环境材料学材料的LCA.ppt

第二章材料的环境影响评价 常见的环境指标及其表达方法材料的环境影响评价方法与标准LCA的技术框架及评价过程常用的LCA评价模型LCA的局限性材料的环境性能数据库 常见的环境指标及其表达方法 能耗环境影响因子EAF EnvironmentalAffectFactor 环境负荷单位ELU EnvironmentalLoadUnit 单位服务的材料消耗MIPS MaterialsIntensityPerunitofService 生态指数EP Eco Point 生态因子ECOI EI SP Eco Indicator EnvironmentalImpact ServicePerformance 一些材料生产过程的能耗比较MJ t 2 环境影响因子environmentalaffectfactorEAF 资源 能源 污染物 生物影响 区域性 3 一些材料及元素的ELU比较 LCA的起源 LifeCycleAssessment LifeCycleAssessment作为正式术语是由环境毒理和化学学会SETAC SocietyofEnvionmentalToxicologyandChemistry 在1990年提出的 并给出了定义和规范 LCA源于六七十年代的 物质 能量流平衡方法 出自化学工程 原本用来估算材料用量的方法 后来应用到产品整个的生命周期中 典型材料的生命周期 Fromcradletograve LCA的定义 LCA是对产品或材料生命周期全过程中所涉及的各种资源 能源 废弃物 特别是污染物对生态环境的损伤或破坏程度的定量或半定量分析描述 LCA的评估对象是产品系统或服务系统造成的环境影响 而不是评估空间意义上的环境的质量 这与环境科学的环境质量评估有着根本区别 1997年制定了LCA标准ISO14040系列 成为ISO14000的6大系列标准之一 EMS EA EL EPE LCA TD LCA的技术框架 目标和范围定义goalandscopedefinition编目分析lifecycleinventoryanalysis环境影响评价lifecycleimpactassessment解释lifecycleinterpretation 目标和范围的定义 4个定义 产品系统功能 产品系统功能单元 产品系统 产品系统边界2个方法 系统输入输出的分配方法 采用的环境影响评估方法及相应的解释方法 采用的审核方法2个要求 数据要求 原始数据的质量要求另外定义 评估中采用的假设 评估中存在的局限性 评估报告的类型与格式功能单元 产品系统提供的功能 使用价值 的度量单位 在不同的系统中功能单元的意义是不一样的 如在记录一个火电厂因发电而产生的二氧化碳排放量时 要事先明确这种排放量是针对多少发电量而言的 系统边界 确定那些处理过程应该被包括到LCA评估中 即确定被评估的系统 编目分析 收集产品系统中定量或定性的输入输出数据 计算并量化的过程 系统和系统边界定义系统内部流程数据的收集与处理 注意有多个产品或多个系统之间的分配问题 如多个产品 以及能源的类型 不同的石化能源 电能 问题 LCA编目分析示意图 硅铁合金LCA的编目分析 电热法生产硅铁 电能 硅石 焦炭 电极糊 新鲜水 循环水 钢屑 废渣 CHX 悬浮物 SO2 粉尘 聚乙烯塑料饮料瓶的生命周期 系统内部流程 环境影响评估 分类 将编目条目与环境损害种类相联系并分组排列 环境损害分为 资源消耗 人体健康和生态环境影响表征 采用计算当量来量化环境损害的程度 将当量值与实际编目数据的量相乘来对比分析 归一化 量化处理评价 通过对数据采用加权或分级 比较和量化不同种类的环境损害必须清楚地描述出在过程中用到的假设和价值判断 常用表征指标 环境解释 将编目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 每吨高硅铁合金与低硅铁合金的环境影响评价分析 常用的LCA评价模型1 输入输出法 材料的环境负荷EnvironmentalLoadValueELV F 资源 能源 废弃物 材料环境负荷的组成结构示意图 ELV Ki EFii 1 2 3式中EFi为各种环境因子 Ki为相应的权重系数 均值型模型 EF1 1 n Ci Ii EF2 1 m Ci Ii n m k各子项的取值EF3 1 k Ci Ii ELV 1 3 Kk EFk 均方根模型 EF1 1 n Ci Ii 2EF2 1 m Ci Ii n m k各子项的取值EF3 1 k Ci Ii ELV 1 3 Kk EFk 输入输出法评价实例 建筑瓷砖 