环境材料学chp6

1、第六章 生命周期评价的应用 生命周期评价（LCA）作为一种产品评价与产品设计的原则与方法，可应用于环境管理, 涉及企业、政府与消费者3个层次。1） 应用于工业企业部门产品系统的生态辨识与诊断。通过从摇篮到坟墓的分析，识别对研究影响最大的工艺过程和产品寿命阶段。不同产品不同的生命周期阶段的环境影响是不同的。另外，也可以评估产品（包括新产品）的资源效益，即对能耗，物耗进行全面平衡，一方面降低能耗、物耗从而降低产品成本；另一方面，帮助设计人员尽可能采用利于环境的原材料和能源。产品环境影响评价与比较。以环境影响最小化为目标，分析比较某一产品系统内的不同方案或者对替代产品（或工艺）进行比较。例如通过分析

2、燃油汽车和电力汽车，发现电力汽车的环境影响并不象通常认为的很小，而是要大于燃油汽车。生态产品设计与新产品开发。直接将LCA应用于新产品的开发与设计中。再循环工艺设计。大量的LCA工作结果表明，产品用后处理阶段的问题十分严重，解决这一问题需要从产品的设计阶段就考虑产品用后的拆解和资源的回收利用。2） LCA应用于政府环境管理部门和国际组织，可借助于LCA进行环境立法和制定环境标准和产品环境标志。制定环境政策和建立环境产品标准。在环境政策与立法上，很多发达国家已经借助于LCA，制定“面向产品的环境政策”。实施生态标志计划。客观上促进了生态产品的设计、制造、技术的发展，为评估和区别普通产品与生态标志

3、产品提供了具体的指标，客观上也刺激了生态产品的消费。优化政府的能源、运输和废物管理方案，LCA能够很好的支持政府的环境规划。向公众提供有关产品和原材料的资源信息。与产品有关的环境数据和信息，全球尚无统一的来源，各国都在积极开展有关的数据收集、整理工作。 例如美国国家环保局开展了大量的LCA研究，已经积累了一些主要的化学品的大量数据，成为产品设计和使用的第一手科学背景资料。荷兰资源环境部开展了“生态指标”计划，目前已经提出了100种原材料和工艺的生态指标，直接为设计人员选择原材料和生态工艺提供定量化的支持。国际环境管理体系的建立。LAC直接促进了国际环境管理体系的制定。以1992年联合国环境与发

4、展大会所通过的国际环境管理纲要为契机，国际标准化组织（ISO）于1993年6月成立了ISO/TC207“环境管理委员会”，开始起草ISO14000环境管理体系标准，与已被80多个国家和地区所广泛采用的ISO9000标准不同，ISO14000体系不仅关注产品的质量，而且对组织的活动、产品和服务，从原材料的选择、设计、加工、销售、运输、使用到最终废弃物的处理进行全过程的管理。该标准旨在促进全球经济发展的同时，通过环境管理国际标准来协调全球环境问题，试图从全方位着手，通过标准化手段来有效地改善和保护环境，满足经济持续增长的需求。3） LCA用于消费者组织消费者组织主要利用LCA指导消费者进行环境产品

5、的消费以及对公众行动进行全过程的环境评价。6.1生命周期评价应用实例在过去的20多年中，通过实施ISO 14000国际环境管理标准，LCA的应用已遍及社会、经济的生产、生活的各个方面。在材料领域，LCA用于环境影响评价更是日臻完善。到目前为止，LCA在钢铁、有色金属材料、玻璃、水泥、塑料、橡胶、铝合金、镁合金等材料方面，在容器、包装、复印机、计算机、汽车、轮船、飞机、洗衣机及其他家用电器等产品方面的环境影响评价应用都有报道。6.1.1 建筑瓷砖的环境影响评价我国是世界上最大的建材生产国。从资源的消耗到环境的损害，建材行业一直是污染较严重的产业。为考察建材生产过程对环境的影响，用LCA方法评价了

