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1、第三章 材料的环境协调性评价方法第一节 环境材料的判据,一、一般性原则,环境材料:指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需的材料。五个判据：质量判据、经济判据、资源判据、能源判据和环境判据。前两个判据属于材料的共性判据。后三个判据是环境材料所特别强调的判据,它们也可通称为环境性判据。,1、质量判据：材料的质量则是能否制造有用器件的先决条件。因此,质量是材料的一个重要技术判据。由于性能或功能是所有材料的共同要求,有时将质量判据简称为性能判据。没有性能判据就没有人类所需材料的存在价值。2、经济判据：以最少的投入得到最大的经济利益,是人类所追求的目的,也是材料的经济判
2、据。3、资源判据：单位重量或单位体积的材料由最少的资源量构成或尽量多的由可再生资源构成。利用资源判据一方面要大力开发材料再生循环设计技术,尽量减少资源消耗,延缓资源枯竭速度和进度,另一方面还需研究材料的分离技术,提高材料的再生循环能力。,4、能源判据：要求在材料的寿命周期循环中用最少的能耗获得最大效益,而且要求逐步用可再生能源、用自然能等取代目前大量使用的矿物能源。一方面可减少污染物的排放,另一方面达到经济可持续发展。5、环境判据：在材料的生产和使用中重视三废的产生、排放和处置,遵守国际和国家的环境保护法令。,表3-1 各种材料的力学性能和能耗 注:表中b=P/b,G=P/G,-1=P/-1,
3、二、常见的环境指标及其表达方法,1、能源评价法：在材料的生产过程中,单纯用所耗能源的多少来衡量材料对环境的影响。举例来说,如生产同样 1t重的钢、铝、水泥材料时,分别要消耗掉31.8、36.7、142.4 百万焦耳的能量,显然生产水泥对环境影响要比生产钢、铝时对环境影响要大。2、环境影响因子评价法(environmental assessment factor EAF)：将在生产某种产品时对环境影响各种因素给以综合考虑的方法,EAF=F资源、能源、污染物、生物影响、区域作用,3、环境负荷单位法(environmental load unit,ELU)：指每生产一个单位的产品时(如 1kg),它
4、的EAF 值的大小。,表 32 某些材料的环境负荷单位比较,4、生态指数（eco-point，EP）：指对某一过程或产品,根据其污染物产生的量及其他环境作用的大小,综合计算出该产品或过程的生态指数,判断其对环境影响程度,如依据此种方法求算的玻璃生态指数为148,而在同样条件下,聚乙烯的生态指数为220,显然后者要比前者环境影响要大许多。5、环境商值(EQ)：环境商值是综合考虑废弃物的排放量和废弃物在环境中的毒性行为,用以评价各种生产对环境的影响。EQ 值越大,废弃物对环境污染越严重。EQ=EQ,式中:E 为每生产 1kg 期望产品的同时产生的废物量,E=废物量/产品质量；Q为废物对环境的毒性。
5、,6、生态因子法(eco-indicator，ECOI)：主要考虑材料生产时对环境影响的影响量（environmental impact,EI）与材料在使用过程中的使用或服务性能（service performance,SP）。ECOI=（EI）/(SP)对环境的影响包括资源消耗、能源消耗、排放的污染物(如废水、废气、废渣等)加上由污染物所引发的一些环境效应,如温室效应、区域毒性水平,甚至噪声等因素；材料的使用性能包括强度、韧性、热膨胀性、电导率、电极电位等力学、物理和化学性能等。7、生命周期评价法(LCA)：核心是对材料及产品从制造、使用到回收、废弃物处理的全过程中的环境影响或环境负荷进行综
6、合评估的方法。该法也称为从摇篮到坟墓的评价方法。产生于20世纪90年代。,矿物开采、原材料加工和冶炼、材料半成品加工、产品生产使用等各个环节都会向我们居住的地球或大气层排放污染物。,第二节 LCA 方法的起源与概念,一、LCA的起源,LCA起源于20世纪60年代化学工程中应用的“物质能量流平衡方法”，对产品生产和使用过程中的物质或能量的使用和消耗进行平衡计算。到20世纪80年代，欧美从事工艺研究和环境评价的一些大学和顾问公司研究并发展了这一方法，把“物质能量流平衡方法”引入到工业产品整个寿命周期分析中，以分析工艺过程的各个环节，即从原材料提取、制造、运输与分发、使用、循环回收，直至废弃的整个过
7、程对环境的综合影响。该分析方法也被称谓“从摇篮到坟墓”(from cradle to grave)的生命周期评价技术。,生命周期的概念，在不同的研究机构和企业中使用了不同的名称，例如，环境设计（design for the environment）、环境意识设计与制造(environmentally conscious design and manufacturing)、绿色设计(green design)、寿命全程没计(life cycle design)、产品责任意识(product responsibility)、环境质量设计(environmental quality)、产品完整性设计
8、(product integrity)等等。,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(Society of Environmental toxicology and Chemistry,SETAC)在1990年8月提出的，并且给出了LCA的三要素，为LCA构筑了基本框架。其后,国际标准化组织(International Standardization Organization,ISO)开展了大量的研究工作，将LCA方法在全世畀范围内进行了标准化的推广。,二、LCA 的基本概念,所谓生命周期(life cycle)：又称为生命循环或寿命周期,是指产品从自然中来再回到自然中去的全部
9、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。,图31 材料从摇篮到坟墓的一般流程,生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)方法又称为环境协调性评价、生命周期评估、寿命周期评价等,SETAC的定义：LCA 是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