目标定义 只考察其生产过程对环境的影响范围界定 直接原料消耗和直接废物排放 不考虑原料的生产加工过程以及废水 废渣的再处理过程编目分析 如能耗可按加热 照明 取暖等过程进行编目 资源消耗可按原料配比编目 污染物可按废气 废水 废渣等进行编目分析 某瓷砖生产工艺示意图 环境影响评价 环境解释该瓷砖生产过程的能耗和水消耗比较大 利用钢渣作原料属于再循环利用生产工艺 废渣排放量少 废水可再循环利用 温室效应大 通过对该瓷砖的生产过程的LCA评价 提出的改进工艺主要有降低能耗 降低废水排放量 减少温室气体效应影响 输入输出法评价实例 聚氨酯防水涂料 目标定义 只考虑该防水涂料的生产过程对环境的影响范围界定 直接原料消耗和直接废物排放 以及其他因素对环境的直接影响编目分析 如能耗可按加热 照明 取暖等过程进行编目 资源消耗可按原料配比编目 污染物可按废气 废水 废渣等进行编目分析 环境影响评价 环境解释该涂料生产过程的能耗比较高 固体废弃物排放量少 但温室效应大 通过对该涂料的生产过程的LCA评价 提出的改进工艺主要有提高资源效率 降低能耗 降低总有害物排放量 减少温室气体效应影响等 常用的LCA评价模型2 线性规划法 其原理是在一定约束条件下寻求目标函数的极值问题 Ai j Bi j Fi j i j 1 2 n A 环境影响的分类因子 B 各环境影响因子在系统各个阶段的环境影响数据 F 该环境影响因子的环境影响评价结果 i j 系统各阶段序号 常用的LCA评价模型3 层次分析法AHP 层次分析法结构示意图 AHP分析常用材料环境影响的编目分析示意图 材料的环境影响及性能指标的AHP分析结果 LCA的局限性 应用范围的局限性评估范围的局限性评估方法的局限性时间和地域的局限性 一些典型的环境影响数据库 材料环境影响数据库框架结构示意图 第三章材料的生态设计 材料产业的可持续发展工业生态学材料流分析材料生产的资源效率材料的生态设计 影响材料可持续发展的一些因素 工业生态学 理想的工业生态系统示意图 工业生态学理论框架示意图 凯隆堡工业生态系统示意图 材料流分析 材料流的概念材料流materialflow又称物质流massflow 也称材料链substancechain 材料流理论是指用数学物理的方法对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量大小的一种定量分析理论 是一种方法学 主要用于研究 评价工业生产过程中所投入的原材料的资源效率 找出提高资源效率的途径 环境污染在很大程度上是因为在工业生产过程中所投入的原材料不能变成有效的产品 而作为副产物排放到环境中 形成环境过量承载的一种现象 通过对工业生产过程进行材料流分析 找出污染物排放的原因 通过技术措施 从源头开始控制工业污染 是实现工业可持续发展的关键 典型的材料流循环过程 几种有代表性的材料流理论 四倍因子理论 factor4 它是德国vonWeizsaecker教授于20世纪90年代初首先提出来的 主要是针对消除社会的贫富悬殊 实现各国间健康 和平发展的一种技术目标 该理论的科学含义是在经济活动和生产过程中 通过采取各种技术措施 将能源消耗 资源消耗降低一半 同时将生产效率提高一倍 由此 在同样能源消耗和资源消耗的水平上 得到了四倍的产出 R P I 2 0 5 4其中R表示资源效率 P表示产品产出量 I表示原材料 能源投入量 Schmit Bleek教授用一个方程式将环境影响 人口和一个国家的国内生产总值关联起来 他猜测 到2050年地球上的人口将在现在的基数上增加1倍 即P等于2 同时 世界各国的国内生产总值 GDP 届时将增长3 6倍 取平均值为5 则二者之积为10 由此 对环境的影响将增加10倍 为了保持现有的生态环境水平 必须通过提高资源效率和能源效率10倍来平衡和补偿对环境的破坏 I P GDP P I GDP 式中 I 环境影响 P 人口 GDP 国内生产总值 十倍因子理论 factor10 在提出十倍因子理论的同时 Schmit Bleek教授于1994年在法国创建了国际F 10俱乐部 在1997年向全世界发表了著名的致政府和产业领袖的卡诺勒斯宣言 指出 进入经济活动的所有物质或迟或早都要被消耗或排放进入环境 到头来是环保费用的持续增长 因此 要降低环保费用 首先需要降低和减少物质从自然界 即环境 流入经济活动圈的量 从而减少污染物排放量 Schmit Bleek教授于1994年还出版了 人类需要多大的世界 一书 提出了MIPS MaterialsInputPerService 的概念 即单位服务的