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工程材料 LCA中环境效益的分析与研究 ＊ 余显芳 1 汪永超 1 谈丁丁 1 刘 勇 2 李英林 1 1.四川大学制造科学与工程学院, 成都 610065;2 .四川大学分析测试中心, 610064 摘要 论述了材料环境效益性的目标因素, 详细分析产品材料在 LCA 中的环境效应性、能量消耗性和经济回收性; 通 过 LCI 分析建立环境效应、能量度量、经济度量的决策模型和数学模型实现材料环境效益性的目标; 先整体定性分析 LCA 工艺, 再定量计算环境效益的三属性值, 建立目标函数、分层优化算法确定影响因子和相应的权重系数之间的关 系以及对产品材料的环境效益性的影响, 最后以家用小型风扇回收处理中各种材料环境效益性为例进行具体分析和 决策, 进一步明确和决策优化出环境效益性好的工程材料。 关键词 环境效益; 生态指数; 权重系数; LCA 评价模型 ANALYSIS AND RESEARCH OF THE ENGINEERING MATERIALS ON LCA FOR ENVIRONMENTAL BENEFITS Yu Xianfang1 Wang Yongchao1 Tan Dingding1 Liu Yong2 Li Yinglin1 1. School of Manufacturing Sci. 2. Analysis and Testing Center, Sichuan University, Chengdu 610064, China Abstract Environmental problems are received much concern on engineering materials in LCA, so it is made analysis and decision on engineering materials targeting factorsfor environmental benefits andmakes detailed analysisof the factors of environmental effectecological index; weight coefficient; LCA uation model ＊国家“十一五”科技支撑计划项目 2006BAC02A02 。 0 引言 材料是人类文明社会的物质基础, 任何产品的主 体是材料 ,然而材料的生产、 运输、使用 、 废弃 、 再生回 收都与环境问题密切相关, 随着科技的不断发展, 机 电产品更换越来越快, 然而在机械电子产品整个生 产消费 LCA 过程带来了极大的环境问题, 特别是 给发展中国家带来巨大的环境挑战 ,然而在现代文明 社会, 消费者希望获得大量高性能的各种材料 , 又迫 切要求有一个良好的生态环境 , 以提高生存质量, 所 以消费者对消费产品使用寿命周期后的材料及部件 环境效益性越来越积极, 基于此工程材料的选择必须 面向环境效益, 以缓解当前的压力和发展自身动力。 材料的环境效益一般从两个方面进行考虑 一方面材 料在整个周期内的环境效应问题,另一方面材料环境 利益问题。在材料环境问题上通常采用环境效能因 子来衡量, 在国际上目前有两种典型的分析和探讨 方法 从材料的整个寿命周期清单出发基于风险 和基于危害进行模型的建立和评价 [ 1] , 并取得了一定 的成果。而对于材料的环境利益国内及国外通常采 用荷 兰 的 Eco-Indicator 99, 丹 麦的 EDIP 方法 及 CML2001 方法 [ 2] ,但是对发展中国家有一定的区域评 117 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 价及技术的局限性。本文采用对材料在 LCA 面向环 境效应度量和环境利益度量进行建模和评估 ,并通过 对家用小型风扇的回收处理过程对工程材料面向环 境效益的分析和优化过程 。 