材料的生命周期评价.ppt

第二章 材料的生命周期评价,2,本章内容主要包括生命周期的概念LCA方法的起源LCA技术框架LCA方法应用,3,生命周期思想,1.材料的生命周期,4,5,生命周期：产品从自然中来再回到自然中去的全部过程，即从摇篮到坟墓（from cradle to grave）的整个生命周期各阶段的总和，具体包括从自然中获取最初的资源、能源，经过开采、原材料加工、产品生产、包装运输、产品销售、产品使用、再使用以及产品废弃处置等过程，从而构成了一个完整的物质转化的生命周期。,6,生命周期5个阶段：a.生产前阶段,b.产品生产c.产品运输,d.产品使用e.翻新、再循环或最终处置,7,材料生产使用过程的排放物及环境影响:,金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料,CO2SO2NOx重金属离子CH4NH3NO3-HCl粉尘固体废弃物,全球变暖臭氧层破坏光化学烟雾酸化富营养化人体毒性水生生态毒性,大气污染物,水体污染物,固体污染物,其他污染,2.材料生命周期评价（LCA）的起源,8,冶炼1 吨 钢材的输入和输出参数,材料的生产过程是一个消耗大量资源、能源、产生大量环境污染的过程。,9,材料的生产过程是一个消耗大量资源、能源，产生大量环境污染的过程，研究如何减少与材料相关的环境污染是一个十分重要的课题。将来的环境材料能否深入人心，能否将环境意识真正地引入材料科学与工程，其关键在于环境负荷的具体化、指标化、定量化，这就涉及材料的环境协调性评价。,10,生命周期评价法（Life cycle assessment,LCA）LCA是一种用于评价与产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的工具，是目前通常采用的环境协调性评价方法。LCA概念最早于20世纪60年代末70年代初在美国出现.1969年每中西部研究所对可口可乐饮料包装瓶进行评价。对产品从最初的原材料采掘到废弃物处理的全过程进行跟踪和定量分析与定性评价。,11,两个组织在 LCA 的研究和推广应用中起到了重要的作用：LCA 作为正式的环境评价术语是由国际环境毒理和化学学会（SETAC）在1990 年提出的，并给出了 LCA 的定义和规范（1993年LCA指南：操作规则）。其后，国际标准化组织（ISO）将LCA方法在全世界范围内进行了标准化的推广，1997年纳入为ISO 14000 国际环境管理系列标准之一。,12,ISO 14000 国际环境管理系列标准：,ISO 14000 中 6 大系列标准之一，14040-14049,13,在1993 年，SETAC 对 LCA 定义：Life Cycle Assessment is a process to evaluate the environmental burdens associated with a product，process，or activity by identifying and quantifying energy and materials used and wastes released to the environment；to assess the impact of those energy and material uses and releases to the environment；and to identify and evaluate opportunities to affect environmental improvements.The assessment includes the entire life cycle of the product，process，or activity，encompassing extracting and processing raw materials；manufacturing，transportation and distribution；use，re-use，maintenance；recycling，and final disposal.,3 生命周期评价(LCA)的定义,14,译文：通过确定和量化相关的能源、物质消耗、废弃物排放，来评价某一产品、过程或事件的环境负荷，并定量给出由于使用这些能源和材料对环境造成的影响；通过分析这些影响，寻找改善环境的机会；评价过程应包括该产品、过程或事件的寿命全程分析，包括从原材料的提取与加工、制造、运输和分发、使用、再使用、维持、循环回收，直至最终废弃在内的整个寿命循环过程。