10、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。1993年。ISO的定义：LCA 是对某一产品系统在整个寿命周期中的输入、和环境影响进行评价。这里的产品系统是指具有特定功能的、与物质和能量相关的操作过程单元的集合，该产品系统既包括产品的生产过程，也包括服务过程。寿命周期是指产品系统中连续的和相互联系的阶段，从原材料的获得或天然资源的投入一直到最终产品的废弃为止。1997年。,SETAC给出的LCA的定义：LCA is a process to evaluat
11、e 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
12、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,reuse,maintenance,recycle and final disposal.,最近的关于LCA的定义:所谓生命周期评价技术是一种评价某一过程、产
13、品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。具体地说，LCA是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗、废物排放、环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。,生命全程评价法是评价材料的环境负荷的一种主要方法。其优点在于环节概念清楚,且将材料的生命过程作为一个整体进行分类研究。,原料获得,材料制造与加工,产品生产,使用 流通 消费,废弃,再生循环,投入,排出,原料,能源,作用,有用的产品,排往大气,排往水中,排往其他环境,固态废弃物,在整个寿命周期中物质和能量的平衡情況,第三节
14、LCA 的方法学框架及评价过程,图32 SETAC三角形模型,图33 LCA的评估过程及技术框架,一、LCA 的方法学框架,LCA用于材料的设计、生产与循环再生,二、评价过程,一个产品完整的生命周期评价的实施方案可归纳为如下流程:目标与范围确定清单（编目）分析环境影响分析结果解释（改善评价）。1、目标与范围确定：(goal and scope definition)，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。是LCA方法应用的起点。LCA的评价范围: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
15、、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。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是可数的。如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是针对多少发电量而言的。系统边界:确定了哪些过程应该被包括到LCA评价范围内。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: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，
16、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。2、清单分析：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(也称为编目分析）。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。,表34 LCA 编目示意表,清单分析中包含的几个过程或步骤：(1)系统和系统边界定义(2)系统内部流程(3)编目数据的收集与处理,图3-4 聚乙烯塑料饮料瓶的主要生产流程,清单分析中要注意处理好以下 3 类问题:
17、（1）分配问题：当从系统中得到多个产品或者某一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。尽管没有统一的分配方案,通常可以从系统中的物理、化学过程出发,依据质量大小或是经济上的考虑,重新进行分配。,（2）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耳或兆焦单位计算，对于燃料的消耗也可使用质量和体积。（3）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、
18、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。,3、环境影响分析（评价）：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。其目的是根据编目分析后所提供的物料、能源消耗数据以及各种排放数据所造成的环境影响进行评估,影响分析是 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。目前环境影响分析评价的方法有许多种,基本上包含 4 个步
19、骤：即分类、表征、归一化和评价,图35 环境影响评价示意图,(1)分类 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。,表35 常用表征指标,（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
20、、基于自然科学的过程。通常在表征中都用计算“当量”的方法。,(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。,(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。,4、评价结果解释（改善评价）：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,可对产品进行重新设计,不断完善和改进,这种分析包