1 材料环境效益 材料的环境效益主要从它的环境效应性 、 能量消 耗性、经济利益性三个目标因素进行分析探讨 ,通过 对材料 LCI 分析建立合适目标模型和评价方法,用定 性分析与定量计算方法权衡各个目标因素的权重系 数对环境效益的作用性, 最后通过GA 算法和分层优 化法获取目标量 。 1. 1 材料环境效应的分析与目标模型建立 材料的环境效应是指材料及其产品在整个生 产加工制造 运输 消费 回收 处理循环过程 中对环境产生的影响 资源能源消耗及废弃物作用 。 要分析材料的环境效应通过利用 LCA 分析材料在生 命周期过程中的输入与输出, 可以得到对环境产生影 响的各种物质清单 ,在清单分析的基础上 ,开发出多 种环境影响评价方法 life cycle impact assessment , LCIA 。如果给定材料的某生产过程或寿命全程被处 理成一个黑箱, 其中资源项和能源项是黑箱的输人参 数 [ 3] ,产品项和废弃物 固态 、 气态 、 液态、振动 、 噪音、 辐射 项为黑箱的输出参数。在这个黑箱中, 资源 、 能 源和废弃物3 个参数组成材料的环境负荷,这 3个参 数也就是材料环境效应的 3 大因子。 材料的环境负荷 F{ 资源,能源, 废弃物} 为了方便统一权衡和量化 , 定义以下特性值及 参量 1. 1. 1 环境因子 EF EF1 ∑aiI′ i; EF2∑biI″i; EF3∑ciI i 式中 EF1代表材料的资源环境因子项, EF2代表材 料的能源因子项, EF3代表材料的废弃物环境因子 项; I′ i, I″i, I i代表材料相对应的等效环境指数, 它 们是单位质量产品环境影响数值除以环境标准容许 的数值或浓度, 分别表示若干等效资源 、 能源 、 废弃物 环境因子项指数 ; i 为材料 LCA 的过程项目 ; ai,bi, ci 分别为不同环境因子的影响系数。 1. 1. 2 环境负荷值 ELV [ 3] ELV ∑Kj EFj j 1,2, 3 式中 ELV 为各种环境因子; Kj为对应的权重系数。 在评估及判断材料在 LCA 内的环境效应, 分析 其输出输入清单对材料生产过程的各种能源、资源、 废弃物的具体数据的收集和数据处理进行统一计算 和权重,建立目标过程通过求解优化参数最后求出材 料的环境负荷为选择合适材料和合理过程设计提供 依据和指导 。 1. 1. 3 环境效应模型建立及目标评价优化 根据材料在整个 LCA 过程中环境效应作用及其 过程清单的分析建立其基本的环境因子输入输出的 控制工艺过程模型如图 1所示。 图 1 材料产品的LCA 过程环境效应模型 通过上面的输入 、 输出模型我们可以清楚的分析 出材料 LCA 过程中的环境效应问题 , 对控制及处理 环境作用和优化选择材料及工艺有很好的帮助,但是 定性较大, 需要进一步定量化计算, 就应当建立一定 的目标数学模型并采用遗传算法和目标优化 ,又根据 实际情况和状态确定对应的权重系数从而得出材料 LCA 过程的环境效应负荷值及材料择优问题。环境 效应的数学目标模型为 M [ EF1, EF2, EF3] O [ m , n , o, p , q , r, s] Io[ i1, i2, i3, i4, i5, i6] Kjk k1, k2,k3 ELV k . m′ f M , Io 其中 M 表示三种环境因子项 ; O 表示单位质量材料 在LCA 过程中的输出项目 m 为项目产品, n 为固体 废料, o 为废气料, p 为废液料 , q 为噪音, r 为振动 , s 为辐射 ; Io表示资源能源在材料 LCA 过程输入量 i1, i2, i3, i4, i5, i6分别为材料生产、加工制造、 运输 、 消费 、 回收、处理的投入量 ; Kj表示材料三种 对应的权重系数 , k 为基向量 k1, k2, k3分别为能 源、 资源、 废弃物权重系数 ; m′ 为总质量参数 。最后 通过 BP 神经网络法和遗传算法优化输出结果和得 出环境效应负荷值和材料的环境特性 [ 4] 。