,15,在1997 年 ISO 制订的 LCA 标准（ISO 14040 系列）中也给出了 LCA 和一些相关概念的定义：Life cycle assessment：Compilation and evaluation of the inputs，outputs and the potential environmental impacts of a product system throughout its life cycle.Product system：Collection of materially and energetically connected unit-processes which performs one or more defined functions.（NOTE：In this International Standard，the term“product”used alone not only includes product systems but can also include service systems.）Life cycle：Consecutive and inter-linked stages of a product system，from raw material acquisition or generation of natural resources to the final disposal.,16,译文：“LCA”：是对一个产品系统的生命周期中(能量和物质的)输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。“产品系统”：是通过物质和能量联系起来的，具有一种或多种特定功能的操作过程单元的集合。“产品”：既可以是一般制造业的产品系统，也可以是服务业提供的服务系统。“生命周期”：是指产品系统中前后衔接的一系列阶段，从原料的获取或自然资源的生成，直到最终处置。,17,目标与范围的确定,生命周期评价技术框架,清单分析,影响评价,解释,直接应用：产品开发与改进 战略规划 公共政策制定 营销 其他,LCA技术框架（四阶段）,4.LCA的技术框架与评价过程,应用于材料的生命周期评价通常称为MLCA（Materials LCA）。,18,4.1 目的与范围的定义步骤：,在开始进行 LCA评估之前,必须明确其评价目标和评价的范围,以此界定该过程、产品或事件对环境影响的大小，这是其后的评估过程所依赖的出发点和立足点。LCA 评价目标主要包括界定评价对象、实施 LCA 评价的原因，以及评价结果的输出方式。,19,评价范围一般包括评价功能单元定义、评价边界定义、系统输入输出分配方法、环境影响评价的数学物理模型及其解释方法、数据要求、审核方法及评价报告的类型与格式等。范围定义必须保证足够的评价广度和深度，以符合对评价目标的定义。评价过程中，范围的定义是一个反复的过程，必要时可以进行修改。,20,功能单元是评价环境影响大小的度量单位，由于关系到环境影响的具体数值，一般情况下功能单元应该是可数的。例如，在计算一个火电厂因发电而产生的二氧化碳排放量时，需要事先明确这种排放量是针对多少发电量而言的。,21,requires.,ca 130 PET bottles(17 use cycles),1000 liters of beer delivered,ca 70 glass bottles(28 use cycles),ca 2000 aluminium cans(1 cycle),功能单位,22,系统边界确定了哪些过程应该被包括到 LCA 评价范围中。系统边界不仅取决于 LCA 实施的评价目标，还受到所使用的假设、数据来源、评价成本等因素的影响和限制。数据是指在 LCA 评价过程中用到的所有定性和定量的数值或信息，这些数据可能来自测量到的环境数据，也可以是中间的处理结果。数据要求包括说明数据的来源、精度、完整性、代表性和不确定性等因素，以及数据在时间上、地域上和适用技术方面的有效性等。数据要求是 LCA 评价结果可靠性的保障。为保证 LCA 评价方法符合国际标准，评价结果客观和可靠，在 LCA 评价过程结束后可以邀请第三方对结果进行审核。