6、某建筑瓷砖生产过程对环境的影响。该瓷砖生产线的年产量为30万m2，采用连续性流水线生产。所需原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加剂等，消耗一定的燃料、电力和水，排放出一定的废气、废水、废渣，其生产工艺示意图见图6-1。球磨废气废渣废水配料干燥烧成成形包装加水加热搅拌图6-1 某瓷砖生产工艺示意图在LCA实施过程中，首先是目标定义。对该瓷砖生产过程的环境影响评价的目标定义为只考察其生产过程对环境的影响；范围界定在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。对该瓷砖生产过程的环境影响LCA评价的编目分析，主要按资源和能源消耗、各种废弃物排放及其引起

7、的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗则按原料配比进行数据分类；污染物排放按废气、废水、废渣等进行编目分析。由于该生产过程排放的有害废气量很小，主要是二氧化碳，故废气排放量可以忽略，而以温室效应指标进行数据编目。另外，在该瓷砖生产过程中其他环境影响指标如人体健康、区域毒性、噪声等也很小，因此在编目分析中也忽略不计。在环境影响评价过程中采用了输入输出法模型，其输入和输出参数见图6-2所示。其中输入参数有能源和原料，输出参数包括产品、废水、废渣，以及由二氧化碳排放引起的全球温室效应。输入参数输出参数能源资源瓷砖废渣废水全球温室效应由钢渣生产瓷砖的工艺

8、过程图6-2 某瓷砖生产线的输入输出法评价模型通过输入输出法计算，得到该瓷砖生产过程对环境的影响结果见图6-3，其中图6-3(a)为能源和资源的消耗情况，图6-3(b)为对环境的影响。由图可见，该瓷砖生产过程的能耗和水的消耗较大。由于采用钢渣为主要原料，这是炼钢过程排放的固态废弃物，因此在资源消耗方面属于再循环利用，这对保护环境是有利的生产工艺。 (a) (b)图6-3 某瓷砖生产过程的环境影响LCA评价结果另外，该工艺过程的废渣排放量较小，仅为0.5 kg/m2；废水的排放量为30 kg/m2，且可以循环再利用。相对而言，该工艺过程的温室气体效应较大，生产l m2瓷砖要向大气层排放19.8

9、kg二氧化碳，因此，年产量为30万m2的瓷砖向空中排放的二氧化碳总量是相当可观的。对LCA评价结果的解释，除上述的环境影响数据外，通过对该瓷砖生产过程的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等。6.1.2 聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价全世界约有4万家涂料生产厂。包括乡镇企业在内，中国目前约有上万家，有一定规模的涂料厂也有几百家。由于高能耗、低质量、污染环境、损害人体健康等原因，急需采用先进技术改进生产工艺和相应的施工技术。而且在近几十年内，建筑涂料行业将是我国材料应用的主要行业。因此，发展高档的环境兼容性建筑涂料是国际上的一个重要趋势。为研究有机

10、涂料的生产和使用对环境的影响，这里选取一个防水涂料生产的实例，用LCA方法进行环境影响评价。其目标定义为该防水涂料的生产过程对环境的影响，不考虑涂料的施工及使用对环境及人体健康的影响；范围定义在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，不考虑原料的生产加工过程及废水、废渣的再处理过程。根据图6-4的防水涂料生产工艺示意图，对该涂料的环境影响因素进行编目分析。主要按资源和能源消耗，各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗按原料配比进行数据分类；污染物排放按废气、废渣等进行编目分析。由于是生产涂料的工艺过程，生产中排

11、放大量的有机废气。除二氧化碳以温室效应指标进行数据编目外，还用区域毒性和挥发性有机物来评价有害气体排放对环境和人体健康的影响。相对而言，涂料生产过程中的废水排放量很小，可以忽略。另外，在该生产过程中噪声等影响因素也很小，因此在编目分析中也可忽略不计。配料搅拌脱水调配反应包装废气废渣图6-4 某防水涂料的生产工艺示意图用输入输出法评价该防水涂料对环境的影响，其输入和输出参数见图6-5所示。其中输入参数有能源和原料，输出参数包括涂料产品、废渣、有机挥发物、区域毒性水平以及由二氧化碳排放引起的全球温室效应。根据输入和输出数据计算得到该防水涂料对环境和人体健康的影响结果见图6-6。其中资源的消耗包括原

