（材料学专业论文）我国卫生陶瓷生命周期影响评价研究.pdf

摘要 摘要 建筑材料工业是重要的基础材料工业和原材料工业。随着我国经济的高速发 展，使得传统建筑材料也得到了快速发展，与此同时也带来了资源过度消耗、能 源短缺和环境污染问题。建筑卫生陶瓷是重要的建筑材料，我国自1 9 9 3 年来建 筑卫生陶瓷生产及出口一直位居世界首位，我国已经成为名副其实的建筑卫生陶 瓷大国。然而，粗放式的生产模式，给资源和环境都带来了很大的负担，使我国 与世界陶瓷强国相比还存在一定差距。 本文采用生命周期评价方法，根据我国建筑卫生陶瓷行业的实际情况，建立 了符合我国建筑卫生陶瓷现状的评价体系。该方法体系是建立在i s 0 1 4 0 4 0 1 4 0 4 3 和国家标准g b t 2 4 0 4 0 2 4 0 4 3 基础之上，结合当量模型对我国卫生陶瓷进行了生 命周期评价研究。研究结果表明，2 0 0 5 我国卫生陶瓷环境影响主要表现在酸化 效应、温室效应、人体健康损害、不可再生资源消耗、光化学烟雾和富营养化。 其中，最主要的是不可再生资源的消耗和酸化效应，两者的比重分别占环境影响 总量的4 6 o 和2 9 2 ；对我国卫生陶瓷典型企业评价结果表明，不可再生资源 消耗的影响最为严重，此类影响主要产生于材料制备阶段；本文第五章针对烧成 工序及其现行的三种不同烧成技术进行了环境影响评价。评价结果表明，在其他 工序不变的情况下，使用清洁燃料的明焰裸烧辊道窑的烧成工序造成的环境影响 最小，使用重油的隔焰裸烧隧道窑的烧成工序造成的环境影响最大。 对我国卫生陶瓷工业的环境负荷研究，将为我国建筑卫生陶瓷乃至建筑材料 行业进行节能减排、制定清洁生产指标体系、发展循环经济提供理论参考依据； 大量的清单数据对我国材料工业数据库起到了有利的补充作用。此外，对卫生陶 瓷烧成技术的环境评价为我国陶瓷窑炉工艺改进指明了方向。 关键词生命周期评价；卫生陶瓷工业；烧成工序；酸化效应； a b s t r a ( ? r a bs t r a c t b u i l d i n gm a t e r i a li st h ei m p o r t a n tb a s i cm a t e r i a la n da l s ot h er a wm a t e r i a l w i t h t h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h eb u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r yh a sd e v e l o p e d q u i c k l y a tt h es a m et i m et h ed e v e l o p m e n to fc e r a m i ci n d u s t r yh a sw a s t eal o to f r e s o u r c e sa n dh a sb r o u g h tb a d l yi n f l u e n c et ot h ee n v i r o n m e n t c e r a m i ct i l e sa n d s a n i t a r yw a r e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei no u rb u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r ya n d i th a sb e e n t h et o ps i n c e19 9 3w h e nw ep r o d u c e dt h em o s ta m o u n tc e r a m i cp r o d u c t s f r o mt h e n c h i n ah a sg i v e nt h em o s tc o n t r i b u t i o nt ot h ew o r l d h o w e v e r , t h el a r g en u m b e ri n p u t h a sb e e nt h eb u r d e nt ot h ee n v i r o n m e n ta n dw es h o u l dd oo u rb e s tt oc a t c hu p 、 ，i t l l c e r a m i cd e v e l o p e dc o u n t r i e s i nt h i sp a p e rl c ah a sb e e nc a r r i e do u ti no r d e rt of i n dt h eh o ts p o t so ft h et y p i c a l s a n i t a r yw a r ei n d u s t r y a c c o r d i n gt oi s 0 1 4 0 4 0 1 4 0 4 3a n dg b t 2 4 0 4 0 2 4 0 4 3 c o m b i n i n g 谢t 1 1e q u i v a l e n c ym o d