同时通过 118 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 量化计算明确环境效应的生态指数对人体健康、 生态 系统影响性和资源能源消耗量 。 1. 2 工程材料经济性与能量性建模分析 材料环境的利益性是指材料在 LCA 过程中产生 的环境效应或环境影响而对其进行约束 ,处理和优化 而产生的经济性成本性、能量投入回收性而产生的利 益权衡关系,本文主要从材料产品的生产制造 、 运输、 拆卸 、 处理回收对环境的利益性进行度量。基于此建 立和开发选择材料 LCA 内环境影响约束下的经济性 和能耗性评估和决策模型 ,环境度量主要指的是能源 问题 ,环境效应问题在前面已经分析过了 [ 5] , 如图 2 所示, x 为多种策略方法 , y 为环境因素。各个阶段 中的具体经济度量与环境度量为以下五个方面 图 2 材料寿命周期过程的经济度量和环境因素度量评价模型 1. 2. 1 材料制造加工过程 材料在制造加工过程不管是经济投入还是能量 消耗都是最大, 产生的环境影响也是最大的过程, 要 对整个材料 LCA 过程环境效益获得最大值和经济成 本投入最小值这个过程是关注的重点也是难点。经 济成本为 CPi x ,y , 而能量消耗可以定量表示为 EPi x , y Δ EPi yti yMPi x , y 式中 EPi x ,y 表示制造加工过程中消耗的总能量, MJ; ΔEPi y 为加工制造过程中能量消耗系数, MJ hkg ; ti为加工时间 ,h; MPi x , y 为加工制造产品 材料的质量,kg ; i 表示第 i 种材料。 1. 2. 2 产品材料运输过程 [ 5- 6] 产品材料制造前后, 消费前后和处理回收过程中 都不可能在同一地域进行 ,所以在这些环节中就需要 运输, 必然会有运输能量消耗和经济成本 CTi x , y , 其能量可以表示为 ETi x , y Δ ETi yDi yMTi x , y 式中 ΔETi y 为运输过程能耗系数 ,MJ kmkg ; Di y 为运输距离 ,km 。 1. 2. 3 产品材料拆卸回收过程 资源的不断减少这就迫使我们在产品寿命周期 后要分析其材料是否能通过拆卸处理进行分类回收, 回收后的材料或部件在通过加工或重组利用 ,在此过 程中既有能量的获得也有能量的消耗,有较大的经济 回收 PRi x , y ,其能量消耗形式可以表示为 ERi x , y[ Δ ERi y-Δ EPi yθi] MRi x , y 式中 ΔERi y 为材料回收过程消耗的能量系数 ,MJ kg ; ΔEPi y 为材料回收过程制造时能量系数,MJ kg ; θ i为回收效率。 1. 2. 4 产品材料分解切碎过程 在回收处理过程中产品可能直接拆卸就可以回 收也就是同化吸收, 有的则必须进行分类回收或处 理,比如汽车轮胎在回收过程中要将其切碎在加工融 合最后使用 ,所以在这个过程中要消耗能量和经济投 入 CS x , y ,能量消耗可以表示为 ES x , y Δ ES yMS x , y 式中 ΔES y 为切碎过程能量消耗系数 ,MJ kg ,数值 上一般为 1。 1. 2. 5 产品材料填埋处理过程 在拆卸过程中有不可重复利用的材料比如毒副 性大的材料 ,还有在切碎过程中也有不可回收材料就 需要焚烧或填埋处理 ,所以需要消耗能量和投入一定 的资金成本 CL x , y ,能量消耗量可以表示为 EL x , y Δ EL yML x , y 式中 ΔEL y 为材料处理过程能量消耗系数,MJ kg 。 在整个材料 LCA 过程中消耗的总能量可以表 示为 E x , y∑ i ∈ PE Pi x , y∑ i ∈ TE Ti x , y ∑ i ∈ RE Ri x , yES x , yEL x , y 在整个过程中总的经济利益可以表示为 P x , yλ∑ i ∈ RP Ri x , y-∑ i ∈PC Pi x ,y- ∑ i ∈TC Ti x , y-CS x , y- CL x , y-CD x , y 式中 λ 为售价折合系数 λ 1 ; CD x , y 为拆卸过 程中的经济投入 。 