12、料和燃煤获取能源的消耗，能源的需求相对较高，1 kg产品需耗能8.8 MJ。从环境的影响看，该工艺过程的固体废弃物排放量较小，仅为0.054 kg/kg。由于能耗较高，相应的温室气体效应较明显，当量二氧化碳气体排放达0.572 kg/kg。对人体健康有影响的有机挥发物排放较少，为0.15 kg/kg。包括有机固体废弃物在内，该防水涂料生产过程排放的有害物的区域毒性影响为2.5 kg/kg，表明该工艺尚有改进的余地。聚氨酯防水涂料生产过程输入参数输出参数能源资源涂料产品废渣全球温室效应有机挥发物区域毒性水平图6-5 某防水涂料生产过程的输入输出法评价模型图6-6 某防水涂料生产过程的环境影响LC

13、A评价结果对LCA评价结果的解释，除上述的环境影响数据外，通过对该涂料生产过程的LCA评价，提出的改进工艺主要有提高资源效率、降低能耗、降低总有害物的排放量及减少温室气体效应影响等。6.2 用层次分析法评价一般材料的环境影响这里介绍用层次分析法评价铁、铝和高密度聚乙烯等三种常用材料在使用过程中的环境影响。定义一个环境指数为LCA的评价目标。评价范围界定为材料的使用过程对环境的影响。 将目标层、准则层及方案层构造完毕后，按照LCA原理，可以进行环境影响评价的编目分析。由于是评价材料在使用过程中的环境影响，除考虑被评价材料的环境因素如能耗，资源消耗，温室效应，人体健康影响，排放的废气、废水及固态废

14、弃物外，还应考虑材料的使用性能如拉伸强度、线膨胀系数、比热、电导及电极电位等，详细见图6-7的编目分析示意图。图中目标层为环境指数，准则层为环境影响及材料性能，方案层为具体的各种指标。收集编目分析的各种具体数据，可构造如式(6-1)及式(6-2)两个矩阵。废气废水环境指数材料性能电极电位拉伸强度线膨胀系数区域毒性水平总耗能温室效应资源消耗环境影响电导率废渣热容图6-7 常用材料环境影响的编目分析示意图 (6-1) (6-2)式中：S*材料性能指标；E*环境影响指标；HEDP高密度聚乙烯。解矩阵式(6-1)及式(6-2)，得到三种材料环境影响及性能指标的AHP分析结果，见表6-1。显然，从环境指

15、数来看，这三种材料在使用过程中，高密度聚乙烯的环境影响最小，铁的环境影响也比较小，铝的环境影响最大。这个结果与用输入输出法评价的同样三种材料的环境影响趋势是一致的。由以上介绍可见，LCA对评价材料的环境影响是一种有效的定量的方法、工具及手段，尽管LCA方法不具有行政和法律管理手段的强制性，有关其研究和应用仍风靡全球，一方面是由于其在环境影响评价中的重要作用，另一方面也是环境保护思想深入人心的结果。表6-1 材料的环境影响及性能指标的AHP分析结果FeAlHEDP环境影响2.027659.95131.9384材料性能1.11161.30312.9910环境指数1.824046.00670.648

16、1另外，LCA评价是建立在整个寿命循环的概念和环境编目数据的基础上，亦即“从摇篮到坟墓”的全程分析，可以系统地、充分地阐述与系统相关的环境影响，进而寻找环境改善的时机和途径，体现了环境保护由简单粗放向复杂精细发展的趋势。在开发和生产环境友好型产品的过程中，LCA方法是一种有效的环境评价方法和管理工具，许多跨国公司都认为，出于市场和成本的考虑，使用LCA方法来评价和管理企业及其产品的环境影响，有助于公司适应日益激烈的竞争和今后的发展。6.3 汽车轻型化能否减轻环境负荷全世界的汽车数量在急剧地增长,大量消费矿物燃料，并且大量生产、大量消费、大量废弃的汽车已导致地球的温室效应、酸雨、垃圾等诸多的环境

