（材料学专业论文）材料生命周期评价基础之道路交通运输本地化研究.pdf

摘要 摘要 交通运输是资源消耗和环境污染大户，是整个工业生产系统中必不可少的 重要环节，研究与交通运输相关联的环境污染及资源、能源利用问题，不仅是 交通运输业能否健康、持续发展的一个关键，它同时也是对材料产业乃至整个 社会经济系统进行生命周期清单分析( l c i ) 或生命周期评价( l c a ) 的基础。 本论文选择道路机动车货物运输作为主要研究内容，通过对我国道路机动车货 物运输涉及的能源、资源消耗及环境排放进行系统分析和评价，使我国材料产 业l c a 研究中交通运输基础数据本土化问题得以解决，同时其结果也能表明交 通运输业本身的资源消耗和环境污染状况。 对机动车货物运输进行l c a 评价，需要紧密结合国际上对交通运输i c a 研究的基本要求以及目前我国道路交通运输的环境污染控制现状来进行。本论 文考虑了城市道路、高速公路、郊区公路三种典型行驶路况，以在用轻型货车 和重型货车作为研究对象，并对各车型从三个技术标准层次进行分析研究，即 传统的高排放情况、满足e i 功1 或更高标准的新车情况，以及综合所有状态的 平均情况。通过查阅相关资料或运用相关数理模型进行计算，对我国道路货物 运输的生命周期清单展开编制与分析，从而为我国各类材料及产品开展生命周 期管理提供了基础性数据。 在清单分析的基础上，论文还对我国道路货物运输生命周期过程中涉及的 资源、能源利用及环境污染排放情况进行了影响评价与分析，并计算获得各类 机动车货物运输的单一化环境影响指标，从而使交通运输的生命周期环境影响 建立在量化的基础之上。 最后，对所获得的生命周期清单分析和生命周期影响评价结果进行了解释 与评估，从而识别与诊断与道路交通运输相关的热点环境问题，也为今后改善 作为材料产业及经济运行之基础的交通运输环境现状、实现社会经济协调发展 提供了数据支持。 关键词道路交通运输；生命周期评价( l c a ) ；生命周期清单：生命周期影响 评价；生命周期结果解释 a bs t r a c t t r a n s p o r t a t i o ni so fag r e a ti m p o r t a n c et o t h ew h o l ei n d u s t r i a ip r o d u c t i o n s y s t e m , 、i 血s e r i o u se n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o u u t i o 几t h er e s e a r e l a 0 1 1i 臼r e l i e de n e r g ya n d v i r o n m e n t a lp r o b l e m si sc m c i a lt ot h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to f 仃雹珥，o r t a t i ，a n d w h a t sm o r e , t r a n s p o r t a t i o ni sam a j o r c o n s i d e r a t i o nf o ra l m o s ta l lo ft h ei , c a sa n di t sl c ii sf u n d a m e n t a lf o rr e l 种c dl c i a n dl c a i nt h i sp a p e r , e n d g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so ft h er o a dt r u c k i n gi n c h i n aw 髓a n a l y z e da n da s s e s s e df o rc h i n as i t u a l i o n ，n o to n l yp r o v i d i n gt h ed a t aa n d m e t h o ds u p p o r tf o rr e l a t e dl c ia n di , c ar e s e a r c h e sb u ta l c l a r i f y i n gr e l a t e d e o n d i f i o n so f e n e r g ya n de n v i r o n m e n tf i o ml a a n s p o r t a t i o ni t s e l t h el c ar e s e a r c ho f r o a dl x u e k i n gi sr e q u i r e dt oc o n s i d e rb a s i cr e q u i r e m e n t so f r e l a t e di n t e r n a t i o n a l s t u d ya n dc u r r e n tc o n d i t i o n so fn a t i o n a l v e h i d ee m i s s i o n c o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h r e