（化学工程专业论文）化工过程综合中的环境影响量化评价研究.pdf

摘要 本文在综述目前各种环境影响量化评价方法研究成果的基础上，对姚克俭等 提出的绿色指数法做了改进。 该法从过程系统设计的基本原理出发，将过程系统对环境的影d 问分成两部分 考虑，一部分是工艺流程系统，另一部分是能量产生系统。对于工艺流程系统 将其对环境的影响分为温室效应、臭氧屡破坏、酸雨效应、富营养化、光化学氧 化、水生生态毒性、陆生生态毒性和人体毒性这八种环境影响类型考虑，对每一 种环境影响类型进行了当量评分。对于能量产生系统，以煤燃烧为例，对燃烧后 的主要污染物进行了详细地分析和计算，并利用工艺流程系统中的当量评分来计 算环境的影响。最后，用关联表达式将这两个部分进行关联，得出一个总的评分。 以安徽丰原生化有限公司的燃料酒精精馏系统作为工程实例，通过a s 口e n p 】u s 软件对丽塔流程进行了模拟，舟绿色指数法和巨p s 方法进行环境影响分析 后，发现两塔流程的能耗鞍大，对环境鼬影响也较大。改用双效蝮瑶流程后，碰 够明显地减少对环境的影响。实例结果表明，绿色指数法能够很好地指导化工分 离系统的优化， 关键词：环境影响量化评价，改进的绿色指数法，过程综合，精馏 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r c u r r e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e m so fq u a n t l t a t i v ee n v i r o m e n t a l i m p a c t a s s e s s m e n ta r eo v e r v i e w e d o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h ，aq u a n t i t a t i v em e t 1 0 d e h e m i c a jg r e e ni n d e xw h i c hw a s p r o p o s e db y p r o y a ok e - j i a 玎j si m p f o v e d s t a n i n gf 如mt h eb a s i cp r i n c i p l e 。fp r o c e s ss y s t e md e s i g n ，t h es y s t e m c a nb e d i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ei sc h e m i c a ip r o c e s ss y s t e m ；t h eo t 1 e ri se n e r g yg e n e r a t i o n s y s t e m t h ee n v i r o 砌e n t a 2i m p a c to f 出e 吐e m j c a p r o c 8 s ss y s t e mi sc ! a s s 湎e de i g 扯 c a t e g o r i e s ：9 1 0 b a lw a r i l l i n gp o t e l l t i a l ，o z o n el a y e rd e p l e t i o np o t e n t i m ，a c i d 讯c a t i o n ， p h o t o c h e m i c a l o x i d a t i o no r s m o g f o n n a t i o n p o t e m i a l ，e u t r o p h i c a t i o n ，a q u a t l c e c o t o x i c i 饥t e r r e s t r i a ie c o t o x i c i c ya n dh u m a nt o x i c i 吼e v e r yo fw h 王c hi se v 削u a e d e q u i v a l e n t l y a st 0t h e e n e 唱yg e n e r a t i o ns y s t e m ，t a k i n g c o “c o m b u s t i o na sa n e x a m p l e ，a f t e rc o m b u s t i o nt h em a i np o l l u t a n t sa r e 姐a l y z e di nd e t a i l s 、a n dt h e nt h e e n v i r o m e n ti m p a c ti se v a f u a t e dw i t ht h e e q u i v a l e n te v a i u a t i o n i nt h ec h e m i c a l p r o c e s ss y s t e m f i n a l l y ，a t o t a le s t i m a t i o ni so b t a i n e da r e