在整个过程中保证消耗的能量最小 、 投入的成本 最小 、 经济收益最大 ,就反映出材料的环境效益最好, 也就是材料在从“生死生”的循环过程中要达到 119 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 最大的环境效益 ,要实现上述两个基本目标其目标函 数为 EP minE x , ymaxP x , y 在上述目标决策函数中本文探讨的是 P x , y 取得正值的状态 ,如果取负值时 P x , y 应当取最小 值,在以后文章中探讨。各个阶段过程中的影响参数 和主要条件都是其约束条件, 最后专家数据库和一定 的统计分析及优化处理得出目标值 ,从而获得材料的 环境效益最大值 。 1. 3 材料环境效益权重系数的确定 要评价材料在 LCA 中的环境效益性, 必须评价 ELV 和 EP 值, 看是否符合相应行业的国际标准或国 家标准,如果不符合就进一步优化和修正。然而在材 料整个 LCA 过程中环境效益性不是固定, 根据人类 的需求和生态的变化它是一个动态参量值,但主体是 基本不变的,只需要调整权重系数 。权重主要根据不 同国家 ,不同行业, 不同时间和不同区域进行实际的 权衡达到最有价值的目的 。其评价指标 EI 表达形式 可以表示为 EI f αELV , β E x , y , δP x , y 式中 α 为材料环境负荷评价权重系数; β 为材料环 境效益中能量消耗评价权重系数; δ 为材料环境效益 中经济效益评价权重系数 。 在定量的评价过程中 ,首先根据国际各行业标准 值进行评价和权衡 ,针对性确定各个评价系数 ,确定 材料在 LCA 过程中环境效益性 , 通过分析我们知道 不同材料在不同领域及状态下时 α 、β、δ 都在[ 0 -1] 的值不尽相同, 统计法和分层决算法确定各个系数 值 [ 7- 8] 。为了明确三个系数之间的联系和权重性, 一 般我们定义其关系为 α β δ1 2 案例分析 随着经济的不断发展机电产品的消耗量越来越 大,然而机电产品原料是有限的,而且其生产 、 设计制 造、 运输、消费和回收处理过程与环境因素有着很大 联系 。材料从加工制造到产品的消费以及到产品材 料及部件的回收处理过程都和环境有着密切的关系, 如何具体分析材料在 LCA 中的环境效益性及得出环 境影响因素的各评价指标值, 风扇是每个家庭基本家 电设备 ,而其更换性和淘汰性极大, 因此对其进行回 收处理迫在眉睫。笔者分析家用小型风扇在回收处 理过程的环境效益性 。在这个例子中详细分析了材 料产品的环境效应性 ,能源消耗性和经济利益性。基 于材料的环境效益性进一步为材料的选择和产品 LCA 工艺过程的控制提供参考。 2. 1 LCA 中风扇的环境效应属性 在分析小型风扇 LCA 过程中的环境效应性通过 环境生态指数 环境负荷值 定量进行评价 , 对材料 LCA 过程的环境效应进行定性归类分析。在进行清 单分析及计算过程中通过权值基向量 GA 优化而获 取环境负荷权重系数有不同的优化组,我们根据具体 材料分析选用一组进行分析计算 Kj[ k1, k2, k3 1 ,1,2 ] 。各个阶段的生态指数及环境效应见表 1 所示, 部分数据来源于机械设计手册及 SimaPro6. 0 数据库 [ 5,9] 说明 以下钢材料为直接从铁或回收得来 进行考虑, 负数表示有利于环境属性 。 表 1 家用小型风扇 LCA过程的环境效应属性 材料名称 LCA 过程生态指数 Pt kg- 1 生产阶段制造阶段 成形回收过程处理阶段 填埋、焚烧 PP33021-195- 9. 5 铝78072-159 钢8623-19. 57 铜92581-14. 59 铁48819-275. 5 橡胶36025-9771 L CA 中各过 程可能产生 的环境效应 温室效应、空气污染 水污染、资源消耗 臭氧层破环、振动噪音 酸雨、固体废物、物种减少 固体废物 振动噪音 温室效应 空气污染 水污染 固体废物 资源消耗 2. 