21、括定量和定性的改进措施,以期得到产品对环境影响最小程度的方案。1997年国际ISO 质量认证组织在 LCA 标准中将改善评价改为解释过程,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。,第四节 LCA评价方法与应用实例,一、LCA 评价方法,1、输入输出法 输入输出法是在评价中仅考虑系统的输入输出量,定量计算出该系统对环境所产生的影响。系统的输入量主要包括整个过程完成所需要的能源和资源消耗量,如煤、石油、天然气、电力及原料的投入等。系统的输出包括有效产品,该系统在生产和使用过程中产生的废弃物排放量和系统完成过程中对生态环境产
22、生的对人体健康影响、温室气体排放、区域毒性作用以及光、磁污染的影响。,图36 材料生产和使用过程的LCA评价输入输出法框架图,二、评价应用实例,1、建筑瓷砖的环境影响评价,图3-7 某瓷砖生产工艺示意图,图3-8 某瓷砖生产线的输入输出法评价模型,该瓷砖生产线的年产量为30万m2，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、废渣等。,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: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
23、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。,图3-9 某瓷砖生产过程的环境影响LCA评价结果,生产1m2瓷砖要向大气中排放19.8kg二氧化碳，对LCA评价结果的解释，通过对该瓷砖生产过程的LCA评价，提出的改进
24、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。,环境影响评价结果,LCA评价结果的解释,2、聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价,图3-11 某防水涂料生产工艺示意图,图3-11 某防水涂料生产过程输入输出法评价模型,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。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
25、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。,图3-12 某防水涂料生产过程的环境影响LCA评价结果,对LCA评价结果的解释：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。,环境影响评价结果,3、火力发电厂锅炉用材料的评价,表36 超高临
26、界压力火力发电锅炉用材料的评价,4、包装材料,图314 HDPE洗衣粉包装桶的生产使用全过程示意图,表 38 HEPE洗衣粉包装桶的LCA编目分析结果,环境负荷45*钢 QT600-3A ZG310-570,5、不同材料比较,1Kg 塑料LCA调查数据,购物袋LCA调查数据（单位：每1000袋）,第五节 LCA方法的主要问题及其发展前景,一、LCA方法的局限性与困难,1、LCA的局限性(1)应用范围的局限性：LCA 诞生本身是为环境服务的,它只考虑了产品对生态环境、人体健康、资源消耗等方面的问题,对于技术、经济或社会效果方面,如质量、性能、成本、赢利、公众形象等方面的因素很少考虑。(2)评价范
27、围的局限性：LCA只考虑了已经发生或一定会发生的环境影响因素,没有考虑可能发生的环境风险、突发事故所造成的危害及其采取必要的预防应急措施。在评估时,LCA 也没有考虑与有关环境的法律规定和限制是否有冲突。但对企业来说,这些环境政策和法规都是十分重要的问题。,(3)评估方法的局限性：LCA 的评估方法既包括了客观成分,也包括了主观成分。在LCA 方法中,主观性的选择、假设和价值判断涉及多个方面,如系统边界设定、数据来源的选择、环境损害种类的选择、计算方法的选择以及环境影响评估中的评价过程等。无论其评估的范围和详尽程度如何,所有LCA 都包含了假设、价值判断和折中这样的主观因素,所以，LCA的结论
28、需要完整的解释说明,以区别由测量或自然科学知识得到的信息和基于假设和主观判断得出的结论。(4)时间和地域的局限性：在不同的时间和地域范围内,会有不同的环境编目数据,相应的评估结果也只适合于某个时间段和某个区域,这是由产品系统的时间性和地域性所决定的。,2、LCA 理论上的困难（1）客观性问题：（2）计算模型的局限性：（3）数据采集及质量分析方法的标准化问题：（4）研究结果的不确定性：3、实际应用中的问题（1）数据完整性和精度问题：（2）完成费用较高：（3）时间花费长：（4）计算机辅助评价问题：,二、LCA 方法的用途及其发展前景,1、LCA 应用于工业企业部门(1)产品系统的生态辨识与诊断：(
29、2)产品生命周期影响评价与比较：(3)产品改进效果的评价：(4)生态产品设计与新产品开发：(5)循环回收管理及工艺设计：(6)清洁生产审计：,2、LCA 应用于政府环境管理部门和国际组织(1)制定环境政策与建立环境产品标准：(2)实施生态标志计划：(3)优化政府的能源、运输和废物管理方案：(4)向公众提供有关产品和原材料的资源信息：(5)国际环境管理体系的建立：3、LCA 用于消费者组织,思考题：1.煤是中国的主要燃料，有关洁净煤燃烧技术一直是我国研究和开发的重点，试找一锅炉或电厂发电机组收集有关数据，对煤燃烧过程的环境影响进行LCA评价，并根据评价结果，提出相应的减少煤燃烧污染的技术途径。2.分析材料的环境影响须应用LCA方法，分析资源效率要用到材料流理论。这两种方法都是基于物质不灭和能量守恒定理建立起来的，试分析两者的异同之处。3.ISO14000国际环境管理系列标准框架。,