17、问题。 表6-2 全世界运输行业排放到大气中的气体量排放气体排放量（100万吨）运输行业在排放气体总量中的比例（%）CO2105015SOx3.03NOx28.642HC21.240CO106.260汽车排放的废气占运输行业废气排放量的大部分，正因如此，迫切要求紧急采取限制汽车排气的各项政策。美国开始执行强化限制汽车油耗的CAFE规定，而且，在空气污染严重的加利福尼亚州坚决执行了空气净化法规。该州规定，1998年以后作为义务，要销售一定比例的无排气机动车，即电气汽车。为了抑制和减少废气，人们正通过各种技术改善汽车的油耗。油耗和汽车重量密切相关，所以人们通过减轻汽车的重量来降低油耗已经成为一种主

18、要的发展方向。6.3.1改善油耗的技术与车辆轻型化 有很多改善汽车油耗的技术，但可以分类为减少行驶阻力和提高机械效率两大类。前者包括减轻车体重量、减少空气阻力、提高轮胎的牵引性等；后者包括提高传动及发动机效率等。最近正在开发既有上述所有改善油耗技术又具有很好安全性的新型汽车。 从统计数据可知，降低10%的车体重量可以降低油耗10%。车体轻型化包括：1）采用高强钢；2）改用轻型材料（铝、塑料）；3）改变形状（如减少厚度、使用空心材料、小型化、集成化等）。另外通过减少发动机中高速往复或旋转运动部件及传动部件的重量也可以使发动机等的效率得到提高。 此外，通过发动机燃烧条件的最佳控制来改善油耗的技术开

19、发也受到重视。现在采用的三元触媒燃烧条件下，空气燃料比约14，而且大幅度提高空气燃料比（达23）的稀混合气发动机已开始实用化。此外，更高性能的NOx触媒的开发也备受重视。6.3.2 材料轻量化的现状与动向 1) 钢铁材料高强度钢的发展汽车是由车体、转动部分、发动机等驱动装置及各种装置的部件组成，高强度的车身钢板可以做得很薄。在此期间开发出了各种成型性好的高强度钢板，可根据车身不同部位的成型条件及特性灵活应用。如添加P元素的钢、复合钢板及热涂时发生时效硬化的BH钢等都是典型的例子。最近，高残余奥氏体钢和IF钢（通过添加Nb和Ti，固定C和N的Interstitial Free钢）等的采用比例也提

20、高了。对整个车身来说，这类钢板的实用率约为25%。经过表面处理的钢板使用率也增至约70%，其中36%是高强度钢板。此外，汽车底盘使用高强度钢板的比率约为25%，至于焊接部位的强度和疲劳特性方面，通过在钢板及设计方面的一些措施可以改善，因而高强钢将会被更多地采用。随着高强度钢和结构钢的技术进步，除薄钢板之外，以圆钢和钢管作为原材料的部位也要尽量轻量化。今后，作为汽车的主要材料，钢铁会在汽车轻型化方面发挥重要作用。2）铝的扩大使用作为汽车材料，铝的使用率只占百分之几，而且大部分是铸造铝合金。铝原材料价格比钢材贵数倍，因而目前铝材优先用于一些高档车。除了铸铝合金外，用做冲压、轧制和锻造材料的形变铝合

21、金也开始被采用了。若将车身材料由钢板换成铝合金板，可使车体重量大幅度降低。1991年，日本汽车商开始销售全铝材车身的赛车，这种车的铝材使用率为31%，车身重量减少13%。下面给出了美国在1993年车型中使用铝材的情况，其中部分车已采用铝车蓬。表6-3 美国三大汽车制造厂家在1993年新型车的组成零件中用铝的百分比组成零件用铝材率（%）组成零件用铝材率（%）活塞100空气压缩机90汽缸盖76空气进气分流器84发动机机座100水泵和盖子80变速箱90散热器72变速器阀体90加热器外套60管道涂层90金属泊40空气冷凝器、汽化器90发动机罩9 用作车身的铝合金薄板必须具备的性质有冲压成型性，点焊性及

