生命周期评价

1、黄美娜,第三章 生命周期评价理论（本课核心）,重庆工商大学机械工程学院,QQ：470011302 Email：,周次：4-6/9,教学目的 了解生命周期评价理论（LCA）；掌握生命周期理论 （LCA），并能够利用该理论对包装进行绿色评价。 教学重点（核心知识点）生命周期评价理论框架内容 教学难点清单分析数据确认、影响评价、生命周期评价在包装中 的应用 教学时数 10学时（讨论1.5学时）,目录,什么是LCA,案例引入,01,思考1:如何判断下列四种包装更环保、更绿色,1. 生物质包装材料：以植物纤维( 稻草纤维、亚麻纤 维、剑麻纤维等) 和淀粉( 玉米淀粉、马铃薯淀粉等) 为主要原料，添加一定

2、的辅助材料经发泡成型制备而成。,2. 淀粉基可降解塑料：以60%含量以上的淀粉为主要材料与其他聚乙烯醇等可降解材料进行共混进行挤塑和注塑制得的塑料。,3. 瓦楞纸板：瓦楞纸板是一个多层的黏合体，它最少由一层波浪形芯纸夹层及一层纸板构成。,4. 牛皮纸：用针叶树的木材纤维，经过化学方法制浆，再放入打浆机中进行打浆，再加入胶料、染料等，最后在造纸机中抄成纸张,生物质包装材料生命周期评价模型,生物质包装材料生命周期系统模型,思考2:该过程需要收集哪些数据呢？,生命周期评价过程,生物质包装材料生命周期评价结果,典型生物材料环境负荷比较,参考文献: 郭安福. 基于全生命周期理论的生物质包装材料环境友好性

3、模型与评价. 化工新型材料，2017,45（7）:138-140,什么是LCA（熟悉）,01,什么是生命周期？（课本p55-56）,原材料开采、原料加工、产品制造、运输销售、使用维修、废弃物循环、处置、回收的整个过程。,生命周期评价理论(LCA)（课本p55-56）,产品/服务的生命周期中资源消耗/环境破坏的 分析与评价,13,13,一般产品的生命周期,自然资源,原料开采,设计与生产,包装与运输,使用与维护,废物处理,焚烧与填埋,回收利用,重新使用,材料或零部件的再循环,15,15,LCA的特点,对象是产品系统,LCA的主要特点 （课本p55-56）,原材料开采、原料加工、产品制造、运输销售、

4、使用维修、废弃物循环、处置的整个过程。,LCA 产生的背景及意义（了解）,02,LCA的背景及意义,1,LCA的起步阶段,3,LCA的成熟阶段,5,LCA在中国,2,LCA的探索阶段,4,LCA的推广阶段,6,LCA的意义,为什么实行产品的生命周期管理？,不顾环境的传统工业生产 末端治理 简单的生产过程控制,生命周期管理,21,生命周期管理,生命周期评价,22,原材料,补充：LCA在包装方面的应用背景（熟悉）,绿色包装,包装界的理性觉醒,如何评价？,生命周期 评价理论,LCA的起步阶段,27,27,被动反应式的管理方式,积极的预防污染方式,生命周期,实际上单纯的末端控制和生产过程控制，往往是解

5、决了局部的环境问题，而给其它地方带来更大的环境问题。 举例：英国Drax发电厂是一个煤炭为燃料的功率为4000MW的发电厂，每秒燃烧大约430kg的碳，产生17kg的SO2 (2%)含量。为了治理大气污染，采用了湿石灰/石膏工艺出去SO2 ，但是采用生命周期评估后发现，如果考虑原材料提取、生产和运输过程的环境负载和生产过程中的能耗，则在整个生命周期将反而生产900t的SO2 ，此外，每年多排放8200t的碳酸钙,29,起步阶段,29,（1969年可口可乐公司）,1000个1L,运输能5.5/4.5,230公斤石油,运输能9.3/0.7,100公斤石油,资源消耗,环境损害,环境负荷,人体健康,人

6、体健康,产品的量,塑料瓶VS玻璃瓶,惠普公司,德国奔驰,意大利菲亚特,瑞典爱立信,LCA的探索阶段,34,35,研究对象,婴儿尿布 7%,包装 45%,化工产品 9%,建筑材料 8%,餐具 3%,35,LCA的成熟阶段,37,37,1990年首次 提出LCA,38,38,1993年,39,LCA发展,39,LCA的推广阶段,ISO,1997,ISO14040,1999,ISO14041,2000,ISO14042,2000,ISO14043,2006,ISO14040+ISO14044,LCA在中国,ISO,1999,GB/T24040-1999,2000,GB/T24041-2000,200