ru s m gt h ec o r r e l “o n r e l a t e dt 1 1 et w op a r t s 1 冰i n ga ne t h a n 0 ir e m l e r ys y s t e mo fa 商u if e n g y u a nb i o c h e m i s t n rc o ，l t d a s a ne n g i n e e r i n gi n s t a n c e ，t h et w ot b w e r sn o w i ss i m u l a 地dw i 也t h es o f t w a r e a s p e n p 1 u so f a s p e nt e c h n o l o g ya r e ra n a l y z i n gm ee n v i r o n m e n t a li m p a c tw i t hc h e m i c a l g r e e ni n d e xa n de p s m e m o d ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a “h ee n e 曙yc o n s u m e di nt h et w o c o w e r si si a 唱ef a i 以ya n dc h ee 矗己c t s 幻c h ee n v i r o 肿e n ca r ej a r g et o o h o w e v e ra n e r r e p l a c i n gb yt h ed o u b l e - e f f e c tr e f i n e r yp r o c e s s ，也ee n v i r o m n e n ti m p a c ti sd e c r e a s e d e v i d e n t i y t h ea b 。v ei n s t a i 】c ei n d i c a 把sm a tc h e m i c “g 佗e ni n d e xi sag o o dg u i d a n c e t oo p t i m i z em ec h e m i c a ls e p a r a t l o ns y s t e m k e y w o r d s ：q u a n t “a t i v ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t ，c h e m i c a lg r e e n i n d e x ，p r o c e s ss y n m e s i s ，r e f i n e r y 【t 堂坚墨兰叁堂塑查堡皇煎主 h l j蟊 科学技术的发展在给人相带来舒适生活的同对毛引发了环境污染这一严 重帕问题：第二次世界大战以后，世乒经济进入高速增长阶段也正是耳境i 亏 染出现、加剧并开始在全球蔓延的时期。与此同时，只有少数的科学家致力于 环境末端治理技术的研究。这与世界经济的高速发展带来的环境污染问题极不 扫称，因此，一直以来没有得到很好的解决。直到9 0 年代，在巴西里约热内卢 召开的“环境与发展大会”上提出的可持续发展战略，将人类的发展问题与环 境保护并列起来，环境问题才由少数专家关心的技术问题变为全人类共同关心 的杜会问题。 要实现可持续发展，就是要以“原子经济性”为基本原则使工艺流程尽 可能接近零爿；放或密闭化工工艺尽可能减少能源和其它自然资源的消耗这 需要从：r = 艺和工程的角度两方面柬考虑。从工艺的角度来看，就是绿色化学技 术，f 围绕原料、化学反应、溶剂、催化荆和产品的绿色化和清洁化而展开 的。从工程的角度来看就是要在整瓜化学工程链中应用工程化的思想、理沦 西方法来实现“绿色化工”的目标，也就是主动地将对象过程对整个；1 ：境和社 会的影响降低到最小，即绿色化工技术。这包括两方面的问题：一个就是与化 学工程结合的环境影响评价平台的建立，另一个就是对整个化工工艺流程进行 全流程的系统优化，即化工系统综合。目苛，关于绿色化学和系统综合的搬道 己很多，但是，真正从绿色化工的角度来考虑的研究报道还不多。奉沦文将存 练合国内外现有的各种；( 境影响评价平台的基础上对姚克俭等提出的绿色指 数法擞了进一步的改进。根据这个平台，对安徽丰原生化有限公司的燃料泄精 精馏系统工程实例，用a s p e np 1 u s 进学分析、模拟后，刷绿色指数法和e p s 法 进行环境影响的计算，从而找出环境影u 向较大的单元操作，对其进行改进。实 例表明，本文提出的改进的绿色指数法能够指导过程系统的优亿： 第一章文献综述 1 1 引言 众所周知，防治污染和改善环境是2 l 世纪的重大课题之一。从1 9 7 2 年在瑞 典斯德哥尔摩召开的联合国第一次环境大会，到1 9 9 2 年在巴西里约热内卢召开 的“环境与发展大会”，从人类环境宣言到2 1 世纪议程郏肄现了环境 问题在国际社会中的特殊重要性，特别是2 1 世纪议程明确提出了可持续发 展战略，将人类的发展问题与环境保护并列起来，环境问题已由少数专家关心的 技术闽题转变为全人类共同关心的社会问题。 