22、可喷涂性等。昂贵的价格阻碍了铝合金在汽车工业中的应用。以增加成本为代价使汽车轻型化是不足取的。当前开发新型汽车的目标是轻型化与低成本同时兼顾。目前紧迫的任务是稳定粗铝锭价格，开发熔化精炼再生材料的提纯技术，低成本形变铝合金技术及易再生循环利用的铝合金等，所有这些技术开发中都必须重视降低成本。汽车使用的主要材料及零件多种多样。一般由2-3万个零件组成。由下表可以看出，汽车材料构成比例中，塑料的比率也在逐年增加。表6-4 普通小型轿车的原材料构成比的变化（单位%）年度铸铁普通钢钢材特殊钢钢材有色金属非金属（含合成树脂）19733.260.417.55.013.9(2.9)19773.261.616

23、.14.714.4(3.5)19802.860.514.75.616.4(4.7)19832.259.514.35.618.4(5.7)19861.757.715.06.119.5(7.3)19891.756.915.17.418.9(7.5)19922.154.915.38.019.7(7.3)塑料的使用率由1873年的2.9%增加到1986年的7.3%，这种倾向主要考虑了轻量化、设计和使用方面的要求。在废车处理（粉碎）过程中,大部分塑料以粉碎粉末的形式作为垃圾处理掉,这成了阻碍塑料再资源化的主要因素。当前，全世界的汽车拥有量每年都在大幅度增加。在这样的情况下，要想改善汽车排气直接有关的环境

24、问题，就应1）确定汽车在整个社会中的作用及地位；2）通过各方面的技术开发来降低油耗，开发、普及代替汽油（柴油）的新型汽车；3）就开发环境协调性汽车方面的问题，进行国际学术交流，促进面向发展中国家的技术转让等。随着政策、法规的强化，汽车轻型化以及降低油耗技术的开发一定会取得实质性进展。车辆轻型化技术还会对新型能源车，如以酒精、天然气、液氢、太阳能为能源的汽车的开发和实用化做出贡献。6.4 再生纸是否与环境协调人类社会的发展是由很多因素决定的，其中信息情报交换功能的发达便是一个很重要的因素。在这里纸的功绩是不可磨灭的。纸可以说是文化的标志，1989年的统计表明，全世界的纸用量为23000万吨，每人

25、每年平均用纸45kg,而美国人均达300kg，西欧和日本人均约200kg,就是说发达国家消耗的纸占了一大部分。在很久以前，人们就认识到了以旧纸作纸浆比木材作纸浆造纸更经济，因此再生纸的利用得到了长足的发展。随着环境问题意识的高涨，人们担心大量用纸会加重环境负荷，因而对再生纸的使用更寄予厚望，希望能减轻环境负荷。但是也有观点认为利用再生纸对环境保护并无贡献，究竟如何呢？下面从环境负荷和能耗的大小，对再生纸和原浆纸进行一番比较。纸有很多类，从用途上可分为纸（如：信息纸、包装纸、美术纸、报纸、卫生纸等）和纸板（如：包装用的纸板和包装箱的纸板等）两大类。最近随着办公自动化的普及，信息纸、涂层纸及含有各

26、种添加物的彩色纸用量迅速增加。关于再生纸还没有一个明确的定义。利用旧纸浆造纸已经很普及，真正用100%原浆造的纸反倒不大常见。只有一些特定情况，如纸尿布、牛奶包装盒和高级点心盒等才用原浆纸。例如：漫画杂志基本上用的是100%的旧纸浆；而包装纸板是用约80%的旧纸浆，报纸和书籍用纸则是用40%的旧纸浆造成的。6.4.1造纸工艺及再生工艺造纸是使木材中的植物纤维分散在水中（制浆），经过抄浆、干燥、使纤维通过氢键结合起来的过程。这种氢键在常温的水中即可离解，因而可重新抄纸。为了将木屑的纤维细胞分散开，可采用机械方法（加剪力将其撕开）和化学方法（用碱等化学试剂将粘接纤维细胞的木质素分解即蒸解）。用前一

