（材料学专业论文）钢铁材料环境协调性数据库研究.pdf

摘要 摘要 生命周期评价方法( l c a ) 是凳柝某一产品、过程和服务“从摇簸到坟墓” 的熬个过稷的资源消裁、源消戴、废物拱放的环境受莓分援方法。在己c a 磅 究中，硬突对象环境受麓瓣大小取决予不翔晷家和地嚣的资源状况稆技术水乎， 主要表现在各国嘏据鑫身的情况，隶定帮实施褶应标准，建立稻关的数据痒。 钢铁，主产过程中，要消耗大量的煞源和资源，也对环境产生严重的影响。对 诵铁生产的环境负荷迸行全面的评估，针对钢铁行业的环境负荷分析提供基础数 据支持，收集并不断积累钢铁生产的环境负荷基础数据( 能源消耗、资源消耗、 污染物排放) ，建立相应的数据库，开发数据库管理软件对数据统一管理并且在 此基础上进一步分析处理，具窍重要的现实意义。 钢铁生产坯境蝰调性数据痒管理系统是用、莲s u a l 转a s 论6 ，o 开发戆援塞应熙 软件。本软件跌v i s 潮b a s i 0 6 。o 佟恣嚣端开发平台，岳螽使耀微软蠡奄a c c e s s 2 0 作为数据瘁服务系统，透过0 d b c 葙s q l 谮言开发数据库应用软件，对数据 库进行直接访问和基本数据操作。本数据库数搽来源充实，数据库结构设计合理， 具有良好的可扩展性，能够最大限度实现信息管理的自动化，软件具有与 w i n d o w s 应用程序界面一致的风格，可视化程度高，操作方便，本数据库及管理 系统将为后继材料环境协调性数据库和l c a 评价软件开发积累有益的经验。 关键试i 环境棋料；l e a 方法；数据黪；v i s 烈b 豁i e 6 o a b s t r a c t l i f e c y c l ea s s e s s m e n t i sa “c r a d l et o g r a v e “a p p r o a c h t oa i l a l y z ep r o d u c t s ， p r o c e s s e s a n ds e r v i c e s i t a 1 1 a l y z e s t h e i rr e s o u r c e c o n s u m p t i o n ，e n e 唱y s o u r c e s c o n s u m p t i o na n dw a s t ee m i s s i o n b yt h es t u d yo fl c a ，t h eq u a n t i t yo fo b j e c t s e n v i r o i l i l l e n t a lb u r d e ni s d e p e n do nt h e d i f 话r e n ts t a t u sa n dt e c h n o l o g yl e v e l so f d i 自毛r e n tc o m t r yo rr e g i o n b u i l d i n gt l l ed a t a b a s ef b rt h e s ed a t ai nt h ee n v i r o n m e n t a l s p h e r e o fs t e e li n d u s t r yi sn e c e s s a r ) a n ds e tu pad a t a b a s eo fi t t h es t e e l i n d u s t 叮n o t o n l yc o n s u m e s n u m e r o u sr e s o u r c e s ，b u ta l s oc a u s e ss e r i o u s l y e n v i r o n r n e n te f r c c t i no r d e rt o 印p l yt h el c am e m o dt oa s s e s st h ee n v i r o 肿e n t a l i m p a c tc a u s e db yt t l e s t e e li n d u s t r y ，a 1 1 dp r o v i d em es u p p o r t i n gd a t af o rl c a i ti s i m p o r t a n tt od e v e l o pt h em a n a g e m e n ts o f c w a r eo f d a t a b a s et om a n a g et h eb a s i cd a t a ( n l ec o n s u m p t i o no fe n e 唱ys o u r c e ， r e s o u r c e sa n dw a s t e s ) a sw e l la st oo p e r a t et h e c o l l e c t e dd a t a t h ed a t a b a s em a i l a g e m e n ts y s t e mo fs t e e li n d l l s t r yi sak i n do f w i n d o w s 印p l i c a t i o n s o 胁a r ed