化学工业作为最古老的工业，在为人类造福的同时，也破坏了我们身边的环 境。从环境防冶的角度来看，可以分为五个层次。、限定排放：即国家环保 局规定的排放标准，未达标的企业实行惩罚。二、治理排放或统一排放：通过工 艺和工程改造尽可能地在正常运行条件下把污染消化在企业内部。三、源头治理： 也即我们一般所提的清洁生产，它强调的是在化工设计的初期就考虑原子经济 性、工业排废等闽题，尽量在设计之初就使其工艺流程的排污最小。四、生态化 工艺：即产品生命周期，它是从产品的原料来源、加工到使用直至消失，这个产 品的整个过程来考察，是一个从“摇篮到坟墓”的过程。五、生态工业园区：是 以一个区域来规划一系列产品的物质流、信息流、控制流等，使整个的区域产品 的污染达到经济效益最好、污染最小的目的。这五个层次是逐级扩大的过程，层 次越高，环境防治就越有效。但是，长期以来，环境影响因素只是作为一个约柬 条件应用于化工过程设计中，并没有将它放在与经济效益同等地位。其原因有二： 第一，作为环境影响评价本身来讲，其目标函数具有多重性，现在还没有一个统 的标准来衡量：第二，对于多目标函数的问题一直是各国学者研究的热点问题， 现在也还没有得到一个圆满的解决方法，只能根据具体情况选择适当的方法，并 且去除一些非主要影响因素，因此对于整个过程工艺来讲，有可能不是最优值。 下面就分别介绍这两方面的国内外研究进展情况。 1 2 环境影响量化评价模型研究进展 2 化工过程综合中的环境影响问题是随着全球对环境问题的关心而发展起来 的。它始于2 0 世纪8 0 年代，从废物最小化到建立环境影响指数，从单一的人体 毒性影响到多种环境影响类型( 如臭氧破坏、酸雨效应等) ，从车间闽值到浓度 的累积效应，环境影响的范围向深度和广度两方面发展。其中的方法有两种， 种是通过热力学中炯和熵的概念将环境影响和能量分析结合起来，从而形成单一 的目标评价函数；另一种是通过建立环境影响评价指数，然后与经济效益等结合 起来形成多目标函数来求解。 1 2 1热力学分析方法( t h e r m o d y n a m i ca 几a l y s ism e t h o d ) 1 2 1 1 炯分析方法 r a n t 2 1 于1 9 5 6 年首先提出炯这个热力学参数的概念。开始用于分析能量系 统，并得到了广泛的重视和应用。后来墨西哥石油研究院r j v e r d 【3 1 在w i s c o n s ；n 大学博士论文中将炯分析方法中改进能量的部分分为三个部分：绝对潜力、相对 潜力、及环境潜力，并引入了一个反映毒性影响的污染指数 ，从而结合环境影 响对炯分析做了进一步发展。他把原来的炯分析计算公式变成： 胁= 价e ( 1 一f ) + 跏+ 助t ( 1 + 可) ( 1 - 1 ) 式中：p o t 炯的改进潜力； 一r 系统的炯不可逆损失： f 系统韵炯效率，即净生成煽与净供应壤的比值； 踊排放物料相关的废物炯： 亘弘非物质排放炯： 乃污染物j 的污染因子， 这种方法必须对所有排放物料的污染因子丑做出确切定量，但是炯和环境影 口向之间不具有可比性，因此，此方法还未在工程中应用。 紧接着，王彦峰和冯霄h 提出了新的炯分析方法并把它扩展到资源利用和历 境影响同时兼顾的基础上。 他认为系统对环境的炯排放损失包括两部分：一是系统的散热：! = 珂| 损失；另 是系统排放物本身所具有的物理炯和化学炯。散热损失是以热量的形式为环境所 吸收，可以说对环境不产生什么危害。而系统的排放物中有多种成分，而且各种 成分由于其环境影响特性( 毒性、温室效应性、光化学效应性、同温层臭氧损耗 性、酸雨性等) 的不同，对环境造成的危害程度也各不相同。所以在计算系统 排放物的炯损失时，不能只是将这些成分的炯损失简单叠加，应该考虑到上述因 素，可以引入危害系数来反映它们对环境所造成的危害程度不同。这样计算出的 排放物的炯损失由于已经不满足炯平衡方程，所阱不再是传统意义上的炯损失 了。因此，定义一个新概念系统的环境负效应( e n e ) 作为评价系统对环境 的影响程度的指标。定义式如下： e m ：y b 虽( 1 2 ) 7 式中：毋卜系统的环境负效应； 。系统排放物中第i 种成分所具有的物理烟和化学烟，单位为k w ； b 系统排放物中第i 种成分对环境的危害系数。 考虑系统在资源利用与环境影响的综合效应时，在前面所定义的环境负效应 的基础上，可以很方便地将焖分析方法应瘸范围扩展至可以综合评价系统的资源 利用性和环境影响性，并将此评价指标定义为系统负效应( s n e ) 。因为所有的 娴损失均造成资源的浪费，所以系统对资源的负效应可咀用系统的所有娴的总和 ( ，) 来表示，它等于系统媚耗散和媚排放损失之和。此外，如前所述，系统 的炯排放损失还造成了环境的污染，因此，在考虑系统的总效应时，这部分娴损 失需要计及两次；对资源的浪费在e 。，中计及，对环境的负效应在e n e 中计及。 然而，由于系统对资源的浪费和系统对环境的污染两者并不等价，所以不能将它 们简单叠加来求取系统负效应。同样地，他引入效应系数来考虑这种不等价，同 时取资源效应系数为1 ，则式子可表示为： s n e = e 。