,23,4.2 清单分析(编目分析)根据评价的目标和范围定义，针对评价对象收集定量或定性的输入输出数据，并对这些数据进行分类整理和计算的过程称为编目分析。目的是将环境负荷定量化,是对输入和输出进行以数据为基础的客观量化过程。编目分析在 LCA 评价中占有重要的地位，后面的环境影响评价过程就是建立在编目分析的数据基础上的。,24,水木材煤石油及天然气矿物资源金属矿产其他能源生态系统,产品系统,温室效应酸雨臭氧层破坏有机挥发物大气污染物水污染物废渣排放固体有害污染物光、声、电磁波污染,系统,输入数据及信息,输出数据及信息,一个系统通过其系统边界与外部环境分隔开，系统的所有输入都来自于外部环境，系统所有的输出都输出到外部环境。LCA 用户也可以直接从编目分析中得到评价结论，并做出解释。,25,26,在编目分析中通常包含以下几个过程或步骤：系统和系统边界定义、系统内部流程、编目数据的收集与处理（1）系统和系统边界定义编目分析正是对所有穿过系统边界的物质、能量流进行量化的过程。系统的定义包括对其功能、输入源、内部过程等方面的描述，以及地域和时间尺度上的考虑。这些因素都会影响到评价的结果。,27,（2）系统内部流程为更清晰地显示系统内部联系，以及寻找环境改善的时机和途径，通常需要将产品系统分解为一系列相互关联的过程或子系统，分解的程度取决于前面的目标和范围定义，以及数据的可获得性。,28,例如:一个聚乙烯塑料饮料瓶的主要流程图，,系统内部的这些过程从“上游”过程中得到输入，并向“下游”过程产生输出。这个流程图中没有包括辅助性产品如标签、纸箱、粘胶等，但在完整的编目分析中应该包括它们。,29,在绝大多数的产品系统中都要涉及到能源和运输，所以能源生产和不同运输方式的环境编目数据是一种基础数据，一次收集和分析之后会多次被用到。与此类似，一种材料也会在多种产品中被用到，所以对常用材料的基础评价也是非常重要并需要首先解决的问题。,30,（3）编目数据的收集与整理 编目数据的来源应该尽可能从实际生产过程中获得，另外，也可以从技术设计者，或者通过工程计算、对类似系统的估计、公共或商业的数据库中得到相关信息。要注意的3个问题：分配问题 当从产品系统中得到多个产品，或者一个回收过程中同时处理来自多个系统的废弃物时，就产生了输入输出数据如何在多个产品或多个系统之间分配的问题。,31,能源问题 在能源数据中应考虑能源的类型、转化效率、能源生产中的编目数据及能源的消耗量。不同类型的化石能源和电能应该分别列出。能源的消耗量应以相应的热值如焦或兆焦单位计算，对于燃料的消耗也可使用质量和体积。标准煤 又称标准燃料，是计算能源总量和折合各种能源的综合指标，我国规定每公斤标准煤的含热量为7000Cal，以此可把其他能源的含热量折合成标准煤来计算。,32,数据问题：编目中所使用的数据应取尽可能长的一段时间数据,例如一年中的统计平均值,以清除非典型值的干扰。应该明确说明数据的来源、地域和时间限制，以及对数据的平均或加权处理。所有的数据应该根据系统的功能单元进行统一的规范化，这样才具有叠加性。得到所有的数据后，就可以进行整个系统的物质流平衡计算，求解各子系统的贡献。,33,34,环境影响评价建立在编目分析的基础上，其目的是为了更好地理解编目分析数据与环境的相关性，评价各种环境损害造成的总的环境影响的严重程度.即采用定量调查所得的环境负荷数据定量分析对人体健康、生态环境、自然环境的影响及其相互关系，并根据这种分析结果再借助于其他评价方法对环境进行综合的评价。,4.3 环境影响评价,35,环境影响评价是 LCA 的核心内容,也是难度最大的部分,一般是将数据收集起来进行评价,包括：资源消耗、水污染、大气污染、固体废物、土壤污染、环境商值 EQ。环境影响评价基本上包含 4 个步骤：分类、表征、归一化和评价。,36,37,(1)分类 将编目与环境损害种类相联系并分组排列的过程,是一个定性的、基于自然科学知识的过程,在 LCA 评价中,将环境损害主要分为 3 类,即资源消耗、人体健康影响和生态环境影响。然后进一步细化为全球变暖、酸雨破坏作用、臭氧层减少、沙漠化、富营养化作用等。一种编目条目可能与一种或多种具体的环境损害有关。,38,（2）表征 表征：对不同编目种类造成同一种环境损害的程度不同的对比分析和量化的过程。如二氧化硫和二氧化氮两种气体都可形成酸雨,但同样的气体量所形成的酸雨程度不同,这时就要用表征将其过程量化。