（机械电子工程专业论文）中小功率柴油机全生命周期评价体系的构建.pdf

山东轻工业学院硕+ 二学位论文 摘要 经济的快速发展，自然资源的肆意开发，环境的无偿利用，造成了全球生态 破坏、资源浪费、环境污染等重大问题，其中机械制造业是最大的资源使用者， 也是最大的环境污染源者之一。整个人类的生存环境面临日益增长的产品废弃物 的压力，以及资源同益缺乏的问题。为了保护环境，实现资源和能源合理化利用， “绿色 行动在各国不断地兴起。在绿色产品越来越普及的今天，柴油机成为人 们关注的焦点之一。论文初步构建了中小功率柴油机全生命周期评价体系。从而 为生产“绿色中小功率柴油机 提供一定的参考。 首先，系统地对全生命周期评价的发展现状和技术框架进行了阐述，按照生 命周期评价思想，对机械产品的生命周期评价做了详细的介绍，从评价指标标准 制定、评价指标的确定、评价方法的实施等方面一一做了论述，最后建立了机械 产品的全生命周期评价体系。 其次，对中小功率柴油机展开全生生命周期评价，确定了评价目的与范围， 进行了清单分析，对清单分析的结果进行了影响评价，根据评价结果对中小功率 柴油机的环境保护提出了改进性意见，为中小功率柴油机全生命周期评价体系的 构建提供了依据，初步建立起中小功率柴油机的全生命周期评价体系。 最后，考虑实际现状，将柴油机报废回收作为主要评价部分，通过模糊层次 分析法，以1 1 5 t d 型号小功率柴油机为例，将其分为十部分进行了评价研究，得 出关于每个部分的模糊评价矩阵。在中小功率柴油机的绿色设计、制造方面可以 将此矩阵作为理论参考，使中小功率柴油机的整个生命周期过程达到最优化。 论文为柴油机的绿色设计、清洁生产、充分回收利用等提供了一定的理论依 据。 关键词：全生命周期评价：机械产品：中小功率柴油机；模糊层次分析法 山东轻工业学院硕j ：学位论文 a bs t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h er e c k l e s se x p l o i t u r eo fn a t u r a lr e s o u r c e ，a n d t h ef r e eu s eo fe n v i r o n m e n t h a v er e s u l t e di nt h ew h o l ew o r l de c o l o g i c a ld a m a g e ，t h e r e s o u r c e sw a s t ea n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h em a c h i n e - m a d i n gi n d u s t r yi so n e o ft h eb i g g e s tr e s o u r c eu s e r , a n di sa l s oo n eo fb i g g e s t p o l l u t i o ns o u r c e s t h ee n t i r e h u m a n i t y sl i v i n ge n v i r o n m e n tf a c e sw i t ht h ep r o d u c tr e j e c tp r e s s u r ea n dr e s o u r c e s d e f i c i e n tq u e s t i o nd a yb yd a y i no r d e rt op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t ，a n dt or e a l i z et h e r a t i o n a lu s eo fr e s o u r c ea n dt h ee n e r g y , “t h eg r e e na c t i o n p l a ni si m p l e m e n t e di n v a r i o u sc o u n t r i e s t o d a yt h eg r e e np r o d u c t sa r em o r ea n dm o r ep o p u l a r ，a n dt h e d i e s e le n g i n eb e c o m e so n eo ff o c a lp o i n t st ow h i c ht h ep e o p l ep a ya t t e n t i o n t h et h e s i s h a sc o n s t r u c t e de n t i r el i f ec y c l ea p p r a i s a ls y s t e mf o rs a m l la n dm e d i u mp o w e rd i e s e l e n g i n ei n i t i a l l y , w h i c hp r o v i d e sc e r t a i nr e f e r e n c e sf o rt h ep r o d u c t i o no f t h eg r e e n d i e