，t - ce n eq 一 式中： s n e 系统负效应，为系统总的炯损失，单位为k w ； e 。系统的所有炯之和，单位为k w ； 卜环境效应系数与资源效应系数之比。 系统的环境负效应中的危害系数占。确定比较复杂，因为污染物多种多样，而 且它们作为化学物质所特有的环境影响特性( 毒性、温室效应性、光化学效应性、 同温层臭氧损耗性、酸雨性等) 也各不相同。另外，c 的确定比较困难，因为资 源的浪费与环境的污染不具有直接的可比性，为使两者具有可比性，用其所造成 4 的系统的经济损失来确定效应系数。即系统总的娴损失所造成的资源浪费而引起 的经济损失为： 踟= 酞t ( 卜4 ) 式中：e 。l i 资源经济损失，单位为元： e 。l 。系统中第j 个单元模块的炯损失，单位为k w ： p 。系统中第j 个单元模块的输入拥成本，单位为元k w 。 这样的系统负效应是一个绝对量，它可以用来评价同类系统或者一个系统的 不同方案，但不能评价不同类型的系统。所以又定义一个相对量系统负效应 因子( s n e f ) 作为评价不同类型系统优劣的技术性指标，其定义式如下： 驯e f ：丝 f l 5 1 e t m 式中：s n e f 系统负效应因子： 晟。m 系统的输入焖，单位为k w 。 这种方法有优点也有缺点。其最大优点是将环境影响目标函数与经济效益目 标函数用关联式结合起来了，使在求解最优值过程中能够寻找比较好的算法并求 碍最优值。但是其缺点也是明显的：第一，炯和环境影响之间的可比性还是没有 解决，和r i v e r o 一样，也是用了一个系数来表示：第二，各种环境影响因素不 能以一个简单的经济损失来表示。这两个方面都增加了人的主观性，使其评价方 法在使用上带来非常大的主观因素，因此其最优值在实际上很有可能就不是最优 值。 1 2 ，1 2 网络模式热经济学方法 环境污染问题一直是生态学家关心的问题，他们试图通过拓展能量分析系统 的手段来建立平衡生态系统模型。华北电力大学王家璇“6 。“等曾于1 9 9 j 年对这 方面进行了研究。他以网络热力学分析方法，对生态系统建摸，著将生态系统和 生态平衡问题与常规的热( 炯) 经济学融合在一起，进行分析和优化，从而形成 能同时考虑生态平衡的网络模式热经济学。他们初步探讨了炯在生态建模中的作 用和生态熘的计算方法，并没有对过程工业实际案例进行分析和计算，因而仅仅 限于纯理论探索，距离形成实用算法尚相差很远。 1 2 2环境影响量化评价指数 化工过程设计需要进行大量的替代方案筛选和评价，因此在化工过程综合中 考虑环境影响就必须建立定量化的环境影响评价指数。建立环境影响评价指数须 从两方面考虑，一是环境影响性能指标的选取( 即环境影响类型的选取) ，另一 是环境影响评价指数表达法的开发。 环境性能指标是建立环境影响评价指数的基础。环境性能指标本身具有相当 多的自由度，它既要直接考虑化合物对环境影响类型的值，也要间接考虑化合物 的时间累积效应和空间扩散效应和模型的正确性等问题。这一工作从8 0 年代开 始，由于数据的不断补充和完善，己由单介质向多介质发展、由考虑废物排放量 到考虑人体毒性和环境危害再到综合考虑各种环境影响类型的发展，相应地，环 境性能指标也逐渐趋于复杂化。但是，由于化工过程综合本身的复杂性和模拟计 算的耗时性，环境性能指标还应在复杂性与简单灵活性之间做出权衡，使得环境 性能指标简单而且实用。 环境影响评价指数法的开发实际上是建立各种环境影响类型的特征化模型， 并将各种模型用关联式关联起来，用一个指数来评价过程系统的环境影响大小。 由于各种环境影响类型差异较大，并且涉及到地域性的问题，因此出现各种不同 的评价指数方法。下面具体介绍常见的各种指数方法，并评价各种方法的特点。 1 2 ，2 1c m l l9 9 2 此种量化方法是1 9 9 2 年由r h e j u n g s 【8 1 等领导的环境科学研究中心( c e n t r e o f e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ) 研究开发的。将物质的环境影响类型分为两种，一种是 原材料的消耗和能量的消耗；另一种是排放废物对环境所造成的污染。具体方法 如下： 】) 原材料和能量消耗对环境造成的影响 原材料包括有生命的和无生命的物质，但是由于有生命的比较难以衡量，团 此此指数不包括在内。它的计算公式为： j e n = m i m u 一吣 式中：厶物质消耗对环境所造成的影响； m 在生产工艺中该物质所消耗的质量； e 该物质世界总的资源量，数据来源于w o n di n s t j t u t e n 6 2 ) 排放废物对环境造成的污染 排放废物对环境造成的污染主要有对大气的污染和对生物的毒性值。对大气 的污染包括温室效应、臭氧层破坏、烟雾、酸雨效应、富集营养效应等。由于酸 雨效应和富集营养效应有很大的地域性，因此该指数没有考虑这方面的因素。其 计算公式可以统一表示为： b ：y s c 0 re r x 膳( 1 7 ) 式中：昂，系统中废物排放对大气造成的总污染值； 5 c o r b 该物质对大气污染的各种标准值。 