生命周期评价的应用-3

生命周期评价的应用北京大学环境学院第6章生命周期评价的应用在过去的10年中，通过实施ISO14000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。北京大学环境学院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北京大学环境学院图6-1某瓷砖生产工艺示意图北京大学环境学院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。北京大学环境学院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。北京大学环境学院图6-2某瓷砖生产线的输入输出法评价模型北京大学环境学院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。北京大学环境学院图6-3某瓷砖生产过程的环境影响LCA评价结果北京大学环境学院另外，该工艺过程的废渣排放量较小，仅为0.5kg/m2。废水的排放量为30kg/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lm2瓷砖要向大气层排放19.8kg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。北京大学环境学院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。北京大学环境学院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北京大学环境学院图6-4某防水涂料的生产工艺示意图北京大学环境学院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北京大学环境学院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，1kg产品需耗能8.8MJ。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0.054kg/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0.572kg/kg。对人体健康有影响的有机挥发物排放较少，为0.15kg/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2.5kg/kg，表明该工艺尚有改进的余地。北京大学环境学院北京大学环境学院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。北京大学环境学院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。北京大学环境学院图6-7常用材料环境影响的编目分析示意北京大学环境学院(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。北京大学环境学院解矩阵式(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。北京大学环境学院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,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。北京大学环境学院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，但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。北京大学环境学院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interstitialfree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。北京大学环境学院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%。北京大学环境学院北京大学环境学院汽车材料构成比例中，塑料的比率也在逐年增加。北京大学环境学院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？北京大学环境学院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。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。北京大学环境学院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，