Transcript 生命周期评价的应用
第6章 生命周期
评价的应用
北京大学环境科学与工程学院
第6章 生命周期评价的应用
在过去的10年中,通过实施ISO 14000国际环境
管理标准,LCA的应用已遍及社会、经济的生产、
生活的各个方面。
在材料领域,LCA用于环境影响评价更是日臻完
善。到目前为止,LCA在钢铁、有色金属材料、
玻璃、水泥、塑料、橡胶、铝合金、镁合金等材
料方面,在容器、包装、复印机、计算机、汽车、
轮船、飞机、洗衣机及其他家用电器等产品方面
的环境影响评价应用都有报道。
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6.1 建筑瓷砖的环境影响评价
我国是世界上最大的建材生产国。从资源的消耗
到环境的损害,建材行业一直是污染较严重的产
业。
为考察建材生产过程对环境的影响,用LCA方法
评价了某建筑瓷砖生产过程对环境的影响。该瓷
砖生产线的年产量为30万m2,采用连续性流水线
生产。所需原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、
釉料以及其他添加剂等,消耗一定的燃料、电力
和水,排放出一定的废气、废水、废渣,其生产
工艺示意图见图6-1
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图6-1 某瓷砖生产工艺示意图
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6.1 建筑瓷砖的环境影响评价
在LCA实施过程中,首先是目标定义。对该瓷砖生产过程的环境影响
评价的目标定义为只考察其生产过程对环境的影响;范围界定在直接
原料消耗和直接废物排放,不考虑原料的生产加工过程以及废水、废
渣的再处理过程。
对该瓷砖生产过程的环境影响LCA评价的编目分析,主要按资源和能
源消耗、各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编
目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目;资源消耗则按
原料配比进行数据分类;污染物排放按废气、废水、废渣等进行编目
分析。由于该生产过程排放的有害废气量很小,主要是二氧化碳,故
废气排放量可以忽略,而以温室效应指标进行数据编目。另外,在该
瓷砖生产过程中其他环境影响指标如人体健康、区域毒性、噪声等也
很小,因此在编目分析中也忽略不计。
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在环境影响评价过程中采用了输入输出法
模型,其输入和输出参数见图6-2所示。其
中输入参数有能源和原料,输出参数包括
产品、废水、废渣,以及由二氧化碳排放
引起的全球温室效应。
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图6-2 某瓷砖生产线的输入输出法
评价模型
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通过输入输出法计算,得到该瓷砖生产过
程对环境的影响结果见图6-3,其中图6-3(a)
为能源和资源的消耗情况,图6-3(b)为对环
境的影响。由图可见,该瓷砖生产过程的
能耗和水的消耗较大。由于采用钢渣为主
要原料,这是炼钢过程排放的固态废弃物,
因此在资源消耗方面属于再循环利用,这
对保护环境是有利的生产工艺。
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图6-3 某瓷砖生产过程的环境影响
LCA评价结果
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另外,该工艺过程的废渣排放量较小,仅为0.5
kg/m2。废水的排放量为30 kg/m2,且可以循环再
利用。相对而言,该工艺过程的温室气体效应较
大,生产l m2瓷砖要向大气层排放19.8 kg二氧化
碳,因此,年产量为30万m2的瓷砖向空中排放的
二氧化碳总量是相当可观的。
对LCA评价结果的解释,除上述的环境影响数据
外,通过对该瓷砖生产过程的LCA评价,提出的
改进工艺主要有降低能耗、降低废水排放量、减
少温室气体效应影响等。
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6.2 聚氨酯防水涂料生产过程的环境
影响评价
全世界约有4万家涂料生产厂。包括乡镇企业在内,
中国目前约有上万家,有一定规模的涂料厂也有
几百家。由于高能耗、低质量、污染环境、损害
人体健康等原因,急需采用先进技术改进生产工
艺和相应的施工技术。
其目标定义为该防水涂料的生产过程对环境的影
响,不考虑涂料的施工及使用对环境及人体健康
的影响;范围定义在直接原料消耗和直接废物排
放以及其他因素对环境的直接影响,不考虑原料
的生产加工过程及废水、废渣的再处理过程。
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根据图6-4的防水涂料生产工艺示意图,对该涂料的环境影响因素进
行编目分析。
主要按资源和能源消耗,各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进
行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目;
资源消耗按原料配比进行数据分类;
污染物排放按废气、废渣等进行编目分析。由于是生产涂料的工艺过
程,生产中排放大量的有机废气。除二氧化碳以温室效应指标进行数
据编目外,还用区域毒性和挥发性有机物来评价有害气体排放对环境
和人体健康的影响。相对而言,涂料生产过程中的废水排放量很小,
可以忽略。另外,在该生产过程中噪声等影响因素也很小,因此在编
目分析中也可忽略不计
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图6-4 某防水涂料的生产工艺示意图
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用输入输出法评价该防水涂料对环境的影响,其输入和输出参数见图6-5
所示意。其中输入参数有能源和原料,输出参数包括涂料产品、废渣、
有机挥发物、区域毒性水平以及由二氧化碳排放引起的全球温室效应
图6-5 某防水涂料生产过程的输入输出法评价模型
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根据输入和输出数据计算得到该防水涂料对环境
和人体健康的影响结果见图6-6。其中资源的消耗
包括原料和燃煤获取能源的消耗,能源的需求相
对较高,1 kg产品需耗能8.8 MJ。从环境的影响
看,该工艺过程的固体废弃物排放量较小,仅为
0.054 kg/kg。由于能耗较高,相应的温室气体效
应较明显,当量二氧化碳气体排放达0.572 kg/kg。
对人体健康有影响的有机挥发物排放较少,为
0.15 kg/kg。包括有机固体废弃物在内,该防水涂
料生产过程排放的有害物的区域毒性影响为2.5
kg/kg,表明该工艺尚有改进的余地。
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防水涂料对环境和人体健康的影响