s e le n g i n e ” f i r s t ，t h ee n t i r el i f ec y c l ea s s e s s m e n td e v e l o p m e n ta n dt h et e c h n i c a lf r a m ea r e e l a b o r a t e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dm a c h i n e r yp r o d u c tl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，i n c l u d i n gt h e e v a l u a t i n g s t a n d a r df o r m u l a t i o n ，e v a l u a t i n gi n d i c a t o rd e t e r m i n a t i o n , a s s e s s m e n t m e t h o d sa n ds oo n ，i si n t r o d u c e dd e t a i l l ya c c o r d i n gt ot h el i f ec y c l ea s s e s s m e n t t h o u g h t a n dt h e nt h ea p p r a i s a ls y s t e mf o rm a c h i n e r yp r o d u c te n t i r el i f ec y c l ei s e s t a b l i s h e d n e x t ，t h ee n t i r el i f ec y c l ea s s e s s m e n ti s c a r r i e do nf o rt h es a m l la n dm e d i u m p o w e rd i e s e le n g i n e s a c c o r d i n gt o t h ee n t i r el i f ec y c l ea p p r a i s a ls t e p ，t h ea p p r a i s a l g o a la n dt h es c o p ea r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ed e t a i l e dl i s t i sa n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t i n f l u e n c eo nt h ea s s e s s m e n ti sm a d e t h ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o nt od e c r e a s ep o l l u t i o n o fs a m l la n dm e d i u mp o w e rd i e s e le n g i n ei sg i v e na c c o r d i n gt ot h em e a s u r er e s u l t s ， w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ee n t i r el i f ec y c l ea s s e s s m e n t ls y s t e mc o n s t r u c t i o n t h e e n t i r el i f ec y c l ea p p r a i s a ls y s t e mi ss e ti n i t i a l l yf o rt h ed i e s e le n g i n e s f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t a k i n gt h ed i e s e le n g i n ea b a n d o n m e n t r e c y c l i n g a st h em a i na p p r a i s a lp a r t ，t a k i n gt h ell5 t dm o d e ls a m l la n dm e d i u mp o w e r d i e s e le n g i n ea sa ne x a m p l e ，d i v i d i n gt h ed i e s e le n g i n ei n t ot e np a r t s ，t h ee v a l u a t i o ni s c a r r i e do nt h r o u 曲t h ef u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h ym e t h o d ，a n dt h ef u z z ya p p r a i s a lm a t r i x i so b t a i n e d t h