7、2,2002,GB/T24042-2002,GB/T24043-2002,LCA的意义,比较分析不同产品的综合环境影响,A,为“绿色”产品认证提供量化依据,B,评估政策（行业、产品）变动所带来的环境影响,C,工业效率，工业活动的环境效益评价,D,LCA的框架(重点掌握),03,目标与范围的 确定,目标 框架,LCA体系框架与阶段,LCA体系框架与阶段,2中的量化分析是各阶段数据的分析； 3中的量化是将数据的环境影响归一化,目标和范围 确定,清单分析,影响评价,解 释,确定范围（系统建立）,系统边界,功能单位,确定目标,一、目标和范围确定,目标,1. 对特定产品或过程的环境因素进行评价，以获得如

8、何改进其环境表现的信息。 2. 如果在设计阶段，目的可能是比较不同方案； 3. 如果已经投产，可能是评价产品或者流程的系统，以确定最低干扰和最低成本。,范围（系统）,1. 确定系统边界； 2.整个过程中所有过程都需要作为产品生命周期来描述； 3. 系统的所有过程都落入系统的边界内； 4. 确定边界后，考虑输入和输出。,1. 产品系统和单元过程,范围确定背景,1. 为什么要开展这项研究； 2. 研究结果将如何运用； 3. 谁将使用这些研究结果； 4. 是否需要研究具体环境问题； 5. 环境问题需要研究到什么程度,如何确定范围（系统）？,1. 生命周期范围； 2. 细节标准范围：5%原则； 3.

9、环境影响范围； 4. 时空边界：地域范围和时间跨度,注意： 1. 边界确定具有主观性； 2. 描述输入和输出数据准则 3. 5%原则需要说明,举例：比较纸-塑复合与塑-塑复合包装的环境影响,思考：单独通过使用阶段/废弃阶段能进行合理比较吗？,分析过程：两类包装的生命周期；生命周期各阶段的输入及输出,深入思考：哪类包装能够通过阶段性比较来判断其环境影响呢？,分析过程：其他阶段具有类似性,b. 细节标准范围：对生命周期评价的详细程度5%原则：舍弃质量低于产品总质量5%的原材料或零部件，但产生严重环境影响的除外。,举例：复合软包装用PET印刷薄膜,分析该薄膜的生命周期评价过程中符合5%原则的原料及特

10、殊情况,分析过程：该薄膜的制备过程（树脂、添加剂？）、该薄膜的印刷过程、该薄膜的使用过程、废弃过程,分析结果：制备过程：树脂、塑化剂、抗氧化剂、稳定剂、油墨、黏合剂等主要组成，其中除树脂外含量均低于5%的量，但是其中塑化剂及油墨中的重金属成分、黏合剂中的VOC成分对环境及人体的危害极大。因此结合该原则，可以扣除其中部分添加剂，而不能扣除塑化剂、油墨、黏合剂,PET,污染物,多色印刷,重金属微量元素/有机溶剂/塑化剂,多层不透明包装袋,印刷层/阻隔层/热封层,铝箔,+,+,PE,白色污染,塑化剂,污染物,抗氧化剂,重金属微量元素/有机溶剂/塑化剂,饮料瓶,聚对苯二甲酸乙二醇脂 PET,+,其它添

11、加剂,+,紫外吸收剂,着色剂,+,c.环境影响范围：资源、生态、健康,基础分析：仅限于产品生产阶段 能源边界：包括能量生产的外部流 扩展边界：与工业系统直接相关的所有生命周期 综合边界：包括生物形成的自然过程和材料分解过程,举例：复合软包装用PET印刷薄膜,PET,污染物,多色印刷,重金属微量元素/有机溶剂/塑化剂,多层不透明包装袋,印刷层/阻隔层/热封层,铝箔,+,+,PE,白色污染,d. 时空边界：地域范围和时间跨度 大颗粒粉尘的排放只对当地环境产生影响，氮氧化物排放导致数百平方公里区域内出现酸雨，二氧化碳排放影响整个地球的能量平衡； 时间跨度上，化学烟雾的污染只在1-2天内对环境产生影响

