（环境科学专业论文）二次电池体系的生命周期评价及绿色模型建立.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hh a r dc h a l l g eo f 9 1 0 b a le n v i r o m e n ta n dh u i n 柚s t r o n gd e s i r ef o raw a yc a i l k n o w i l l gg r e e i ld e 争e eo f 也e yu s ep r o d u c t i o ni na l lp r o c e s sc o m p l e t et o t a l l y l i f e c y c l e 鹤s e s s m e mi sag o o dw a y 她c a n s o l v ea b o v ep r o b l e m su 1 1 i v e r s a l l y ni sa l s oa t o o ia i l di d e o l o g o fi s 0 1 4 0 0 0 觚dh a si m p o r t a mm e a i l i i l gf o rr e a l i z i n gc o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n ta i l de n h 觚c i n gm a n a g e m e n tl e v e lo fe n v i r o n m e n tu l t i m a t c l y i nt h i sp 印e r b a s e do n 也el i f ec y c l ea s s e s s m e n ti n e l h o d o l o g yo fi s 0a i l ds e t a c t l l el i f ec y c l e 硒s e s s m e n ts y s t c mo fs e c o n db a 曲可i sd e v e l o p e d w i l i c hm a i l l l y i n c l u d e sm ed i r e c te r i r o n n l e m a l 呻a c ts t e 眦c d 矗d ms u c hp r o c e s s e s 嬲p m a r y r a wm a t c r i a lp r o d u c t i o n b 眦e r ym a t c r i a lp r o d u c t i o n b a t t e rp r o d u c t i o na 1 1 dr c c l a i m a i l du s i n go f b a n e r y 髂w e ua s 也ei n d i r e c t 咖n m e n t a li m p a c to fe n e r g yp r o c t i o n b ym e a n so f 岫i i f ec y c l ei n l p a c ta s s e s s m e mm e 怕d so f e d i p i ti sp r o p o s e dt 1 1 a tt h e l i f ec y c l ea s s e s s m e n tm o d c lo fs e c o n db a 仕e r yi 1 1w i l i c ht h ek e ye n v i r 0 i l m e n t a l 缸t o r s a r es e l e c t e d a n dt l l ei m p a c t 舔s e s s m c n tp r o c e s sa n dm e t h o d s 盯ei i l t r o m l c e d i nm e e n d m er c s l l l t sa r ci n d i c a t e db ym ee n v i r o n i n e m a li m p a c tb u r d e n 孤dn l er e s o u r c e c o n s u m i n gi n d i c a t o r s i i lt e 咖so fn l el i f ec y c l e 硒s e s s m e ms y s t e ma r l dm o d e l l i t h i u mi o nb 龇e r y c o 璐l 盯n e dq u a n t i 枷v e l yi ns e c o n db a t t c r ys e c t o f a r es e i e c t e dt oa n a l y z ea i l dc a l c u l a t c m e i r 锄b o d i e de m r o m n e n t a lp r o f i l e t h er e s u l 招o fi i l v e n t o r ya n a l y s i sa n di i n p a c t a s s e s s m e n ts h o wt 1 1 a tt h e p o t e n t i a ie