它是一个定量的、基于自然科学的过程。通常在表征中都用计算“当量”的方法。,39,指标当量化 采用相对定量的方法，对每种指标选定一种参照物；将污染物的环境影响作用以参照物的当量表示。例如对温室效应这一指标的当量化：全球变暖潜能值Global Warming PotentialGWP是一种物质产生温室效应的一个指数。GWP是在100年的时间框架内，各种温室气体的温室效应对应于相同效应的二氧化碳的质量。二氧化碳被作为参照气体，是因为其对全球变暖的影响最大。将当量值与实际编目数据的量相乘，可以比较相关编目条目对环境影响的严重程度。,40,41,常用表征指标及其参照物,42,(3)归一化 归一化：对编目分析和表征结果数据采用加权或分级的量化处理,以简化评价结果。一般是将表征结果与基准量进行比较，从而使不同影响类型的表征结果具有可比性。基准量一般为一个区域资源总量或污染物排放总量。,43,(4)评价评价：从总体上概括某一系统对环境的影响,比较和量化不同种类的环境损害,并给出最后的定量结果。这一过程是典型数学物理过程,经常要用到各种物理和数学模型。由于所使用的模型不同,有时会出现不同的评价结果,因此在环境评价中,应该给出较为详细的所使用模型的假设条件、判断依据等,以避免引起过多的争议。,44,4.评价结果解释（改善评价）：结果解释是LCA的最终目标,通过确定产品的环境负荷,比较产品的环境性能优劣,强调将编目分析和环境影响评价的结果进行综合,对该过程、事件或产品的环境影响进行阐述和分析,最终给出评价的结论及建议。,45,LCA的特点LCA面向的是产品系统（原材料采掘、原材料生产、产品制造、产品使用和产品用后处理）；LCA是对产品和服务从“从摇篮到坟墓”全过程的评价；LCA是一种系统性的、定量化的评价方法；LCA是一种充分重视环境影响的评价方法；LCA是一种开放性的评价体系。,46,2.2.6 材料LCA评价的应用,LCA的应用已遍及社会、经济的生产、生活的各个方面。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。,47,材料LCA评价的应用举例,几种典型高分子材料的生命周期评价陈红 郝维昌 石凤 王天民.环境科学学报 2004年03期 P545-549塑料工业除了能给社会提供便利的服务外，也有可能给人们的生活带来负面的影响。聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚氯乙烯(polyechloride，PVC)是工程塑料中最典型的高分子材料。下面从我国的国情出发，按照ISO14040243中对生命周期评价方法(LCA)的定义对4大通用工程材料的环境影响进行较为系统的评价。,48,1 目标和范围的定义1.1 目标的确定 研究目标主要是采用LCA 方法比较PE、PP、PS、PVC 4 大通用工程塑料的环境影响,以便更好地选用材料，为塑料制品工业的生态设计提供参考。为了保证不同材料环境负荷排序的可靠性，采用不同的环境影响评价方法对以上材料环境负荷进行定量的评估。,49,1.2 范围的确定 研究的起止点放在原油的开采、原油的运输、原油的提炼、聚合体的生产、废物处置方面，而材料的使用阶段不在考虑之列，废物处置则选择了有关文献中认为环境影响较大的填埋方式，而这种填埋方式也是在我国城市固体废弃物处置中被普遍采用的。能源生产中所带来的环境排放按照各阶段的能耗比计入其中。评价范围选用的功能单元是1000kg，采用的是LCA 的简化模型。此外，由于所研究的材料涉及到多产品系统，将各产品系统的输入和输出数据按照质量比例进行了分配。评价中所使用的数据来源有：企业内部实际生产数据、工艺改进的设计数据、国家环境保护部门数据；我国相关的统计年鉴、文献等公开出版物。,50,2 编目分析2.1 工艺流程的确定 据所定义的系统边界和假设，给出4 种材料的实际工艺流程图。,51,图1 4 种材料的工艺流程图,52,2.2 编目数据的收集 根据图1所示的工艺流程图，整理每一生产过程的数据，可得到如下列表。,t,t,t,53,54,55,3 环境影响评价3.1 分类与表征将材料的编目数据划分为资源消耗、能源消耗、废气、废水、废渣排放5 个方面（分类）。分别针对PE、PP、GPPS、PVC 这4 种材料进行了比较，结果如图2图4 所示。