e l ，l i f ec y c l ea s s e s s m e n tm e t h o ds y s t e mo fs a n i t a r y w a r ei n d u s t r yi nc h i n aw a ss t u d i e di nt h ep 印e l f i r s t a n dt h es y s t e mw a sb u i l ta tt h e r e a lc o n d i t i o no fo u rc o u n t r y t h ea n a l y s i so fs a n i t a r yw a r ei n d u s t r yi n2 0 0 5h a s s h o w nt h a tt h em a i na f f e c t i o no fs a n i t a r yw a r ew e r ea p , g w 己h t ，a d l , p o c pa n d n p t h ec r i t i c a lp o i n th a sb e e nf o u n di na d pa n da pw h i c hw e r e4 6 0 a n d2 9 2 i nt h es y s t e ma n dw e r es e r i o u sd u r i n gt h em a n u f a c t u r ea n dr a wm a t e r i a lm a k i n g p r o c e s s e s t h ea n a l y s i so ft y p i c a ls a n i t a r yw a r ee n t e r p r i s eh a ss h o w nt h a tm a t e r i a l p r e p r o d u c t i o np r o c e s s e sw e r et h eh o ts p o t sd u r i n gt h em a n u f a c t u r ei nt h ea s s e s s m e n t b e c a u s ei tw i l lu s eal o to fm i n er e s o u r c e s o t h e r w i s et h ea n a l y s e so ff i r i n gp r o c e s s h a ss h o w nt h a tt h er o l l e rk i i nw i t hc l e a n i n gf u e lh a st h el e a s ta f f e c tt ot h e e n v i r o n m e n ta n dt h ei n t e r v a lk i i nt u n n e lw i t hd e a do i lh a st h ew o r s ta f f e c to ft h e t h r e e t l l i ss t u d yo fl c ai ns a n i t a r yw a r ei n d u s t r yw i l lh e l pc e r a m i ci n d u s t r ya n de v e n b u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r yal o t i tw i l l b et h ec o n s u l t a n tt ot h ee n e r g y - s a v i n g t e c h n o l o g i e sa n dt h er e c y c l i n ge c o n o m y i tw i l lh e l pt ob u i l tu pt h es t a n d a r d so f c l e a n e rp r o d u c t i o ni nc e r a m i ci n d u s t r y a l s oi tw i l lb et h es t r o n g l ys u p p l e m e n tt ot h e m a t e r i a ld a t a b a s ea n dw i l lg i v es o m ea d v i s e st ot h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to f c e r a m i ck i l n s k e y w o r d sl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) ；s a n i t a r yw a r ei n d u s t r y ；f i r i n gp r o c e s s ； 敞 。 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：一蕴避日期：2 q q 金点三! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：型盔霆日期：2 q q 窆：三! 