12、，而对生态系统的破坏会持续几十年。,通过a-d四个方面的综合考虑确定了LCA分析对象的研究范围，即确定了该对象的研究系统，范围（系统)确定后，可以来确定单元过程和系统边界。,分配和运输,单元过程1,单元过程2,单元过程3,基本流,基本流,基本流,基本流,基本流,基本流,物 质,中间 产品流,中间 产品流,产 品,环境,环境,产品系统,产品流,其他系统,产品流,其他系统,63,单元过程：研究对象的生命周期可以明确划分的各阶段。 由此可以决定研究中对哪些单元过程建立模型及研究程度,内部产品流:各单元过程之间的基本材料、装配组件等（待处理的可用废弃物可以在单元过程中流动）,基本流:系统由外向内提供的

13、资源能源和由内向外（向空气水体及土壤排放的三废）,其他系统产品流:研究对象的生命周期从外界获取或向外界提供的产品（半成品或者成品）,其他系统产品流:研究对象的生命周期从外界获取或向外界提供的产品（半成品或者成品）,64,系统边界：用来区分系统内部（包括单元过程、（中间）内部产品流）与外部环境（包括输入输出基本流和其他系统产品流）的界限,2. 系统边界和功能单位,举例1：包装纸生命周期系统边界图（取对环境影响的关键单元过程）,思考：该系统的单元过程、内部产品流、输入输出基本流、与其他系统相关的输入输出物质流,树木的生长于砍伐,化石燃料的开采,运输,包装纸的生产,包装纸的加工,包装纸的运输,包装纸

14、的使用,包装纸的废气再利用,包装纸需要研究的系统边界,原 纸,加 工纸,基本流,基本流,四个过程、原纸/加工纸、煤/油/天然气/林木/水（输入）/三废（输出）等、原木（输入）/用于回收利用的废纸（输出）,举例2：牛奶生产的生命周期系统边界,思考：该系统的单元过程、内部产品流、输入输出基本流、输入输出物质流,三个过程、灭菌牛奶/盒装牛奶/牛奶盒、煤/油/天然气/林木/水等/三废、牧场的牛及牛奶（输入）/回收利用的处理物（如利乐包废弃后用于制备垃圾桶或者板凳/灯罩）,举例 3：说明 复印纸的范围,辅助原料的生产,原料的生产,制浆,抄纸,包装,一级经销商,回收,次级经销商/用户,复印纸系统流程图,产

15、品系统及从产品边界,木材原料的获取、加工,燃料开采,化学品生产,纸浆生产,自制浆生产复印纸系统边界图,交通工具生产,能 源 生 产,复印纸生产,复印纸运输,废 水 处 理,一级经销,系统边界,功能单位：1000Kg复印纸,制浆过程,抄纸过程,化学品生产,能 源 生 产,复印纸运输,废 水 处 理,练习：功能单位确定,采用LCA评价塑料瓶与玻璃瓶的环境影响，其功能单位是什么？,1L或者nL的体积单位,采用LCA评价不同榨菜软包装的环境影响，其功能单位是什么？,nKg榨菜,采用LCA评价公路运输的环境影响，其功能单位是什么？,机动车每载重1t且行驶里程为1000km,讨论实例 1,VS,从生命周期

16、理论来讲玻璃瓶与易拉罐哪种 更具有环保特性？请确定其目标与范围,讨论提示： 1.产品系统的确定：玻璃瓶/易拉罐生命周期过程确定； 2.系统边界：通过评价的范围来确定使用哪类系统边界； 3.功能单位：通过瓶子的功能来确定功能单位。,环保特性的分析：谁更环保,如果人们只看到玻璃瓶可以回收二易拉罐被抛弃了，容易得出玻璃瓶比易拉罐有利于环保的结论。无论正确与否，这一分析只看了饮料包装容器整个生命周期中的一个环节。,事实上，其它环节也会对环境造成影响。从各自的原料被采掘、加工成容器，到用来包装食品，再将包装好的食品运输分销到消费者，乃至在消费者家中如何贮藏等所有环节，都对环境造成影响。,各个环节的比较,

17、如何列系统图框,玻璃瓶及易拉罐系统图及边界,思考实例 2,一次性纸尿裤与可重复使用的尿布哪一个 更符合环保要求呢？,OR,5340,320,优于,目标和范围确定,清单分析 （LCI）,影响评价,解 释,系统建立,绘流程图,量化分析,二、清单分析,清单分析：对产品、工艺或活动在整个生命周期各阶段的资源、能源消耗和向环境的排放（三废）所进行的数据量化分析。,1. 生命周期中资源、能源使用、废弃物排放定量技术； 2. 包括数据收集、计算，目的是对输入输出进行量化； 3. 对系统过程进行单元划分，并收纳各单元数据； 4. 以功能单位为数据基础； 5. 数据指对环境影响的数据-能源、资源、排放；,1.