e v e l o p e db y s u a lb a s i c6 0 l a n g l l a g ec o n n e c t i n gm i c r o s o ra c c e s s7 o t h ep r o g r 锄d e s i g nc a r r i e do u tb yt h eo p e nd l t a _ b a s ec o r u l e c t i v i t y ( o d b c ) a n d s t m c t u r e dq u e r yl a n g i l a g e ( s q l ) t od n c t l ya c c e s sa i l d p r o v i d eb a s i c d a t a b a s e o p e r a t i o n t h es y s t e mi s c h a r a c t e r i s t i co fw i d es e l e c t i o no fd a t as o u r c e s ，r a t i o n a i d e s i g no fd a t as t m c t u r e ，a u t o m 砒i cq u e r y i n gf o ri n f o r n l a t i o nf r o md i 行e r e n ta s p e c t s a n dh i g hv i s u a ll e v e la n db e t t e re x p e n d i n g na l s oh a st h es 锄es t y l ea sw i n d o w s b r o w s e r ，a i l di t se a s yf o ru s e r s a sap a r to fl c ad a l 协b a s e ，t l l i sp r o g r 猢e w i l lb e b e n e f i tt ot l l ed e v e l o d m e mo fs o f t w a r ei nl c a k e yw o r d s ：e c o m a t e r i a l ；d a t a b a s e ；l i f ec y c l ea s s e s s m e m ；s t e e li n d u s t r y ；s u a l b a s i c6 0 第1 章绪论 1 1 课题背景 发展是人类社会不断进步的永恒主题。自工业革命以来，人类在人口数量上 爆炸式增长，在生活质量上迅速提高，创造了空前繁荣的现代文明。但由于人类 社会经济的快速发展是以无限制消耗自然资源和破坏环境为代价而实现的，它一 方面带来了臼趋严重的全球性环境问题和环境污染，直接威胁到人类的生存与健 康：另一方面，地球上能源与资源的日益枯竭也削弱和动摇了现代文明社会赖以 存在和继续发展的基础，严重阻碍了人类社会的可持续发展。针对这一问题，在 9 0 年代初提出了一个新的研究领域，即“环境材料”。它不仅像传统材料一样追 求优异的使用性能，而且从材料的制造、使用、废弃直到再生的整个寿命周期中 必须具备与生态环境的协调共存性，以及舒适性。因此所谓环境材料，实质上是 赋予传统结构材料，功能材料以优异的环境协调性的材料，或者指那些直接具有 净化和修复环境等功能的材料【l 】。 为了达到材料产业结构优化的目的，对技术经济评价指标应该有合理的度量 数据，人们开始不断的研究环境材料和生命周期评价。生命周期评价( 简称l c a ) 是面向系统，从摇篮到坟墓对产品全程进行的评价，是一种重要的科学方法，对 在定量基础上审查产业是否能够保持可持续性发展具有重要意义1 2 】o 生命周期影 响评价技术框架的发展在工业系统可持续性最终评价方面是一块相当明确的基 石。然而这些研究与应用不仅依赖于标准的制定，也依赖于评估数据与结果的积 累。在绝大多数的环境材料和l c a 个案研究中，都需要些基本的生命周期清单 分析数据，例如与能源、运输和基础材料相关的编目数据。对于一般的研究小组 或中小型的企业而言，如果环境材料和l c a 评估总是要从产品寿命周期的原材料 开采阶段开始评估的话，其工作量将是非常巨大而难以承受的【3 1 。所以不断积累 评估数据，并将这些数据组织为数据库的形式，在环境材料和l c a 研究中是非常 重要的工作，对于利用数据库中的数据及信息，合理改变材料产业的产出结构， 使新材料产业比重不断增加；合理改变材料产业的投入结构，由粗放、浪费型向 集约、节约型发展，要不断提高工业技改，环保投资比重，降低资金、原材料、 能源和水资源投入系数，实现可持续发展战略：改善材料产业的环境结构，大力 发展低能耗、低水耗和低污染性的产业，加快无污染的市场需要的新材料产业的 发展步伐；加快材料产业技术结构的升级，提高高新技术产业比重，增加专业技 术人员比重具有重要的意义【卯。 1 2 环境负荷分析技术发展概况 7 0 年代后，人类在环境问题上逐渐由污染控制向污染预防转变，提出发展 少废无废技术，推行清洁生产技术。尽管从理论上企业进行清洁生产有利于节能 降耗、提高效益，但直至8 0 年代后期，清洁生产仍主要处于强化运行管理和部 分过程设计为特征的初级阶段，就其指导方法而言，更侧重在生产过程中的污染 预防或源削减。