第1 章绪论 第1 章绪论 随着全球环境的日益恶化，人们开始重视人类社会赖以生存的环境，并通过 人们的努力以减轻对地球的环境负荷。然而人们的努力并没有阻止环境的继续恶 化。近年来的海啸来袭、山洪爆发、冰雪灾害等等无不与环境的恶化有着千丝万 缕的联系。材料产业作为社会经济发展的物质基础，推动着人类文明的进步，同 时材料产业也是资源、能源消耗和排放大户，材料的生产给环境带来了很大的负 担。在我国，建筑材料工业是最重要的基础工业和原材料工业，而作为传统无机 非金属材料之一的陶瓷材料，其生产过程消耗大量不可再生资源、能源，同时排 放大量污染物。 近年来随着我国工业迅速发展，我国的陶瓷生产总量越来越大，已成为建筑 卫生陶瓷生产第一大国，年产量居世界首位。但是，建筑卫生陶瓷在对经济贡献 的同时，对环境的污染也日益严重，这限制了建筑陶瓷业的进一步发展。因此，定 量研究卫生陶瓷整个生命周期过程中的环境负荷问题，可作为我国卫生陶瓷工业 可持续发展之路的参考依据。 1 1 研究背景 1 1 1 我国建筑卫生陶瓷工业发展现状 中国的陶瓷行业是借助国家改革开放的实行和深化，以及由此提供的市场和 较良好的国际环境而高速发展起来的。从2 0 世纪8 0 年代起，中国的建筑卫生陶 瓷工业已高速发展了2 0 多年。中国已是世界上最大的建筑陶瓷、卫生洁具生产 国和消费国。据有关部门统计，目前我国建筑卫生陶瓷企业数量达3 0 0 0 余家， 其中生产卫生陶瓷的企业近2 0 0 0 家【2 ，3 】。我国建筑卫生陶瓷企业遍及全国2 9 个 省、自治区、直辖市，形成了广东、福建、浙江、山东、河北、河南、四川及上 海周边地区8 个建筑卫生陶瓷生产区域。 自1 9 9 3 年以来，我国的建筑卫生陶瓷的产量和出口量就位居世界首位，成 为世界上的建筑卫生陶瓷生产大国。由图1 1 我国建筑卫生陶瓷年产图就可以看 到2 0 0 4 2 0 0 8 年间我国卫生陶瓷产量有了很大的增长，5 年间我国卫生陶瓷增产 7 3 0 0 万件，增幅为9 1 2 5 4 , 5 】。据对全国平均规模以上的建筑陶瓷企业统计， 2 0 0 6 年陶瓷砖产量大约在5 0 亿平米左右，占世界总产量的3 5 ，而卫生陶瓷的 产量达到1 3 1 亿件，约占世界总产量的1 3 t ，主要产区是广东、河南、河北。 全年产品制造实现销售收入和利润总额分别为2 2 8 0 亿元和1 0 4 亿元，增长率分 北京工业大学工学硕士学位论文 别达到3 6 6 和4 9 9 ，成为世界陶瓷生产大国和消费大国。但是，我国大多数 陶瓷企业仍属中小型企业，高档建筑卫生陶瓷的产品比例不到2 5 。 图1 1 我国卫生陶瓷年产量统计表 f i g 1 - 1t h ed e v e l o p m e n to fc h i n as a n i t a r yw a r e 1 1 2 我国卫生陶瓷工业的环境影响 1 1 2 1 资源与能源的消耗 我国建筑卫生陶瓷消耗的主要原材料是作为塑性原料的黏土类原材料、作为 瘠性原料的石英类原材料和作为溶剂类原料的长石类原材料等，这些矿物原料皆 为不可再生资源。目前我国陶瓷矿物原材料的加工的专业化程度不高，制造加工 效率低下，造成了大量的原料资源的浪费。这对人均矿产资源占有量仅为世界平 均水平的1 2 的我国来说，势必给我国不可再生资源的保护带来沉重的压力。 在我国建筑卫生陶瓷工业已高速发展的这2 0 多年里，虽然产品单耗有所下 降，但是建筑卫生陶瓷产量的急剧增加，使得建筑卫生陶瓷的总的能耗是逐渐增 加的。表1 1 给出了我国卫生陶瓷1 9 9 5 年、2 0 0 0 年和2 0 0 5 年的产品单位能耗表。 另外，我国卫生陶瓷行业总体上存在产品档次低、能耗高、资源消耗大、综合利 用率低、生产效率低等问题，这一问题成为阻止我国跻身世界陶瓷强国的瓶颈。 2 第1 章绪论 表i - 1 我国卫生陶瓷3 年产品单耗表 t a b l e1 1t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f u n i ts a n i t a r yw a r e so f c h i n af r o m1 9 9 5t o2 0 0 5 单位1 9 9 5 2 0 0 02 0 0 5 1 1 2 2 污染物排放 卫生陶瓷行业的污染物主要是原料制备及配料球磨产生的有害粉尘及燃料 燃烧产生的大量烟气。烧成工序中燃料的燃烧造成大量c 0 2 ；s o x 和n o x 等有 害气体的排放，这些气体是造成温室效应、酸化效应和光化学烟雾的主要因素。 另外，在原材料制备过程中，也会产生c o d 和石油类等有害物质，对环境及人 类造成危害1 6 。因此，定量评价卫生陶瓷的环境影响状况就尤为重要，而生命周 期评价( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 正是目前进行此项研究应用最为广泛的方 法，鉴于此本文采用l c a 方法来评价我国卫生陶瓷行业的环境影响状况。 