ek i n d so ft y p i c a lr o a d si n c l u d i n gc i 锣r o a d , f r e e w a ya n d s u b u r br o a dw e 糟c o n s i d e r e d t h el i g h t - d u t yt r u c ka n dh e a v y - d u t yt r u c kw 啪 s t u d i 咄a n dt e e l a n i c a lc r i t e r i o n sc o n s i d e r e dc o n t a i n e dc o n v e n f i o n a lh i g h - e m i s s i o a l e v e le u r 0 1l e v e la n dt h ea v e r a g el c v d t h ef i n a lf i f ec y c l ei n v e n t o r i e sf o rr o a d t r a n s p o r t a t i o n 、v e 他e s t a b l i s h e d v i ac o n e e t i n gr e l a t e dd a t aa n de a l e u l a d o nb y m a t h e m a t i c a lo rp h y s i c a dm o d e l s t h ei n v e n t o r i e do b t a i n e ds l l a l lb e c o m et h eb a s i so f l i f ec y c l em a n a g e m e n to f a l lk i n d so f m a t e r i a la n dr , r o d u c l t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e da n da s s e s s e dr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a l e m i s s i o nf r o mr o a dt r u c k i n go nt h eb a s i so fl i f ec y c l ei n v e n t o r y , m a do b t a i n e dt h e i r s i g n a li n d i c a t o ro fe n v i r o n m e n t a li m p a c t t h e r e f o r el i f ec y c l ee n v i r o n m e n t a li m p a c t 位m s p o r t a d o nw 勰s t u d i e db a s e do nq u a n d f i e a d o 也 a tt h ee n do f t h i sp a p e r , l h er e s u l t so f l i f ec y c l ei n v e n t o r ya n df i f ec y c l ei m p a c t a s s 髂s m e n tw e r ee x p l a i n e da n de v a l u a t e ds ot h a ts i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s w 哪i d e n t i f i e da n dd i a g n o s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d ed a t a8 1 1 p p o l tf o r i m p r o v i n ge n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so fi r a n s p o r t a f i o na n da c h i e v i n gh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n to f e c o n o m y i l l k e y w o r d s r o a dt r a n s p o r t a t i o n ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；l i f ec y c l ei n v e n t o r y ；l i f e c y c l ei m p a c ta s s e s s m e n t ；l i f ec y c l ei n t e r p r e t a t i o n i v 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期0 7 厂1 1 日期：尘。 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。 