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对LCA评价结果的解释,除上述的环境影响
数据外,通过对该涂料生产过程的LCA评价,
提出的改进工艺主要有提高资源效率、降
低能耗、降低总有害物的排放量及减少温
室气体效应影响等。
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6.3 用层次分析法评价
一般材料的环境影响
用层次分析法评价铁、铝和高密度聚乙烯等在使用过程中的环境影响。
定义一个环境指数为LCA的评价目标。评价范围界定为材料的使用过
程对环境的影响。
将目标层、准则层及方案层构造完毕后,按照LCA原理,可以进行环
境影响评价的编目分析。
由于是评价材料在使用过程中的环境影响,除考虑被评价材料的环境
因素如能耗,资源消耗,温室效应,人体健康影响,排放的废气、废
水及固态废弃物外,还应考虑材料的使用性能如拉伸强度、线膨胀系
数、比热、电导及电极电位等,详细见图6-7的编目分析示意图。图
中目标层为环境指数,准则层为环境影响及材料性能,方案层为具体
的各种指标。
收集编目分析的各种具体数据,可构造如式(6-1)及式(6-2)两个矩阵。
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图6-7 常用材料环境影响的编目分析示意
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材料在使用过程中的环境影响
(6-1)
(6-2)
式中:S*——材料性能指标;
E*——环境影响指标;
HEDP——高密度聚乙烯。
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解矩阵式(6-1)及式(6-2),得到三种材料环境影响及性能指标的AHP分析
结果,见表6-1。显然,这三种材料在使用过程中,高密度聚乙烯的环境
影响最小,铁的环境影响也比较小,铝的环境影响最大。这个结果与用
输入输出法评价的同样三种材料的环境影响趋势是一致的。
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6.4 汽车轻型化能否减轻环境负荷
6.4.1 汽车和地球环境的关系
全世界的汽车数量在急剧地增长,其大量消费矿物燃料,并且大量生产、大量
消费、大量废弃的汽车已导致地球的温室效应、酸雨、垃圾等诸多的环境问题。
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6.4.2 改善油耗的技术与车辆轻型化
有很多改善汽车油耗的技术,可以分类为减少行驶阻力和
提高机械效率两大类。前者包括减轻车体重量、减少空气
阻力、提高轮胎的牵引性等;后者包括提高传动及发动机
效率等。
从统计数据可知,降低10%的车体重量可以降低油耗10%。
车体轻型化包括:1)采用高强钢;2)改用轻型材料(铝、
塑料);3)改变形状(如减少厚度、使用空心材料、小
型化、集成化等)。另外通过减少发动机中高速往复或旋
转运动部件及传动部件的重量也可以使发动机等的效率得
到提高。
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6.4.3.材料轻量化的现状与动向
1) 钢铁材料———高强度钢的发展
汽车是由车体、转动部分、发动机等驱动装置及各种装置的部件组
成,高强度的车身钢板可以做得很薄。开发出了各种成型性好的高强
度钢板,可根据车身不同部位的成型条件及特性灵活应用。如添加P
元素的钢、复合钢板及热涂时发生时效硬化的BH钢等都是典型的例
子。最近,高残余奥氏体钢和IF钢(通过添加Nb和Ti,固定C和N的
interstitial free钢)等的采用比例也提高了。对整个车身来说,这类钢
板的实用率约为25%。经过表面处理的钢板使用率也增至约70%,其
中36%是高强度钢板。
此外,汽车底盘使用高强度钢板的比率约为25%,至于焊接部位的
强度和疲劳特性方面,通过在钢板及设计方面的一些措施可以改善,
因而高强钢将会被更多地采用。随着高强度钢和结构钢的技术进步,
除薄钢板之外,以圆钢和钢管作为原材料的部位也要尽量轻量化。
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2)铝的扩大使用
作为汽车材料,铝的使用率只占百分之几,而且
大部分是铸造铝合金。
铝原材料价格比钢材贵数倍,因而目前铝材优先
用于一些高档车。除了铸铝合金外,用做冲压、
轧制和锻造材料的形变铝合金也开始被采用。
若将车身材料由钢板换成铝合金板,可使车体重
量大幅度降低。1991年,日本汽车商开始销售全
铝材车身的赛车,这种车的铝材使用率为31%,
车身重量减少13%。
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汽车材料构成比例中,塑料的比率也在逐年增加。
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1.研究背景 :
示范应用新能源小客车(纯电动)[1]:
(1)4年,17万/60万;增量小客车指标额度共60万个。其中17万个为北
京市示范应用新能源小客车指标(2)单独摇号
电动汽车“零排放”?
2.研究对象:
功能相当的
电动汽车(20kwh/100km[2])与汽油车(9L/100km[3])
3.研究意义:
政策评估/生产决策/消费决策
[1]《北京市小客车数量调控暂行规定》实施细则(2013年修订)
http://www.moc.gov.cn/xinxilb/xxlb_fabu/fbpd_beijing/201311/t20131129_1520250.html
[2]国家高技术研究发展计划(863计划)现代交通技术领域“节能与新能源汽车”重大项目课题申请指南[R〕,2006.09.
[3]胡志远,程鹏,谭丕强,楼狄明. 电动汽车生命周期影响评价[A]. 2013中国环境科学学会学术年会论文集(第八卷)[C]. 2013
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1. 功能单元:
单位公里的能耗及排放所导致的环境影响
2. 评价边界:
全国范围(发电&用电)
3. 系统输入输出[1]:
闭环再循环:原材料-生产-运输-使用-回收
Step 1-2
确定范围
[1]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
4、环境影响评价模型:
CML2001 模型(荷兰 Leiden 大学环境科学中心研发)[1]
5、数据来源:文献查阅
6、假设和限制:
(1)只考虑原材料-生产-运输-使用-回收5个单元过程
(2)电能数据计算基于火电:水电:核电=80%:18%: 2% [2]
(3)计算综合环境影响时各项指标权重相同
(4)除动力系统外的其他部件,仅考虑使用环节的差别(影响车
重)[3]
Step 1-2
确定范围
[1] Guinée J. Handbook on life cycle assessment—operational guide to the ISO standards[J]. The
international journal of life cycle assessment, 2001, 6(5): 255-255.