事实上，产品设计上的决策更具有显著作用，因为随着生产过程 的进行，防止污染的机会就越来越小，而治理污染的代价将越来越大。为了从根 本上解决污染的问题，必须从源头开始控制，在产品和生产技术的设计阶段就考 虑到环境的因素，因为产品一旦开始正式生产，它对环境的影响状况基本上就已 经确定了。为此，必须采取必要的环境负荷分析评价方法和工具，以使得能在设 计阶段就考虑到生产过程中各个工序的环境行为，从而采取相应措施来改善其环 境表现。 所以，系统评价产业活动的环境影响，开展预防污染的系统再设计，从而指 导企业组织的环境管理和产品开发，就成为实现清洁生产与环境保护的基础与关 键。而这种把环境质量融入决策过程，对产品及其生产过程进行全过程系统性分 析的思想便孕育着现代生命周期评价( l c a 。l i f ec y c l ea s s e s s m e n t o rl i f e c y c l ea n a l y s i s ) 分析方法的基本概念【7 】口 1 2 1 l c a 方法的起源与发展 单就l c a 方法而言，已有三十多年的研究发展历史，最早可追溯至二十世纪 6 0 年代。当时人类已经意识到资源和能源的有限，从保护原材料和能源的角度 出发，以各种方法计算资源和能量的供应和消耗情况，例如美国能源署就开展了 数项诸如“燃料循环”( f u e lc y c l e ) 之类的研究。这些方法在着重能源特征分 析的同时，也对环境排放情况进行了有限的评估【g 】。所有这些研究对生命周期评 - 2 价( l c a ) 方法，尤其是生命周期清单分析( l i f ec y c l ei n v e n t o r ya n a l y s i s ) 方法的发展，起到了最初的推动作用。 将l c a 思想首先用于资源、能源和环境影响综合评价的是美国可口可乐公司 ( c o c a c 0 1 ac o m p a n y ) 。1 9 6 9 年，该公司考虑是否应该自行生产饮料罐，并对 包装生产方面的大量问题进行了研究。j r h a r r ye t e a s l e y 当时正负责全公 司的包装事宜，开展了一项对饮料包装进行从原材料开采到产品最终废弃的全过 程分析研究，后来，t e a s l e y 把自己的整体构思和计划提供给美国中西研究所 ( m i d w e s tr e s e a r c hi n s “t u t e ) ，并委托他们完成了这项研究【9 1 。在此基础之 上，又对使用塑料饮料容器的可行性进行考虑，并比较了复用式容器与一次性容 器的整体环境影响。这种正式的分析方案便是l c a 方法的起源和基础。 在此之后，美国和欧洲各国其他公司也开展了多项以包装纸、包装盒等包装 材料和容器为中心的产品评价。 进入9 0 年代，由于环境问题渗透到国际政治、经济、贸易和文化各个领域， l c a 得到显著发展，其中国际环境毒理学和化学学会( s e t a c ) 和i s o 组织起着 举足轻重的作用【l o 】。 s e t a c 是第一个认识到l c a 潜在价值的国际组织。这个组织在1 9 9 1 年出版 产品生命周期分析技术框架，将对材料或产品全过程的能耗评价思路扩展到 对其全过程的能耗、物耗、废弃物排放等多方面的综合评价。1 9 9 3 年s e t a c 出 版生命周期评价指南：实践准则( g u i d e l i n e sf o rl i f e c y c l ea s s e s s m e n t ： a ”c o d eo fp r a c t i c e ”) ，取得了国际标准化组织( i s o ) 和欧洲标准化委员会( c e n ) 的共识，为l c a 的规范化提供了重要的依据，对其方法论的发展、完善及应用作 出了巨大贡献。 国际标准化组织i s o 从1 9 9 2 年开始筹划包括l c a 标准在内的i s o l 4 0 0 0 环境 管理系列标准的制定，并于1 9 9 3 年6 月正式成立了“环境管理标准技术委员会”， 即t c 一2 0 7 ，1 9 9 4 年、1 9 9 5 年，i s 0 组织分别制定了生命周期评价一般原 则与实践和环境管理生命周期评价原则与准则( 草案) ，并分别于1 9 9 7 年和1 9 9 8 年正式公布了i s 0 1 4 0 4 0 环境管理生命周期评价原则与框架 和环境管理生命周期评价目的与范围的确定和生命周期清单分析标 准。与此同时，欧洲、美国、日本等国家还制定了一些促进l c a 的政策和法规， 一3 - 如“生态标志计划”、“生态管理与审计法规”、“包装及包装废物管理准则”等。 因此，这一阶段出现了大量l c a 案例，如日本已完成数十种产品的l c a ，丹麦用 3 年时间对1 0 种产品类型进行了l c a 等。 1 9 9 6 年，国际上正式出版了有关 j o u r n a lo fl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ”， 很重要的位置。 