其中温室效应用g 阿于l o o 表示，其值是废物在】0 0 年内对环境的影响值，因 为不同废物随着时间的推移，会不同程度的分解，因此必须用统一时间测定的数 据来衡量，这里的数据来源于h o u 曲t o n ，同样，臭氧层破坏用o d p 表示，其值 以氯里昂为参照的相对影响值，来源于w o r i dm e t e o m 】o g i c a 】o r g a n j z a t i 。n ：烟 雾效应也即光化学氧化，以p o c p 表示，其物质主要是易挥发的有机物质，其值 以乙烯为参照标准的相对影响值来源于u n e c e l l 2 | 。 对生物的毒性包括对人和动植物舶影响。对人的毒性值计算公式为： ”( 豫) = 删m r ( 姆) + 日c x 讹咖( 堙)( 1 8 j 式中：厶一排放废物对人体的总毒l 生值； h c a 、h c w 一分别表示大气中的排放废物对人体的毒性值和水中的排放废物 对人体的毒性值，其数据来源干r 【v m 【1 3 】； m a 一l 矗m r 分别表示排放废物在大气和水中的质量。 对动物或植物的毒性值计算公式为： 上。= j 甄：爿 么旧卅( 1 9 、 式中：厶”排放废物对动物或植物的毒性值； e 水生生态毒- 性值，主要毒性物质是重金属、碳水化合物： 么m r 排放废物在水中的质量。 此指数的特点是将环境影响类型进行了详细的划分并给出了各种环境影响 类型的计算公式，这对过程系统综合中的环境影响量化方法有比较好的借鉴作 角。但是，此指数也存在着很大的缺点，它没有对各种环境影响类型迸行权重和 关联，这对于化工过程优化来讲，不可能有这么多的目标函数，这样优化起来会 非常困难：另是没有考虑到各国或各地区的实际情况相差很大，因此对于实际 应用来说，还是有较大的困难。 】z | 2 2h s r 评分法”1 1 1 9 9 2 年! 月，印第安纳【污染预防与安全材料研究童( i p h ) 为了汗价过程系 统中不可避免的物质排放对环境影响的大小，提出危害评分分级方法( m z 口一 鼯口r p r d e f n p ，h s r ) 。i p p i 开发此评分方法的目的有两个：目前l i p i 仅考虑对 人类及其他物种的危害，而暂不考虑对财产的危害主要用于工程辽程改避和 安全材料的替代，而不考虑产品的整个生命周期。在这种分级方法中，每一种物 质对应一个分值，以表征对工作场所中的工人和环境危害的大小。 在此方泡中，对工作饧所中工人的影响包括健康影响和安全影响。健康影晌 包括分级毒性影响( 急性和慢性) ，美国工业卫生学家会议( 简称a c g i h ) 的车 间阀值( 即t l v 值) 和美国工业卫生协会( 简称a i h a ) 的工作环境暴露闽值 即w e e l 值j ，另外，还有一个致墨佳的影响。对环境的危害大小主要是考 虑在理想条件下，特定化学品对水体的措在污染评价。因此，这方法没有考虑 其它的环境介质，也没有考虑人类居住环境的恶化空d 土壤酸化，全球变暖和臭氧 屠破坏等。很据这些因素【p p i 开发出种给每一化学物质进厅评分的简单的缝 性算法。算洼如下式所示： h v e = k h v t ，x o r h y 二_ ) + h v h h 、 x i h y 怦斗h l s 吣f + h v t 删h p 。姒l 、 + 2 目。r 月。5 + 日f ，r “c ，+ h p f “ ( 1 1 0 ) 式中： 这一分厦中电括了：健厢影响分值( 毒惶置象j 簧性急性暴五诹j 环境分教值r 圭蒸玳雎j ，陆 操作致尘雾能力分值组成，如果该物质能通过皮肤吸收致毒，船一个皮肤暴露分值外加经| j 逛 体内可能性的分值) ，安全分值( 腐蚀性，反应活性和易燃性j ，安全分值前的系数2 表i j 对女令 足够重 旦。 就毒性来说，h v 值来自于t l v 、e e l 或其他帽关估计方德得到的分级分 值，或者来自致癌物质的致癌性分值。h v 取其中的大者而不进行相加，以免重 复计算毒性。罟危害分值的最大分值如表( 1 1 ) 、f 】、z ) 和( 1 3 ) 所示。 8 危害值( h v )h v v ph v s k nh v d m h v o r a l暴露影响总和 l最大分值5 o0 5501 0 1 l5 l 危害值( h v )h v c o r r o sh v r e a c t h v f l m安全影响总和 l最大分值 4 0404 02 x 1 2 0 = 2 4o 危害值的最大值h v m a x = ( 5 5 1 1 5 ) + 2 4 = 8 7 2 5 。 危害分值中的h v t o x 由t l v 和w e e l 得到。t l v 和w e e l 有3 种：( 1 ) 时 间加权平均t w a ，用于慢性暴露；( 2 ) 急性暴露限s 丁e l ，用于急性暴露或慢 性暴露中潜在的危险性急性暴露；( 3 ) 暴露上限c e i l l n g ，另一种用于急性暴露 的表示法。 ! 誊著4 h v t o x 评分是基于对数空间等分的，如上图( 1 1 ) 所示。 相应地，h v c a ，h v s t e l ，h v v p ，h v f l a m 都有其对应的分值。i p p 【总 共计算了1 1 5 5 种化学物质的h v s u m 。 