[2]中华人民共和国国家统计局.中华人民共和国 2010 年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL]. 201210-10.http: / /www.stats. gov. cn / tjgb / ndtjgb / qgndtjgb / t20110228_402705692. html
[3]艾江鸿, 李海锋, 林鉴军. 电动汽车的全寿命周期环境影响分析 [J][J]. 技术经济, 2010, 29(3).
调研方法
环境负荷定量化
2-1原材料
2-2生产
Step 2:
清单分析
第一部分
Electrical and Mechanical
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Inventory analysis
2-3运输
2-4使用
2-5回收
电动汽车动力系统原材料清单[1]
燃油汽车动力系统原材料清单[1]
Step 2-1
原材料
[1]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
生产过程
机械铸造[1]
锂电池生产[2]
电动汽车生产过程[1][2]
CO2
CO
NOX
SO2
VOC
(kg) (kg) (kg) (kg) (kg)
43.3 0.0047 0.042 0.014 0.097
408
0.0334
2.46
4.22
/
CH4
NH3
TSP
废水
固废
(kg) (kg) (kg) (kg) (kg)
/
/
/
5.24 0.0025
机械铸造[1]
5.34
2.66
/
11.56 燃油汽车生产过程[1]
锂电池生产[2] 0.07
生产过程
Step 2-2
生产
[1]毛果平,朱有为,吴超. 发动机制造与再制造过程的环境污染影响比较研究[J]. 汽车工程,2009,31( 6) : 565-56
[2]黄带弟.二次电池体系的生命周期评价及绿色模型建立[D. 北京: 北京工业大学,2007
(1)运输过程:
a.矿区->原材料生产厂->零部件制造厂->主机装配厂
b.废旧汽车收集地->拆解回收处理厂
(2)运输方式[1]:
运输距离约为 1500 km。
采用卡车运输,发动机排放符合欧Ⅲ排放标准。
(3)排放计算[2]:
Step 2-3
运输
[1]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
[2]何东全, 郝吉明, 贺克斌, 等. 应用模式计算机动车排放因子[J]. 环境科学, 1998, 19(3).
电动汽车
燃油汽车
Step 2-4
使用
EEV:电动汽车耗电量(kW·h)
e:电动汽车每100km耗电量,为20 kW·h/100km
η:电池充电效率,为90%
LEV:电动汽车生命周期总行驶里程,为300000km
EICEV:燃油汽车耗油量(L),
o: 燃油汽车每100 km 耗油量( L) ,为9L/100km
LICEV:内燃机汽车生命周期总行驶里程,为30000km
计算得:
电动汽车EEV=66667 kW·h
燃油汽车EICEV(汽油)=2700L
[1]
忽略其他金属材料回收的差异
只考虑电池回收导致的差异
Step 2-5
回收
锂电池回收:[2]
HCl:80kg
NaOH:20kg
r-MnO2离子筛固体粉末:
5kg
电能:9kWh
天然气能:2kWh
回收率为90%
LiCl固体18.0851kg
电池外壳回收:
电能3kWh
聚丙烯碎片5.3108kg
铝箔碎片7.4242kg
[1]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学
学报, 2013, 33(3).
[2]李东光.废旧金属、电池、催化剂回收利用实例[M].北京: 中国纺织出版社,2010:12-45
调研方法
环境影响定量化
3-1分类
Step 3:
影响评价
第一部分
3-2表征
3-3归一化
3-4评价
Electrical and Mechanical
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Impact assessment
*影响评价需要用到相应软件(如GaBi),本小节为保持分析的连
贯性,数据及结果均来自张雷等(2013)的研究。和上一小节清单
分析中的数据来源不完全一致。
CML2001 模型把环境影响分为11类[1]:
①资源消耗(kg,以Sb当量计算)
②酸化(kg,以SO2当量计算)
③富营养化(kg,以Phosphate当量计算)
④淡水生态毒性(kg,以DCB当量计算)
⑤全球变暖(kg,以CO2当量计算)
⑥人类毒性(kg,以DCB当量计算)
⑦海水生态毒性(kg,以DCB当量计算)
⑧臭氧层损耗(kg,以CCl3F当量计算)
⑨光化学臭氧合成(kg,以Ethene当量计算)
⑩放射性辐射(DALY)
⑪土壤生态毒性(kg,以DCB当量计算)
Step 3-1
分类
[1]Guinée J. Handbook on life cycle assessment—operational guide to the ISO standards[J]. The
international journal of life cycle assessment, 2001, 6(5): 255-255.
使用GaBi
软件计算
[1]
以参照物
当量表示
Step 3-2
表征
[1]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
电动汽车动力系统
内燃机汽车动力系统
用各环境指标占全国该环境指标的比例,无量纲
化为标准指数。[1]将7类主要环境影响标准指数
加和(权重相同),得上图[2]。
Step 3-3
归一化
备注:上图归一化的基准值来自 GaBi 软件提供
的德国环境影响基准值
[1]张剑波.环境材料导论[M],北京大学出版社,2008:62
[2]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
Step 3-4
评价
(1)电动汽车的生命周期环境影响比
燃油汽车低 0.14%。
(2)电动汽车主要环境影响类别为酸
化、全球变暖与富营养化。
调研方法
4-1问题辨识
Step 4:
4-2结果评价
结果解释
4-3结论建议
第一部分
Electrical and Mechanical
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Life cycle interpretation
胡志远,程鹏,谭丕强,楼狄明. 电动汽车生命
周期影响评价[A]. 2013中国环境科学学会
学术年会论文集(第八卷)[C]. 2013
张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
Step 4-1
问题辨识
总体来看,电动汽车环境协调性优
于燃油汽车。具体来看:
(1)电动汽车环境影响主要在生产
和使用阶段。
(2)电动汽车对酸化、富营养化的
影响显著大于燃油汽车。
(3)研究结果之间存在较大差异。
(1)电动汽车环境影响主要在生产和使用阶段。
生产阶段:锂电池生产和机械铸造过程中存在大量能耗
使用阶段:消耗电能,受车重、充电效率等影响
敏感性分析:车重、生产阶段能耗和电池充电效率
[1]
Bi为第 i 种生命周期环境影响指标值,Ij为 j 种清单数据值
例:
[2]
Step 4-2
结果评价
[1]刘夏璐, 王洪涛, 陈建.等.中国生命周期参考数据库的建立方法与基础模型[J]. 环境科学学报, 2010, 30( 10) : 2136-2144
[2]张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
(2)电动汽车对酸化、富营养化的影响大于燃油汽车
关键:电能来源(减小火电比例)
方案 1: 火力 80%、水力 18%和核能 2%
方案 2: 火力 50%、水力 25% 和核能 25%
方案 3: 火力 40%、水力 20%、风力 20%和核能 20%
Step 4-2
结果评价
张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机汽车的动力系统生命周期环境影响对比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
(3)研究结果之间存在较大差异
1)研究对象:每100km耗电/耗油量设定不同
2)评价边界:是否同时涵盖发电和用电地区
3)输入输出模型:单元过程及系统模型不同
胡志远,程鹏,谭丕强,楼狄明. 电动
汽车生命周期影响评价[A]. 2013
中国环境科学学会学术年会论文
集(第八卷)[C]. 2013
Step 4-2
艾江鸿, 李海锋, 林鉴军. 电动
汽车的全寿命周期环境影响分
析 [J][J]. 技术经济, 2010,
29(3).