签名： 导师签名：逝日期：! z ! ! ：l 第1 章绪论 第1 章绪论 人类只有一个地球，既不能以掠夺的方式发展经济，也不能走所谓的“零增 长”( z e r og r o w t h ) 道路而放弃发展。人类应该拥有光明的未来，关键在于如何 处理好人与自然界的关系。作为人类社会物质基础的材科产业，其发展亦是如此。 改进或改造粗放型生产的传统材料，同时开发新型生态环境材料，使材料生产与 使用能够节约能源与资源并与环境相协调，是材料产业实现可持续发展的必由之 路。对材料及其产品进行生命周期分析( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，或译生命周期 评价，简称m ) 研究，是改造或替代该材料、产品或生产工艺的基础性工作， 也是开发新型生态环境材料的前瞻性工作，正成为目前世界各国研究的热点。 1 1 研究背景 1 1 1 材料在国民经济中的地位和作用 材料是人类用于制造生产和生活用的机器、构件、器件和产品的物质，是国 民经济和社会发展的基础和先导。自人类诞生至今，人类社会的进步程度就是以 材料的进步和发展作为标尺进行度量的。纵观人类社会发展的历史可以清楚地看 到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的 水平，材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，大大加速 社会发展的进程，给生产、生活带来巨大的变化，把人类的物质文明和精神文明 向前推进。而在现代工业、国防和高技术发展中，新材料技术已成为一项共性关 键技术，同时新型材料有可能引导新兴技术和新型行业，产生出新的支柱产业【“。 我国原材料工业从无到有，从d , n 大，从材料品种单一到品种门类齐全，基 本满足了国民经济发展的需要；钢铁、有色金属、化工、建材等主要行业也得到 了迅速发展，已成为支持国民经济发展和国防现代化的基础产业和发展高新技术 的支柱。目前，我国每年进入经济循环的原材料达6 0 亿吨【l 】，而且由于我国国 民经济持续稳定的发展，在今后较长时间内，对原材料的需求将继续保持增长趋 势。可以说，在世界范围内，我国既是一个材料生产大国，又是一个消费大国。 1 1 2 材料对资源与环境的影响 材料产业作为国民经济的基础和先导，一方面推动着社会经济的发展和人类 北京工业大学工学硕士学位论文 文明的进步；另一方面，在材料的采矿、提取、加工、生产以及使用和废弃的过 程中，需要消耗大量的资源和能源；同时，排放出的大量废水、废气和废渣又会 造成生态环境的污染，威胁着人类的生存。因此，在人们期盼材料科学与工程取 得更大发展的同时，还必须清醒地认识到，材料作为物质生产的主体，是地球资 源、能源的主要消耗者，也是造成破坏和污染生态环境的重要责任掣刎 ( 1 ) 能源与资源消耗巨大作为世界上第二大能源生产国和能源消费国， 2 0 0 3 年我国能源生产总量和消费总量均超过1 6 亿t 标准煤【卯。钢铁冶金和有色 金属工业大都是以品位很低的矿产资源为对象进行提取和生产，2 0 0 3 年生产耗 能占全国能源消费总量的1 5 嘲。整个建材产业也以矿产资源为原料，2 0 0 3 年生 产能耗占全国能源消费总量的7 9 6 - 7 。我国材料产业的高能耗不仅消耗了大量 的资源、能源，污染了生态环境，而且增加成本，造成经济效益低下。 ( 2 ) 环境污染严重2 0 0 3 年，我国黑色金属冶炼及压延加工业排放的废气和 废水分别占到全国工业总排放量的1 7 o 和8 4 ；而有色金属工业产生的以尾 矿和废渣为主的工业固体废物超过3 0 0 0 万t ，年贮存量超过l0 0 0 万t 嗍，其生 产过程中排放的二氧化硫、氟化氢、砷等废气，则是有毒有害废气的主要源头之 一。表1 一l 列出2 0 0 3 年我国8 种主要原材料工业的废物排放统计数据【8 1 。由表可 知，以当年工业废物排放总量为基础，这8 种主要原材料工业的废物排放分别占 工业废水和废气排放量的1 7 7 和4 4 7 ，占固体废弃物堆放总量的1 3 5 。 袭1 12 0 0 3 年我国主要原材料工业污染物捧放情况 t a b l e1 - 1t h ei n d u s t r i a lp o l l u t a n t so f m a t e r i a l si n d u s t r i e so f c h i n ai n2 0 0 3 如上分析，材料产业是资源、能源消耗和环境污染的主要责任者。面对有限 第1 章绪论 资源的过度开发和自然环境的日益恶化，材料工作者必须冷静思考、积极探索， 既要保证材料生产的质量和数量，又要做到节约资源、降低能耗和保护环境。制 定材料的可持续发展战略是材料产业发展的唯一出路。 1 1 3 材料产业可持续发展评价研究 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 年代出现 了“生态环境材料”( e e n m a t c 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【9 】。生态环境材料是材料界环境伦理觉 醒的产物，是自然科学与人文科学结合的产物，是材料可持续发展的必然趋势【1 0 1 。 