t 2 ，2 f 3e c o i n d ；c a t o r 5 2 此指数主要是由荷兰产品生态委员会( p r o d u c te c o l o g yc o n s u l t a n t s ) 开发的。它 有两个版本，是e c o i n d i c a t o r9 5 ，另一个是它的升级版e c o i n d i c a t o r 9 9 。在升级 版中，按照生命周期评价的基本框架，建立了一个环笺影响量化评价模型，并开 发了商业化软件s i m a p r 。5 。 9 e c o i n d i c a t o r 指数是基于环境影响量化评价中各种环境影响类型的权重值都 必须由专家来确定，这样做工作量非常大，因此成立了一个专家组来评估各种环 境影响类型的权重值，并减少了以后在使用的过程中各地区或国家对其权重的确 定。它把各种环境影响类型主要分为三部分：对人体健康的影响，可咀由 ( d i s a b i l i t ya d j u s t e dl i f ey e a r s ) d a l y k g 来表示，主要包括( 温室效应、臭 氧层破坏、烟雾、酸雨效应、有机物的累积效应等) ；对生态质量的破坏，可 以由一定时间内，在某一地区物种减少的种类即p l a n ts p e c i e s 行y r 表示， 包括对土地和森林资源的破坏：对资源的破坏，可以由过度的能源消耗的量即 m j k g 表示，包括煤、油、天然气等不可再生资源的破坏。图1 2 表明了 e c o i n d i c a t o r 指数的建立过程。 厩网 【、_ j 鬲h 【、一 南 1 。一 南 1 。、一 广蠹一 【，一 一 磊 【。一 物和化石 料趵消耗 旷物质卜叫 七石燃料卜一 二：二二二。l 能源过度消耗 丰嚣裂嚣与l 4 王面厕 土地转化广1 三型墨坚型竺 n o 。 s o 。 n h t 农药 重金属 c 0 2 h c f c 核素 s p m v o c p a h 壤过度消耗 昔殊物种的影响 生态的破坏 资源破 坏f m j t 生态 统的 a 失 ( p d r i ，y r ) t 人类 康的 响 ( d a l n ( g ) 环 境 影 响 评 价 量 化 指 数 图1 2e c o i n d ic a c 。r 指数的建立过程 1 0 盏票孑 一一一一一一一一榭一一一一一 另外，e c o i n d i c a t o r 指数还对环境影响评价中不确定性因素进行了分析。它 将不确定因素分为两类，一类是模型正确性的不确定性因素；另一类是数据的不 确定性。 对于数据的不确定性一般的解挟方法是用平方几何标准偏差来消除此因 素，但是e c o i n d i c a t o r 认为没有必要，因为这样并不能增加结果的合理性；对于 模型的正确性，e c o i n d i c a t o r 指数给出了两种模型来分别适合不同的环境影响评 价要求。一种是一致性模型即所有的物质都是不可替代的，而且环境的破坏都 会带来灾难性的后果；另一种是分级模型，将所有的物质分为若干级( 如极易分 解级、易分解级、难分解级、极难分解级) ，并且考虑了用替代品( 如普通煤可 以用褐煤来代替) 的情况。 由此可以看出，此指数的主要特点是：采用了损害导向的方法来建立环境 影响量化评价指数；减少了要评估的环境影响类型的权重的工作量；为了 适应不同的应用领域，开发了两种不同的模型。 1 2 ，2 4 过程废物削减( w a r ) 算法 w a r 算洼是h i l a l y 和sl d k a r “最先提出，他引入了污染平衡的概念。后来 c a b e z a s ，b a r e 和m a l l i c k 1 ”：提出了潜在的环境影响( p o t e n t i a l e n v i r 。n m e n t a l i m p a c t s 简称p e i ) 平衡对废物削减算法进行了修正。y o u n g ，c a b e z a s 又把 此方法扩展到包括能量消耗的化工过程系统集成当中，使它的模拟边界不断扩 大，算法也更加完善。污染平衡是潜在环境影响平衡的先导，污染平衡提供了全 过程跟踪污染的一种方法p b i 平衡则是量化整个过程污染物对环境的影响。最 冬，确定p e i 平衡作为评价过程环境友好性能的指标。 1 ) 环境影响守恒理论 化工生产过程的p b i 主要由过程向环境排放和从环境获得物质和能量后引 起。p e i 是一种不能直接测量得到的概念量，也就是说不存在p e i 测量计。然而， 可以通过与它相关的可测得的量之间的函数关系计算得到。 传统的化工过程设计一直以来都是基于物质和能量平衡的应用，此方法提出 在上述的两类方程中加入p e i 平衡方程，其关系如图1 3 所示。 图l 一3 基于质量与能量平衡的化工生产过程( 包括能量产生过程) 对于稳定的化工生产过程，系统对环境影响的变化量应为0 。