结果评价
张雷, 刘志峰, 王进京. 电动与内燃机
汽车的动力系统生命周期环境影响对
比分析[J]. 环境科学学报, 2013, 33(3).
(3)研究结果之间存在较大差异
4)环境影响评价模型:Eco-indicator99、
CML2001、
IMPACT2002、
EDIP2003、
TRACI7等等
5)假设和限制:电能数据的计算不同、
各项指标权重不同等等
6)部分环境影响难量化:如噪音、充电过程
谐波污染等等
Step 4-2
结果评价
郭文双, 申金升, 徐一飞. 电动汽车与燃油汽车的环境指标比较[J]. 交通环保,
2002, 23(2): 21-23.
1、总体来看,电动汽车环境协调性优于燃
油汽车。用电动汽车部分替代燃油汽车,
可在一定程度上缓解资源消耗、温室效应
、光化学臭氧生成的环境影响。
2、但在目前的电能结构下,不能完全用电
动汽车替代燃油汽车,因为可能加剧酸化
和富营养化的环境影响。
3、电动汽车的环境影响主要体现在发电过
程。用风电、水电、核电等清洁能源替代
火力发电,可降低电动汽车的环境影响。
Step 4-3
结论建议
4、不同研究得到的电动汽车环境影响归一
化的评价结果存在较大差异。但同一研究
中,电动汽车与燃油汽车的比较研究结果
类似,有更大的参考价值。
6.5 再生纸是否与环境协调
6.5.1利用再生纸的背景
纸可以说是文化的标志,1989年的统计表明,全世界的纸
用量为23000万吨,每人每年平均用纸45kg,而美国人均达
300kg,西欧和日本人均约200kg,就是说发达国家消耗的
纸占了一大部分。
在很久以前,人们就认识到了以旧纸作纸浆比木材作纸浆
造纸更经济,因再生纸的利用得到了长足的发展。随着环
境问题意识的高涨,人们担心大量用纸会加重环境负荷,
因而对再生纸的使用更寄予厚望,希望能减轻环境负荷。
但是也有观点认为利用再生纸对环境保护并无贡献,究竟
如何呢?
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6.5.2 造纸工艺及再生工艺
造纸是使木材中的植物纤维分散在水中(制浆),经过抄
浆、干燥、使纤维通过氢键结合起来的过程。这种氢键在
常温的水中即可离解,因而可重新抄纸。
为了将木屑的纤维细胞分散开,可采用机械方法(加剪
力将其撕开)和化学方法(用碱等化学试剂将粘接纤维细
胞的木质素分解即蒸解)。用前一种方法做的浆称为机械
浆,用后一种方法做的浆称为化学浆。
另外,根据需要,还要漂白纸浆。氯气曾作为漂白剂使用,
但由于生成有害的dioxime(TCDD;2,3,7,8-四氯(b,e)(1,
4)二恶英,是一种剧毒性物质,有很强的致癌作用和致
畸形作用),以及氯气易溢出等原因,现在开始转用高氯
酸、双氧水、臭氧及氧气等作漂白剂。
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造纸工艺及再生工艺
在抄浆工艺中,为使纸张平滑,不透光,要添加
一些氧化钛和碳酸钙等填充剂,此外还要加入一
些淀粉填料和染料等。
若选用旧纸作原料,首先要将旧纸从家庭、工厂
收集起来,去除杂物;然后在水中进行软化、分
散处理,将胶片、别针、胶等异物通过过滤、离
心分离等方法除去;然后用表面活化剂将印刷油
墨乳化分解,用水洗掉携带油墨粒子的泡沫。最
后,根据需要进行化学漂白。抄浆工艺和上述新
浆的工艺基本相同。
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6.5.3原浆纸与再生纸的环境负荷比较
1) 能耗
在利用旧纸浆的情况下,所需的动力主要用于旧纸在水中离解,
去除杂质与流送杂物,可以想象在浆化过程中能耗是非常少的。对
浆化过程所消耗的能量有各种各样的统计结果:化学浆化是
10.47—16.75Mj/kg,机械浆化是4.187—14.65Mj/kg。再生浆化是
2.093—4.187Mj/kg。对于浆化来说,如何评价能量的回收是有争
议的。使用再生纸大体可以节省能量8.374—10.47MJ/kg,即能节
省约1/3。这里的问题是:扔掉的旧纸既使不化浆也可以回收能量。
纸的燃烧热是12.56MJ/kg,若能100%的回收的化,可以比化浆获
得更多的能量。
对于旧纸,运输体积只有木屑的四分之一,从运输上来说可以节能。
但旧纸是从不同的地方收集来的,为了回收废纸的运输距离也不容
忽视。总之,从总体上考虑,虽有异议,但在这里判定再生纸为赢
家。
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2)大气污染
SO2在燃料的燃烧阶段产生,粗略地讲是和
整个工程的能耗相关的。如此看来,再生
纸产生的SOx数量是要少一点。另外树皮
纸浆不可避免的要产生甲硫醇等恶臭物质;
而再生浆中就很少。还有,在纸浆输送过
程中会有NOx气体放出,与能耗的情况相
同,这里也判定再生纸为赢家。
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3)水质污染
造纸工艺需要大量的水,大型造纸厂日需水量高达45万吨,这相当
于百万人口城市的用水量。即使说原生浆和再生浆分散时所用水量
相同, 但仅就脱墨过程中水的消耗量而言,再生纸或许要多一些。
要制作白纸。必须将木质素溶解析出(洗提),由木质素生成的有
机衍生物除了随排水排出之外,洗提出的部分纤维素,半纤维素还
会生成糖类和有机酸,从而造成生化耗氧量(BOD)和化学耗氧量
(COD)值的增大。各工艺生成的微小纤维会形成固体悬浮物
(SS),经过适当处理虽对水质污染影响不大,但有处理淤泥的
问题。
具有良好保存性的中性旧纸中,碳酸钙涂层及淀粉在浆化过程中会
使排水中的COD等污染物质的浓度增高,并使成品质量下降。
另外,附在旧纸上的种种灰尘和脏物等也会污染水质。关于水质污
染这一项我们先判为平局。
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4)固体废弃物
固体废弃物主要指排水中的污泥渣及混在
旧纸中的垃圾。对原生浆来说,木屑在运
输和堆放在室外时,常常有飞散到周围环
境中去的问题。因此,这一项判再生纸为
全赢。
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5)关于保护绿色环境