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 属于环境材科的范畴，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。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、战略的而非不足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 法逐渐成为对材料及其产品进行环境协调性的主导方法。 1 2 生命周期评价概述 1 2 1l c a 研究的起源与发展 生命周期清单分析开始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 9 年美国中西部资源研究所 ( m 耻) 的研究者们为可口可乐公司开始了一项研究，为生命周期分析的方法奠 定了基础。该公司在考虑是否以一次性塑料瓶替代可回收玻璃瓶时，试图从最初 的原材料采掘到最终的废弃物处理，进行全过程的跟踪与定量分析，从而比较了 两种方案的环境友好情况，并肯定了前者的优越性【】。这种正式的分析方案便是 l c a 方法的起源和基础。 2 0 世纪7 0 年代初期，美国和欧洲各国开展了多项以包装材料和容器为中心 的产品评价。在美国，这种将产品生成过程中资源消耗与环境排放定量化的方法 通常称为资源与环境概貌分析( 僻o l 眦a n de n v i r o n m e n t a lp r o f i l ea n a l y s i s 。 r e i ，a ) ，而在欧洲则大多称为生态平衡( e c o - b a l a n c e ) 。1 9 7 5 年能源危机爆发之 后，l c a 评价中能源消耗部分受到了强烈关注。此时，作为l c a 的一个重要前驱 北京工业大学工学硕士学位论文 的“纯能量分析”( n e te n e r g ya n a l y s i s ) 成为研究热点。这些研究促进了当今 l c a 方法中能源消耗部分的进展【l o 】。 2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代初，l c a 研究进展非常迅速。发达国家开始 推行环境报告制度，要求对产品形成统一的环境影响评价方法和数据；一些环境 影响评价技术也不断得到发展。这些研究为l c a 方法学的发展和应用领域的拓 展奠定了基础。 9 0 年代以后，在国际环境毒理学和化学学会( s 矾c ) 和欧洲生命周期评 价开发促进协会( s p o l d ) 的大力推动下，l c a 方法在全球范围内得到较大规 模的发展和应用。国际标准化组织( i s o ) 己制订和发布i c a 系列标准【协堋。 欧洲、美国、日本等国家还制定了一些促进l c a 应用的政策和法规。德国利用 m f a 方法研究了国家、地区以及典型材料和产品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。在亚洲，日本、韩国 和印度均建立了本国的l e a 学会。1 9 9 6 年，国际上开始正式出版l c a 研究领 域的专业刊物国际生命周期评价( t h ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fl i f ec y c l e a s s e s s m e n t ) ，表明生命周期评价研究在世界环境管理方面已占有重要位置。 1 2 2 国内外l c a 研究的进展现状 在l c a 方法的研究方面，i s o 环境管理标准中的相关研究最有影响，体现 了世界范围内l c a 研究的基本共识。根据i s o1 4 0 4 0 规定，l c a 须包括目的与 范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释四个阶段。目前的主要研究方向包 括清单分析方法和生命周期影响评价方法。其中，清单分析方法包括制定数据收 集规范、整理各工业清单内容、建立统计模型、用统计方法和输入输出法整理和 处理各项基础数据。该研究方向理论方法趋于完善，侧重于结合工业应用要求而 对数据采集及其处理进行规范化。影响评价方法研究包括评价指标体系研究、影 响评价特征化模型研究以及评价结果的规范化等。这是最容易引起争论的研究方 向，国际上对影响评价的实旌提出了多种多样的方法，如单位消耗的物质强度法 ( m i p s ) 、环境分数法( e c o - p o m t s ) 、生态指数法( e c o - l n d i c a t o r ) 、环境优先级 方法( e p s ) 和工业产品环境设计法( e d 口) 等。主要进展体现在系列环境损害 类型的提出和寿命损害数学模型的建立【埘，以及污染物对人体健康和生态系统毒 性的衡量与确定1 2 0 - m 。 第1 章绪论 在中国，l c a 研究起步较早，发展也非常迅速，已成为学术界关注的焦点 和热点。1 9 9 8 年起，国家“九五”高技术研究计划( 8 6 3 计划) 支持了首项国家 层次的l c a 专项研究“材料的生命周期评价研究”，由北京工业大学牵头的 六所重点大学联合承担，对我国钢铁、水泥、铝、工程塑料、建筑涂料、陶瓷等 七类典型量大面广的代表性材料进行了l c a 研究 2 s l 。