1 2 2l c a 的技术框架 l c a 评价的专业刊物“i n t e r n a t i o n a l 表明生命周期评价研究在国际上已占有 以往，l c a 方法的实施框架习惯以1 9 9 0 年s e t a c 研讨会上确定的三角形模 型作为基础。该研讨会的一个主要决定是将l c a 定义为一种分阶段的评价方法， 主要包括编目分析、环境影响评价和环境改善评价。后来，又添加了一个部分： 目标和范围的确定。这样，l c a 的四个主要实施阶段就包括目标和范围定义、编 目分析、环境影响评价和环境改善评价。如图卜l 所示，范围界定、数据收集 和评价结果的描述都必须与实现预定的目的相致。 其中，s e t a c 对各个评价阶段的定义如下： ( 1 ) 目标和范围定义：首先要确定研究目标及其界定范围。 编目分析 图卜1s e t a c 三角形模型 f i g u r el - ls e t a ct r i a l l g l em o d e l 善 价 ( 2 ) 编目分析：一个客观性的、基于数据的对产品、生产过程或活动全过程 进行量化的过程，需要考虑能源消耗、资源消耗、气体污染物排放、工业废水、 固体废弃物及其它各种环境性排放。 环境影响评价：一个技术性的、定量或半定量过程，对编目分析确定的环境 4 负荷的影响进行特征化和评价。这种评价既应该考虑生态健康和人类健康等方 面，也应该考虑生活环境的变更及噪声污染等问题。 ( 3 ) 改善评估：在环境影响评价基础之上，对于降低整个系统环境负荷的需 要和机会进行系统评估。这种评估可能会包括定量的改进措施，还可能会包括定 性的措施，比如产品、生产过程、过程设计、原材料使用、工业生产与加工过程、 消费者的使用方式以及废弃物管理等方面发生的改变【l “。 1 3l c a 数据库建立的一般原则 数据库技术是数据管理的自动化技术，是计算机科学的重要分支。数据库系 统经历了第一代的层次、网状系统，到第二代关系数据库系统，发展到今天以面 向对象为主要特征的面向对象数据库系统。由于数据库具有数据结构化、最低冗 余度、较高的程序与数据独立性、易于扩充、易于编制应用程序等特点，很多大 型系统都以数据库为基础，如管理信息系统、商业数据库系统等。目前，数据库 设计领域逐渐从通用的系统向专业数据库方向拓展，如材料、冶金、化工等专业 数据库。 数据库的建立除应遵循通用数据库设计的基本原则，如数据的共享性、独立 性、冗余度、稳定性、安全性、并发性、一致性外，作为l c a 专业数据库，还应 满足以下一些特殊要求。 ( 1 ) 建立的数据库要有一定的通用性，能够在一般情况下被不同领域、不 同类型、不同行业以及不同层次的用户兼容和使用。 ( 2 ) 建立的环境材料协调性数据库要具有可比性，即不同国家、不同地区 的数据库对同一类材料在相同的条件下可以进行比较，以判断不同地区的材料在 生产和使用过程中对环境影响的大小；或者根据相应的环境负荷水平，判断它们 的生产技术水平。 ( 3 ) 建立的环境材料协调性数据库具有较强的数据交换能力，l c a 的发展 依赖于数据、方法的交流，广泛的国际、国内合作，l c a 数据库在提供数据查询 及访问方面，应有较强的交换能力。 ( 4 ) 建立的环境材料数据库应具有良好的扩展性，不局限于目前的数据结 - 5 - 构，随着技术的进步，应用领域的拓展，能较好地适应这些要求。 ( 5 ) 建立的材料环境性能数据库应具有预测性的功能，以使新研制的材料 在环境性能方面有所改善和提高，为材料的生态设计提供可靠的依据和手段。 ( 6 ) 建立的材料环境协调性数据库应具有服务性的功能，能够为用户所面 临的环境问题提供决策分析与指导，使所建立的数据库具有可持续扩展的可能 性。 1 4 l c a 数据库的发展现状 l c a 的研究基本上经历了从具体的l c a 个案分析到建立环境影响数据库这 样一个过程。从l c a 的出现，到今天的广泛开展，全世界围绕l c a 研究建立的 环境影响数据库已超过1 0 0 0 个，著名的达到十几个。到目前为止，材料类别及 其用途等方面的l c a 数据库，几乎都在不断建立和完善。不同国家和地区的资 源、能源占有量各自不同，同时，各自的科技水平也不平衡，这些体现在l c a 数据上，表现为很强的地域性，几乎各个国家和地区都需要建立自己的环境影响 数据库【l ”。目前，发达国家在l c a 的研究中占据了重要地位，著名的l c a 数据 库几乎都是它们建立的，并且这些数据库中的数据在不断地更新，得到了很好的 维护。而发展中国家，由于客观因素，对环境问题还存在认识上的不足，对l c a 研究还处于较低的水平，其相应数据库的建立也较少。 事实上，大多数国家或组织的l c a 研究都经历了从个案研究，到建立数据库 这样一个过程。以日本n i r e ( n a t i o n a li n s t i t u t e f o rr e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n t ) 的l c a 研究工作为例，在1 9 9 3 至1 9 9 6 年期间n i r e 主要集中在家 用电器的l c a 评估以及基础数据的收集上。从1 9 9 7 年起开始着手建立一个l c a 公共数据库系统【”l 。 