1 1 3l c a 方法介绍及其应用状况 1 1 3 1l c a 方法简介 l c a 概念起源于2 0 世纪6 0 年代末，1 9 6 9 年可口可乐公司委托美国中西部 研究所( m i d w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ，m r i ) 对饮料容器进行评价，从原材料采掘到 废弃物的最终处理，进行了全过程的跟踪与定量研究，揭开了生命周期评价的序 幕。1 9 9 0 年8 月世界环境毒理学与化学学会( s o c i e t yo f e n v i r o n m e n tt o x i c o l o g y a n dc h e m i s t r y ，s e t a c ) 提出了“生命周期评价 的概念【7 j 。l c a 的进行有一整 套程序与技术细节，国际标准化组织环境管理技术委员会近年来制定生命周期评 估方面的标准，该标准制定了l c a 的原理及框架、清单分析、环境影响评价， 结果解释的规范和准则，如图1 2 所示。其中i s 0 1 4 0 4 0 ：环境管理一生命周期 评估一原则和框架于1 9 9 7 年正式颁布。 3 北京工业大学工学硕士学位论文 生命周期评价技术框架 0 产品开发 目标和范围 = ! 结 产品评价 上t 果 编目分析 二1 未来预测 j 解 、， 1 r 释 工艺优化 影响评价 ! 图1 2i s 0 1 4 0 4 0 技术框架 f i g 1 2t h et e c h n i q u ef r a m w o r ko f l s 0 1 4 0 4 0 1 1 3 2l c a 方法应用状况 在日本，绝大多数的知名企业都要对其生产或产品进行生命周期评价。在中 国，清洁生产审核机构如雨后春笋，应运而生，而进行清洁生产审核所依据的最 基本的思想就是生命周期的思想。当今世界，从事l c a 研究的队伍在不断发展 壮大。从国内外生命周期评价案例来看，l c a 应用的行业遍及冶金、建材、交 通、电力、食品、造纸和水处理1 8 - 1 7 等等。总结起来，l c a 方法应用的领域可分 为以下三个方面【l 引。 ( 1 ) 工业企业部门l c a 起源于企业内部，也最先在企业部门得到广泛的 应用。主要应用情况包括产品系统的生态辨识与诊断、产品生命周期影响评价与 比较、产品改进效果的评价、生态产品设计与新产品开发、循环回收管理及工艺 设计和清洁生产审计六个方面。 ( 2 ) 政府环境管理部门和国际组织由于l c a 已经涉及社会生产的各个方 面，运用l c a 思想可以了解产业结构与社会环境问题间的关系，也可寻找到产 品各生命过程在社会产品中的合理布置。具体来讲，包括制定环境政策与建立环 境产品标准、实施生态标志计划、优化政府的能源、运输和废物管理方案和向公 众提供有关产品和原材料的资源信息以及国际环境管理体系的建立五个方面。 ( 3 ) 消费者组织产品的生产是以产品的销售实现其价值的。消费者会排斥 那些存在环境污染问题的产品或企业，促进其环境改善。而l c a 分析可帮助发 展中国家建立生态产品基准和改进生态消费基准，通过利用清洁生产技术保持进 入国际市场的通道，从而促进社会的可持续消费和可持续发展。 4 第l 章绪论 1 2 选题依据 1 2 1 国内外l c a 的研究状况 国外使用l c a 方法应用于工业企业及产品过程对其生命周期进行环境影响 历史比较早。1 9 7 7 年，瑞典就开展了两个项目，促进l c a 的发展【l 引。日本于1 9 9 5 年开始对一些典型材料进行生命周期评价【2 0 】，1 9 9 8 年，日本经济、贸易和工业 部门联合提出一个发展产品的生命周期影响评价的五年计划，通常被称为l c a 工程拉。同样是在1 9 9 8 年，西班牙出版了第一本有关l c a 的图书，介绍了l c a 的思想及概念，将国际上通行的i s o 及s e t a c 标准翻译成为西班牙语瞄l 。在意 大利，自从1 9 9 3 年就有大学开始研究l c a ，1 9 9 8 年国内的几家大公司，如a b b ， f i a t 开始运用l c a 对其产品进行生命周期评价【2 3 】。德国利用物质流的方法分析 研究了建材、包装材料等的物质流动和由此产生的环境负荷，用于指导工业经济 材料及产品生产的环境协调发展 1 8 】。奥地利、加拿大、法国、德国、北欧国家、 荷兰、美国等许多国家和欧盟、世界经济与合作组织、国际标准化组织等国际组 织都涉入材料的环境协调性评价，其中就包括建筑材料、交通运输材料等多种材 料。将l c a 方法对建筑卫生陶瓷的评价也有相关报道【2 引。 国内对生命周期评价的研究起步较晚。在建材方面【2 ”7 】，目前我国对水泥的 生命周期评价研究较多。对玻璃使用l c a 方法进行环境影响评价也有相关文献。 对建筑卫生陶瓷的环境影响评价文献中少见，主要应用在环境管理认证及清洁生 产审核方面。咸阳陶瓷研究院的夏光华【2 9 , 3 0 j 等人对日用陶瓷清洁生产工艺进行了 环境影响评价：华南理工大学陈庆文等对建筑陶瓷进行了生命周期评价【3 l j ，而对 卫生陶瓷的生命周期评价却还是一片空白。尤其是在已有文献的评价过程中对于 清单数据的评价处理没有明确的方法，另外清单数据具有一定得时效性，并不能 说明目前快速发展的建筑卫生陶瓷行业的环境负荷情况。 