初步获得了以上代表性材 料的环境负荷基础数据，并在大量系统工作的基础上，创新的提出了上述典型材 料生命周期评价的新方案和定量方法，构建和设计了材料的环境负荷基础数据库 框架，并自主开发了数据库管理软件和材料的生命周期评价软件。2 0 0 1 年，北 京工业大学等六所重点大学又承担了国家。十五”8 6 3 计划“材料生命周期评价 技术及其应用”项目，对整体m l c a 技术框架、动态m l c a 方法和环境负荷的 三层次理论进行深入研究，并提供几类代表性材料的生命周期评价及其新材料与 技术应用示范。另外，我国的材料环境协调性评价中心已在北京工业大学筹建， 目前就环境材料研究和l e a 研究同欧洲各国、加拿大、日本等国的一些大学和 研究机构建立了各种国际合作关系，并已开展了大量的学术交流与合作研究。 未来l c a 的进一步发展仍包括理论研究和应用实践两大方向。理论研究包 括，流向分析和环境损害分析数学物理模型的完善，进一步解决环境影响尚未考 虑或难以考虑的类型并建立数学物理模型，得到更大范围内的统计数据，解决不 同影响类型综合评价的相互联系，以及根据理论模型给出更多物质的标准数值。 实践上包括收集完整的数据，以l c a 指导产品的绿色设计。 1 2 3 l c a 的概念与特点 根据1 9 9 7 年发布的i s o1 4 0 4 0 国际标准【1 2 1 ，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。这里的产品系统是 通过物质和能量联系起来的，具有一种或多种特定功能的单元过程的集合。在 l c a 标准中，“产品”既可以指( 一般制造业的) 产品系统，也可以指( 服务业 提供的) 服务系统。生命周期是指产品系统中前后衔接的一系列阶段，从原材料 的获取或自然资源的生成，直至最终处置。 根据i s o1 4 0 4 0 标准定义的技术框架，l c a 评价过程包含目的与范围的确 定、清单分析、影响评价和结果解释等4 个组成部分，如图1 1 所示，这四个步 骤之间互相联系、不断反复。其中：( 1 ) 目的与范围的确定是l c a 研究的第一 北京工业大学工学硕士学位论文 步，必须明确地规定l c a 研究的目的与范围，并使之适合于应用意图。( 2 ) 清 单分析包括数据的收集和计算程序，目的是对产品系统的有关输入和输出进行量 化。( 3 ) 影响评价是l c a 研究中理解和评价产品系统潜在环境影响的大小和重 要性的阶段，即确定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响。( 4 ) 结果 解释是生命周期评价中根据规定的目的和范围的要求对清单分析和( 或) 影响评 价的结果进行归纳以形成结论和建议的阶段。 图1 1l c a 的评估过程及技术框架 f i g 1 - 1 f r a m e w o r ko f l c a 作为有别于传统环境影响的生命周期评价。主要有以下几个特点【捌：( 1 ) 生 命周期评价面向的是产品系统( 2 ) 生命周期评价是对产品或服务“从摇篮到坟 墓”的全过程的评价。( 3 ) 生命周期评价是一种系统性的、定量化的评价方法 ( 4 ) 生命周期评价是一种充分重视环境影响的评价方法。该评价强调分析产品 或行为在生命周期各阶段对环境的影响，最后以总量形式反映产品或行为的环境 影响程度。( 5 ) 生命周期评价是一种开放性的评价体系。 1 2 4l c a 的意义与局限性 l c a 对我们的经济社会运行、可持续发展战略、环境管理系统带来了新的 要求和内容。其意义【笛】在于：( 1 ) l c a 克服了传统环境评价片面性、局部化的 弊病，有助于企业在产品开发、技术改造中选择更加有利于环境的最佳“绿色工 艺”；( 2 ) 应用l c a 有助于企业实施生态效益计划，促进企业的可持续发展；( 3 ) 第1 苹绪论 l c a 能够帮助企业有步骤、有计划的实施清洁生产；( 4 ) l c a 可以为授予“绿 色”标签产品的环境标志提供量化依据；( 5 ) l c a 可以比较不同地区同一 环境行为的影响，为制定环境政策提供理论支持；( 6 ) l c a 可以对市场行销进 行引导，指导。绿色营销”和“绿色消费”。 然而，尽管l c a 具有上述非常重要的意义，但它并不是万能的，其局限性 【矧可归纳为以下6 个方面：( 1 ) 客观性问题。l c a 所处理的环境问题以及所采用 的量化方法，都对评价结果的客观性产生很大影响。 ( 2 ) 计算模型的局限性。 将清单数据转换为环境损害的计算方法通常非常复杂和不确定，而生命周期清单 分析或评价环境影响模型的假定条件又可能对某些潜在影响或应用并不适用。( 3 ) 研究结果的不确定性。由于许多参数还不能简化到用单一指标来概括，数据更新 的速度又相当快，而且在确定权重过程中使用的假设也可能有问题，因此不能为 消费者提供关于特定产品在环境方面具有绝对优势的结论。( 4 ) 数据完整性和精 度问题。由于无法取得或不具备有关数据，或是数据质量问题，研究人员必须经 常依据典型的生产工艺、全国平均水平、工艺的工程估计或专业判断等来获取数 据，其结果可能造成数据不准确、误差或偏差较大。( 5 ) 时间和地域的局限性。 无论l c a 中的原始数据还是评估结果，都存在时间和地域上的限制。( 6 ) 经济 和时间成本问题。 