要得到1t的机械浆就需要2.1—2.4m3的木材,而1t的牛
皮纸浆则需要3.5—4.2 m3的木材,当然再生浆不需要木
材。通常不会为了获得制浆用的木屑去砍伐树木,一般
使用的是间伐树木、毁坏木材或木材的下脚料。然而制
浆却使用了木材生产量的12%。尤其考虑到今后用纸量
增大的情况,再生纸的意义就更大了。因此从保护绿色
环境的角度看。再生纸是好的,是胜方。
当然进口废纸要特别当心,以防别人的垃圾输出。总之,
从一般意义上讲,使用再生纸会减轻环境污染。
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6.6 硅酸盐水泥的生命周期评价方法
硅酸盐水泥LCA评价一般分为两种。广义的LCA评价:就
某一区域的水泥工业系统进行总体评价,对确定水泥的环
境地位,制定相应的环境政策及水泥工业的可持续发展战
略具有指导意义。狭义的LCA评价:对确定的水泥工业系
统进行评价,为水泥的环境性能改善、新工艺和新技术的
发展提供方向和指导。
考虑到水泥寿命周期的不确定性,在此以原料开采至水泥
生产,同时以一定标准的混凝土制造,构成LCA评价的寿
命周期。
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硅酸盐水泥的生命周期
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6.6.1体系的边界条件
研究对象为硅酸盐水泥,原料采用石灰石、粘土
及石膏。吨水泥料耗:石灰石1.3吨、粘土0.3吨、
石膏50Kg;不考虑工业废渣的利用,功能单位以
1m3标准混凝土所用水泥重量计,并以此构成完
整寿命周期。1m3标准混凝土配比为:270kg水泥,
60kg石灰,1850kg集料。不考虑水泥的循环利用、
废弃处理,5吨柴油汽车运输,水泥和混凝土原料
运输距离分别假定为5Km和30Km。
生产设备、建筑设施相关的环境污染不予考虑。
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6.6.2 硅酸盐水泥LCI(清单)分析
下表中的电力生产污染数据是按我国发电能耗平
均值0.424kg标准/kwh,折合为热值24244KJ/Kg燃
煤计算而来;CO2生成量按原煤固定碳含量50%
计算,原煤灰份以20%计,电力生产、运输系统
NO2 、SO2生成量系根据相应平均排放因子计算
得到。
所有的原料开采以相同的电力消耗计,未考虑其
他污染物。同理可得水泥生产过程的环境数据
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硅酸盐水泥LCI
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硅酸盐水泥LCI
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6.7 塑料(树脂)环境影响评价
从事LCA研究的英国Open大学布斯捏提教授,在欧洲塑
料工业协会的资助下,召集英国、瑞士、德国、瑞典的学
者组成专门学术小组,确定了方法论;同时对日常生活中
常用的通用树脂,高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙
烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、发泡
聚苯乙烯(EPS)、聚氯乙烯树脂(PVC)和聚酯树脂
(PET)等进行了PLAC研究。
下表列出了欧洲小组实施的将HDPE、PP、PVC及EPS换
算成发泡体的数据。这些数据是19个石油化学联合企业的
平均值。
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今后的研究方向
机械再生循环(Mechanical Recycle如树脂的再
生利用),
原料再生循环(feed stock recycle即作为原料,
再资源化)和
热再生循环(thermal recycle即作为焚烧回收能
源的再资源化)哪种更适合于塑料制品(例如
EPS盒)的再生利用,也就是说那种再生循环方
法与环境更为协调的问题。
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6.8 从生命周期评价看白色污染治理
人们熟悉的PS发泡一次性餐具曾带给国人
饮食习惯上的一次变革,促进人们建立方
便卫生快捷的现代生活方式;
但由于使用后的随意丢弃也引发了不容忽
视的环境问题“白色污染”。
解决这一问题的途径何在,究竟“替代和
禁用”更益于生态环境还是“回收再利用”
更符合持续发展战略的争论仍未有定论。
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6.8.1 PS发泡餐具的发展
发泡PS是由聚苯乙烯发泡成平板片材后成型为各种形状的产品,其
材质稳定,安全卫生,轻巧便利,成本低廉; 具有良好的保温性,能
延长食品温度及鲜度的保持时间;优异的防潮性,确保食品不受污染;
质轻强度好,运输方便,不易变形,广泛用作食品容器,有着不可替
代的优势。
我国的泡沫塑料行业在90年代得到蓬勃发展,挤出发泡生产线超过百
条,生产能力10万吨以上,大型成型机150台,餐盒年生产能力150
亿只以上,实际产量80亿只。
生产工艺自身也不断得到提高,CFC发泡技术被淘汰,代之以丁烷,
戊烷或二氧化碳发泡工艺。在蒙特利尔议定书(Montreal Protocol)
框架下,企业从多边基金获得资助进行技术改造,促进了产业的技术
进步。
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6.8.2 替代品的发展
发泡餐具的替代品包括纸制品和降解塑料制品等,其中纸制品一是由木材为
主制成木浆,再由木浆制成纸板,经成型,折叠制成餐具,其将消耗大量木
材;另一种是纸浆模塑餐具,由植物纤维制浆(木浆与草浆或蔗渣浆,秸杆
浆等按一定比例混合)一次成型生产,除消耗一定木材,还耗费大量能源;
纸制品成本价格是发泡PS产品的2~3倍。
实验表明,在通常条件下,5个月后纸制餐盒才可完全分解;可见视觉污染并