i sm a t r i xc a nt a k et h et h e o r yr e f e r e n c ef o es a m l la n dm e d i u mp o w e r d i e s e le n g i n e si ng r e e nd e s i g na n dt h em a n u f a c t u r ea s p e c t ，s a m l la n dm e d i u mp o w e r p o w e rd i e s e le n g i n e s e n t i r el i f e c y c l ea c e s s m e n t i s p o s s i b l e t oa c h i e v et h e a b s t r a c t o p t i m i z a t i o n t h i st h e s i sp r o v i d e sc e r t a i nt h e o r yb a s i sf o rd i e s e le n g i n eg r e e nd e s i g n ，t h ec l e a n p r o d u c t i o n ，r e c y c l e da s p e c t sa n ds oo n k e yw o r d s ：e n t i r el i f ec y c l ea s s e s m e n t ；e n g i n e e r i n gp r o d u c t s ；l o wp o w e rd i e s e l e n g i n e ；f u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：薹! 塑造日期：丝里!年厶月2 l 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：基塑毖 导师签名： 山东轻工业学院硕七学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 当今，快速的工业化、城镇化、市场化、国际化进程，加剧了人与环境的矛 盾。工业的快速发展一方面给人类带来物质文明，另一方面也产生了一系列严重 的问题，如气候变化、环境污染和资源枯竭等，尤其是环境和资源问题，正在对 人类的生存和发展造成严重的威胁。特别是不可再生资源和化石能源的大规模消 耗，造成污染物大量排放、自然资源的急剧消耗和生态环境的日益恶化。保持生 态平衡、实现可持续发展，已成为全人类共同关心的目标。世界各国都在制定自 己的发展战略，资源利用合理化、废物产生少量化、对环境无污染或少污染的发 展方向成为世界共识，全球范围内掀起了一股可持续发展的“绿色浪潮”1 1 , 2 1 。2 1 世纪是绿色世纪，消费者不仅仅关心产品的功能、寿命、款式和价格，而且更加 注重产品的环境性能。人们更加倾向选用对环境无污染的产品，自觉抵制和不消 费那些破坏环境或大量浪费资源的产品。 发达国家在实现工业化的过程中，走了一条先污染后治理、先开发后保护的 道路。这种“有污治污”、“先污后治”的末端处理方式，不能从根本上解决制造 业所产生的环境问题。继续走“先污染后治理”的道路显然是行不通的。这就迫 使企业和生产商必须从源头出发，生产绿色产品，适应社会发展的潮流和趋势。 而全生命周期评价思想就是力图从源头预防和减少环境问题，而不是等问题出现 后再解决。以往企业产品设计和生产过程仅注重产品的生产环节和销售环节，生 命周期评价则涵盖产品设计、生产、销售、消费和回收处理等各个环节以及在产 品功能、能耗和排污之间寻求合理平衡【3 】。其主要特点是全过程评价，系统性与 量化，注重产品的环境影响。 1 2 课题的研究背景 1 2 1 内燃机发展与资源匮乏 内燃机作为一种机械动力装置，在机动性方面有着突出的优点，它的燃料是 天然矿藏，提炼工艺简单，安全可靠；构成内燃机的零部件比较多，材料也比较 复杂。内燃机工业包括资源的开采、冶炼、成形、加工、组装、使用和服务等， 其中每个环节都是内燃机工业体系的重要组成部分。内燃机的制造、使用和服务 与全球机械工业的绝大部分产品有关。因此，随着人类对内燃机需求的增加，内 第l 章绪论 燃机的产量和工业规模也不断地加大，矿产资源的开发规模也随之增大。但是地 球上的自然资源矿藏是经过漫长岁月逐渐形成的，而人类的开发速度大大超过自 然资源的形成速度，开发是导致矿产资源匮乏的直接原因。 为了满足需求，人类不停地开发矿产资源，大规模的开发造成了矿藏资源的 减少。在1 9 世纪下半叶，内燃机的发明时期，人类对矿产资源的需求量较大。内 燃机的发明，为各种自动机械解决了动力问题，由于自动机械给人类社会活动带 来了革命性变化，因而引起了对内燃机的需求量的增加，这就形成了近代工业模 式；从此，随着各种内燃机的社会拥有量的增加，各种地球资源开发数量也相应 地增加，开发规模也越来越大，并且在开发过程中，逐渐应用现代化开发手段， 使资源开发规模和数量始终保持了与内燃机工业发展的同步；地球资源的大规模 开发，表明了人类对自然资源的需求，资源开采量与内燃机的社会拥有量保持了 同步增长。 