1 2 2 研究意义 如前所述，尽管近年来随着我国建筑卫生陶瓷业迅猛发展，技术及装备水平 有了很大提高，新增生产能力以大型先进技术装备为主，部分生产线已达到或接 近国际先进水平，产品品质不断提升，与国际先进水平的差距不断缩小，许多建 陶卫陶强国如意大利、西班牙等国纷纷到我国寻找生产合作伙伴，我国产品的出 口也随之扩大。但是规模小、管理水平低、污染严重、能耗高、技术相对落后， 还不能充分发挥先进设备的优势，这些都成为阻碍我国跻身世界陶瓷强国的瓶 颈。我国是建筑卫生陶瓷生产大国，但还不属于生产强国。 因此，精确定量卫生陶瓷的环境负荷，辨识主要制约过程，对比寻找环境影 北京土业大学工学硕士学位论文 响最小的先进工艺过程，将对我国工业特别是建材领域的发展及远景规划起到指 导意义，也正符合我国最近提出的发展循环经济，建设和谐型社会的要求。计算 在建筑卫生陶瓷生产的各个生产阶段产生的潜在环境影响，对改进工艺改进，减 少环境负荷具有重要意义。 1 3 课题来源 本课题研究依托国家“十一五”8 6 3 计划项目( 材料全生命周期环境负荷 研究及应用示范) 、“十一五 国家科技支撑计划项目( 建筑材料绿色制造共性技 术研究) ，将生命周期评价方法引入我国卫生陶瓷生产行业。其中在卫生陶瓷方 面，一方面针对卫生陶瓷生产的工艺与工序问题进行评价研究，另一方面强调生 命周期评价在我国卫生陶瓷工业中的实际应用。 1 4 本课题研究内容 本课题的主要任务有三个方面：一是，探寻可靠的数据及方法计算出我国卫 生陶瓷行业整体的环境负荷；二是，对我国平均规模以上典型卫生陶瓷企业的典 型生产工艺过程进行分工序环境负荷研究，找到环境影响严重的工序过程；三是， 研究我国建筑卫生陶瓷三种不同烧成技术( 明焰辊道窑、隔焰裸烧隧道窑、明焰 裸烧隧道窑) 在烧成工序造成的环境影响。这三个方面的研究内容包括资源消耗 量( 化石资源和矿物资源) 及污染物排放量，再选取适当的当量和归一化基准值 通过特征化和归一化，对评价结果进行对比，找出环境影响热点，并提出一定改 进建议。 预期目标是计算出我国卫生陶瓷行业层面不同生命周期过程的环境负荷，找 到卫生陶瓷环境影响较大的生命周期过程；计算我国某一典型企业，其生产各个 工艺单元的量化结果以及找出环境负荷最严重的工艺环节：研究我国建筑卫生陶 瓷行业现行三种不同烧成技术的归一化结果。并用生命周期评价方法计算出各生 命周期过程、生产工艺及不同烧成技术对功能单位为1 t 的建筑卫生瓷造成的环 境影响。研究的系统边界为从原材料开采到最终产品，包括所涉及的输入输出数 据的归一化结果。从而为今后我国建筑卫生陶瓷工业环境污染排放标准的制定及 可持续发展提供参考依据，同时作为l c a 的一项案例分析，也将推动l c a 的方 法学框架研究的向前发展，为我国建材工业的l c a 数据库的建立奠定基础。 6 、 第2 章评价方法体系构建 第2 章评价方法体系构建 材料与环境如何协调发展的问题日益受到人们的重视，2 0 世纪9 0 年代初出 现了“生态环境材料”( e c o m a t e r i a l s ) 的概念，要求材料在满足使用性能要求的 同时还具有良好的全寿命过程的环境协调性，赋予材料及材料产业以环境协调功 能。在环境材料研究与开发过程中，首先遇到的问题就是如何评价一种材料是否 属于环境材料的范畴，即需要解决材料生产和应用过程中对环境系统的影响和评 价问题环境协调性评价问题。 2 1 评价方法框架研究 早期曾采用单因子方法来评价材料的环境影响，如测量材料生产过程中的废 气排放量，用以评价该材料对大气的影响；测量其废水排放量，评价其对水污染 的影响；测量其废渣的排放量，评价其对固体废弃物污染的影响。后来，科学家 发现，采用单因子评价不能反映其对环境的综合影响，如全球温室效应、能耗、 资源效率等。而且，由于材料是一个大系统，在其全循环周期内，每个阶段都相 互联系和相互影响，因此必须采用系统的而非孤立的、全面的而非片面的、战略 的而非短浅的观点来看待生产过程与自然生态系统的关系。在这种思想的指导 下，生命周期评价( l c a ) 这种全面评价产业活动生态影响潜力的方法已逐渐成为 对材料及其产品进行环境协调性评价的主导方法。 l c a 方法的框架体系是在研究过程中逐步发展起来的，最初的阶段并未形 成评价方法框架体系。1 9 9 3 年，环境毒理与环境化学学会( s e t a c ) 首次提出 生命周期评价概念框架，为以后的研究指明了方向。1 9 9 7 年6 月，国际标准化 组织颁布了i s 0 1 4 0 4 0 ( 环境管理生命周期评价原则和框架) 标准，在原来s e t a c 框架的基础上做了一些改动，成为指导企业界进入i s 0 1 4 0 0 0 环境管理的一个国 际标准【3 2 】。 2 1 1s e t a c 框架体系 s e t a c 将生命周期评价定义为【1 7 】：通过确定和量化与评估对象相关的能源 消耗、物质消耗和废弃物排放，来评估某一产品、过程或事件的环境负荷；定量 评价由于这些能源、物质消耗和废弃物排放所造成的环境影响；辨别和评估改善 环境( 表现) 的机会。评价过程应包括该产品、过程或事件的寿命全过程，包括 原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收，直 到最终的废弃。 