

固

体废弃物

、

一次能源消耗

（

PED

）

、

COD

、

氨氮

、

人体毒

性潜力

（

HTP

）

和可吸入无机物

（

RI

）

#

2

结果分析

21

LCA

标准化结果

经

LCA

分析

，

D10

的总环境影响为

2.74

X

10

_

1

！

，

其不同环境影响类型的

LCA

标准化结果见

图

1

#

其中

，

HTP

的环境影响贡献最大

，

远高于其

他环境影响类型

#

3.0x10"

2.0

X

Iff"

1.0x10"

<

臓

*

由

5.0

X10

-14

-塗

g

0

&

*

<

%

2

dp

q

«

1!^

谑

耙

系

筠

环境影响类型

图

1

D10

的

LCA

标准化结果

Fig.1

LCAstandardizationresultsofD10

2.2

子过程环境影响分析

化工原料生产

、

DMC

生产

、

运输

、

汽油生产调和

及储存

、

汽车使用子过程的环境影响分别为

7.88X

10

_

12

、

3.

55

X

10

_

13

、

4.

62

X

10

_

15

、

1.

92

X

107

、

2.57X10T

4

。

汽油生产调和及储存子过程的环境影

响贡献最大

，

这是因为该子过程包含汽油生产的环

境影响

；

化工原料和

DMC

生产子过程的环境影响

贡献其次;运输和汽车使用子过程的环境影响贡献

相对很低

#

本研究重点关注添加剂的环境影响

，

因

此对化工原料和

DMC

生产子过程进行具体环境影

响分析

，

结果见图

2

。

化工原料生产子过程中

，

HTP

的环境影响贡献最大

，

是最主要的环境影响类型

，

其

次为固体废弃物

；

DMC

生产子过程中

，

固体废弃物

的环境影响贡献最大

，

其次为

HTP

#

化工原料和

DMC

生产子过程中

HTP

的环境

影响贡献均较高

#

经分析

，

化工原料生产中

90.93%

的

HTP

环境影响来源于原料环氧丙烷的贡献

，

即

原料环氧丙烷的上游生产过程中对人体健康毒性影

响很大

，

另外有

837%

的贡献来自催化剂甲醇钠的

上游生产

，

其余化工原料包括碳酸丙烯酯

、

甲醇和液

体

CO

.

的上游生产对

HTP

的贡献均低于

1%

，

贡献

很小

#

DMC

生产子过程中

，

蒸气生产的

HTP

贡献

最大

（

65.48%

）

,

其次分别为生产过程排放

（

22.18%

）

及压缩空气生产

（

12.24%

）

，

其余的

DMC

生产投入

包括氮气

、

电力及脱盐水生产的

HTP

贡献均低于

1%

，

贡献也非常小

#

2.3

讨论

前期研究表明

，

添加

10%

（

体积分数

）

MTBE

的

汽油

（

M10

）

或乙醇的汽油

（

E10

）

的总环境影响分别

为

2.27X107

、

1.

92X1073

，均低于

D10

。

3

者环

境影响贡献最大的类型均为

HTP

，

但

D10

的

HTP

杨秋颖等

碳酸二甲酯为添加剂的汽油生命周期评价研究

环境影响类型

环境影响类型

（

b

）

DMC

生产

图

2

化工原料和

DMC

生产子过程环境影响分析

Fig2

Environmentalimpactanalysisofchemicalraw

materialsandDMCproductionsub-process

环境影响贡献高于

E10

、

M10

。

由于

DMC

在汽车使用过程会降低碳氢化物

、

氮

氧化物等物质的排放，

并且

DMC

作为绿色化学品

，

具

有无毒环保等特性

，

从而被视为极具潜力的汽油添加

剂

环境影响低

。

但本研究的

"

但其主要的环境影响来源于上游生产过

LCA

结果表明

，

它的使用过程虽然

程

。

DMC

本身确实是无毒绿色化学品

，但追溯其生

命周期全过程发现

"

生产

DMC

的化工原料在上游的

生产过程中会对环境造成很大影响

的环境影响最大

"

主要是由环氧丙烷的上游生产造成

，

其中

HTP

造成

的

，

因此想要降低该过程的

HTP

环境影响

，

可考虑改

进环氧丙烷的生产工艺

，

对其进行全过程控制管理,

以降低污染物排放

，

或通过改进

DMC

生产工艺

，使用

环境影响贡献小的原料替换环氧丙烷,从而达到降低

环境影响的目的

。

结语

（

1

）

经

LCA

分析

，

D10

的总环境影响为

2.74X

（

下转第

254

页

）

-

231

-

3

环境污染与防治第

43

卷第

2

期

2021

年

2

月

10

(

2

):

97-117

参考文献

：

编辑

：

胡翠娟

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收稿日期

：

2020-05-21

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（

上接第

231

页

）

Management,

2012,93$1)

：

218-224.

10

—

11

，

其中

HTP

的环境影响贡献最大

，

远高于其他

环境影响类型

；

汽油生产调和及储存子过程的环境

影响贡献最大

，

运输和汽车使用子过程的环境影响

[2-

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Journal

of

Marine

Systems

,

贡献相对很低

#

（

2

）

D10

的总环境影响大于

M10

和

E10,

导致

D10

环境影响大的原因是

HTP

的贡献

。

如果想进

2013,128(4)

：

106-122.

[

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编辑

：

黄

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(收稿日期

：

2020-03

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18)