n v i r o 衄e n t a li m p a c tb u r d e no fg w ea c e n p o s a s wa r e2 1 4 1 8 3 5 1 7 2 4 1 4 7 5 6 2a n d l 8 7 陀翠e c t i e l y a i l dt l l a tt h c r e s o u r c ec o i l s u m i n gi n d i c a t o ra r e1 7 2 8 e r yp e ri ni i t h i u mi o nb a 牡e l yp r o d u 吐i o n e s t a b i i s l l i i l e n to ft l l e l l i e r a r c h y m o d e lo f 也ec o m p r e h e 璐i v e 掣e e nd e g r e e e v a l u a t i o ns y s t e m a n dt op r e s e n tt l l ee v a l l l a t i o ni 1 1 d e x e so fe v e r yc l a s sa 1 1 d c o i l s m l c t i n gm ej u d g i n gm a 啊x b ya d o p t i n ga n a l i ch i e r a r c h yp r o c e s st oc a l c u l a l e t h ew e i g h t si nt h ei i i l p a c ta s s e 弱m e 咄a 1 1 dt oc a l c u l a t ee v c r i n d e x sw e i g h t t bb u i l d t l l ef u n c t i o n so ft 1 1 e d e f e e o fs u b o r d i n a t i o no ft i l eb o t t o mi i l d e x e s a 1 1 dt h e e s t a b l i s l l i n e mo ft h ee v a l u a t i o nm r e s h o l d s h a v i n gt h ei n d e x e sn o n e d i m e i l s i o n a l l y a l l dt oe d u c et h ed e g r c eo fs u b o r d i r l a t i o no fc v e r yi n d e x f i n a l l yt og e tt l l er e s u l to f t h ec o m p r e h e f l s i v ec v a l u a t i o nu s i n gt l l el i n e 秭t y w e i 曲t e d s 咖m e m o di s7 5 2 k e y w o r d s e c o n db a n e r y l c a 乒e e nd e 盯e e f h z z ya n a l y t i cb i e r a r c h yp r o c e s s i l 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 靴日期 坦i 车 目f 弓 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 整 谭连 导师签名 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三百了匕 环境 资源 人口是当今人类社会面i 临的三大主要问题 特别是环境问题 其恶化程度与日俱增 对人类社会的生存与发展构成严重威胁 全球气候变暖 臭氧耗竭 水污染加剧 生命健康受到损害及不可再生资源的枯竭等问题 耗 费了人类很多的财富积累 对人类生产力的进一步发展产生了很强的制约作用 面对日益严重的环境危机 人们己经意识到只顾发展不顾环境的传统发展模式 是不符合人类社会发展的长远利益的 可持续发展是 人类应享有以与自然相 和谐的方式过健康而富有生产成果的生活的权利 并 公平地满足今世后代 在发展与环境方面的需要 进入9 0 年代以来 各国的环保战略开始经历一 场新的转折 全球性的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势 这就是向资源 利用合理化 废弃物产生少量化 对环境无污染或少污染的方向发展 随之在 全球掀起了一股 绿色浪潮 目前 绿色产品已由食品扩展到日用消费品 再扩展到机电产品和住房 由农业产品扩展到工业产品 由 硬产品 实物产 品 扩展到 软产品 服务 整个消费领域都充满了绿色的浪潮 产品生产是将可用资源 包括能源 通过制造过程 转化为可供人们使用 和利用的工业产品或生活消费品的过程 然而 在转变资源为产品的生产制造 产品的使用维护以及废弃后的处理处置等整个生命周期过程中 产生的大量废 弃物造成了环境的严重污染 任何一种产品 当它离开设计环境进入实际生产 时 其环境属性大多已经固定下来 而且这种产品在从原材料获取 生产制造 