一 7 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 2i s 0 1 4 0 4 0 标准框架体系 i s 0 1 4 0 4 0 标准框架对s e t a c 框架的重要改进是去掉了改善评价阶段，因为 i s o 认为，改善是开展l c a 的目的，而不是它本身的一个必须阶段，同时增加 了生命周期解释环节，对前三个互相联系的步骤进行解释，而且这种解释是双向 的，需要不断调整。另外，i s 0 1 4 0 4 0 标准框架更加细化了l c a 的步骤，更有利 于指导开展生命周期评价的研究与应用。 i s 0 1 4 0 4 0 标准框架体系认为： l c a 是一种用于评估与产品有关的环境因 素及其潜在环境影响的技术，做法是编制产品系统中有关输入与输出的清单、评 价与这些输入输出相关的潜在环境影响和解释与研究目的相关的清单分析和环 境评价结果。 ) l c a 研究贯穿于产品生命全过程( 即从摇篮到坟墓) 从获 取原材料、生产、使用直至最终处置的环境因素和潜在影响，需要考虑的环境影 响类型包括资源利用、人体健康和生态后果。l c a 能用于帮助识别改进产品 生命周期各个阶段中环境因素的机会、产业及政府或非政府组织中的决策( 如战 略规划、确定优先项、对产品或过程的设计或再设计) 、选择有关的环境表现行 为参数和营销( 如环境声明、生态标志计划或产品环境宣言) 。 2 1 2 1 目的与范围的确定 研究的目的与范围的重要性在于它决定为何要进行某项生命周期评价( 包括 其对结果的应用意图) ，并表述所要研究的系统和数据类型。研究的目的、范围 和应用意图涉及到研究的地域广度、时间跨度和所需数据的质量等因素，它们将 影响研究的方向和深度。 l c a 研究目的中须明确陈述其应用意图，开展该项研究的理由以及它的使 用对象，即研究结果的接受者或预期交流对象。l c a 的研究范围应该根据需要 达到的既定目标来确定，应妥善规定研究范围，以保证研究的广度、深度和详尽 程度与之相符，并足以适应所确定的研究目的【1 8 】。 l c a 的范围应该根据需要达到的既定目标来确定。应妥善规定研究范围， 以保证研究的广度、深度和效能改进程度与之相符，并足以适应所确定的研究目 的。l c a 本身是一个反复的过程，在研究过程中，可能由于收集到新的信息而 要对研究范围加以修正。 2 1 2 2 清单分析 生命周期清单分析是对一种产品、工艺和活动在其整个生命周期内的能源与 原材料消耗量、以及对环境的排放( 包括废气、废水、固体废弃物及其它环境释 放物) 进行以资料为基础的客观量化过程。该分析评价贯穿于产品的整个生命周 第2 章评价方法体系构建 期，即原材料的提取、加工、制造和销售、使用和用后处理。它是l c a 的核心 部分，也是环境影响评价的基础，是目前l c a 中发展最为完善的一部分。 生命周期清单分析的主要步骤包括数据收集的准备、计算程序和物流能流以 及排放物的分配。其中计算程序又包括数据确认、数据和单元过程的关联、数据 与功能单位的关联和数据的合并、系统边界的修改和数据缺口的处理五个组成部 分。并且所有的资料应该根据系统的功能单元进行统一规范化，这样才具有叠加 性。 2 1 2 3 影响评价 在i s 0 1 4 0 4 0 标准有关l c a 的四个步骤中，目的与范围的确定和清单分析是 发展较成熟的两个步骤，争议最大的环节是影响评价。本章对影响评价进行重点 讨论，包括该步骤方法的选择与运用，并将其单独列为一节来讨论，具体的研究 探讨见2 2 。 影响评价是对清单分析阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的表征 评价，即确定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响。这种评价应考虑 对生态系统、人体健康、资源和能源消耗等方面的影响。影响评价的方法有许多， 但基本上都包含四个步骤：分类、表征、归一化和评价p 引。 2 1 2 - 4 结果解释 生命周期结果解释，它将清单分析和环境影响评估的结果结合在一起，并得 出结论或建议。系统地评估在产品、工艺或活动的整个生命周期内消减能源消耗、 原材料使用以及环境释放的需求与机会。这种分析包括定量和定性的改进措施， 例如改变产品结构，重新选择原材料，改变制造工艺和消费方式，以及废弃物管 理等。对于决策过程而言，依据第一部分中定义的评估目标和范围，向决策者提 供直接需要的相关信息瞰j 。 生命周期解释阶段的要素包括对环境热点的识别、评估和结论、建议及报告。 其中，环境热点可分为清单数据类型( 如能源、排放物和废物等) 、影响类型( 如 资源消耗、温室效应等) 和生命周期各阶段( 如运输、能源生产等单元过程或过 程组) 对l c i 或l c i a 结果的主要贡献。 2 2 影响评价模型及方法的确定 生命周期影响评价( l c i a ) 的目的是对产品系统清单分析( l c i ) 结果进行 评估，以便更好地理解这些结果的环境意义。