未消除。况且,可分解未必就有益于环境,因分解所产生的甲烷会导致温室
效应,而生物分解所产生的渗漏水也会污染地下水。虽然理论上造纸厂可回
收利用,但由于这种餐盒添加了防油防水剂,因此回收需添加特殊设备,经
济上不核算,目前还没有造纸厂愿意回收这种餐盒。
降解塑料制品主要有:光降解,以添加光敏剂取得降解效果;生物降解,添
加淀粉类可降解物质,以获得降解效果;此外还有光—生物双降解模式。降
解塑料成本比发泡塑料高10%左右,且降解受空气,阳光,水,微生物等因
素影响,需1—3年的时间分解为碎片或粉末,并不能真正降解和完全被土壤
吸收,其碎片在20年的时间内,仍有50%左右的残留量存在,因而降解塑料
也面临一个回收问题。但降解塑料因其搀有降解材料而难以再利用。
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6.8.3 利用生命周期法进行环境影响评价
1) 利用LCA评价的必要性
在考虑对环境的负荷时,会得到一些出乎意料的结果。比如在商店购物时,
给顾客的聚乙烯(PE)购物袋比纸购物袋更利于保护环境。这似乎同人们的想
象大相径庭。在人们的意识中,聚乙烯购物袋用过扔掉后,不能在自然中风
化降解,常常随风飘扬,破坏生活景观,造成环境污染。但对聚乙烯购物袋
和纸制购物袋的环境负荷对比评价表明,PE购物袋的能耗量较低。
这两种产品的生命周期是:PE从原油的开采开始,纸是从伐木开始,经过产
品的制造,使用,然后将使用后的一部分进行再生循环处理,直到最后作无
公害焚烧的过程。环境负荷评价就是对这两种产品在整个寿命周期中的能耗
量进行分析和计算。结果表明(见表),在容量相同的情况下,纸袋的能耗是
PE购物袋的1.5~2倍(随再生率的提高,二者能耗差距减小)。类似地,PE购物
袋在产生的固体垃圾数量和废气排放量方面,也要低于纸购物袋。纸袋在再
生循环处理中会排出更多的污水,这是造成纸环境负荷增加的主要原因。这
些结果表明聚乙烯袋对环境造成的负荷程度比纸袋要低。
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2) 全过程评价PS餐盒与纸制餐盒的环境负荷
从资源角度,PS餐盒消耗少量原油,而纸制餐盒在制造中为了保证质量则需
添加一定比例的原木浆(见表)。餐盒用量如此巨大,若全面推广,势必造
成大量木材的消耗,导致森林砍伐的加剧。值得注意的是,我国森林面积为
1.3亿公顷,森林覆盖率为13.92%,人均占有森林面积只相当于世界人均水平的
17.2%, 居世界第119位。显然在原料角度纸制餐盒的环境负荷要大得多。
从原料加工来看,PS餐盒的原料主要来自石油加工的副产品,虽然也有一定
的能量消耗和污染物排放;而制浆的制造历来是耗能大户,耗水大户,排污
大户。造浆工艺需要大量的水,一个大型造纸厂日需水量高达45万吨,这相
当于百万人口城市的用水量。而据国家的有关统计,我国的水资源总量为2.8
亿立方米, 居世界第6位,可按人均占有量计算,却仅为2340立方米, 在国际上排
第88位,已被列入世界12个贫水国家的名单中。在制浆中须将木质素溶解析出,
由木质素生成的有机衍生物除随排水排出之外,洗提出的纤维素,半纤维素
还会生成糖类和有机酸,从而造成水中生化耗氧量(BOD)和化学耗氧量
(COD)值的增大。各工艺生成的微小纤维会形成固体悬浮物(SS),经适
当处理虽对水质影响不大,但有处理淤泥的问题。
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2) 全过程评价PS餐盒与纸制餐盒
的环境负荷(续)
在产品加工制造中纸制餐盒的能耗远远大于PS餐盒,因其工艺的限
制,其在成型后须立即干燥,需消耗大量的电能。而中国的能源储藏
决定了能源结构是以煤为主,能量的消耗就意味着颗粒物,SO2的排
放。
在产品运输方面,纸制餐盒自身重量是PS餐盒的5倍,运送同样数量
的餐盒,用PS餐盒可节约30%的能量,对空气的污染也减小了。
此外卫生与健康问题也绝对不容忽视。餐盒的功用不止便于外带而已,
它们还能保护食物。这一点PS餐盒显然具有优势。速食包装在卫生
问题的影响值得深思。
从使用后来做比较,PS餐盒废弃后对市容景观产生视觉污染且长期
难以降解,但可回收利用解决这一问题;纸制餐盒虽经一定时间可自
行分解,但若随意丢弃,则视觉污染依然存在。
综观这两种产品的生命周期全过程,显然纸制餐盒对环境的影响要大,
盲目推广使用的危害显而易见。
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6.9 对社会基础设施的环境平衡评价
对环境施加负荷的技术可分为能量相关技术和非
能量相关技术两大类。
前一种指发电设备、汽车或照明灯具等这类消耗
能量的同时又可作功或产生能量的技术;
后一种则指建筑物、衣服、家具等使用时不消耗
能量的。
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6.9.1能量相关技术的环境负荷
对于能量相关技术而言,其特征是运行时的能耗比制造设
备、生产产品或建设设施时的能耗要大得多,并且随设备
和产品使用年限得增加而增大。运行消耗的能源多为矿物
能源或电力,所造成的环境影响主要是SOx, NOx,CO2等
大气污染物质。
对能量相关技术,减轻环境负荷最有效的对策就是减少运
行时的能耗,即提高效率。
此外,延长这些设备和产品的使用寿命,可减少其产量,
降低制造时的能耗,还可以有效地减少废弃物。
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6.9.2 非能量相关技术的环境负荷
非能量相关技术的环境问题主要是废弃物的问题。如何减
少废弃物的问题就成为中心课题。精心使用性能优异的物
品,开发耐用及可以修理的产品十分重要。
对于城市建筑,尽可能延长其构架的使用寿命,只是在内
外装潢上跟上时代潮流就足够了。
将更换品和废旧市场的东西予以再利用,扩大普及再利用
就显得更有必要。再利用不一定局限于国内,也希望扩展
到一些物质紧缺的发展中国家。但为防止发达国家利用人
工费便宜和环境法规不健全而变相向发展中国家出口垃圾,
发展中国家必须建立自己的再生循环利用体系。