目前世界上有十多个著名的l c a 数据库，由不同的国家、组织或研究机构建 立。这些数据库在l c a 研究中发挥着重要的作用，例如b o u s t e a d ( 英) 、r f w e s t o n ( 美) 、c h e m s y s t e m s ( 美) 、眺p a ( 瑞士) 、p i r ai n t e r n a t i o n a l ( 英) 、 c h a r l i m e r si n d u s t r i t e k n i k( 瑞典) 、e n v i r o n m e n t a lc o n s c i o u sd e s i g n s u p p o r ts y s t e m ( 美) 、s i m a p r o ( 荷兰) 等都已经发展至某个程度的实用性。 就上述数据库的计算方式而言，可分为面向数据库及面向电子表格二类，其中 6 - 第1 章绪论 r f w e s t o n 就是用l o t u s1 2 3 及m i c r o s o f te x c e l 的电子表格所架构的；就 生命周期评估阶段的完整性而言，可分为生命周期清单数据库及完整生命周期数 据库( 包含生命周期影响评价) 两种。 s p o j d 数据格式 由于l c a 数据具有很强的地域性，几乎各个国家和地区都需要建立自己l c a 数据库。为了便于l c a 数据的交流和使用，1 9 9 5 年提出了一种统一的数据格式 s p o l d 格式，并得到广泛的认同。 s p o l d ( s o c i e t yf o rp r o m o t i o no fl i f e c y c l ea s s e s s m e n td e v e l o p m e n t ) 形成一个国际组织，其目的是促进l c a 的发展，从1 9 9 2 年成立以来，s p o l d 一 直支持l c a 的研究，并公布了一系列的研究出版物。 s p o l d 重要的贡献就是提出了l c a 编目数据的s p o l d 格式。在许多l c a 数据 库和l c a 评估软件中都包含有基础的生命周期清单分析数据。但是，这些数据库 和评估软件都使用各自不同的方式存储和显示这些数据，这使得编目数据难于交 流和比较。为此，s p o l d 进行了一个调查以确定l c a 评估中需要的基本编目数据 和数据格式，在此基础上设计了编目数据的s p o l d 格式，并得到了广泛的认同。 更为重要的是，s p o l d 策划建立了s p o l d 数据库网络( s p o l dd a t a b a s e n e t w o r k ) 。这个数据库网络是由世界各地提供的s p o l d 格式的编目数据组成的。 这些数据按照各自的功能定义( 通常按照其对应的产品) 组织为数据集，在数据 集中包含许多的数据字段，记录了对评估系统的描述、系统的输入输出、以及数 据的来源和有效性等方面的内科1 5 1 。 世界各地的数据提供者将数据放在各自的文件服务器上时，一小部分的数据 集将由s p o l dd a t ae x c h a n g es o f t w a r e 通过i n t e r n e t 传送至s p o l d 数据目录中， 其余部分的数据将仍驻留在各自的文件服务器中，由数据提供者控制。数据用户 可以通过查询s p o l d 数据目录，找到需要的数据集，并自动向数据提供者发出数 据下载请求。而数据提供者可以用口令的方式限制用户对一个或多个数据集的访 问。 此外s p o l d 开发了相应的s p o l df o 姗a ts o f t w a r e ，在这个软件中可以用 s p o l d 格式生成、编辑、查看、输入和输出编目分析数据。这个软件不包含任何 计算功能，或者将独立的数据进行汇总的功能。它只能用于存储和显示最终的编 7 - 目分析结果【16 1 。 b o u s t e a dm o d e l 数搌庠 b o u s t e a d 数据库在设计上并不对各种环境系统的输出输入做任何的价值判 断，例如空气中二氧化硫的排放如何与废水中b o d 的排放比较，不在该数据库中 讨论，亦即不对系统做生命周期评价。而着重于生命周期清单客观量化的数字， 作为后续研究( 或设计人员) 判断之用。 b o u s t e a d 数据库的原理建立在任何工业活动皆可简化为一个理想系统的基 本观念上，在系统界限外的部分称为环境( e n v i r o n m e n t ) 。每个工业系统可分成 若干子系统，每个子系统又可再分为更小的系统，最小的系统可称为操作 ( o p e r a t i o n ) 。每个大小系统都可以拥有其独立的特性，如图卜2 所示，有原料 及能源的输入，都可有产品输出，成为下一个系统的原料输入。也会相对的产出 废弃物、空气污染、水污染、废热等环境影响因子输出。此基本原理的运用，可 充分将各类复杂的流程简化成许多单元过程( u n i to p e r a t i o n ) 。 