1 2 2 内燃机发展与大气污染 自然环境是指，人类生存和发展所依赖的各种自然条件的总和，自然界中参 与组成环境结构的各种物质，按照相互制约、相互依存的平衡关系，以不等量但 是一定比例构成，并保持环境这种比例的相对动态平衡的环境【4 1 。 污染是化学成分相同的某种物质( 气态、液态、固态) 与某一区域或某一空 间自然环境中该物质成份含量相比增加了，且增加量已经影响了椒成自然环境原 有物质相互制约、相互依存的平衡关系，这种失去平衡的环境直接或者间接对生 命构成危害，破坏自然环境平衡的物质被称为污染物或者是有害物【5 】。 c 和c h 化合物是人类社会发展最早最普遍利用的能源，也是现代工业的主 要能源物。内燃机的能源也主要是c h 化合物。据有关环境研究结果表明，地球 大气层温室效应的主要因素是由c 0 2 在大气结构中比例浓度增加引起的，其自然 现象反常主要表现在气温上升；高空臭氧层破坏的罪魁祸首是大气中含能物质 ( 如：c o 、h c 、n o x ) 的增加，而自然现象主要表现为射入地表的紫外线强度增加。 长期以来，c 和c h 化合物作为人类热能能源被利用，如煤、石油、石油气、天 然气等，这些能源氧化后，绝大部分生成了c 0 2 ，小部分未能完全氧化生成c o 或h c ，另外由于燃料本身含有s 、p 等杂质，被氧化后生成气态的s 0 2 、p 0 2 ， c 0 2 与c o 和h c 的比例随着燃烧过程和燃烧条件的改变而改变，并且在废气中 还含有少量的n o x 。 大气环境的污染程度与内燃机的社会拥有量和内燃机工业规模有着密切的关 系。据统计资料显示【6 】：能源开采量的绝大多数被内燃机消耗，其次是内燃机工 业能耗，所以，内燃机械废气和内燃机工业废气是污染大气的主要因素。 内燃机工作废气中的有害物或污染物，通常是指废气中的c 0 、h c 、n o x 化 2 山东轻t 业学院硕士学位论文 合物。内燃机工作废气质量，主要是以废气中含c o 、h c 、n o x 化合物多少来衡 量的。内燃机在正常工作时，这些有害物含量就相对较少些，通常业内称之为最 低排放质量或允许排放质量。当内燃机工作不正常，特别是可燃混合气浓度和可 燃混合气的混合均匀度变化时，废气中含的c o 、h c 、n o x 气态物质会显著增加， 甚至超过允许排放标准的6 8 倍。含能有害物在工作废气中超标准增加量，是根 据可燃混合气浓度和可燃混合气混合均匀度的程度不同而区别，可燃混合气浓度 和可燃混合气的混合均匀度又是由内燃机工作特性的降减程度决定的【_ 7 1 。所以内 燃机工作性能越差，废气质量也就越多。 1 2 3 内燃机与资源环境的关系 内燃机优越的机动性能，在人类的社会生活中起到很大的作用。内燃机的发 明，使人类从繁重的体力劳动中解放了出来，人们的活动空间也从某一地区扩大 到了全球，并且延伸到了宇宙，内燃机的发展是人类文明的标志，不停地带动人 类的进步。因此，内燃机的社会需求量一直保持持续增长，人们从事社会活动对 内燃机的依赖程度也持续增大，内燃机工业的形成和发展就是为了满足人们的这 种需求愿望。需求促进了发展，现代内燃机工业的生产规模和生产能力，已经基 本达到了根据人们的需求量决定生产量的工业规模，即社会需要多少，就能生产 多少。对于日趋严重的资源匮乏问题，环境污染问题，必须通过技术进步加以解 决。从科学发展观的角度看待三者关系，那种以限制人类需求来减少内燃机数量， 达到节约资源，保护环境的做法，是对科学的不负责任的选择。事实上人类对内 燃机的需求，确实又造成了地球资源匮乏和大气环境的污染，因此需要在内燃机 的生命周期过程中找到解决矛盾的途径和办法。 1 2 4 内燃机的使用现状 内燃机的普及，造成矿产资源大规模的开发，同时内燃机的某些落后技术， 也是导致资源利用率低，矿产资源匮乏的原因之一，内燃机技术发展到现在，其 可靠使用率仅为材料疲劳寿命的3 0 。 研究表明1 5 j ：现代内燃机有效累计利用率仅仅是理论值的3 0 左右，换句话 说：目前全球内燃机的拥有数量，人类正常社会活动仅利用了约三分之一其余近 三分之二是被浪费掉了。保护地球资源，控制环境污染，早在3 0 多年前就已经引 起了人们的关注，并在世界范围内实施保护和控制措施；恶化势头虽然在发达国 家和地区得到了明显的遏止，但是技术相对落后的国家和地区却在加剧，资源浪 费环境污染在这些国家和地区继续恶化，这是因为内燃机的社会保有量仍然在持 续增加。社会保有量的持续增加，有两个方面的原因：一是普及范围继续扩大， 二是内燃机技术发展缓慢。 由于我国在柴油机行业投入不足，严重制约了生产工艺水平、规模发展和自 3 第1 章绪论 主开发能力的提高。目前，我国柴油机技术基础薄弱，整体技术水平落后于国际 先进水平1 0 至2 0 年，也落后于国内车用汽油机的发展，还不具备完整的全新柴 油机产品和关键零部件开发能力。许多国外已经普遍采用的技术在我国仍处于研 究阶段，有些甚至仍是空白【8 】。我国柴油机技术的落后、产品质量差以及车辆使 用中维修保养措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对环境和大气质量 造成不良影响，使社会产生“厌柴心理。 综上所知，要使内燃机的使用与资源和环境相协调，必须采取一种行之有效 的措施使内燃机走环保之路。