直至废弃后回收处理的整个生命周期过程中 都会对环境产生影响 因此 目 前采用的 有污治污 的末端治理方式 不能从根本上解决制造业所产生的环 境问题 要想从根本上解决制造业的环境污染问题 须从源头上进行治理 即 考虑产品整个生命周期的环境影响 最大限度地利用资源 能源 减少有害物 质的排放 从而减轻对环境的污染 随着旨在保护环境的绿色行动在世界各国 纷纷兴起 绿色设计 应运而生 并成为解决制造业环境污染问题的基本方法之一 绿色设计的目的 是提高设计产品的绿色程度 其结果是满足社会和市场需要的绿色产品 因此 开展绿色设计 不仅符合绿色消费及可持续发展的要求 而且可以克服绿色贸 北京工业大学工学硕士学位论文 易壁垒的限制 对促进社会和经济的发展以及提高产品的竞争力都具有重要意 义 如何衡量产品及其设计方案的绿色程度 即绿色设计评价 是绿色设计的 一个重要环节 也是设计工作的核心 只有通过评价 才能确定所设计的产品 是否满足了预期的需求和目标 是否有利于环境的改善等 绿色设计评价不仅 对整个设计过程和设计方案的完善 产品的制造及消费 环境保护法律法规的 制定与推行等具有重要的指导作用 而且还可以丰富 发展产品的评价理论和 方法 因此 开展绿色设计评价既是取得显著社会效益的行为 也是取得显著 经济效益的有效手段 目前 绿色设计评价的研究才刚剐起步 发展还不成熟 其中如何建立绿色产品评价体系以及如何评价产品的绿色程度是绿色设计研究 和实施中有待解决的问题 1 2 绿色产品设计概述 绿色产品设计涉及到材料科学 设计与制造科学 信息技术 环境科学 经 济学 社会科学以及管理科学等多门学科 是一项极其复杂的系统工程 目前 绿色产品设计还处于不断的发展完善之中 其研究内容非常广泛 主要包括绿色 设计策略 绿色设计系统方法 如 模块化设计 集成化设计 长寿命设计等 面向拆卸与回收的设计 绿色设计评价技术 绿色设计数据库和知识库等几个方 面 绿色设计评价是绿色设计的关键技术之一 国内外的研究机构 政府部门和 企业对如何科学合理地评价绿色产品开展了一系列的研究 但由于相关研究才刚 刚起步 发展还很不成熟 绿色产品设计与普通产品设计的主要差异在于前者考 虑到产品的整个生命周期过程 而后者没有 相应地绿色产品设计评价也要考虑 产品生命周期的影响 1 2 1 绿色产品 绿色产品 g r e e np r o d u c t 或称为环境意识产品 e n v i r o 姗e n t a lc o i l s c i o l l s p r o d u c t e c p 是相对于传统产品而言的 它最早出现在7 0 年代的美国环境法 规中 在其二十多年的发展过程中 人们根据自己的理解对绿色产品下过多种定 义 尽管到目前为止还没有一个公认的权威性定义 但关于绿色产品的主要内容 人们己经达成了共识 即绿色产品不仅要有利于保护生态环境 还要有利于节省 资源和能源 同时也强调产品的安全性 宜人性以及产品自身的经济性 且这些 特点贯穿于产品生命周期的全过程 第一章绪论 基于上述认识 绿色产品可做如下定义 绿色产品是指在原材料获取 产品设计制造 包装运输 使用维护直至回收 处理的整个生命周期过程中 采用先进的技术 经济地满足用户功能和性能等要 求的同时 实现节约资源和能源 对生态环境无害或危害极小 并对人类健康具 有良好保护性的产品 从绿色产品的定义可以看出 绿色产品具有技术先进性 经济性和环境协调性三个基本要素 1 2 2 绿色设计 绿色设计是由绿色产品的诞生所引申的一种设计方法 它是以环境为核心概 念的设计过程 即在产品的整个生命周期内 优先考虑产品的环境属性 可拆卸 性 可回收性等 并将其作为产品设计目标 在满足环境目标的同时 保证产 品应有的功能 使用寿命 质量等 它的目标都是设计和制造出生命周期环境影 响最小的产品 因而经常被互换使用 为便于表述 本文中统称为绿色设计 绿色设计源于传统设计 但又高于传统设计 其目的是克服传统设计的不足 使所设计的产品具有绿色产品的各个特征 即绿色产品是绿色设计的最终结果 实际上 完全的绿色设计是不可能实现的 因为绿色设计涉及产品生命周期的每 一阶段 即使设计时考虑得非常全面 由于所处时代技术水平的限制 在有些环 节或多或少还会存在非绿色的现 如 某些有毒有害材料目前尚无理想的替 代品 制造工艺过程中还无法完全取代切削液等 但通过绿色设计可以将产品的 非绿色现象降低到最低程度 因此 绿色设计可以看成是技术 经济和环境属性 的综合寻优过程 1 2 3 绿色度 绿色度是评价产品技术先进性 经济性和环境协调性的综合指标 它是一个 动态的概念 随着时间的推移不断改善曲1 原因在于 随着产品的更新 其技 术先进性 经济性及环境协调性不断提高 相应地 作为技术 经济和环境三者 综合体现的产品绿色度也就越来越好 绿色度可以表示为如下形式 g f t c e t 其中 g 为产品的绿色度 f 为一个t c e 和t 的增函数 t 为由各 种技术指标组成的技术先进性衡量指标 c 为由各种经济指标组成的经济性衡量 指标 e 为由各种环境指标组成的环境协调性衡量指标 t 为时间 评价产品 北京工业大学工学硕士学位论文 或设计方案的绿色度就是以绿色产品为参照对象 建立合理的评价指标体系 采 用正确的评价方法 求出该产品或方案的综合评价得分 