输入输出 产品 原料 废弃物 工业系统 空气污染 燃料能源 水污染 r 废热 图卜2 工业系统的输入输出理想系统 f i g u r el 一2t h ei d e a ls y s t e mf o ri n p u t a n do u t p u ti ni n d u s t r y 工业系统的定义着重于生命周期研究范围的确定。从产品生命周期的各阶 段，如原料的开采、制造、包装、运输、消费使用、丢弃、到废弃物的管理；或 从地理性的范围；或从时间的范围。系统可以小如一台机器、一家工厂，也可以 8 大如整个地球生态，而数据库所计算出来的结果是表现其系统的定义，一个模糊 的定义会导致一个令人混淆的生命周期评估结果 1 7 j 。因此系统的界定不仅是生命 周期评估中必要的一部分，同时其重要性也是不容忽视的。 当一个生命周期清单的范围是界定在一个大的系统时，如一个工业体系，有 必要进行系统的分割，将其分为若干子系统，分割的详细程度应以实际系统数据 能否取得为准则，分割太细则数据不易取得，分割过于粗略则清单数据质量随之 粗略【1 8 】。 w e s t o nm o d e l 数据库 w e s t o nm o d e l 数据库也是应用比较广泛的一个l c a 数据库。它包含两个部 分，一个是生命周期清单数据库，用l o t u s1 2 3 的宏程序撰写的，另一个是生命 周期影响评价数据库，用m se x c e l 的宏程序完成。其中，生命周期清单数据库 相关内容如下所述： w e s t o nm o d e l 的生命周期清单数据库将系统分为三级，第一级为工业系统， 为主产品的总流程，第二级再分为子系统，第三级则追溯至原料的开采，形成完 整的生命周期生产流程【1 9 】。 1 5 课题主要研究内容和研究意义 由于l c a 数据具有很强的地域性，各个国家和地区都需要根据自身实际情 况建立自己的l c a 数据库，我国l c a 数据库方面的工作刚刚起步，目前，只有北 京工业大学，清华大学等少数几所高校开展了一些初步的工作，开展材料环境协 调性数据库框架的研究，具有重要的理论和实践意义。 首先，l c a 数据库框架是和l c a 的研究结合在一起的。积极开发l c a 数据库 可以有效的推动l c a 在生产实践中的应用：本课题是国家8 6 3 材料的环境协调性 评价研究的一个子课题。 其次，建立材料的基础环境负荷数据库框架，使该数据库框架能满足金属材 料生产( 钢铁生产、铝材生产) 的基本环境数据要求，可以推动l c a 应用软件的 开发。 下面，以钢铁材料为例阐述数据库框架、数据库应用程序的设计路线。 一9 一 1 6 数据库设计技术路线 第一步：选择具有代表性的工艺流程，分析钢铁环境协调性数据的特点，研 究在材料制备、生产的过程中消耗的原料、能源、及废弃物排放的特点，l c a 评 价方法的描述，基础数据库中环境负荷表征指数的特点，建立数据模型。 第二步：利用微软桌面数据库a c c e s s2 0 0 0 实现数据库框架的构筑，建立 满足钢铁材料环境协调性评价数据需求的基本数据表，完成数据表的字段结构设 计，建立数据表之间的有效关联。 第三步：在数据表中添入必要的数据项，对数据表的关联进行测试。 第四步：采用a c c e s s2 0 0 0 建立基础数据库，用v i s u a lb a s i c6 o 作为数 据库应用软件的开发平台，设计前台应用程序，完成对数据库系统的整体调试， 实现对数据库系统的管理和应用。 本章小结： 本章主要论述了l c a 发展的起源、现状、技术框架以及国内外l c a 评价软件 开发情况和目前比较成熟的l c a 数据库的特点。 另外针对钢铁生产中数据的需求，结合文献调研，探讨开发数据库系统的技 术路线。 1 0 - 第2 章钢铁材料生产过程环境负荷数据分析 2 1 引言 在当前和可以预见的时期内，钢铁主要是依靠铁矿石、煤为原料的高炉一转 炉一连铸一热轧流程和主要依靠废钢为原料的电炉一连铸一热轧流程生产出来。 高炉炼铁生产过程由采矿、选矿、炼焦、烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧制、 等生产单元所组成。建立钢铁生产环境负荷数据库，必须对每个生产单元的原材 料消耗和能源消耗进行分析，从源头和工艺流程入手，考察各生产环节的消耗指 标。数据库框架的设计应满足这些数据的需求，为数据库基本表的制订提供基础 数据，并把这些数据按照工艺环节有机地组织在一起，这就是本数据库的任务之 一【2 0 j ，本数据库所研究的范围都在企业内部，研究对象是钢铁的生产过程。 2 2 钢铁主要生产过程的编目分析 2 2 1 材料环境负荷评价编目分析 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合并的过程为编目分析，即对整个过程或产品的整 个寿命周期中消耗的原材料、能源以及固体废弃物、大气污染物、水体污染物等， 根据物质平衡和能量平衡原理进行正确的调查并获取数据的过程。 2 2 2 高炉一转炉流程系统边界和编目数据分析 在高炉一转炉一连铸一热轧流程生产中，铁矿石开采后须通过选矿，选出高 铁份的精矿，而后进行焙烧，再经过高炉炼铁、转炉炼钢、连铸、轧钢等一系列 工序，图2 一l 为高炉转炉流程简化后的系统边界图。 选取高炉一转炉流程中的焦化工序来研究物质输入与输出的数据特点。