论文从科学发展观的角度出发，以中小功率柴油机 为研究对象，从全生命周期的角度进行评价，初步构建了中小功率柴油机全生命 周期评价体系，为内燃机行业走绿色之路提供一定的参考。 1 3 全生命周期评价概述 1 - 3 1 全生命周期评价的发展 全生命周期评价是一种用于评估产品在其整个生命周期中，即从原材料的获 取、产品的生产直至产品使用后的处置，对环境影响的技术和方法。按国际标准 化组织定义：“生命周期评价是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在 环境影响的汇编和评价”。 最早的l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 可追溯到2 0 世纪6 0 年代，美国可口可乐 公司用这一方法对不同种类的饮料容器的环境影响进行评价【9 】。 2 0 世纪7 0 年代，由于能源的短缺，许多制造商认识到提高能源利用效率的 重要性，于是开发出一些方法来评估产品生命周期的能耗问题，以提高总能源利 用效率。后来这些方法进一步扩大到资源和废弃物方面。 2 0 世纪8 0 年代初，随着工业生产对环境影响的增加，以及严重环境事件的 发生，促使企业要在更大的范围内更有效地考虑环境问题。另一方面，随着一些 环境影响评价技术的发展，例如对温室效应和资源消耗等的环境影响定量评价方 法的发展，l c a 方法同臻成熟。 进入2 0 世纪9 0 年代，由于“美国环境毒理和化学学会”( s e t a c ) 和欧洲“生 命周期分析开发促进会 ( s p o l d ) 的推动，生命周期评价方法在全球范围内得到 广泛应用。 ， 1 9 9 2 年，s e t a c 出台了生命周期分析的基本方法框架，被列入i s 0 1 4 0 0 0 的 生命周期分析标准草案中。1 9 9 2 年，欧洲联合会开始执行“生态标签计划”，其 中生命周期的概念作为产品选择的一个标准。 1 9 9 3 年，i s o 成立“环境管理技术委员会 ( t c 2 0 7 ) ，正式起草环境管理体 系i s 0 1 4 0 0 0 系列标准。t c 2 0 7 在i s 0 1 4 0 0 0 0 系列标准中为l c a 预留了1 0 个标 4 山东轻工业学院硕上学位论文 准号，即i s 0 1 4 0 4 0 - i s 0 1 4 0 4 9 。 1 9 9 5 年，日本成立了“日本l c a 学会，已成功组织4 届大型l c a 国际研 讨会，成为国际l c a 领域的重要论坛。1 9 9 8 年启动的5 年国家研究计划产 品生命周期评价技术开发。 1 9 9 7 年国际标准化组织正式出台了“i s 0 1 4 0 4 0 环境管理生命周期评价原则 与框架”，以国际标准形式提出了l c a 方法的基本原则与框架【l o 】。 1 9 9 8 年，国际标准i s 0 1 4 0 4 1 ：1 9 9 8 环境管理生命周期评价目的与范围 的确定和清单分析【1 1 1 颁布。 1 9 9 8 年，影响类型由中间水平( 环境问题) 过渡到类型终点水平( 破坏) 。 g o e k d o o p 等人【1 2 ，13 1 ，b r u n a s c h w e i g 等人【1 4 】，m u l l e r - w e k 等人【1 5 】的研究诞生了一 种新的以保护目标( s a f e g u a r ds u b j e c t s ) 破坏评价为主导的生命周期影响评价方法 ( d m a g e o r i e n t e dl c i a ) 。 2 0 0 0 年，国际标准i s 0 1 4 0 4 2 ：2 0 0 0 环境管理生命周期评价生命周期影 响评价【1 6 】和i s 0 1 4 0 4 2 ：2 0 0 0 环境管理生命周期评价生命周期解释颁 布。2 0 0 0 年，美国国家环保总局开始国家研究项目l c a c c e s s ，以支持未来美国以 及全球生命周期评价的应用研究。 2 0 0 2 年，u n e p s e t a c 联合发起“生命周期行动”国际多边合作研究项目， 开展l c a 用户需求调查，论述发展现状。 2 0 0 4 年，u n e p s e t a c 根据使用者的不同需求，建立了四个研究小组分别对 “生命周期影响评价信息系统和框架”、“自然资源和土地使用 、“毒性影响 和 “传输边界影响 四个课题进行研刭1 8 】。 1 3 2 全生命周期评价国内外研究现状 全生命周期评价作为一种环境管理工具，不仅对当前的环境冲突进行有效的 定量化分析评价，而且对产品及其生命周期的全过程所涉及的环境问题进行评价。 因此，人们对产品l c a 的兴趣逐渐增强，大量复杂的产品和系统需要进行评价和 分析。人们根据自己的理解开始从不同的角度，用l c a 的方法对不同的事物进行 环境评价。例如政府机构用l c a 制定约束环境行为的规章制度、法律，企业利用 l c a 进行产品开发、环境管理以及市场管理，用户用l c a 来规范消费行为等。 目前，国外欧美日发达国家l c a 技术应用较为普遍，已经成为产品开发、环 境认证、规避贸易壁垒等的重要手段。部分软件工具已经形成商品化，有广泛的 应用基础。