1 3 论文选题依据 为发展既能与i s o1 4 0 4 0 系列标准接轨、又符合我国国情的l c i a 评价方法 与体系，材料工作者进行着持续的努力。刘江龙等提出材料的泛环境函数和泛环 境负荷概割”删，并对常用钢材生产【3 0 j 1 】和金属材料表面强化过程进行l c a 评 价【3 2 1 。周和敏m 州提出了环境负荷的综合相对环境指数，在此基础上建立了具有 可对比性、可量化的钢铁生产环境负荷累积对比模型，并应用到国内几种典型的 钢铁生产流程评价中。毛建素等对我国铅的生命周期流动、资源效率和废铅资源 的利用等方面进行了研究。狄向华和袁宝荣分别对我国电力和能源生产生命周期 清单进行了研究。 然而直至目前，在我国材料l c a 评价的各案例中，均存在着一个共性问题， 即在以往的l c a 研究中，或者忽略对运输过程的考虑，或者采用国外的相关数 据。而由于各国的交通运输结构及历史发展的差异性，即使运输距离和运输重量 北京工业丈学工学硕士学位论文 完全相同，造成的环境影响也是存在很大区别的。因此，l c a 在我国的研究与 实施过程中，必然面临交通运输基础数据的本地化问题。 中科院生态环境研究中心的杨建新等人曾以国内桑塔纳轿车作为研究对象， 对其造成的资源、能源与环境影响开展生命周期评价。重庆大学与美国福特汽车 公司合作，对比研究了汽油和柴油轿车的能源效率及其环境冲击。然而，作为材 料l c a 研究必然涉及的货物运输过程，其生命周期评价研究尚属空白，因此， 发展适合中国的、全面、透明的货物运输生命周期清单和生命周期评价，是我国 材料_ , c a 研究所必须面临的实际问题。 1 4 论文主要研究内容 本论文是在国家九五8 6 3 计划项目“材料的环境协调性评价研究”基础之上， 依托十五8 6 3 计划项目“材料环境协调性评价技术及其应用”和北京市自然科学 基金重点项目“北京地区物料流分析及其数据库的建立”，对我国材料产业l c a 评价中道路交通运输基础数据的本地化问题进行分析与研究。 一般来讲，现代综合货物运输体系，包括道路、铁路、航空、水运、管道五 种方式。但因其涉及范围很广，数据量庞大，很难在短时问内完成。另外，道路 运输在目前我国货物运输体系中仍然占据着主要地位。因此，本论文选择其中的 道路机动车货物运输作为主要研究内容。通过对我国道路机动车货物运输涉及的 资源、能源消耗及环境排放进行系统分析和评价，为材料产业进一步开展生命周 期评价提供基础性数据。 第2 章典型道路货物运输生命周期清单分析 第2 章典型道路货物运输生命周期清单分析 在生命周期评价中，清单分析( l c i ) 包括数据的收集和计算程序，目的是 对产品系统的有关输入和输出进行汇编和量化。作为生命周期评价的支柱，清单 分析需要对大量的资源和能源输入、产品和副产品产出以及各种形态污染物的排 放数据进行收集、整理、计算与分析。因此，清单数据及其质量被公认为是制约 生命周期评价方法发展与应用的关键因烈翎。 交通运输业是国民经济和社会发展的基础产业，是现代社会的动力。交通运 输生命周期清单数据是开展材料产业乃至所有工业产品生命周期评价的基础性 数据。其清单分析结果不仅可应用于材料产业和一般工业产品的生命周期评价， 其结果也能阐明交通运输业本身的环境状况。 2 1 国内交通运输业的环境现状 交通运输是联结社会生产、分配、交换、消费的桥梁和纽带，是实现社会再 生产的前提和条件。然而，由于传统的交通建设与管理是单一面向交通的建设与 管理，没有考虑交通的发展对资源的要求及对环境的影响，因此，我国多数交通 建设与管理过程不符合可持续发展战略，资源得不到充分利用，环境质量日趋恶 化，交通运输系统己成为影响经济发展及人民生活水平提高的制约因素。具体表 现在如下两方面： 1 ) 交通系统的资源消耗严重，由于对不可再生资源过度依赖，资源供给的 非均衡利用的矛盾日益突出。交通运输中能源消耗与总能耗的比例是非常高的。 在我国，燃油消耗中交通所占比例一般在5 0 左右【翊。而且随着道路交通的逐 步机动车化，交通系统的资源消耗比重还会逐年增加。 2 ) 环境质量日趋恶化，严重影响着人们的身体健康，而交通系统中机动车 排放产生的尾气是最主要的环境污染源。 交通系统产生的大气污染物包括二氧化碳( c 0 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、氮氧化 物( n o 。) 、总碳氢【3 6 1 ( t h c ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、非甲烷碳氢化物( n m v o c ) 、 甲烷( c i - h ) 、颗粒物 3 7 - 3 8 】、氧化亚氮蚓( n 2 0 ) 及其它有害物质，其中二氧化碳 ( c o d 、一氧化碳( c 0 ) 、氮氧化物( n o 。) 、非甲烷碳氢化物( n ，0 c ) 是主 北京工业大学工学硕士学位论文 要的大气污染物【帅j 。在我国，尽管汽车拥有量还不算很大，但发展非常迅速。据 资料统计，2 0 0 2 年我国拥有汽车2 0 5 3 1 0 7 辆，年平均增长率为1 2 4 ”。在一 些大城市，年平均增长率达到了1 5 0 一2 0 。中国汽车尾气对大气的污染程度已 与发达国家相似，如北京市机动车产生的污染物排放量占污染物总排放量的比例 分别为c o ：6 0 ，t h c ：8 6 8 ，n o x ：5 4 7 i 阍随着我国机动车拥有量的进 一步增加，汽车尾气对大气的污染程度还在加剧。 