,56,GPPS 在资源消耗、能源消耗、废气排放及废渣排放中影响最大。PVC 在能源消耗、废气排放及废渣排放中居其次，但其废水排放量最高，资源消耗最小。PE与PP在这5 项分类中影响相差不大。这种差别不仅源于资源的消耗不同，而且还与其各自的生产工艺相关。（表征）,57,PE 与PP、GPPS 同为石油化工的加工产品。由于PE 与PP 的上级原料乙烯、丙烯其化学结构相似，根据质量分配原理分配物耗，可知单位质量的乙烯和丙烯所消耗的原油基本相同，PE 和PP化学结构相似，生产过程也相似，因而相同质量的PE 和PP 生产中消耗的乙烯与丙烯相近，其能耗及环境排放物也相似；而GPPS生产中所使用的上级原料是苯乙烯，苯乙烯是乙烯联产品C6 成分的深加工产品，在质量分配中相同质量的苯乙烯和乙烯消耗原油之比约为1.4:1，由此可知产品质量相同时，GPPS 原油消耗约是PE 的1.4 倍。,58,能耗方面，生产GPPS 时，由于其苯乙烯生产工艺(主要是能耗大的乙苯脱氢工序)的加入，使得GPPS 的能耗剧增，在这4 种材料中能耗居于首位。由于在实际生产中大量使用的是二次能源(如电、水蒸汽等)，相应地由这些二次能源所带来的废气、废水、废渣排放量也随之增多；PVC 生产的主要原料是乙烯和氯气,其原料各占其生产物耗43.6%和56.4%，生产中乙烯量的降低引起油耗的降低，这样使得生产相同质量的产品时，PVC 的原油消耗量显著低于其它材料。PVC 废水排放量的突增一部分是由氯气生产及氯乙烯生产环节所需大量电力生产带来的废水排放，另一部分则是由于其独特的悬浮聚合工艺导致耗水量较大，因而使其整个生命周期阶段的废水排放总量在这4 种材料中居于首位。,59,3.2 四种材料环境负荷值的比较（归一化）为了能使环境影响表现得更加直观，采用不同的LCA 方法将4 种材料的环境影响表示为单一的环境负荷值。鉴于采用的影响因子需具有可比性，这里选取了瑞士的Ecopoint 97 方法、荷兰的CML2 baseline2000及丹麦的EDIPPUMIP96 方法。采用SETAC LCA 的思想将环境影响进行分类、表征、归一化后取权重，从而得到单一的环境负荷值。,60,按照这3 种方法计算后，得到图5 结果。,61,采用Ecopoint方法时，由于固体废弃物的归一化因子与权重的影响，使得固体废弃物成为决定环境负荷大小的决定性因素，从而使得废弃物排放量最大的PVC 成为4 大材料中环境负荷最高的材料，但是由于GPPS 材料生产的CO2、SOx 的排放及能源消耗造成的环境负荷高于PVC，这样使得GPPS 的环境负荷与PVC 的环境负荷差别不大；当采用EDIPPUMIP96 方法和CML2 baseline2000 方法计算时，发现GPPS 的环境负荷远高于PVC 的环境负荷，这是因为此时采用的归一化因子及权重系数使得温室效应、人体毒害、酸化效应及资源消耗等影响因子共同决定总体环境负荷的大小，由于GPPS 的这几项环境影响因子均高于PVC，使得其环境负荷在这4种材料中也居于首位。,62,3.3 评价当使用这3 种不同的方法进行环境负荷评价时，这4 种材料的排列顺序大致为：GPPS PVC PE PP。,63,4 结果解释（1）材料生产的能耗、废气、废水、废渣排放量的高低不仅取决于资源的消耗量，而且还与材料生产过程密切相关。资源消耗量越大，工艺环节越多，则材料生产过程中的能耗以及废气、废水、废渣排放量也越高。为了降低材料生产的环境负荷，必须采取资源回收利用、节约能源及工艺改善等措施。（2）在PE、PP、GPPS、PVC 这4 种高分子材料中，GPPS 与PVC 的环境负荷明显要高于PE、PP。因此在确保其性能符合要求的情况下，为了保护环境,建议尽量采用环境负荷值较小的PE 和PP。,64,（3）GPPS 的生产因为苯乙烯的生产过程而导致其能耗以及废水、废渣、废气的排放量突增；而PVC 的生产也因为氯气和氯乙烯的生产而导致其环境负荷增高，着重对其进行改善,会明显降低这两种材料的环境负荷。（4）运用不同的LCA 方法可以对以上4 种高分子材料的环境负荷进行整体趋势上的评估，由于归一化因子与权重值的不同，结论会有一定的出入。具体应用时，应该运用多种LCA 影响评价方法并根据实际情况进行判断。（5）值得注意的是，在工艺流程发生改变的情况下，材料的环境负荷可能发生变化。如果废弃物处置方式改为焚烧处理，PVC 由于剧毒致癌物质的排放，其环境负荷可能会排在首位。,