2 风扇回收处理中的能量属性 家用小型风扇将其拆卸成零部件分块材料形式 主要有 PP 、 铝 、 钢 、 铜、铁、 橡胶材料,由于不同材料其 属性结构都不一样, 在拆卸回收处理中不同材料零部 件需要投入的能量不一样 ,根据实验及研究表明一般 金属材料的在回收处理过程中投入的能量比非金属 材料要多。根据前面的零部件材料回收处理能量投 入公式计算得出风扇的回收处理时的能量投入见 表2 所示,同时废旧产品回收处理比从新制造节约巨 大的能量, 各种材料回收处理能量节省率见表 2 所示 。 2. 3 风扇回收处理中的经济属性 产品材料在回收处理过程中经济指标也是环境 效益性的一个重要权衡量 ,小型风扇各种材料回收处 理过程中既有经济的回收, 也有经济的投入 ,确定经 120 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 济效益性为 回收总额投入总额 。在实验处理和定 量计算中采用目前比较成熟算法和模型 Aachen. Germany [ 10] . 算法模型, 风扇回收的经济效益性详见 表3 。一般我们国家从经济性和劳动密集型考虑各 个经济指标在乘以一个小于 1的相应的价格系数。 表 2 家用小型风扇回收处理时能量属性 材料名称回收处理能量投入 MJkg - 1 能量节省率 PP62 80 铝14095 钢1974 铜8585 铁2270 橡胶10 70 表 3 小型风扇回收处理过程的经济效益性 材料名称 每千克材料回收处理 过程经济回收 回收处理过程总 平均经济投入 PP＄0. 06 铝＄0. 98劳动费率 ＄20 . 00 h; 钢＄0. 22运输成本 ＄0. 23 tkm ; 铜＄1. 23焚烧费用 ＄0. 28 kg; 铁＄0. 18填埋费用 ＄0. 20 kg。 橡胶＄0. 08 2. 4 结果分析 通过 LCI 分析计算和上述表 1 到表 3 我们可以 知道家用小型风扇在 LCA 中环境效应性和在回收处 理工程中的环境效益性 。在风扇材料环境效益三因 数环境负荷值 ELV 大小为 铜 铝 铁 橡胶 PP 钢 , ELV 值越大则对环境影响性越大, 环境效益 性就越小, 越不利生态和社会的可持续发展 ; 在回收 处理过程中能量 E 投入量的大小依次为 铝 铜 PP 铁 钢橡胶 ,能源消耗越大对生态和社会挑战 也越大; 对风扇回收处理经济效益性 P , 由于在投入 经济过程中不确定的因数比较多 , 比如运输的距离, 土地的价格及区域等不能准确统一的定量,但在同等 条件下不同材料的回收处理费用相差不是很大,所以 在本文中实例计算回收处理经济效益性主要从经济 回收方面计算其经济效益性为 铜 铝 钢铁橡 胶 PP 。 从上述数据分析我们可以看出 ,风扇各组成材料 在过程中的环境效应性, 能量消耗性和经济效益性。 各单一指标比较明确 ,但还没有综合完整的体现各种 材料的环境效益性, 这就需要根据实际情况具体分析 确定和采用 GA 分层优化法确定各个因素评价权重 系数 α 、β、δ ,在前面具体论述过 。通过对风扇市场、 资源能源、环境 、 经济和使用量等因素具体分析和优 化决策确定 α 0. 37, β0. 31, δ 0. 32。最后进行 权化和当量统一转化计算 ,将每个具体影响因素的数 值转化为[ 0,1] 上的规范量, 并且去除以其单位向量, 这样更利于网络的运算 [ 7,11-12] ,从而得出风扇各种材 料的环境效益值分别为 钢 0. 683 PP 0. 652 铁 0. 565 橡胶 0. 532 铝 0. 453 铜 0. 438 。也 就是说钢和 PP 的环境效益性最大 ,铜最差 。但是本 文模型及案例针对材料的环境效益性进行的分析计 算,其他的具体情况和因数本实例没有考虑 ,比如材 料的使用周期、材料的本身强度、硬度等属性和其他 条件及约束 。 3 结论 针对工程材料应用的广泛性和多样性,特别是从 机电产品材料使用的周期性, 在绿色设计中机电产品 材料的选择 、 设计、 制造、回收处理是一个复杂而又多 样的循环过程, 而在这个过程中材料的环境效益性是 一个非常重要的因素 ,在清洁化生产和可持续发展中 是一个必要的决定因素。