在企业方面，一些国家发起和实施了l c a 研究计划和项目，例如：瑞 典的“产品生态项目 、北欧国家的“环境友好产品开发计划”、荷兰的“生态设 计计划 、美国的“生命周期设计项目”、德国的“2 1 世纪工业生产策略 等。政 府方面，采取不同的政策和措施保证l c a 的实施，例如，面向产品的政策：绿色 第1 章绪论 采购政策；废物管理政策：l c a 包装政策；一般性的面向工艺和过程的政策等。 在国内有关产品l c a 技术的起步相对晚些，1 9 9 8 年，作为i s 0 1 4 0 0 0 系列标 准工作的部分，国家技术监督局开始全面引进i s 0 1 4 0 4 0 系列标准，将其等同 转化为国家标准，相应国家标准代号为g b t 2 4 0 4 0 系列。1 9 9 9 年推出了 g b t 2 4 0 4 11 9 9 9 环境管理一生命周期评价一原则与框架，2 0 0 0 年推出了 g b t 2 4 0 4 l _ 2 0 0 0 环境管理一生命周期评价目的与范围的确定和清单分析， 2 0 0 3 年4 月推出了g b t 2 4 0 4 2 环境管理一生命周期评价一生命周期影响评价、 g b t 2 4 0 4 3 环境管理一生命周期评价一生命周期解释。理论研究上，国家自然 科学基金项目先后资助了一些生命周期项目的研究，包括“我国企业环境行为生 命周期管理对策研究”、“城市生活垃圾生命周期分析及过程管理对策研究”、“考 虑环境因素的产品生命周期评价、“保护生态旅游生命周期与承载力的关系及风 险评价”等。与国外相比，我国l c a 评价方法和软件工具的研究和应用虽然取得 了一定的进展，但总的说来，仍然具有较大的差距。 1 3 3 全生命周期评价的定义及其意义 全生命周期评价：即从产品的原材料获取、产品设计、加工制造、包装运输、 流通销售、使用维护，一直到报废，回收处理、处置的整个过程进行的评价。从 产品对环境的影响角度来说，全生命周期评价有传统的产品生命周期评价和理想 的产品生命周期评价( 即产品的全生命周期评价) 之分。从图1 1 、1 2 传统的产品 生命周期和理想的产品生命周期材料的输入与输出流框图可以看到它们本质的不 同。 输入 输出 l 包装材料 上土令 i 产品制造 上土匕 l 包装废物 图1 1 传统的产品生命周期材料输入与输出流框图明 6 山东轻丁业学院硕士学位论文 输入 输出 蓼蓼蓼蓼 i 原材料包装材料使用材料维修材料 上上上上上土上上 。 面向环境的设计： l 产品l 面向制造的设计面向拆装的设计 i 处理l 上 面向重复使用的设计面向维修的设计 无污染处理 产品废物 土土土土 制造废物 l 包装废物l 使用废物l 维修废物i 图1 2 产品的全生命周期材料的输入与输出流框图【2 7 1 传统的产品生命周期包括从环境中提取原材料，加工成产品，并流通给消费 者使用。由图1 1 表示的传统的产品生命周期中，产品设计、制造、使用、处理 各个环节中都会产生“废物”。理想的产品生命周期为了消除或减轻环境污染，产 品设计中必须考虑产品报废后的回收处理，因此理想的产品生命周期将报废回收 纳入其产品设计过程，每个环节所产生的“废物”都被重新制造转变成可用的材 料或产品，如图1 2 所示。图1 2 中的半圆弧箭头表示回收利用过程。显然，对产 品进行全生命周期评价将大大减少废物的产生和对环境造成的污染，减少资源的 消耗，有利于社会的可持续发展。 全生命周期评价作为新的环境管理工具和预防性的环境保护手段，主要通过 定量化研究能量和物质利用及废弃物的环境排放，来评估一种产品、工序和生产 活动造成的环境负载；评价能源、材料利用和废弃物排放的影响以及环境改善的 方法。其评价过程如下：首先辨识和量化整个生命周期阶段中能量和物质的消耗 以及环境释放，然后分析这些消耗和释放对环境的影响，最后评估减少这些影响 的机会。生命周期评价注重研究系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的 环境影响。清洁生产、绿色产品、生态标志的提出和发展将会进一步推动生命周 期评价的发展。目前，各国政策重点从末端治理转向控制污染源、进行总量控制， 这在一定程度上反映了现有法规制度无法单独承担对环境和公共卫生造成的危 机，从另一侧面也反映了生命周期评价将成为未来制定环境问题长期政策的基础。 生命周期评价反映了现有环境管理己转向各类污染源最小化、排放最小化和负面 7 第l 章绪论 影响最小化的管理模式，这对实现可持续发展战略具有深远的意义。 1 4 全生命周期影响评价方法 表1 1 描述了在产品生命周期不同阶段的方法研究现状( s e t a c s ，c o d eo f p r a c t i c e ) 。显然许多阶段还处于概念阶段，操作性较差，只有部分元素可以操作。 表1 1 产品生命周期评价方法研究现状【2 6 】 另外，有利用简式生命周期矩阵和模糊层次分析法的报道1 2 副。 分析表中l c a 的研究现状可知，虽然产品的生命周期环境影响评价是l c a 系统的重要环节，但表中并未给出确定的影响评价方法，原因可能在于：环境影 响机理的科学根据还处于不断研究之中，人们还不能完全建立环境排放、资源消 耗和环境影响之间的完全因果关系，其影响机制、理论还在不断探索之中；评价 的本质主要是人们对环境问题价值的判断，没有必要用同一种价值取向去约束不 同国家、地域及其不同的敏感人群。