即环境影响守 衡方程为： o = i t ? j + f 嚣一i 怒、一i t ：1 一 撬1 一j 譬：e( 1 一u ) 即： = = ，嚣1 + f ? + ，嚣+ f 裟一妒( 1 1 2 ) 式中； e 嚣单位时间内能量生成系统排出物质对环境的潜在影响( 单位p e i 时间) ： ，嚣单位时间内工艺流程系统排出物质对环境的潜在影响( 单位p e i 邝j 间) ： ，嚣单位时间内工艺流程和能量生成系统所损失的能量对环境的潜在影禽( 单 位p e j 时间) ； 单位时间内进入自量生成系统对环境的潜在影响( 单位p e i 日j 间) ： ，单位时间内进入工艺流程系统对环境潜在影响( 单位p e l ，日寸司) 。 2 )化学过程 要使环境影响平衡理论应用到化学生产过程当中，需要把概念上的p e i 与相 关的可测量之间相关联起来。p e i 由进出环境的物质流和能量流所引起。但首选 的处理方法局限于把潜在影响归结于物质流而忽略任何能量流所引起的影响。 p e i 与相关可测量之间的关联如下： j 。= p k 砑j 1 虮+ ( 卜1 3 ) j， “ 其中，为进出过程的各流股，e 为各流股中的组分，为进入过程( f = i n ) 或从 过程出来( f = o u t ) 的p e i 流率，p 流股j 的p e i 流率( 可以为进入过程或从过程 出来) ，尬；。1 为流股，的质量流率( 同样可以为进入过程或从过程出来) ，x 。为 流股，中k 组分的质量分率，v ，为组分的总体p e i 。如果不考虑组分的多重影 响，方程f 】一1 3 ) 能很好的逼近真实情况， 3 ) 组分环境影响程度的表征 为了把姒r 方法应用于化学过程进行当中，m a l 】lc 妒。等人于】9 9 6 年提出 了如下的方法进行表征，： 少，= a f y ；， ( 1 一1 4 ) 式中：，组分的各类影响，如臭氧层破坏，人类健康等等： a ，组分的，类影响的权因子； j f 组分_ ，的f 类影响的具体的p e 【。，具有单位质量的p e i 的单位。 相对权因子。，一般的方法是使所有，都初始化为l ，并允许使用本方法的用 户根据当地的需要和政策在0 到l o 之间改变口，的值。例如，在烟雾严重的地区， 光化学氧化的影晌权值可能比任何其彳也的影响都要大很多，规格化垂勺矿；，的值可 由下式得到： 旷j ，：。0 罢l ( 1 1 5 ) 町2 面磊万岛i 【1 叫即 式中： ( o ，e ) 。j 组分在类影响范围内的相互独立的相对量； 鲠亳组分i 在j 类影响范甚内甑t s r e ) 麴赛荩平均值： 盯，所有物质，类影响的标准偏差。 如果物质的( o r e ) 按常态分布，归化因子 + 2 口可以使得大 约有9 5 的归化的组分影响值y ；，在。到l 之间。如果物质的( s c 。r p ) 不按常态 分布，归一化因子仍然很有用，但得到的是不精确的结果。 4 ) ( o 阳l 的确定m 1 ( 。w ) 。即f 组分在，类影响范围内的评分。如前所述，它的确定包括两方 面的内容，一是环境影响类型的选取，二是各种环境影响类型的关联模型。一股 1 3 地，根据目前国际上各个环境影响评价组织所做的各种数据来看，环境影响类型 包括温室效应、臭氧层破坏、光化学氧化、酸雨效应、富营养化、人体毒性、水 生生态、陆生生态这几大类型。 至于环境影响类型的关联模型，温室效应、臭氧层破坏、酸雨效应和光化学 氧化是咀当量模型为基础的，即在各自的环境影响类型中，以一种化学物质为基 准，将其值设为l ，然后其它物质由实验比较可得出环境影响类型的相对值。其 中温室效应是以c 0 ：为基准的相对值，臭氧层破坏是以氟里昂为参照的相对值， 光化学氧化是以单烯烃如c 2 h 4 为基准的环境影响值、酸雨效应是以s 0 2 为基准 的环境影响值，富营养化是以p 四离子为基准的相对值。对于水生生态、陆生生 态、人体毒性等由于以前有过大量的动物毒理学实验并测出了ds o ，因此可咀 取其值的倒数表示。 但是，此算法还存在的一些不足：能量产生系统对环境的影啊只是根据系 统所需热量和燃料不同而得到的，而没有具体地根据燃料成分不同、燃料燃烧效 率不同对环境影响大小进行不同的处理；此方法只能用于替代方案的筛选，不 能和化工过程综合设计中的经济效益相结合，因此不能作为过程综合的全局目标 进行优化；此方法没有包括资源的消耗，尤其是不可再生资源( 如煤、石油、 天然气) 的消耗，这对于日益紧张的资源危机是不相称的。 1 2 2 5 绿色指数法 姚克俭等1 2 3 瑚在对分离过程系统与环境影响的关系进行分析的基础上，结合 绿色化工的发展，提出“绿色分离工程”的概念和绿色分离工程的研究方法：并 探讨了实现绿色分离工程的几种有效途径和需要解决的几个关键问题，环境影口旧 量化评价模型的开发就是其中的一个，并提出了绿色指数的量化方法。该法主要 根据过程系统的特点，提出两点：一是绿色指数的概念，并将量化模型表示为车 间闽值的倒数；二是将过程系统对环境的影响分为两部分，一部分是工艺流程系 统，另一部分是能量产生系统，以煤燃烧为例，进行能量产生系统的环境影响分 析和诗算。但是存在比较明显的缺点：将环境影响模型量化成车阁阂值的倒数过 于简单，没有考虑物质排放到不同环境介质对环境的影响不同。 