在l c i a 阶段，对选定的环境问题 ( 即环境影响类型) 模型化，并利用类型参数( 用来反映各影响类型中的累积总 9 北京工业大学工学硕士学位论文 量或资源消耗总量，来表征潜在环境影响) 来精简和解释l c i 结果，此外，l c i a 还为生命周期解释阶段做准备。 根据i s 0 1 4 0 4 2 的规定 3 5 】，生命周期影响评价阶段包括将清单分析结果转换 为指标结果的几个必备要素，这些必备要素包括影响类型、类型参数和特征化模 型的选择、分类和特征化。此外，还有对指标结果的归一化、分组或加权，以及 数据质量分析等可选要素。 因此，根据i s 0 1 4 0 4 2 的规定，结合建筑卫生陶瓷行业环境影响的特点，本 论文中选择的可选要素包括归一化。由于卫生陶瓷整个生命周期中的环境影响类 型并不复杂，因此对分组不予考虑。 2 2 1 影响类型的选择 对大多数l c a 研究，通常选择现有的影响类型、类型参数和特征化模型。 在l c a 研究中，对任何有关影响类型、类型参数和特征化模型的选择，均应指 明对有关信息的引用。环境影响类型的选择既可以与传统类型相一致，如温室效 应、酸化效应、资源消耗等，也可以由决策者根据实际需要用代表性的特殊问题 来确定影响类型，而在i s 0 1 4 0 4 2 标准中，仅仅给出了环境影响类型的一般原则， 并没有给出具体的分类方案。目前，国际上也没有统一的影响类型分类方法。 e c o i n d i c a t o r9 9 3 6 】方法中将影响类型分为矿产资源减少、化石资源减少、区 域动植物物种影响、本地动植物物种影响、酸雨和土壤酸化、环境毒素积累、气 候变化引起疾病、臭氧层破坏、辐射致癌、呼吸道感染和导致癌症1 1 类；s e t a c 于1 9 9 3 年提出的分类方案至今仍为大部分l c a 研究所遵循，该方案主要考虑资 源耗竭、人类健康和生态系统健康，分为资源耗竭、环境污染及生态系统退化三 大类，在每一大类中又分为一些具体影响类型【37 j ；在s e t a c 分类方案的基础上，。 根据i s 0 1 4 0 4 2 的原则，丹麦技术大学提出了一个新的分类方法( e d i p ) p 引，将 影响类型分为全球和区域环境影响以及当地环境影响，其中，全球和区域环境影 响又分为气候变化、臭氧层破坏、酸化、富营养化和光化学烟雾，当地环境影响 又分为急性生态水体毒性、持续性性生态水体毒性、持续性土壤生态毒性、毒性 气体、毒性水域、毒性土壤和固体废弃物；我国中科院生态环境研究中心在研究 我国汽车生命周期评价方面的研究中，针对我国的实际情况，将影响类型分为不 可更新资源消耗、全球变暖、臭氧层损耗、可更新资源消耗、酸化、水体富营养 化、光化学臭氧合成、固体废弃物、危险废弃物和烟尘及灰尘1 0 类；根据美国 环保总局( e p a ) 的研究【2 引，将通常采用的环境影响类型归纳为全球变暖、臭氧 层破坏、酸化效应、光化学烟雾、富营养化、陆生生态毒性、水生生态毒性、人 类健康损害、资源消耗、土地使用和水资源利用1 1 类。 本论文中依据目前国际上采用较多而且易于实现的c m l 的分类方法，结合 1 0 第2 章评价方法体系构建 建筑卫生陶瓷生命周期中的环境特点，将环境影响类型分为温室效应( g 聊) 、 酸化效应( a p ) 、光化学烟雾( p o c p ) 、人体健康损害( h t ) 、水体富营养化( n p ) 和不可再生资源损害( a d p ) 六类。 2 2 2 分类 分类是将l c i 中的输入和输出数据划归到不同的环境影响类型的过程i j 圳。 在分类时，需要考虑两种情况：当清单结果仅涉及一种影响类型时，分类步骤中 很容易完成。但当清单结果涉及不止一种影响类型时，就需要识别并合理处理环 境负荷项目的不同作用机理。它包括对并联机制的区分( 例如将s 0 2 分配到人体 健康损害和酸化效应两种影响类型) 和对串联机制间进行分配( 例如将n o x 划 归到光化学烟雾和酸化两种影响类型) ，即通常所讲的清单结果的分配问题。 2 2 3 特征化 特征化步骤中，利用不同影响类型的参数结果来共同展现产品系统的生命周 期影响评价特征。其目的是将每一个影响类型中的不同物质转化和汇总为统一的 单元。包括两个步骤，一是将清单结果换算为同一单位，二是将转换后的l c i 结果进行合并，形成参数结果。第一步的实现通常借助一定的特征化模型，特征 化的结果是一个量化指标。明确地讲，特征化就是量化和汇总不同清单结果对同 一影响类型的潜在影响，用某一特定的参数来表达。 2 2 3 1 常用特征化模型描述 目前研究特征化的计算模式有很多种，国际上常用的特征化模型主要有：负 荷评估模型、当量评价模型、毒性、持续性及生物累积性评估模型、一般暴露 效应模型p 引。 在负荷评估模型中，清单分析的相关资料值是简单的罗列出来，也可能根据 他们的潜在影响加以分类。特征化的方式会根据影响的有无、相对大小或是“少 就是好”等方式来表现。 当量评价模型是根据某一当量因子来汇总生命周期清单数据，前提是汇总的 当量因子能度量潜在的环境影响。此模型的原理是在质量相同的情况下，利用不 同环境影响因子对同一种环境影响类型的贡献量差异，以其中某一种影响因子为 基准，把其影响潜力看作1 ，然后将等量的其他污染物与其做比较，这样可以得 到各类压力因子相对于基准物的环境影响潜力大小，即当量因子。