判断该产品或方案是否 符合绿色产品的基本要求 并对其设计 生产等方面提出必要的改进意见和建议 绿色度评价是绿色设计实施的重要环节 1 3 绿色产品评价方法研究现状 评价方法是绿色设计评价的基础 目前 绿色设计评价策略主要基于l c a 的 思想 关于l c a 在绿色产品评价中的应用 国内外学者进行了大量研究 并给 出了一些评价方法 对于这些方法目前还没有统一的分类 本节在分析国内外相 关文献的基础上 根据评价内容的不同 将产品的绿色评价方法划分为两类 面 向产品生命周期的评价方法以及面向产品生命周期各阶段的评价方法 本文主要 概述面向产品生命周期的评价方法 面向产品生命周期的评价是以已有产品为绿色评价对象 l c a 为评价工具 从其整个生命周期的每个阶段都收集数据 然后进行综合处理 产品的绿色评价 是对多层次 多指标的综合分析与决策 因此可将其归结为多目标决策问题 州 依据评价指标信息的特点 将现有方法分为两类 基于确定性信息的评价方法和 基于模糊性信息的评价方法 1 基于确定性信息的评价方法 目前 基于确定性信息的评价方法是普遍采用的绿色产品评价方法 适合评 价指标值可以精确量化的评价问题 基于确定性信息的评价方法主要有层次分析 法 价值分析法 简式生命周期矩阵评价法等 1 层次分析法 a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s a h p 是定性与定量分 析相结合的一种多目标决策方法 该方法首先通过主观判断将定性分析转化为确 定性数据处理 然后进行评价分析 因此 本文将其归为基于确定性信息的评价 方法 目前 a h p 方法己被广泛地应用于产品的绿色评价过程睁 1 它不仅适用 于结构复杂且缺乏必要数据的定性指标情况 而且也可适用于定量指标情况 a h p 方法在定性指标的量化 权重的确定以及定性指标的综合等方面具有明显的优 势 但在定量指标处理方面还不完善 这限制了该方法在绿色设计评价领域的应 用 2 价值分析法 是着重于功能分析 力求用最低的成本 可靠地实现必要 功能的有组织的创造性活动 其中功能是指产品满足某种需求的一种属性 它可 第一章绪论 解释为功用 作用 性能等 文献 在传统功能基础上 提出生命周期功能概 念 并把它用于价值分析中 从而将价值分析扩展到产品整个生命周期的广度 然后 由v f c 出产品的绿色程度 这里v 表示产品价值 f 表示产品生命 周期功能 包括技术性和环境协调性 c 表示产品生命周期成本 该方法综合 考虑了产品生命周期的技术 经济和环境属性 其价值反映了产品功能与实现它 的费用的比值 价值越高 产品的绿色性能越好 文献 将其应用到汽车外 饰件评价过程 说明了该方法的可行性 3 简式生命周期矩阵评价法 一个完整的产品生命周期评价需要花费大量 的时间和费用 为了节省评价时间和费用 g r a e d e l 等命周期矩阵评价方法 它 是以生命周期评价为基础 评价产品的环境性能 认证产品环境标志的一种半定 量的方法 它采用二维的表示方法 一维表示环境影响类型 另一维表示生命周 期阶段 对矩阵中每一元素打分表示环境影响的程度 然后对行 列分别求和 即得产品每个生命周期阶段 每种环境影响类型对环境的影响程度 矩阵元素总 和表示产品总的影响程度 该方法具有简单 直观 不需要确定指标权重等优点 且能得到较准确 满意的评价结果 它不仅可以对已有产品进行分析 而且还可 对设计方案进行评价 找出主要的环境影响类型或对环境起主要影响作用的生命 周期阶段 从而指导产品设计 然而 简式生命周期矩阵评价方法对不同影响的 重要性程度没有考虑 这是不合实际的 针对这种情况 给出加权简式生命周期 矩阵评价法 目的是考虑不同影响的重要性程度 以便取得更好的效果 后来 h u l 等给出产品生命周期环境影响计分法 从评价过程看 它与生命周期评价矩 阵类似 不同之处是采用具有四个层次的层次结构取代二维评价矩阵 2 基于模糊性信息的评价方法 产品评价信息通常具有多样性 复杂性 模糊性等特点 而模糊理论在模糊 性信息处理方面具有独特的优势 因此 一些学者将模糊理论应用于产品的评价 过程 并使之成为产品绿色度评价的有效工具 目前 基于模糊理论的产品绿色 评价主要是基于两种思想 模糊综合评价 模糊推理 1 模糊综合评价 是应用模糊变换原理 对被评价对象进行综合分析 模 糊综合评价己成为产品绿色度评价的重要方法 适合评价指标具有模糊性和复杂 性的评价问题 另外 对于多层次 多因素的综合评价问题 通常采用多级 模糊综合评价 模糊综合评价方法和多级模糊综合评价方法都需要确定各指标对 评价等级的隶属度 此外 还可以将模糊评价与其它方法结合 进行产品绿色度 北京工业大学工学硕士学位论文 评价 如 结合a h p 方法与模糊理论 即采用模糊a h p 法分析产品的绿色程度 采用模糊物元分析法分析产品的绿色程度 这类方法的共同点在于需要事先确定 出各指标的确切权重 2 模糊推理 作为模糊理论的重要组成部分 应用于产品生命周期评价 可以很好地处理不确定性问题 使得评价过程大大简化 文献 通过实例 说 明模糊推理应用于产品生命周期评价的可行性 评价过程中 模糊推理不需要评 价者具有专业的环境知识 不需要确定出各指标的权重 能够快速 方便地获得 产品在生命周期过程中对环境的影响 