但是，环境影响评价作为当前生命周期分析 的一个重要研究和应用热点，也说明了环境影响评价存在的重要性。 8 山东轻工业学院硕士学位论文 在国际标准化组织i s 0 1 4 0 0 0 系列标准和s e t a c 全生命周期评价框架的指导 下，国内外大量的研究机构进行了有关全生命周期影响评价方法及其体系的研究， 目前国际上比较有代表性的评价方法有2 5 种，基本可分为环境问题法和目标距离 法【1 9 】。前者着眼于环境因子和影响机理，对各种环境干扰因素采用当量因子转换 来进行数据标准化分析，如瑞典的“环境优先战略”( e p s ) 方法【2 ，瑞士和荷兰 的生态稀缺性方法【2 l 】以及丹麦的“工业产品环境设计”( e d i p ) 方法【2 2 1 等；后者 则着眼于影响后果，用某种环境效应的当前水平与目标水平( 标准或容量) 之间的 距离来表征某种环境效应的严重性，其代表方法是瑞士的临界体积法。国内，清 华大学的席德立及彭小燕等【2 3 】在影响分析中引入了我国现行的环境质量评价方 法和手段，杨建新等【2 4 】对丹麦的e d i p 方法进了改进。 目前，国际上典型的影响评价方法有e d i p 、e c o i n d i c a t o r 9 9 ( 生态指数法) 、 e s p 2 0 0 0 等。e d i p 方法面向产品的设计与开发；e c o i n d i c a t o r 9 9 方法以损害为导 向，是基于对环境损害的原理进行环境影响评价的方法；e s p 2 0 0 0 是一种综合环 境影响计算方法。 1 5 课题研究目的与意义 随着全球性产业结构的调整和人类对客观认识的日益深化，绿色消费越来越 深入人心。绿色产品的生产成为当前研究的热点之一，这就要求产品设计人员考 虑如何将产品设计与环境保护融为一体，使产品从材料、设计上满足环境保护要 求，最终获得绿色产品。全生命周期评价作为一种用于评价产品或服务相关的环 境因素及全生命周期环境影响的工具，是对产品进行绿色鉴定的依据。 中小功率柴油机作为一种应用广泛的机械动力产品，其设计、制造、使用和 报废等生命周期的各个环节，所用材料种类繁多。现阶段，很少考虑材料的加工、 使用过程对环境的影响，以及报废后的回收处理问题，已不适应绿色产品的要求。 对柴油机及其零部件产品的评价在世界范围内很大程度上仅局限于对其基本属性 指标的评价，没有考虑柴油机产品全生命周期过程中的其它参数指标，如环境属 性指标、能源属性指标、资源属性指标、经济性指标等，已经对动力机械的技术 发展和环境保护产生越来越不利的影响。 研究的目的是：根据全生命周期评价思想，以一般机械产品的生命周期分析 为依据，初步构建中小功率柴油机全以生命周期评价体系。 研究意义在于，一方面符合我国科学发展、和谐发展的要求，为走可持续发 展的道路提供理论支撑和指导作用；另一方面，可对某一给定柴油机产品分析其 生命周期内的环境影响并进行不同产品的比较分析，给出综合环境影响评价，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等。 9 第l 章绪论 1 6 课题研究内容 论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 分析全生命周期评价指标、准则，建立机械产品全生命周期评价技术框 架。 ( 2 ) 根据生命周期评价技术框架，依据机械产品的评价对中小功率柴油机进 行全生命周期评价，初步构建其全生命周期评价体系。 ( 3 ) 以某型号中小功率柴油机为例，着重对其生命周期中的报废回收处理阶 段进行评价。 l o 山东轻丁业学院硕j ：学位论文 第2 章机械产品的全生命周期评价 2 1 全生命周期评价的技术框架 i s 0 1 4 0 4 0 标准将生命周期评价的实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、 影响评价和结果解释四个部分，如图2 1 所示。 图2 1 生命周期评价技术框架f 2 7 i 目标和范围的确定：目标是要清楚地说明开展此项生命周期评价的目的和意 图，以及研究结果的可能应用领域。研究范围的确定要足以保证研究的广度、深 度与要求的目标一致，涉及的项目有：系统的功能、功能单位、系统边界、数据 分配程序、环境影响类型、数据要求、假定的条件、限制条件、原始数据质量要 求、对结果的评议类型、研究所需的报告类型和形式等【2 8 1 。全生命周期评价是一 个反复的过程，在数据和信息的收集过程中，可能修正预先确定的范围来满足研 究的目标，在某些情况下，也可能修正研究目标本身。下面分析产品评价目标的 确定和评价范围。 2 1 1 目标与范围的确定 ( 1 ) 评价目标的确定 进行评价目标的确定，目的是让决策者或者设计者知道用全生命周期评价做 什么评价。例如根据全生命周期评价的结果为进一步进行产品的设计或改进提供 决策支持，以实现产品技术先进性、环境协调性和经济合理性三者的综合最优。 