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6.9.3 环境影响评价
对于发电厂以CO2(重要的地球温室气体)为例
进行周期分析
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发电厂周期分析
最初的设备建造、运行所需要的材料能耗,可通过累加设备制造各工
序及运行投入的材料和能量来求得。将建造材料和运行能量换算成热
量,即可求出在寿命周期中所投入的总能量,再从投入的总能量算出
发电厂的CO2的单位排放量。
设备制造和运行时间接排放的CO2,按设备的制造和运行所投入的能
量分为煤炭、石油、天然气和电力几大类,再乘以各自的CO2单位排
放量,就可以算出。也就是说所求得的材料和能量乘以由产业相关表
预先算出的单位能耗及CO2单位排放量,就可以算出整个工厂投入的
能量和间接排放出的CO2数量。算出的数值加上发电时燃料燃烧排放
出的CO2数量,即可以得出直接与间接放出的CO2数量。
除此之外,还要考虑制造水泥时化学反应所放出的CO2,油气井中天
然气所含的CO2等。开采天然气及挖掘煤炭时逃逸到大气中的甲烷对
地球的温室效应影响也要换算为CO2。将所有这些在寿命周期中直接、
间接产生的CO2排放量加起来除以发电量,即可得到以每千瓦小时的
CO2单位排放量来表示的发电厂对地球温室效应的影响。
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发电厂周期分析
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图中的结果是在假设发电厂寿命为30年,并以此期间的能
耗为基础计算得到的。
从图中可以看出,按原子能、中小水利、地热、其他天
然能源和火力发电的顺序,CO2的单位排放量从小到大递
增。
与原子能及天然能源相比,火力发电对地球温室效应的影
响要大得多。这是因为发电时由燃料燃烧直接放出的CO2
量,比设备制造、运行或甲烷泄露等间接的CO2排放量要
大得多的缘故。出乎意料的是,除了水力和地热外,使用
其他自然资源的设施排放的CO2很多,这是由于要将非集
中得自然能量集中起来,不得不投入大量的设备。
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在自然能源中,能量密度最高的是水力和地热,
它们在减小地球温室效应方面占有优势。水电的
CO2单位排放量为5.6g(碳)/Kwh,仅占液化天然气
发电的1/30。核能和自然能一样,对地球温室效
应的影响不大,其数据依铀的浓缩方法不同而有
很大差异。和液化天然气火电站相比,若铀浓缩
采用气体扩散法约为1/5,若用离心法,则仅为
1/16。核电站系统燃料的循环比较复杂,建站的
物质和能量需求量很大。但是投入的能量,以使
用寿命平摊,也只占年投入量(不包括燃料)的
10%,这不是很大的数值。
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6.11 生命周期评价在城市垃圾管理中的应用
6.11.1 我国所面临的主要城市垃圾问题
1995年,全国共有647座城市。城市非农业人口
18490万人,城市垃圾清运量为10671万吨。尽管
有932座垃圾处理设施,但是无害化处理率却只
有43.7%。1996年全国工业固体废物产生量为6.6
亿吨,历年累计堆存量达64.9亿吨。占地
51680km2。
随着经济的增长和生活水平的提高。我国城市垃
圾每人每年的产生量约为440kg,在过去的十几
年里,城市垃圾平均以8%-10%的速度增长。
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6.11.2 LCA在城市垃圾减量化的应用
如前所述,LCA可以预测某一种产品或某项活动在整个生命周期中对环境的
可能影响,因而是一种促进环境管理的有用工具。同样,其也可以有效地应
用到废物管理,评价环境的可持续性。
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2)目标的确定
研究的目的和目标是:探索LCA在我国城市垃
圾管理系统中的应用,预防和减少城市垃圾的
产生;改进现有城市垃圾管理系统。
3)系统范围
包括城市垃圾处理和处置过程,而不包括城
市垃圾的回收。因为目前分类收集对城市垃圾
的实际影响并不明显。
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5)影响分析
通常根据研究目的和目标来确定分析范围,如土地使用价值,处理费用,减量,填
埋,堆肥和焚烧的管理等。
A)卫生填埋
填埋场内的物质可以通过以下多种途径逸出:填埋气体,渗出液,表面径流,被风
吹走的轻物质和尘土批;鸟类,啮齿动物和其他动物;在填埋场内生长的植物。
通过上述途径,这些逸出物可导致下列问题:
全球变暖----由有机物分解释放的CO2和CH4引起;
臭氧层破坏----由含CFC产品中释放的CFC引起;
氧化剂的形成------由CH4和其他挥发性有机物形成;
酸化------由氮氧化合物和硫化物引起;
富营养化-------由氮、磷和有机物引起;
毒理和生态毒理效应-------由渗出液和气体中的金属和有机物引起;
土地利用、空间利用、噪音、恶臭、意外事故如火灾、职业卫生和安全、其他。
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5)影响分析(续)
B. 堆肥
来自堆肥过程中有机物分解的气体,排放的污水以及堆肥
产品本身,可引起下列环境问题:荒漠化、土壤退化、全
球变暖、富营养化、毒理和生态毒理效应、噪声、恶臭、
职业卫生和安全、其他。
C.焚烧
焚烧也可以通过排放的气体,污水和炉灰对环境造成影响:
全球变暖、臭氧层破坏、氧化剂形成、酸化、毒理和生态
毒理效应、噪声、恶臭、职业卫生和安全、其他。
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6.13 建立环境材料数据库的可能性
6.13.1 怎样测定环境材料度
应用LCA方法是否就能知道材料在大多数程度上
是环境材料,用什么方法和指标去测量它呢?