与快速增长的机动车数量相比，我国的机动车污染控制措施却处于相对滞后 的状态。根据g b l 4 7 6 1 - 1 9 9 9 标准和2 0 0 1 年颁布的g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 、 g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 标准，国家要求轻型汽车污染物排放于2 0 0 0 年达到欧洲l 号标 准，于2 0 0 4 年达到欧洲2 号标准。另外，按照g 旧1 8 3 5 2 3 2 0 0 x ，将分别于2 0 0 8 年和2 0 1 3 年实施欧洲3 号和4 号标准。然而，由于种种原因，我国机动车并未 完全达到国家标准。目前在用车型中仍然存在为数不少的老旧高排放车，这类车 仍然使用老式化油器系统，没有安装排气净化装置，它们的存在造成了我国机动 车污染的进一步加剧。 2 2 目的与范围的确定 在进行i , c a 评价之前，必须明确规定评价的目的与范围，并使之适合于应 用意图。这是l c a 评价的第一步，是清单分析、影响评价和结果解释所依赖的 出发点和立足点，决定了后续阶段的进行和i , c a 的评价结果。 2 2 1 研究目标的确定 本论文确定的研究目标为：1 ) 建立中国典型道路货物运输的生命周期基础 清单，为我国各类材料及产品开展生命周期管理提供定量化的数据支持；2 ) 分 析、评价我国道路货物运输在其生命周期过程中涉及的资源、能源利用及环境污 染排放状况，诊断并辨识与目前道路运输体系相关的资源、环境热点，寻求改善 货运相关环境问题的机会与措施。3 ) 通过比较不同车型、不同行驶路况以及不 同技术标准给货车运输的生命周期环境行为带来的差异，为相关道路交通规划及 机动车污染物排放控制措施的改善提供相关依据。 2 2 2 研究对象的确定 对交通运输进行l c a 评价，需要紧密结合国际上对交通运输l ( a 研究的基 第2 章典型道路货物运输生命周期清单分析 本要求和规则来进行。根据国际上道路运输l c a 研究的一般惯例，本论文分城 市道路、高速公路和郊区公路三种典型行驶路况进行研究。其中对于城市道路和 高速公路运输，选取目前在用轻型货车和重型货车作为研究对象。对于郊区公路 运输，选取轻型货车进行研究。 对道路交通运输进行l c a 评价，还需要紧密结合目前我国道路交通运输的 环境污染控制现状来进行。针对目前我国道路机动车污染排放控制的复杂性，论 文对城市道路上各车型分别从三个技术标准层次进行分析研究，即传统的高排放 情况、满足e u r o l 标准或更高标准的新车情况，以及综合所有状态的平均情况。 为叙述方便，论文将其分别简称为c o n v e n t i o n a l 、e u r o 和a v e r a g e 情况。对于 高速公路运输，由于我国长期没有制定高等级汽车排放限值，对满足e u r o 标准 的车的相关研究非常少，因此论文对高速公路运输中各车型分别从c o n v e n t i o n a l 和a v e r a g e 情况予以考虑。在郊区公路轻型货车运输中，由于未能获得a v e r a g e 情况的相关数据，因此论文分别从c o n v e n t i o n a l 和e u r o 两种情况对其加以分析。 2 2 3 研究范围的确定 根据生命周期评价方法的定义以及本课题研究的具体目的和针对性，同时结 合我国道路交通运输本身的特点，论文将研究范围界定为：货车使用和燃油生产 两个生命阶段。由于使用阶段在货车生命周期过程中占据着非常重要的地位，且 其使用成本在货车生命周期总成本中占有很大部分，因此对货车运输体系进行评 价，关键在于货车使用阶段。同时，研究货车使用过程的环境影响必须考虑燃油 的生产过程造成的影响，所以燃油的生产阶段也是评价货车运输体系的一个非常 重要的组成部分。另外，本研究对货车生产、交通基础设施的建设、维护等过程 以及所有的运输和销售活动均未作考虑4 3 删，这是因为考虑到产品生命周期评价 运输阶段的变数主要存在于车辆运行状况上，而其他相关过程产生的影响较小。 此外，由于中国目前汽车报废处理工作尚不规范，因此本研究也未考虑报废后处 置阶段。 2 2 4 功能单位的确定 为比较恰当的表示货车运输所涉及的资源、环境性能，且使其能与国际道路 交通运输研究具有一定的可比较性，本研究将功能单位确定为各类行驶工况下各 个车型每载重1 t 且行驶里程为1 0 0 k m 所产生的资源耗竭和环境排放效应。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 5 系统描述 ( 1 ) 燃油参数目前，在我国轻型货车中汽油型仍然占据较大比例，而重型 货车几乎全部为柴油车，因此，本论文确定轻型货车燃油类型为汽油，而重型货 车燃油类型为柴油。且参照我国相关燃油标准得到我国车用汽油蒸气压为冬季( 9 月到第二年2 月) 7 4 k p a ，夏季( 3 月到8 月) 8 8 k p a ，并且均为无铅汽油另外， 根据对目前车用汽油中硫含量的调查结果，确定汽油中含硫量为0 0 3 2 e 橱。