从图 2 2 可看出一个流程拥有原材料、能源、资源的输入和产品、排放物的输出，根 据材料生产的特点，材料环境协调性数据库对生产过程中的数据要求包括以下几 方面： 各种主要资源( 原料、新鲜水) 和能源( 煤气、电能、油) 的输入。 大气污染物的排放如二氧化碳、二氧化硫等。 水体污染物的排放如c 0 d 、s s 等。 固体废弃物的排放如废渣等。 图2 1 高炉一转炉流程系统边界 f i g u r e2 - 1b o u n d a r yd e f i n i t i o no fs y s t e mi nb f b o fn o w 图2 2 某钢厂全年炼焦过程中物质的输入和输出 f i g u r e2 2t h ei n p u ta n do u t p u tm a t e r i a l i nc o k i n gf l o wo f as t e e lp i a n ta n n u a l | y - 1 2 2 2 3 电炉普钢流程系统边界和编目分析 由于电炉炼钢主要消耗的能源是电能，根据发电的方式主要是水电和火电， 水电的环境影响很小是洁净的能源，而火电主要是以燃煤发电，其发电方式对环 境影响较大，特别是废气污染物影响尤为严重。 不考虑发电排放时，电炉流程废气排放( s 0 2 一k g 当量) 、废水排放( c r ”一g 当量) 和废渣排放都低于b f b o f 流程轧材，图2 3 是简化后的电炉普钢流程系统边界。 = = 卜_ 垣巫 至翌h 互五h 互卫 i 铁合金卜h - j 图2 3 电炉普钢流程系统边界 f i ”r e2 3b o u n d a r yd e n n i t i o no f s y s t e m i ne f an o w 2 2 4 直接还原铁一电炉流程系统边界和编目分析 图2 4 为某钢厂直接还原铁一电炉流程物料消耗、能耗和污染物排放编目分 析。该厂采用的是煤基回转窑法生产，直接还原铁。再采用以还原铁和废钢为原 料的电炉炼钢生产工艺。直接还原铁与高炉流程炼铁的主要区别在于： 直接还原铁碳低、渣多，产品为固态；高炉铁碳高、无渣，产品为液态 或固态； 原料方面，直接还原需要的原料是高品位矿；高炉对原料的适应能力强。 能源方面，气基直接还原需要天然气，煤基直接还原的煤源相对较广泛， 但也要求煤的灰熔点高，反应性好；高炉则需要有炼焦煤。 能耗方面，气基直接还原与高炉流程相近，煤基直接还原比高炉流程高， 高炉可提供炼钢电炉铁水，而直接还原只能提供固态海绵铁。因此，把直接还原 铁熔化耗热计算在内，则所有直接还原工艺的能耗都比高炉高。 单炉最大生产能力，高炉比直接还原大【2 们。 图2 4 是简化后的直接还原一电炉流程系统边界 一圃 i 铁合金i 本章小结： 图2 4 直接还原一电炉流程系统边界 f i g u r e 2 4b o u n d a r yd e n n i t j o no f s y s t e mi ne f an o w 1 ) 钢铁生产包括很多复杂的工艺流程，本章确定钢铁生产中三种主要工艺 流程的系统边界。 2 ) 根据已确定的系统边界，研究整理钢铁生产典型流程的数据。 第3 章钢铁环境协调性数据库设计 3 1 材料的环境协调性数据库框架的建立 3 1 、1 数据库的概念 数据库是对某一问题所有数据的集合。它包括三方面内容： 有效数据； 组织数据的结构( 数据库框架) ； 软件系统，即数据基本管理系统( d b m s ) ，功能是管理数据和数据结构； 其中，数据库框架是数据存储的逻辑结构，规定了数据的组织形式，数据对 象之间的相互关系。目前，存在多种不同类型的数据库技术，主要有：层次模型 数据库，网状模型数据库，关系模型数据库和对象模型数据库。关系型数据库具 有严格的国际标准和坚实的理论平台，也是应用最广泛的数据库技术2 甜。在本软 件中，选择关系数据模型作为钢铁材料环境协调性数据库的基本结构。 3 1 2 数据模型及关系模型 数据模型也是实体模型的数据化【2 3 1 。实体模型经过数据抽象，现实事物就被 抽象为数据库中数据，即现实事物在数据库中以具体数据表达。 在数据模型中，把实体型内部( 即属性) 之间的联系抽象为数据项。数据模 型反映了这类复杂的联系形式，它使数据库中的数据组织结构化【2 4 l 。数据模型是 数据组织的一个整体逻辑框架，赋予具体的数据值即为数据模型的一个实例2 ”， 在本数据库中选择关系数据模型。 关系模型是用二维表框架来表示实体及其之间的联系的模型，它的数据结构 是一个二维表格结构，一个二维表又可以称为一个关系【26 1 。关系模型实例是由若 干表格( 关系) 组成。由于关系模型采用了二维表格的数据结构，表格的框架构 成关系模型的结构，它由行和列构成。 表中的一行数据构成一个实体，在数据模型中称为一个记录( 也称元组) ； 表格中的列即为实体的属性，在数据模型中属性的值称为数据项，属性的型称为 字段，数据项的取值范围称为值域【2 7 1 。在给定的关系中，若存在一个( 或一组) - l s - 能唯一地标识一个记录( 元组) 的字段，则该字段称为关键字，也称为码，在具 有多个关键字的表中通常选取一个或多个字段的组合作为主关键字，即主键或主 码f 2 。