第6章-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张剑波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。—3/28—LCA的广泛应用——各种基于LCA的方法和评价标准—4/28—LCA在电子行业的应用——苹果公司产品的环境报告—5/28—LCA在消费品行业的应用——碳足迹报告与认证—6/28—评价方法难题——资源环境问题会转移不同生命周期阶段间转移电动车=零排放？燃油驱动VS燃煤发电驱动不同污染物类型间转移石灰石-石膏法烟气脱硫工艺SO2减排VSCO2增排—7/28—评价方法难题——方案的可行性生物燃油低碳？要求：生命周期内的温室气体排放减少40%以上，其他环境影响可以增加，但不超过25%。——瑞士政府事实1.至今无一种生物燃油可以达到此标准2.某些作物类型可能增加温室气体排放量—8/28—生命周期思想——一种资源环境保护思路资源环境保护——人人有责任，人人有机会。（如何实现科学的认识？）科学家——技术研发设计师——产品设计企业管理者——生产、采购消费者——选购/生活方式职能部门——政策/标准制订环境问题生产消费活动（产品生命周期）认识/决策来自于取决于调控解决科学的评价方法（LCA）资源开发产品生产包装运输使用维护废弃再生循环—9/28—中国LCA应用的意义市场领域：帮助企业实现行业产品、技术、管理的持续改进和升级，增强中国企业和产品的国际竞争力。中国的出口企业，面临日益严格的国际市场环保要求，以及发达国家和新兴经济体的长期竞争。政策领域：为实现节能减排约束性指标提供直接支持，并服务于“两型社会”、生态文明、循环经济、低碳经济等宏观目标。企业的社会责任—10/28—应用1——利乐包装的碳足迹评价1、目标与范围定义•产品与问题：利乐包装材料碳足迹•目标受众及目标应用：利乐公司分析GHG减排潜力•系统边界与环境影响类型（王志慧等，2012，环境科学研究）—11/28—利乐包装的碳足迹评价2、生命周期清单分析——建模与数据收集•贡献分析：找出重点过程，贡献比例1%的次要过程被排除。•数据来源：实景数据（优先，企业）、背景数据（Ecoinvent,行业协会报告）•收集过程：原材料消耗量（利乐公司）•产品标准：1L，S=245mm*322mm•原材料生产：纸板（Ecoinvent）•塑料(ELCD,密度为940kg/m3的聚乙烯的生产过程)•铝箔（EAA，韩国数据库修正，中国铝箔供应商）•电力生产及运输（CLCD）（王志慧等，2012，环境科学研究）—12/28—利乐包装的碳足迹评价2、生命周期清单分析——计算结果产品碳足迹用GWP表示，以CO2当量计。•主要原材料、能源及运输的生命周期GHG排放因子•1L利乐包装的碳足迹为69.9g.（王志慧等，2012，环境科学研究）—13/28—利乐包装的碳足迹评价3、生命周期影响评价•纸板、铝箔、塑料生产过程对包装材料碳足迹的累积贡献为86.39%，其次是电力生产和运输过程。•单个包装的碳足迹随着包装容积的增加而增大，单位容积（1L）的碳足迹随容积增大而减小。（王志慧等，2012，环境科学研究）—14/28—利乐包装的碳足迹评价4、生命周期解释•在产品设计和生产方式不能大幅度改变的情况下，原材料及供应商的优化是最有效的改进措施。（王志慧等，2012，环境科学研究）—15/28—农村户用沼气工程节能减排效益1、目标与范围定义•研究对象：农村8m3户用沼气工程，原料投入（风干玉米秸秆400kg,育肥猪粪便800kg）,年产气量300m3，砖混结构沼气池（红砖2000块，硅酸盐水泥600kg）•研究目标：识别农村户用沼气池主要资源环境影响类型，识别其产生的关键环节，评价节能减排效益。•功能单元：1户用沼气池，运行1年。2、清单分析—16/28—3、影响评价•特征化影响类型：能源耗竭、温室效应、环境酸化、光化学氧化、富营养化、人体毒性•当量化转换•标准化基准：世界人均环境影响潜力•减排效益评价（王明新等，2010，农业工程学报）农村户用沼气工程节能减排效益4、结果解释•6种环境影响类型的减缓作用分别相当于该类环境影响潜力2000年世界人均水平的84.84%、54.37%、39.16%、26.67%、19.35%和5.55%。•户用沼气工程生命周期对富营养化、环境酸化和能源耗竭等影响类型的减缓作用较为显著，对温室效应和人体毒性等环境影响的减缓也起到积极的作用。北京大学环境科学与工程学院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科学与工程学院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科学与工程学院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科学与工程学院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。北京大学环境科学与工程学院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科学与工程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。北京大学环境学院防水涂料对环境和人体健康的影响北京大学环境学院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。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。北京大学环境科学与工程学院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，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。北京大学环境科学与工程学院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，可以分类为减少行驶阻力和提高机械效率两大类。