1 4 1 2 2 ，6 其它比较典型的量化评价方法 1 )瑞士临界稀释体积法 瑞士临界稀释体积法( c t i t i c a ld i l u t i o nv o l u m e ) 由瑞士联邦环境部( b u w a l ) 开发，广泛用于欧洲，常被结合到许多数据库和软件系统中( p o s t l e t h w a i t ed a n dn i c ot d eg u d e ，1 9 9 6 【2 5 】) 。此方法不包含“定权”过程，特征化过 程采用临界稀释体积法。其方法是用将所排放的污染物稀释到法律允许的排放标 准时所需要的空气或水的体积来对每一种排放物进行特征化。总结果就是各稀释 体积数的加和。这种方法的优点是：1 ) 实用：能被大多数环保部门和研究直接 采用；2 ) 简明：大量的污染物被综合成几个简单的指标，易于理解和应用。但 也有明显的不足：1 ) 要依据各国法律规定的允许标准。这种标准不全是以科学 为基础的，各个国家间常常不同，并不是每一种排放物类型都能得到这样的标准； 2 ) 法律规定的环境标准一般适用于对人体健康的影响，而不是生态毒理性，而 且没有考虑长期的生态效应。3 ) 在影响因子与影响之间并不存在简单的线性关 系，这种简化掩盖了很多内部的复杂联系；4 ) 没有考虑化学品或污染物达到危 险浓度的可能性；5 ) 在具体的数据综合方法上，争议颇大，有时可能会造成错 误的决策。 2 )生态点法 生态点( e c o p o i n t ) 数法，或称生态稀缺度法，是在瑞士临界稀释体积法的 基础上发展起来的( b u w a l ，1 9 9 1 ；g i e 鲥c h j a i l ds c h m i t zs ，1 9 9 6 吲) 。其基 本概念是“生态稀缺度( e c d l 。g i c a ls h o n a g e ) ”。它是指某种环境资源对某种污 染物的可容纳量或临界流量( 环境目标量) 与污染物实际排放量之间的比蜜。生 态稀缺度可看作是衡量总的排污量与最大可容纳污染量问关系的指标。将环境目 标量( 如空气污染临界流量) 定义成与清单分析数据相同的单位后，将清单分析 数据量( 污染物排放量) 除以环境目标量，就得到了生态点得分。将所有排放物 所得的生态点得分加起来就得到了所研究方案或系统的总体评价得分。目前，该 方法包括的影响类型有大气污染、水污染、能源需求、资源耗竭、固体废物产生 和填埋处理。其缺点仍然是要依据于法规限制的条件。临界流量只能在相对小的 区域才能真正的定义。由于这个原因，生态点法的运用只能局限在自己国家，即 瑞士，在这里它曾用于包装业的评价。 1 5 3 )瑞典e p s 法 e p s ( e n v i r o r n e n t a lp “o r 时s t r a t e g i e s i n d e s i g np r o d u c t ) 是产品设计中的环 境战略的意思。该法由瑞典环境研究所与沃尔沃公司于j 9 9 1 年共同开发( s t 龃 a n dr ，d i n g ，1 9 9 2 ) t 2 8 1 ，是又个针对特定国家的体系。它是一种为评价各种产品 而设计的材料综合( m a t e r i a l s i n t e n s i v e ) 体系。该方法根据与环境科学有关的5 个安全目标将污染排放物对环境的影响综合成一个指数。这5 个安全目标是：生 物多样性、人类健康、生态健康、资源和美学价值。 e p s 方法采用人类对环境的价值观念来评估环境影响，即采用将环境影响恢 复到正常状态的支付意愿作为衡量的尺度。e p s 对以上五种因子迸行综合考虑， 主要考虑影响的强度与频度、时间尺度、一个干扰单位对整个干扰流的贡献( 采 用干扰单元的环境负荷指标，然后将这些指标折合为个得分。这些单元称为环 境负荷单元e l u ( e n v i r o n m e n t “l o a du n ic 1 其值越小越好) 。 该方法的优点是综合性强，从影响的强度、持续时间以及影响范围来综合考 虑环境与健康影响。另外，能规范的进行敏感性和误差分析。不足之处在于环境 负荷指标中生态、社会和经济效应是互相混台的，并且体系是针对于瑞典的。 q 、生态毒理学模型 此模型由e i i i 。t t 2 9 j 等提出，他利用环境影响评价中常用的层次分析法将每种 化合物对环境影响的类型分解并逐个进行评分，然后根据全流程的质量平衡计算 出其对环境影响的大小。此模型的特点是：充分考虑了环境影响的多介质陛和 多层次性；采用废物排放量代替了以往环境影响评价指数中所采用的浓度； 考虑了污染物的短期危害效应和长期危害效应。但是此模型需要各种化合物的各 种环境影响类型的数据，因此，数据的完整性和准确性是一个值彳导考虑的问题。 另外，其采用的评分法为等级评分法，所得出的结果是粗略的，得不到更精确的 结果。 1 3 化工系统综合中常用的过程集成方法 化工过程综合设计起源于6 0 年代，美国威斯康星大学r u d ”教授首先提出 了系统综合的理论和方法并开始应用于简单的换热网络的设计。开始只是凭借 1 6 设计人员的经验来对过程系统进行优化，因此发展比较缓慢。直到1 9 7 7 年，英 国学者l i n n h o f f 基于换热过程的热力学分析提出了“夹点技术”的分析方法