且能够有效识别产品在生命周期过程中产 生的主要环境负荷 适用于各种类型企业 其不足之处在于它不如传统定量评价 方法准确 需要依据数据库给环境影响打分 带来一定程度的主观性 1 4 课题的意义 二次电池体系生命周期评价及绿色模型建立 是 电池研究国家重点基础 研究发展计划 9 7 3 课题 的子课题之一 二次电池体系生命周期评价及绿 色模型建立 的目标是全面系统地分析电池体系在电池生产和使用全寿命过程 中对资源和环境的影响因素 按照可持续发展的理论与原则建立一套科学的电 池体系工艺环境影响评价指标体系和评价方法 并将该评价系统应用与指导电 池工业的规划 设计 生产和使用 回收利用以及废弃物处理各阶段各个环节 的资源节约和环境保护 促进电池工业的可持续发展 本文选择在生活中用量较多的锂离子二次电池体系进行生命周期中物化环 境状况分析 建立了电池体系生命周期中物化环境影响的定量评价方法 其主 要目的和意义在于 通过分析主要二次电池体系从原材料开采 材料生产到电池 生产以及电池回收利用 处理各个阶段的环境影响 采用生命期评价方法进行定 量评价 建立绿色评价模型 为电池工艺生命周期环境影响评价提供基础数据 为电池的生态设计和清洁生产提供依据 为电池工业进行生态建筑设计合理选 择材料提供依据 为消费者购买环境合理的电池产品提供参考 为政府制定可 持续发展的政策和法规提供依据 还可以作为环境管理工具 此外 可以探索 适合我国国情的生命周期评价理论和应用方法体系 为进一步开展生命周期分 析和实施i s 0 1 4 0 0 0 标准体系提供方法论的支持 第一章绪论 1 5 论文研究的目的 方向和思路 结合国际国内二次电池管理领域迫切需要解决的问题 论文研究的目的是 通过分析二次电池体系不同生命周期阶段的资源消耗及其环境排放影响 辨识 电池生产过程中不同生命周期阶段对环境影响的相对大小 找出影响环境状况 的主要因予 从而提供改进生产工艺 进行绿色清洁生产的机会与途径 尽可 能消除关于二次电池工艺决策过程中的模糊认识和取舍两难 为决策提供依据 和数据支持 引导二次电池管理责任从单一政府责任向社会化责任转移 争取 政府以外的力量支持和推动废电池资源化 降低固废水平 节约资源 减少污 染 推动二次电池产品系统实现环境输入输出最小化的生命周期理 据此 进一步提出研究的基本方向和思路 1 研究现二次电池生命周期总体及分类环境影响 各种能源 资源的影响 和各种污染物因子的影响 识别其中影响环境状况的主要因子 为二次电池体 系的环境协调性评价找到切实可行的使用方法 提供典型企业评价的范例 2 研究现二次电池生命周期总体及各单元过程的环境影响 各种能源 资 源的影响和各种污染物因子的影响 判别单元活动的贡献和相对重要性 认识 二次电池生产及相关工业与总体环境状况的关系 从而有助于电池界改进技术 实现二次电池绿色化设计 3 应用全寿命周期综合考虑的观点提出产品的合理开发进程 开发的组织 结构 研究解决产品开发各阶段的关键技术 达到经济 能源 环境协调化 4 在一批产品开发中应用全寿命周期设计技术 并在实践中不断检验和完 善全寿命周期设计的理论体系和开发工具 使生命周期技术完全实用化 在实 际应用中 建立从原料生产商 产品制造商 销售商 地方政府到消费考等的 社会管理机制 还要结合管理的实际费用及预算费用 相关的法规 政策及环 境经济政策 并形成多种费用支付方式 最终形成社会化的管理体系 5 综合评价和比较二次电池产品系统内的能耗 资源消耗 固废和污染排 放等造成的影响 结合国内外二次电池生命周期管理及废电池资源化研究方法 和成果 初步拟定以生命周期评价为论文研究的主要方法工具 建立评价模型 方法 第二章绿色产品生命周期结构模型 第二章绿色产品生命周期结构模型 2 1 生命周期评价的涵义与技术框架 2 1 1 生命周期评价方法的概述 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 被称作9 0 年代的环境管理工 具 是近年来西方国家酝酿发展起来的一种崭新环境影响评价方法 目前尚处 于探讨研究阶段 所谓生命周期评价 是指对一种产品从加工制造到废弃的 全过程进行全面的环境影响分析和评估 因而 它不仅是对目前环境进行客观分 析的定量方法 而且是对产品及其 从摇蓝到坟墓 的过程有关的环境问题进行 后续评价的方法 产品生命周期评价作为一种客观的评估手段 主要应用在通过 确定和定量化研究能量和物质利用以及废弃物的环境排放来评估一种产品 工序 和生产活动造成环境负载 评价能源材料利用和废弃物排放的影响 评价改善环 境方法 评价产品 工序和生产活动的整个生命周期 包括原材料开采加工 制 品 运输和分配 利用与利用 维护 循环以及最终处理 原则上每个生命阶段 以及生产系统和环境的每个界面都应当考虑 原材料和能源的输入 水 气 固 废的输出 所有这些都尽可能地定量研究 更详细地说 就是该产品所有的环 境有关的生活条件 废弃物 土壤污染 水质污染 空气污染 能源消耗 资源 消耗及生态影响等都纳入评估 作出定量研究 根据i s o l 4 0 4 0 标准中给出的定义 l c a 包括目的与范围的确定 清单分析 影响评价和解释四个阶段 1 研究目的 由于生命周期评价的对象是一个系统和过程 评价的目的是为了表征该系 