18、各单元过程之间有产品或废弃物流相联系； 2.单元过程与环境通过基本流相联系； 3. 单元过程明确输入输出遵守物质/能量守恒； 4.物质能量守恒来验证单元表述的有效性。,LCI过程,单元划分原则,1. 系统建立（边界及功能单位见第一部分）,能 量,物 质,原料获取,制造、加工、方案制定,分配和运输,利用、再利用、维护,再循环,废弃物管理,能 量,物 质,输入,输出,守 恒,分配和运输,单元过程1,单元过程2,单元过程3,基本流,基本流,基本流,基本流,基本流,基本流,物 质,中间 产品流,中间 产品流,产 品,环境,环境,产品系统,产品流,其他系统,产品流,其他系统,1. 数据来源：测量、计算、

19、估算； 2. 输入：能量输入、原材料输入、辅助性输入、其他物理输入； 输出：产品、废弃物、三废排放、其他环境因素； 3. 数据细化：如气体排放，具体化为一氧化碳/二氧化碳/二氧化硫/二氧化氮等,1. 制定收集计划：目标、来源、可信度； 2.绘制清单流程图：包括输入输出； 3. 确定数据来源与种类：原始数据、间接数据；测算/模拟； 4.收集方法：自行收集、数据库、文献数据、报告性数据,数据类型,数据收集,2. 绘制流程图,数据收集的准备,数据的收集,数据的确认,数据与单元过程的关联,数据与功能单位的关联,数据的合并,系统边界的修改,分配与再循环,数据,功能单位,单元过程,1. 数据质量指示器；

20、2. 评价数据质量； 3. 数据缺失时的处理、调整和替代。确定 1）可接受度；2）偏差； 3）比较性；4）完备性； 5）精确度；6）参考性； 7）收集方法及局限性,1. 共生产品系统； 2.生产工艺再循环过程； 3. 应当尽量避免分配：单元划分时尽量细化。,数据确认,数据分配,86,举例：闭环系统-玻璃啤酒瓶；开环系统-利乐包再利用,思考：包装中常见的闭环系统和开环系统材料,实例 分析 ： 量化分析,能源与资源消耗,环保长凳,废弃物处理,石油开采,精炼石油,乙烯,丙烯,聚乙烯,聚丙烯,运输,运输,乙烯,聚乙烯,森林,运输,木材加工,纸,铝矾土,运输,氧化铝,铝箔,利乐包生产,原材料获取,牛奶产

21、品,牛奶罐装,牛奶消费,废弃包装回收,运输,清洗/粉碎/热压,水管灌空气冷凝,系统边界,1 原料获取,2 原料运输,3 生产加工,4 废弃物处理,功能单位：4000个250mL的屋顶式牛奶包装盒,一、数据收集表,I,输入流,O,输出流,P,产品 系统,环境,环境,产品系统,输入流,输出流,原材料 获取,原料运输,生产加工,废弃物处理,产品系统,二、数据的确认,4000个,2.398,三、数据的分配,100,举例：闭环系统-玻璃啤酒瓶；开环系统-利乐包再利用,思考：包装中常见的闭环系统和开环系统材料,目标和范围确定,清单分析 （LCI）,解 释,量 化,特 征 化,影响评价 （LCIA）,分 类

22、,三、影响评价,影响评价：对环境影响结果的合理预期。,102,1. 分类：,定义：将清单分析结果划分到各个环境影响类型的过程,环境影响因子,环境影响,环境效应 后果,2.特征化：,定义：计算各类影响类型的环境影响潜值总和。把所有环境影响因子归一为单一的环境当量基准因子的过程。,/CO2CO/CH4/NOX/三氯乙烷,当量因子,106,106,3. 量化,定义：依据特征化对各类环境影响类型的潜值总和,对各类环境影响进行赋权，进行总环境影响潜力的量化计算,赋权-权重：社会总则及 专家评判,总影响潜值计算：,LCA的实例分析,04,实例 分析 ： LCA全过程,辅助原料的生产,原料的生产,制浆,抄纸