根 据2 0 0 2 年对我国轻柴油产品的质检情况，确定柴油中硫含量为o 1 2 3 1 4 6 。 ( 2 ) 负载参数根据我国货车车型的分类标准，论文确定轻型货车的最大装 载量为2 吨，重型货车为1 0 吨。表2 1 列出了该两类车典型代表车型的相关技 术参数。另外，考虑到机动车的负载状况会对机动车排放因子造成影响【碉，因此 论文结合各排放因子的计算模型，确定两类车的负载率均为5 0 ，即轻型货车和 重型货车的运输量分别为1 吨和5 吨。 表2 - i 两类货车各自代表车型的相关技术参数 t a b l e2 - 1r e l a t e dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f r e p r e s e n t a t i v et r u c kt y p e ( 3 ) 平均行驶速度有研究表明，机动车燃油消耗和环境排放水平表现为平 均行驶速度的函数，因此确定合适的行车速度是准确计算油耗量和废气排放量的 关键。据相关资料可查，城市道路机动车的平均行驶速度为2 3 k m h 4 7 。关于高 速公路运输，根据对西安地区高速公路不同车型行驶速度的统计分析研究娜】，得 到西安地区轻型货车和重型货车高速公路行驶的车速分别为9 2 k m h 和6 4 k m h ， 因此，论文以此速度近似代表我国高速公路行车的平均速度。另外，通过对成都 市郊区公路车速的相关研究【4 9 】确定在我国郊区公路运输中货车的平均行驶速度 为5 2 3 k m h 。 ( 4 ) 坡度道路坡度状况也会对机动车的油料消耗和环境排放造成影响【弼。 第2 章典型道路货物运输生命周期清单分析 论文中结合研究目标的针对性以及各排放因子的计算模型，确定忽略坡度的影 响，即认为坡度为0 度。 ( 5 ) 道路粉尘负荷道路粉尘负荷的大小对机动车行驶过程产生的道路二次 扬尘有着非常重要的影响。有相关研究瞪0 1 表明，西安地区道路粉尘负荷为 0 1 5 卸3 0 k e d m 2 。由于缺乏相对精准的数据，根据“高速公路道路粉尘负荷浓度 城市道路，这主要是其中道路二次 扬尘的产生受行驶车速的影响很大。对于同一车型，车速越大，机动车行驶过程 产生的道路二次扬尘污染越严重。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章计算得到我国典型道路上( 包括城市道路、高速公路和郊区公路) 满足 不同技术标准( 包括c o n v e n t i o n a l 、e u r o 和a v e r a g e ) 的货物运输生命周期清单， 其中重点考查的是货车使用阶段和燃油生产阶段的资源、能源消耗和环境排放情 况。通过对三类路况所对应的清单进行分析比较，可以归纳如下：( 1 ) 无论是城 市道路、高速公路，抑或郊区公路货物运输，在其生命周期环境排放中，颗粒物 污染是最为重要的排放项，这主要是由于机动车行驶过程产生道路二次扬尘所 致。另外，就三类路况所对应的生命周期颗粒物排放量大小而言，最大的是高速 公路，郊区公路次之，最后是城市道路。这主要是因为行车速度是机动车行驶过 程产生道路二次扬尘的一个非常重要的影响因素，随着行驶车速的提高，机动车 产生的二次扬尘量增大。( 2 ) 考虑货车使用和燃油生产作为研究系统的全部生命 阶段，则重型货车的功能单位资源消耗和大多数环境排放量要少于轻型货车。而 n o 。和s 0 2 除外，这是因为重型货车为柴油车，柴油燃烧产生的s 0 2 排放强度高 于汽油车，n o x 与汽油车基本相当。道路货物运输生命周期清单的编制将有利于 促进我国生命周期清单及l c a 分析的研究与应用。 第3 章典型道路货物运输生命周期影响评价 第3 章典型道路货物运输生命周期影响评价 前一章所得出的清单分析结果，只是表达了道路交通运输所涉及的各类环境 交换数据的相对大小，但数值大并不一定表示对环境的影响就大。为了将生命周 期评价应用于各种决策过程，就必须对这种环境交换的潜在影响进行评估，这一 阶段称为生命周期影响评价( l c n ) 。其实质在于通过使用与清单结果相关的影 响类型、类型参数及特征化模型，从环境的角度审核所研究的系统，并为之后的 生命周期解释提供信息。l c i a 一般分以下步骤来完成，即影响类型、类型参数 及特征化模型的选择、生命周期清单结果的分配( 即分类) 、特征化、归一化和 加权等。 3 1 影响类别、类型参数和特征化模型的选取 环境影响类型的确定通常采用将清单分析的结果与环境问题相关联的思想，。 即采用每种环境影响类型的压力响应模型或因果链( 网) 来进行确定。其界定 的原则包括：科学性、完整性、独立性和简明性四个方面。论文根据环境影响确 定的一般原则以及已知的清单分析结果，同时结合国内外学者通常采用的影响类 型分类方案，最终确定了与道路交通运输相关的环境影响类型和类型参数，见表 3 1 所示。 表3 - 1 与道路交通运输相关的环境影响类型和类型参数 t a b l e3 - 1e n v i r o n m e n t a li m p a c tc a t e g o r i e sa n di n d i c a t o rr e s u l t sr e l a t e dt or o a dt r a n s i x n t a t i o n 特征描述是