统和过程的影响及其程度 所以 生命周期评价的第一步就是确定评价对象的 范围 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 即研究结果的接收者或预期交流对象 研究目的确定是对即将提供 的环境信息的决策过程 它为后续的解释阶段服务 即确定生命周期评价的结 果能够回答什么问题 同时不能回答什么问题 2 研究范围 研究范围的确定取决于研究的目的 范围界定的主要内容包括系统功能 功能单位 系统边界 环境影响类型 数据要求 假设和限制条件等 在确 北京工业大学工学硕士学位论文 定研究范围时 应主要注意功能单位 产品系统 评价标准 数据质量等几个 方面的问题 3 清单分析 清单分析是生命周期过程物质和能量流的抽象和一般化阶段 建立清单的 过程即在所确定的产品系统内 针对每个单元过程单元 建立相应功能单位的 系统输入和输出 产品系统的每个子系统内物质和能量都必须遵守物质和能量 守衡原理 清单分析是对产品 工艺活动在其整个生命周期的资源 能源和环 境排放 包括废气 废水 固体废物及其它环境释放物 进行数据量化分析 清单分析的核心是建立以产品功能单位表示的产品系统的输入和输出 这种输 入和输出是一种相对量 而不是绝对量 数据清单分析的目的是将环境负荷定量化 即对一个产品从生产 使用到废 弃整个生命过程中所投入的所有原材料和能源作为输入逐一列出 而在这个过程 中排出的所有影响环境的物质 包括副产品 作为输出也逐一列出 对输入和输 出进行以数据为基础的客观量化分析过程 该分析应贯穿于产品的整个生命周期 过程 l c a 的清单分析是一项繁重的工作 例如 以二次电池的生命周期为例 从 矿石开采 选矿 冶炼 分离等生产过程 到运输 生产 使用 一部分回收进 行在循环 另一部分的废弃物进行填埋 要对这整个过程进行数据收集 量化处 理确实很不容易 尤其是在产品的分析阶段 由于产品是由许多零部件构成的 对每个零部件都要进行清单分析 将全部数据进行分类综合 这是一项无法想象 的繁杂工作 而且清单数据是随工厂 企业 时期和地域的不同而变化的 原始 数据的采集相当的麻烦 进行清单分析是一个反复的过程当取得了一批数据 并对系统有进一步的 认识后 可能会出现新的数据要求 或发现原有的局限性 因而要求对数据收 集程序作出修改 以适应研究目的 有时也会要求对研究目的或范围加以修改 数据搜集的程序依研究的范围 单元程序与预期应用不同而异 目前 在生命周 期清单分析方面已有多种计算机辅助模式可供使用 如s i g m a p r o b o u s t e a d m o d e i c h e ms y s t c m l i m s r f w e s t o n 等公司发展的产品 任何一种计算机 模式皆须有正确或适用的数据输入 才能得到较佳的结果 从已有的研究看 进行生命周期清单分析的目的有 1 与竞争对手比较 看谁家的产品更具有环境优势如果自己的产品有环 第二章绿色产品生命周期结构模型 境优势 就町利用这个研究结果进行市场宣传 使自己的产品更具竞争力l 2 通过分析研究 看看自己的产品长处在哪里 短处在哪里l 这样就可找 到改进产品的机会 也可为未来新产品的设计提供理论依据l 3 政府部门可能对某类产品进行研究 找到该类产品对环境影响最大或 较大该类产品的生态标志标准或有关的环境政策或法规的一些阶段 然后在制 定时 把重点放在这些影响较严重的阶段 很多生产过程中 数据处理会出现包含多种产品的系统 如石油精炼所生成 的多种产品 1 产品系统 产品系统是由提供一种或多种确定功能的中间产品流联系起来的单元过程 的集合 图2 1 为一个产品系统的示例 对产品系统的表述包括单元过程 通过 系统边界 无论是输入或输出的 的基本流和产品流以及系统内部的中间产 品流 一个产品系统的基本性质取决于它的功能 而不能仅从最终产品的角度 来表述 图2 1 生命周期清单分析的产品系统 f i 9 2 1l c io fp r o d u c t i o ns y s t e m 边界系统 l 其他系统 器 一 2 单元过程 产品系统可进而划分为一组单元过程 见图2 2 单元过程之间通过中间产 品流和 或 待处理的废物相联系 与其他产品系统之间通过产品流相联 北京工业大学工学硕士学位论文 系 与环境之间通过基本流相联系 图2 2 产品系统内一组单元过程 f i g2 2c e i lp r o c e s so f p r o d u c t i o ns y s t e m 基本流输入 基本流输入 基本流输入 3 功能单 基本流输出 基本流输出 基本流输出 功能单位是量度产品系统输出功能时采用的单位 可以是一定数量的产品或 某种服务 前者如一辆轿车 一台彩电 一只饮料瓶等 后者如货物运输的 l k m t 盛装饮料的1 l 等 最后得到的所有数据都必须以功能单位为标准来提 供 如轿车生命周期废气排放数据应为多少c o 轿车 t 辆 n o 轿车 t 辆 等 不同的产品系统进行比较时 必须采用相同的功能单位 才会有可比性 4 数据类型 收集到的数据 无论是通过测量 计算还是估计出来的 都是用来量化单 元过程的输入和输出 数据可归入的主题包括 能量输入 原材料输入 辅助性输入 其他物理输入 产品输出 向空气的排放 