在执行插入、删除、查询等数据处理时，主键是操作变量。 关系型数据库是以数据表的形式构成的。一个典型的表代表着客观吐界的一 个实体或一个概念【2 引，例如。每张表有一系列的域组成，这些域或存储数据或提 供与其它表的联系，共同构成一个复杂的数据库，这些表与表之间的联系，就是 数据库结构，即数据库框架【3 。 借书单学生 编号借书日期学号学号姓名学院 1 0 2 0 3 2 5 s 2 0 0 ， 3 2 0 0李清经管 2 0 i ，0 8 2 1 s 2 0 0 、 s 3 5 0王明数理 3 0 i 0 8 2 1s 3 0 0s 3 0 0刘军电子 撵图书 编号书库书号书号名称出版社 3自然科学t p 3 1 2r p 3 1 2高等数学高教 3 社会科学 o s 2 5 0 歹歹乏 o s 2 5 0哲学原理科学 2社会科学0 s 2 5 0l t l 2 0 简爱文学 1 文学艺术 l t l 2 0 一 图3 一l 数据库组织及其关系示意图 f i g u r e3 一lt h es k e t c hp l a no fd a t a b a s es t r u c t u r ea n di t sr e l a t i o n s h i p 图3 一l 是数据库的组织与关系示意图，从图的表中可以看出，电子学院学生 刘军在2 0 0 1 年8 月2 1 日借了高等数学和哲学原理两本书。 3 2lca 数据库框架的建立 3 2 1lca 数据模型的建立 数据库功能的实现不仅取决于数据库框架的设计，还要取决于数据模型的建 立，实际上，构建数据模型的关键在于如何将客观事物抽象表达口”。 在e c o i n d i c t o r9 9 评价方法中，材料的环境协调性评价所需要的数据及其 来源如图3 2 所示。从该图可以知道，为了得到材料的环境影响评价结果，需 要三个方面的数据信息。 1 自燃卜 建立黟闻璇编目结畏编目阶段 三种损害 1 塑i 捌 类型的权 卜 资游消耗建立所 重分析 l 生黜l 主要在环 一 有流程 叫塑i 境领域和 卜 曲也使e f j的数学 模型 主要为价 水斗 卜 物质排放 值领域 价值领域 图3 2 环境影响性评价的框架 f i g u r e3 2t h ef r 扪e w o r ko f e n v i r o n m e n t a l l m p a c t e v a l u a t i o n 首先是材料生产过程的技术工艺数据，即技术领域。从技术领域，需要获得 寿命周期的描述，材料生产的工艺流程及各流程的相互层次关系；各个流程的输 入数据，包括原料、燃料、电和蒸汽等；各个流程的输出数据，包括产品，废气， 废液，废弃圆体排放物种类和数量。 其次是环境领域的数据，包括材料生产的时效特征和环境特征，人类活动对 环境影响的模型分析，给出物质的环境指数，进行材料的环境负担性比较。同样 的资源消耗和废物排放在不同环境中的影响程度不一样，所以必须将材料生产过 程的数据加上环境特征。每种排放物、资源消耗或其它形式的物质进入环境中， 会引起自然界一系列的变化，这一系列的变化互相交叉，分支和循环，最终影响 效果是一个可以被评价系统定义的环境损害类型。因此，可以对该环境损害的环 境影响性进行定义和量化，如单位环境损害。 最后是价值领域。分析材料生产对环境影响的过程中，要得到一个综合的单 指数评价结果，需要对不同的影响类型予以区别。评判重要性，给出权重系数， 这些程序依赖于执行者的价值取向。因此，价值体系可以认为属于社会系统范畴。 权重系数是在个体的经验或传统观点基础上做出的。此外，价值体系还包括如何 从技术体系和环境体系中选取所需要的数据。 数据库的主要目标是选择和储存三个体系中现有的数据，同时，数据库需要 最大限度的提供可能的现有知识储备，而不仅仅将其局限在某一个评价领域。这 样数据库应用软件则能根据实际情况选用所需要的数据【3 2 1 。 数据库中用较多的数值数据来描述某些物质的性质，如物质数量，这样就可 以得到评价系统的总原料输入和污染物排放情况。在某些情况下，对这些数据可 以进行精确的测量；而在某些恶劣的条件下，数据难以测量，而且需要估计或从 相关文献查找，或通过计算转化过来，这些信息对于数据库的使用者来说是很重 要的。这些信息即数据来源。数据来源可以分为多种类型如“计算”，“估算”， “来自文献”，“测量”，所以数据库中应该规定数据来源的类型。 综上所述，可以知道数据库中的数据应该包括： 1 材料生产的工艺流程的详细数据。 2 数据系统的完备性，如材料寿命全程的数据还是某些生产流程或某个流 程的数据。 3 工艺流程中的具体输入输出物质、能量的种类和性质以及数量等。 4 物质内容，即产品，能源，原料，废物，排放物等及其性质和数量。同 时提供物质的分类情况。 5 数据来源。数据收集时间，收集方法，数据处理过程，数据的参考资料 等。 3 2 2 建立数据库实体模型 模型是对现实世界的抽象，数据库系统的核心问题就是研究如何表示、处理 现实世界中采集的数据和信剧3 引。 1 ) 流程和物质 把一些生产或工艺环节抽象为流程，如原料获得，能源供应，运输，制造， 燃料燃烧，回收，材料使用或废物处理等。一个流程拥有原材料、能源、资源的 输入和产品、排放物、废物的输出。流程在