基于此本文从材料的 LCA 过程中的环境效益性三要素进行分析建模和决策评 价。同时本文着重强调了材料环境效益从定性分析 到定量化指标进行计算和决策评价 ,旨在促导材料的 合理优化选择, 倡导美好和谐环境, 促进社会的可持 续发展。 参考文献 [ 1] Khandok,Faisal Khan,Kelly Hawboldt.E -impact arobust hazard-based environmental impact assessment approach for process industries[ J] . 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Environ Sci Technol, 2003,37 5303 -5313. 下转第 83 页 121 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 由表4 可知,脱硫塔排水经曝气后 pH 值升高 ,曝 气池排水与厂内工 艺冷却水排水混 合后, pH 在 6. 80～ 7. 46, 悬浮物增量在 10 ～ 28 mg L , 可达到 pH 和悬浮物排放要求。 SO2测定仪实测数据取平均值 ,见表 5。由表 5可 知,脱硫率为 91. 7。当天烟气量根据仪表显示按平 均值计算为694 000 m 3 h,则需脱除 SO 2量为1. 63 t h 。 由表 4可知,当曝气池入口 pH 值 5. 00～ 5. 50时, 湿基 白泥加入量平均值为6. 1 t h ,所以脱除1 t SO2约需要 湿基白泥3. 74 t ,可折合成1. 20 t干基白泥。 表 5 S O2实测数据 SO2含量 mgm- 3 风速 ms- 1 烟温 ℃ 烟量 km3h- 1 静压 Pa 入口2 5543. 6 有涡流141398 有涡流-0 . 24 出口2129. 767860-0 . 27 3. 2 经济效益分析 3 机组应用白泥海水脱硫系统满负荷运行时, 估算产生的经济效益如表 6 所示 。 表 6 白泥海水脱硫经济效益 项目单价效益 万元 年节电2 200 MW0 . 36元 kWh 年节约电费 79. 2 年减少石灰用量 1 . 24 万 t300 元 t年节约石灰372 年运输干基白泥 1 . 48 万 t 湿基 3 . 7万 t 31 元 t年需白泥 114. 7 - 年运行费年运行费35 - 白泥厂房及设备建设固定投资 161. 43 - 由表 6 可知, 黄岛发电厂 3 机组投资 161. 43 万 元,每年节约石灰粉 1. 24 万 t 、原系统节电2 200MW, 扣除双向治理增加了磨机厂房运行费用及白泥运输 费用, 年产生经济效益 301. 5 万元 , 运行一年即可收 回投资,经济效益很好。与石灰做吸收剂相比 ,白泥 作为固体废物, 可以不计成本 ; 与海水脱硫相比,以白 泥做吸收剂 ,吸收塔内气 液比提高 ,从而减少提水功 耗,显著降低脱硫运行费用 ,脱硫过程中可以直接或 间接溶耗白泥, 从而达到以废治废, 双向治理的目的。 4 结语 1 含水量低的白泥下料情况好, 压滤后白泥经晾 晒后下料不易蓬料; 绞笼转速变频高于10 Hz后 ,不易 蓬料。球磨机进 、 出料畅通 ,使用球磨机分散压滤后 白泥可行; 旋流器高于料仓,底流自然流回料仓,管内 不易沉沙堵塞。 2 用压滤后白泥脱硫, 脱硫率可达到 90以上, 1 t SO2约需要干基白泥 1. 20 t , 脱硫后海水可以达到 pH 和悬浮物排放要求。 3 白泥海水脱硫年产生经济效益 301. 5 万元 ,运 行一年即可收回投资 ,并且达到以废治废的目的。 参考文献 [ 1] 王凤英, 周晓东, 王庆璋. 海水白泥乳烟道气脱硫中试研究[ J] . 化工环保, 2004, 24 增刊 271 -273. 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