向水体的排放 向士地的排放 其他环境因素 在这些主题中 单个数据类型还必须进一步细化 以满足研究的需要 例如 向空气的排放 可对具体数据类型分别表明 如一氧化碳 二氧化碳 硫氧化物 氮氧化物等 5 建立产品系统模型 l c a 研究是通过建立表述物理系统关键要素的模型进行的 要研究一个产品 系统中所有单元过程之间的所有关系 或某产品系统与系统环境之间的所有关 系往往难以实现对于所要建立模型的物理系统中要素的选择取决于研究的目的 与范围 应对所用的模型予以表述 并对支持这些选择的假定加以识别 第二章绿色产品牛命周期结构模型 4 环境影响评价 影响评价是生命周期评价的第三步 它是在生命周期评价的前两步的基础 上进行的 它在清单分析的基础上 把评价系统或过程的各种输入和输出参数 转化成定量的或半定量的指标来表征该系统或过程对环境造成的影响程度 影响评价可以给出被评价对象与环境之间相互影响的整体轮廓 影响评价主要 针对生态平衡 环境安全 人体健康 资源消耗或能源消耗等对象进行评价分 析 具体针对的对象取决于事先确定的生命周期评价的研究目的或目标 从中 选择出相关的环境损害项目进行评价 目前国际上关于环境影响评价尚无统一 的方法 一般采用s e t a c 建立的框架 将环境影响评价分为分类 特征化和评 估三个步骤 而在最新的i s 0 1 4 0 4 2 标准基本承认了s e t a c 的方案 但进行了必 备要素和可选要素的划分 即将分类和特征化以及影响类型 参数 评价模型 作为必备要素 而将评估阶段列为可选要素 又进一步将其划分为分类 特征 化 加权三个步骤 1 分类 分类是一个将清单分析的结果划分到影响类型的过程 在l c a 中环境损害 总体上分为资源消耗 人体健康和生态环境影响 通常又可以确定为以下十个 具体种类 即不可再生资源消耗 a d p 温室效应 g w p 臭氧层破坏 c o d p 环境酸化 a p b 富营养化作用 n p 光化学烟雾 p 0 c p 土壤污染 e c t 水 污染 e c a 人类健康损害 h t 和土地破坏与占用 l e 在分类中当清单分析结果只与一种环境影响类型有关时 就直接将其归类 由 于产品和产品系统相联系的环境交换因子之间常常存在着复杂的因果链关系 因此对生态系统和人体造成的环境影响也常常难以归为某一因子的单独作用 这时就需要考虑少并联和串联的问题 2 特征化 特征化 即对影响类型建立模型以便于将同属一类的清单结果进行汇总的 过程 特征化由造成某种类型的环境影响发生变化或对该类型的环境排放的因 子表示 特征化的结果表明了环境排放或资源消耗的状况 对每一种影响类型都 应建立具体的模型来表示清单结果与因子间的关系 模型应建立在科学基础 上 也可包含假设和价值选择 建立模型时 涉及的假设和价值选择应该得到 确定和验证 一般 对于归属于一类影响类型的所有物质的潜在影响都在特征 化阶段建立量化模型 特征化建立在当量模型的基础上 即表示一单位物质造 北京工业大学工学硕士学位论文 成的环境影响与多少单位参考物质造成的环境影响等同 如对全球变暖 某物 质的全球变暖潜力 g w p 被选作特征化因子 i p c c 将c o 作为参照物 特征化因 子表明其它物质的潜在影响相当于多少单位c 0 2 的影响 3 权重 全权评估是生命周期影响评价的一个分析过程 权重反映了不同影响的相 对严重程度 加权过程是一个价值判断的过程 不同主体 不同研究目的采用 的加权方法不同 在e d i p 方法中 各种环境影响和资源消耗的加权潜在影响和 资源消耗w p j 由下式表示 w p j w f 木n p 式中 w f 一一影响类型或资源消耗j 的权重因子 n p 一一标准化的潜在影响或资源消耗 5 生命周期解释 生命周期解释的口的是根据l c a 前几个阶段的研究或清单分析的发现 以透 明的方式分析结果 形成结论 解释局限性 提出建议并报告生命周期解释的结 果 尽可能提供对l c a 或l c i 研究结果与口的和范围界定相符的易于理解的 完整 的和一致的说明 生命周期解释的主要特征在于 生命周期解释基于l c a 或l c i 的 研究发现 使用系统的程序识别 量化 检查 评估和提出结论 以满足口的和 范围界定阶段确定的应用要求 生命周期解释需要不断反复 生命周期解释通过 强调生命周期评价的作用和局限将l c a 与其它环境管理技术联系起来 i s 0 1 4 0 4 3 中 生命周期解释包括三个要素 基于l c i 和l c i a 的结果 识别重大问题 评估 即对生命周期评价过程的完整性 敏感性和一致性检查 给出结论 建议和报告 2 l 2 1 2 生命周期影响评价的主要方法 目前 国际上关于生命周期影响评价的定量方法主要有 环境问题法 和 目标距离法 晗4 1 两种方法 前者着眼于环境影响因子和影响机理 通过对各 种环境干扰采用当量因子进行标准化和对比分析 后者则着眼于影响后果 采 用目标距离的原则 即某种环境效应的严重性用该效应当前水平与目标水平之 间的差异来表示 具体表现如下 1 瑞士临界体积法 第二章绿色产品生命周期结构模型 瑞士临界体积法是第一个将清单结果汇总的方法 物质的l 涵界体积是其排 放极限或法律规定的极限 该方法采用国家法律所规定的污染物排放最高浓度 对排入空气 土壤和水体的污染物进行加权评估 