23、,包装,一级经销商,回收,次级经销商/用户,复印纸系统流程图,1. 目标和范围的确定：系统、边界、功能单位,确定功能单位：1000Kg复印纸,如何确定范围（系统）？,1. 生命周期范围； 2. 细节标准范围：5%原则； 3. 环境影响范围； 4. 时空边界：地域范围和时间跨度,注意： 1. 边界确定具有主观性； 2. 描述输入和输出数据准则 3. 5%原则需要说明,111,111,注意：由于获取数据限制，需要根据所确定的系统边界做几点简化假设说明：,1. 造纸用化学品取舍：5%原则,2. 企业内部与生产相关的机械设备的维护数据无法统计获取，并且该过程对环境影响小，所以排除在研究范围之外；,11

24、2,112,3. 根据企业调研，制浆与抄纸通常在一个厂区，因此浆料运输不研究范围内；,4. 对于产品的包装过程，由于本研究重点研究复印纸产品系统定量评估，因此不考虑包装材料生产，排除在范围外；,5. 对于产品生产用水，由于水的前处理过程不作为生产工艺的主要环节，并且这一环节对环境影响可以忽略，因此不考虑水的前处理过程；,5. 根据企业调研及数据获取的实际情况，生产所需的化学品及其他辅料大都来自于临近的化学品厂，不考虑化学品运送至纸厂，因此化学品和辅料的运输过程不予考虑；,113,113,数据质量要求,造纸行业典型产品LCA分析数据质量要求,木材原料的获取、加工,燃料开采,化学品生产,纸浆生产,

25、自制浆生产复印纸系统边界图,交通工具生产,能 源 生 产,复印纸生产,复印纸运输,废 水 处 理,一级经销,系统边界,制浆过程,抄纸过程,化学品生产,能 源 生 产,复印纸运输,废 水 处 理,如何进行数据的收集（清单分析）呢？,确定系统边界后，将产品系统分为制浆、抄纸、化学品生产、能源生产、运输、污水处理6个单元过程,2. 清单分析： （1）资源及能源的消耗,（2）废弃物排放-气体排放,图1,（3）废弃物排放-水体排放,图2,3. 影响评价：单元过程对全球变暖,图3,3.影响评价：单元过程对酸化,图4,3.影响评价：单元过程对富营养化,图5,3.影响评价：单元过程对光化学烟雾,图6,3. 影

26、响评价：单个环境影响评价,3. 影响评价：单个环境影响总评,如何分析各个单元过程对环境影响的贡献？,从图36的结果可见， 1. 制浆和抄纸是造成环境污染的主要单元，两个过程占环境总影响的50%以上; 2. 其次是化学品的生产和运输； 3. 能源生产和污水处理影响最小；,抄纸,制浆,化学品,+,+,解释（环境问题辨识+数据质量评估）,清洁生产,如何进行数据质量评估？,方法：敏感性分析和不确定性分析,敏感性分析是一种定量分析各参数对分析结果影响的重要性程度的方法，通过数据的统计过程，识别出对分析结果有较大贡献的数据条目，为日后收集数据提供依据.,不确定性分析是用来判断与量化由于输入的不确定性和数据

27、变动的积累给生命周期清单结果带来的不确定性的系统化程序，该程序描述在数据组中的统计变异。,课堂讨论1：生命周期影响评价与普通环境影响评价的比较,对象不同,目的不同,回顾：LCA的目的 及意义；,潜在影响,揭示环境、生态、人体污染的程度,揭示项目方案是否完善，环保措施是否到位，项目能否上马,比较分析不同产品的综合环境影响,A,为“绿色”产品认证提供量化依据,B,评估政策（行业、产品）变动所带来的环境影响,C,工业效率，工业活动的环境效益评价,D,课堂讨论2：生命周期影响评价的发展趋势,局限性,应用范围,A,数据获取,B,数据分配,C,系统边界,D,评价方法,E,评价结果,F,材料环境性数据库,通用性、可比性、服务性、预测性,发展,统一的方针,A,适合企业的,B,可持续发展,C,补充了解：生命周期影响评价生命周期影响评价特征化的方法,138,138,目标距离法 可再生的资源消耗 (IRrr)i = AMTrri（1-RCi） IRrr : 每功能单位消耗的可再生资源的影响； AMTrri : 清单分析中每功能单位的