大多数原材料作为支撑社会基础设施的基石,常
常是作为经久耐用的结构材料而被广泛利用。
在用途和所希望的功能比较明确的情况下,首先
在众多材料中选择符合标准的材料,然后计算出
每一个材料的负荷系数及使用寿命,进行比较和
分析。
下表给出了对超高临界火力发电设备使用材料的
评价结果
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表中列出了在火力发电时提高发电温度对环境负荷的改
善。为使问题简化,在这里假设将寿命周期限定为只包括
制造和使用两个方面,环境负荷也只考虑CO2的排放,并
且材料不是从众多材料中选择的,是计划使用的材料。评
价的目的在于弄清楚使用这种材料是否合适。另外对材料
性能的要求也仅限于蠕变强度,将维持必要强度所需的材
料数量数值化并换算为CO2产生量。
由表可见,随着蒸汽温度的升高,超高临界压发电效率得
到提高,CO2的产生量也相应减少。另一方面,伴随蒸汽
温度的升高,对材料的要求就更严格;从质的方面讲,需
要能耗和资源投入量更多的特殊材料;在量的方面。则为
了保持足够的强度需要大量的材料。计算结果表明,材料
的替换会使CO2总量增加,但在一年里高效率的运转中可
以被弥补,仅就CO2产生量而言,总的效果是在制造使用
过程中减少了环境负荷。
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6.13.2环境材料数据库的建立
数据作为分析的基础,由材料的环境负荷数据库和材料性能数据库组成。以
此为基础便构成了材料环境评价的综合知识数据库。材料性能数据库可由多
年积累起来的材料强度数据表的基础上作成的。环境负荷数据库,由将材料
及其各个过程的能耗、大气污染物等环境负荷编目列表的材料环境表
(EcoSheet)和将各种材料和物质的流程数据化了的材料流程表(Materials
Flow Sheet)构成。
从LCA评价过程可知,用LCA评价环境影响主要是一个数据处理的过程。显
然,用计算机进行评价可以进行批量处理和重复处理,具有明显的优势。更
进一步,建立LCA评价数据库则可将评价结果进行平行比较。
大量的事例表明,在评价环境影响时,数据的收集和编目分析对评价结果有
重要影响。另外,为了使评价结果具有可比性和互换性,需要有一定量的数
据积累和比较方法。由此产生了对材料的环境性能数据库和LCA评价软件的
需求。
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6.13.3 建立材料环境性能数据库的
基本原则
(1) 建立的数据库要有一定的通用性,能够在一般情况下被不同领域、
不同类型、不同行业以及不同层次的用户兼容和使用;
(2) 所建立的材料环境性能数据库要具有可比性,即不同国家、不同
地区的数据库对同一类材料在相同条件下可以进行比较,以判断不同
地区的材料在生产和使用过程中对环境影响的大小;
(3) 所建立的材料环境性能数据库应具有服务性的功能,能够为用户
所面临的环境问题提供决策信息咨询服务,使所建立的数据库具有可
持续发展的可能性;
(4) 所建立的材料环境性能数据库要具有预测性的功能,以使新研制
的材料在环境性能方面有所改善和提高,为材料的生态设计提供可靠
的依据和手段。
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6.13.4 常用环境数据库介绍
大多数从事LCA研究的单位,基本上都经历了从
具体的LCA案例分析,到建立环境影响数据库这
样一个过程。从20世纪90年代初到现在,全世界
围绕LCA研究建立的环境影响数据库已超过1000
个,著名的也有十几个。到目前为止,材料类别
及用途等方方面面的LCA数据库几乎都在建立,
由于LCA数据具有很强的地域性,几乎各个国家
和地区都需要建立自己的环境影响数据库。表3-6
介绍了一些与材料有关的环境影响数据库,由表
可见LCA具有地区和国别的差异。
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上 图是一个材料的环境影响数据库框架结构示意图,可见该数据库包
括两大部分,一部分是LCA评价软件,由数据输入、评价、输出、打
印等组成,各种LCA的数学物理评价模型也在其中,如输入输出法、
线性规划法及层次分析法等;另一部分是材料的环境性能数据,包括
表面处理工艺流程、涂料、建材、稀土以及其他各种材料的环境影响
数据。
不同材料具有不同流程,同一材料也有不同生产工艺,其环境影响性
也有不同,通用数据库必须包含不同材料、不同性能、不同环境影响
等。如何合理制定数据库框架,编制数据库软件是一个基本问题。为
了便于LCA数据的交流和使用,国际LCA发展组织(society for
promotion of life-cycle-assessment development,SPOLD)提出了一
种统一的编目数据格式——SPOLD格式,得到了比较广泛的认同。
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思考题
LCA(生命周期评价)的基本框架是什么?
它的最大特性是什么(优点和不足)?
在环境要素指标中,水和大气环境影响指
标单位(M3)的物理意义是什么?请予解释。
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