然后将所有污染物的排放量 汇总就得到总的环境影响 即被污染的空气 水和土壤的总量 该方法的主要不足在于 法律规定的排放极限仅限于一些化学品和污染物 长期的全球环境影响未被考虑 所有物质在目标水平的残余风险相同的假设并 不成立 2 瑞士的生态稀缺性方法 e c o l o g i c a ls c a r c i t y 该方法由瑞士联邦环境 森林和景观机构提出 在该方法中 产品的生态 分值 e c o p o i n t s 通过清单流的生态因子 e c o f a c t o r 计算得到 生态因子由 当前每年的环境排放与口标年度最大环境排放的比较决定 各种清单流的生态 分值可以自接加和 从而得出单一的影响值 该方法的主要不足在于 它只适用于某些具体的地区 目标流的估算比较困 难而且耗时 所有物质在目标水平的残余风险相同的假设并不成立 环境影响 的科学计算与主观判断混合在一起 3 瑞典的e p s e n v i r o n m e n t a lp r i o r i t i e ss y s t e m 方法 e p s 是由瑞典环境研究所开发的利用经济方法评价环境影响的方法 评价的 基础是相当于一欧洲货币单位的支付意愿的环境负荷单位 e p s 的最终结果主 要考虑了诸如环境影响重要性的社会判断 影响的强度和频度 影响的场所和时 间 每种因素流对影响的贡献 降低单位质量清单流的成本等因素 e p s 综合考 虑了清单流的生态 社会和经济影响 尽管e p s 系统在瑞典得到了广泛使用 但它也存在一些缺点 即缺乏透明度和假设的定量模型 4 e d i p 方法 e d i p 是工业产品环境设计的简称 山丹麦技术大学开发 该方法面向产 品的开发和设计 该方法将环境影响 资源消耗 和职业健康全部包括在一个 模型中 在考虑具体的影响类型时 又从全球性 区域性和局域性三个空间尺 度加以区分 该方法通过标准化基准 每人每年的环境影响贡献 进行影响类型 的标准化 同时采用政策目标距离确定不同环境影响类型的权重 进行加权评 估 5 荷兰生态指数9 9 e c o in d i c a t o r9 9 北京工业大学工学硕士学位论文 荷兰生态指数9 9 方法是由p r e 咨询机构开发的一套 面向损害 的生命周 期影响评价方法 该方法重点在于简化生命周期影响加权评估 它研究了几种 非常有限的环境损害类型 即人类健康 生态质量和资源 损害模型用于评价 产品对这三种类型造成的环境影响大小 它改变了荷兰生态指数9 5 模型中采用 目标距离原则 的方法 侧重于实际的损害 2 2 环境影响类型 生命周期影响评价的主要任务是解释清单分析的结果对l c a 中的 保护领 域 或 安全对象 的潜在影响 所保护的领域就成为划分环境影响类型的基 本依据 目前被广为接受的生命周期评价保护领域是 人类健康 生态系统 健康以及资源状况 将环境排放转换为潜在影响是通过环境因果网进行的 目 前 对于环境影响类型的划分 还没有达成一致 不同研究机构按照自身研究 领域的特点制定了不同的环境影响类型分类方案 比较有影响的几个分类方案 有 1 s e t a c 提出的环境影响因素分类方案 s e t a c 于1 9 9 3 年提出的环境影响分类方案 主要考虑资源 人类健康和生 态系统健康三类 s e t a c 划分的环境影响类型仍然被世界上许多研究者广泛引 用 s e t a c 方案的缺点是没有区分影响的空间尺度 如表2 1 所示 表2 1s e t a c 影响类型与保护目标 t a b 2 1e f f b c tt y p ea n dp r o t e c ta i mo f s e t a c 资源人类健康生态健康 资源消耗非生物资源的消耗 生物资源消耗 全球变暖 臭氧层破坏 十 环境污染人体毒性 生态毒性 光化学氧化物形成 酸化 生态系统富营养化 与景观退化 土地利用 第二童绿色产品牛命周期结构模型 注 表示潜在接联系 表示潜在间接影响 2 e d i p 方法提出的环境影响因素 丹麦技术大学在s e t a c 分类方案的基础上 根据i s 0 1 4 0 4 2 的原则在e d i p 方法论中提出了一个新的环境影响类型分类体系 即根据环境影响的空间尺度 将环境影响分为全球性影响 区域性影响和局域性影响 又根据影响对象和影 响途径分为环境污染 资源消耗和职业健康 如表2 2 所示 表2 2e d i p 方法中环境影响类型分类体系 t a b 2 2m es o r ts y s t e l no f e n v i r o n m e n 脚e 位c ti ne d i pm e t h o d 类型全球性影响区域性影响局域性影响 环境污染全球变暖光化学臭氧合成生态毒性 臭氧层消耗 酸化 人体毒性 水体富营养化废物土地填埋 持续性毒性 资源消耗化石燃料生物质 水 化学致癌 金属及其他矿物质化学过敏 噪声对听力的损害 化学物质对生殖系统的损害 2 3 各种环境影晌类型的当量物质参数 选择了环境影响类型后 就需要根据不同的影响类型确定类型参数 类型 参数的确定需要考虑环境干扰因子与环境影响之间的内在机制 表2 3 列举了 目前这方面的权威机构国际气候变化专家委员会 i p c c 推荐的基本达成共识的 一些类型参数 表2