评价目标必须根据进行全生命周期评价的动机来确定，通常进行全生命周期评价 的动机有下面四种： 第2 章机械产品的伞生命周期评价 建立产品的参考标准：通过使用生命周期评价方法同时依据专业人员的判 断和获得的数据来获取相关影响因素的筛选步骤，估计该类产品生命周期中具体 阶段可能产生的影响，并制定相应的参考标准。 进行绿色产品的认证：对该产品进行生命周期评价，将其结果与已经确认 的标准产品进行对比，从而确定该产品是否具备环境友好性，是否可被认为绿色 产品。 识别某类产品的改善潜力：利用生命周期评价方法，识别某类产品在技术 性、环境协调性以及经济性方面存在的问题，并判别对其进行改善的可能性与潜 力。 用于概念设计和详细设计时的方案比较：在概念设计时利用生命周期评价 方法对各个备选方案进行预评估，实现方案初选。在该阶段可简化产品生命周期 评价方法，只考虑最关键的功能单元和过程。在详细方案帅选时使用生命周期评 价方法的目的就是利用清单分析中的信息、影响评价中的结果，寻找各详细设计 方案的优缺点，并做出综合评判，从中寻求最优方案并对方案进行改进。 ( 2 ) 评价范围的确定 全生命周期评价在确定范围时，首先需要明确产品的功能规定和功能单位。 一种产品往往具有功能多样性、结构复杂性等特点，逐一对各功能单元进行评价 是不必要的，也是不可能的，因此应将注意力放在主要因素上，针对产品的主要 功能进行评价。对一般的产品，通常人们关注的焦点是产品在使用时对环境的友 好度，和报废后零部件的回收处理。确定功能单位的主要作用，是提供一个( 在数 学意义上) 统一计量输入与输出的基准流，用做计算系统的输入和输出【2 9 1 。产品的 全生命周期评价需要明确规定可测量的功能单位，由此确定实现相应功能所需的 产品数量，以此为基准流。全生命周期评价在对产品进行比较评价时，也是基于 同样的功能，以相同功能单位对评价产品所对应的基准流的形式加以量化、比较。 其次确定系统边界，即确定要纳入待模型化的单元过程。虽然强调分析产品 整个生命周期，但在许多情况下，没有充足的时间、数据或资源来进行这样全面 的研究，因而必须决定在研究中对哪些单元过程建立模型，并决定对这些单元过 程研究的详略程度。不必为量化那些对总体结论影响不大的输入和输出而耗费资 源。合理的系统边界可以有效增强评价工作的目的性和方向性，减小评价工作的 难度和工作量，并可避免因隐含信息太多而无法保证分析的准确性和可靠性。 比如中小功率柴油机对环境影响主要集中在使用阶段的能量消耗，资源消耗 和废物排放等方面，因此论文在对中小功率柴油机进行全生命周期评价时，将主 要精力放在使用阶段。 通过参考i s o1 4 0 4 0 ，认为对一般产品来说，在全生命周期评价体系中，应 当考虑的生命周期阶段、过程、物流和能流如下： 山东轻工业学院硕十学位论文 ( 1 ) 原材料采集； ( 2 ) 制造和加工主要工艺中的输入和输出； ( 3 ) 分配和运输： ( 4 ) 产品的使用和维护； ( 5 ) 过程废物和产品的处置； ( 6 ) 用后产品的回收( 包括再使用、再循环和能量回收) 。 参考i s o1 4 0 4 0 标准，针对机械产品的特征，在进行全生命周期评价过程中 可能涉及到的数据有：产品的功能类别；零部件的从属关系；功能零部件的属性( 如 零部件功能、性能、材料组成、回收重用方式等) ；单元过程的属性( 如功能、性 能、功能单位以及背景描述等) ；能源输入、原材料输入、辅助性输入和其他物理 输入：环境排放数据( 如向大气的排放、向水体的排放、向土壤的排放、土地利用、 辐射、恶臭和余热以及其他的环境因素) ；产品系统的社会成本、企业成本、用户 成本。 产品全生命周期评价的输入输出选择准则。全生命周期评价以过程为基本单 位进行输入输出数据的选择和统计。在确定范围时，初步确定一组用于输入输出 的清单。在此过程中将所有输入和输出都纳入产品系统进行模拟分析是不实际的。 识别应追溯到环境的输入输出，亦即识别应纳入所研究的产品系统内的、产生上 述输入或承受上述输出的单元过程，这是一个反复的过程。 全生命周期评价在进行输入输出统计时采用i s o1 4 0 4 0 的一些准则f 2 9 l ： ( 1 ) 物质准则：当物质输入输出的累积总量超过该产品系统物质输入输出总 量一定百分比时，就要纳入系统输入输出。 ( 2 ) 能量准则：当能量输入输出的累积总量超过该产品系统能量输入输出总 量一定百分比时，就要纳入系统输入输出。 ( 3 ) 环境关联性：当产品系统中一种数据类型超过该类型估计量一定百分比 时，就要纳入系统输入输出。例如，以一氧化碳为一个数据类型先对中小功率柴 油机系统一氧化碳的排放规定一个百分比，当输入输出大于这一百分比时，则将 其纳入系统输入输出。 对机械产品进行全生命周期评价时的数据质量要求：表述数据质量对于正确 认识研究结果的可靠性，以及恰当解释研究结果都是很重要的。必须规定数据质 量要求，以满足研究目的与范围。数据质量应通过定性、定量及数据收集与合并 方法来表征。 针对机械产品数据质量的要求如下： ( 1 ) 时间跨度 时间跨度是指所需数据年限( 如最近3 年内) 和收集该数据的最短时段( 如 第2 章机械产品的全生命周期评价 1 年) 。在用全生命周期评价方法进行评价时，所采用的数据有相当一部分都是几 年前( 甚至更久远) 的数据，然而基于全生命周期评价的中小功率柴油机开发决策 必须保证在将来一段时间内有效。 ( 2