最后可根据各 影响因子间的当量关系，汇总得到以基准物质为单位的环境影响潜力大小。 毒性和持续性及生物累积性评估模型以释放物特有的化学特性，如毒性、可 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 燃性、致癌性和生物累计性等为基础来汇总生命周期清单分析数据，前提是这些 标准能将生命周期清单分析数据归一化，以测度潜在的环境影响。 总体暴露效应模型中，排放物的加和总是针对某些特殊物质的排放所导致的 暴露和效应作一般性的分析，来估计潜在的环境影响，有些时候也会加入对背景 浓度的考查。 特定地址暴露效应模型以相关区域或场所的影响信息为基础，针对某些特殊 物质的排放所导致的暴露和效应作特定位置的分析，来确定产品系统实际的影 响，在此模型中，排放物影响的加和必须考虑到特定位置的背景浓度。 2 2 3 2 特征化模型分析及选择 以上五种特征化模型中，负荷评估模型只是认为“少就是好”的原则，而不 针对系统的输入和输出面所造成的实际环境影响，这样并不符合进行环境影响评 估的目的，而只是综合了清单中的数据，而不作进一步的分析；毒性和持续性及 生物累积性评估模型对尚未建立毒性资料的排放物并不适用，目前此方法主要用 于人体健康影响评估；总体暴露效应模型的缺点是利用现有科学知识所确定的相 应指标值，在准确性方面存在困难，并且随着科学知识的累积和进步，模型中的 环境影响效应值必须不断加以修正，而且并非所有类别的环境影响都可得到一般 性的暴露效应值；点源暴露效应模型，在众多不同流程的l c a 分析中并不实际， 而更适合用在环境影响评估中。当量评价模型的优势在于它是建立在科学研究基 础之上，同一种压力因子，无论其暴露途径、暴露地点等条件如何不同，它所能 产生的潜在环境影响都认为是一样的，因此其结果不受时间因素的影响。 综上所述，本论文采用当量模型来进行环境影响特征化的计算，计算公式如 式2 1 所示；当量因子的确定因不同的影响类型而不同，如表2 1 所示。 e p ( j ) 2 e p 0 ) i 2 q ( i ) i xe f 0 ) i 】 ( 2 - 1 ) 式中： e p ( i 厂产品系统对第j 种潜在环境影响的类型参数； e p 0 ) i _ 第i 种排放物质对第j 种潜在环境影响的类型参数； q 厂一第i 种排放物质排放量； e f 0 ) i 第i 种排放物质对第j 种潜在环境影响的当量系数。 表2 - 1 各影响类型当量因子 ! 垒! ! 呈兰：! ! 垒宝宝9 竺i 垒! 呈里里￥! 堑1 2 12 1i 翌2 兰! 型! 9 2 1 i 呈! 影响类型g w p a pp o c p h t n pa d p 当量因子 k g - c 0 2k g s 0 2k g 乙烯 k g 1 4 二氯苯k g p 0 4 3 。k g 锑 对g w p 、a p 、p o c p 、n - p 和h t 的当量系数采用文献【2 5 】中的研究，对a d p 1 2 的当量系数采用国际上应用最广泛的公式2 - 2 、2 - 3 来计算，其中式中选择锑作 为参照性不可再生资源。 m 2 莩珊2 p 番譬 协2 ， fji i ， 11 目 ， 、 彳腑：j l 坚丛 ( r 阿) 2 p r 矿 ( 2 3 ) 式中： m i - 二一不可再生资源i 的用量( k g ) p i 不可再生资源i 的年开采m ( k g y r 1 ) p r e f 一参照性不可再生资源的年开采量取g y r 1 ) 融不可再生资源i 的年储量( k g ) 鼢e f 一参照性不可再生资源的年储量 g ) 2 2 4 选择性步骤 为了更进一步从整体上概括系统对环境的影响，生命周期影响评价阶段还包 括归一化、分组和加权等选择性步骤，其目的在于试图比较和衡量不同类型的环 境损害。为了进一步实现量化，通常对清单分析和特征化结果进行加权或分级的 方法进行处理。但是，由于对不同环境影响类型之间相对重要性的主观判断的引 入，影响评价的结果会受到社会和个人主观因素的影响。因此，本论文研究的可 选性步骤仅为归一化。 归一化采用的基准值或参照信息根据不同的环境影响类别具有一定的地域 性差异。例如温室效应属于全球影响、光化学烟雾属于区域影响等。因此，要根 据表2 2 选择基准值。 表2 2 归一化基准值选择的作用范围 t a b l e2 2t h ef u n c t i o n a lr a n g eo fn o r m a l i z a t i o ns t a n d a r d 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章的主要工作是对生命周期评价方法进行了辨识、选择与系统化，提出了 适合我国卫生陶瓷工业的生命周期评价方法体系。以国际标准i s 0 1 4 0 4 0 1 4 0 4 3 和国家标准g b t 2 4 0 4 0 2 4 0 4 3 为评价方法框架体系，将卫生陶瓷工业的环境影响 类型分为温室效应、酸化效应、光化学烟雾、人类健康损害、富营养化和不可再 生资源消耗六个大类，选取当量模型作为特征化模型，生命周期解释阶段包括环 境热点的辨识、结论与建议等部分。 1 4 第3 章我国卫生陶瓷行业环境影响分析 第3 章我国卫