27、种方法做的浆被称为机械浆，用后一种方法做的浆称为化学浆。另外，根据需要，还要漂白纸浆。氯气曾作为漂白剂使用，但由于生成有害的dioxime(TCDD；2,3,7,8-四氯(b,e)（1,4）二恶英，是一种剧毒性物质，有很强的致癌作用和致畸形作用），以及氯气易溢出等原因，现在开始转用高氯酸、双氧水、臭氧及氧气等作漂白剂。在抄浆工艺中，为使纸张平滑，不透光，要添加一些氧化钛和碳酸钙等填充剂，此外还要加入一些淀粉填料和染料等。若选用旧纸作原料，首先要将旧纸从家庭、工厂收集起来，去除杂物；然后在水中进行软化、分散处理，将胶片、别针、胶等异物通过过滤、离心分离等方法除去。然后用表面活化剂将印刷油墨乳化分

28、解，用水洗掉携带油墨粒子的泡沫。最后，根据需要进行化学漂白。抄浆工艺和上述新浆的工艺基本相同。6.4.2原浆纸与再生纸的环境负荷比较1) 能耗 在利用旧纸浆的情况下，所需的动力主要用于旧纸在水中离解，去除杂质与流送杂物，可以想象在浆化过程中能耗是非常少的。对浆化过程所消耗的能量有各种各样的统计结果：化学浆化是10.47-16.75MJ/kg，机械浆化是4.187-14.65MJ/kg，再生浆化是2.093-4.187MJ/kg。对于浆化来说，如何评价能量的回收是有争议的。使用再生纸大体可以节省能量8.374-10.47MJ/kg，即能节省约1/3。这里的问题是：扔掉的旧纸既使不化浆也可以回收能

29、量。纸的燃烧热是12.56MJ/kg，若能100%的回收的话，可以比化浆获得更多的能量。 对于旧纸，运输体积只有木屑的四分之一，从运输上来说可以节能。但旧纸是从不同的地方收集来的，为了回收废纸的运输距离也不容忽视。总之，从总体上考虑，虽有异议，但在这里判定再生纸为赢家。 2）大气污染 SO2在燃料阶段产生,粗略地讲是和整个工程的能耗相关的。如此看来，再生纸产生的SOx数量是要少一点。另外树皮纸浆不可避免的要产生甲硫醇等恶臭物质；而再生浆中就很少。还有，在纸浆输送过程中会有NOx气体放出，与能耗的情况相同，这里也判定再生纸为赢家。 3）水质污染造纸工艺需要大量的水，大型造纸厂日需水量高达45万吨

30、，这相当于百万人口城市的用水量。即使说原生浆和再生浆分散时所用水量相同， 但仅就脱墨过程中水的消耗量而言，再生纸或许要多一些。 要制作白纸，必须将木质素溶解析出（洗提），由木质素生成的有机衍生物除了随排水排出之外，洗提出的部分纤维素，半纤维素还会生成糖类和有机酸，从而造成生化耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD）值的增大。各工艺生成的微小纤维会形成固体悬浮物（SS），经过适当处理虽对水质污染影响不大，但有处理淤泥的问题。 具有良好保存性的中性旧纸中，碳酸钙涂层及淀粉在浆化过程中会使排水中的COD等污染物质的浓度增高，并使成品质量下降。另外，附在旧纸上的种种灰尘和脏物等也会污染水质。关于水质污染

31、这一项我们先判为平局。 4）固体废弃物 固体废弃物主要指排水中的污泥渣及混在旧纸中的垃圾。对原生浆来说，木屑在运输和堆放在室外时，常常有飞散到周围环境中去的问题。因此，这一项判再生纸为全赢。 5）关于保护绿色环境 要得到1t的机械浆就需要2.1-2.4m3的木材，而1t的牛皮纸浆则需要3.5-4.2 m3的木材，当然再生浆不需要木材。虽然通常不会为了获得制浆用的木屑去砍伐树木，一般使用的是间伐树木、毁坏木材或木材的下脚料。然而制浆却使用了木材生产量的12%。尤其考虑到今后用纸量增大的情况，再生纸的意义就更大了。因此从保护绿色环境的角度看。再生纸是好的，是胜方。当然进口废纸要特别当心，以防别人的

32、垃圾输出。总之，从一般意义上讲，使用再生纸会减轻环境污染。6.5硅酸盐水泥各种生产工艺的生命周期评价方法 近20年来，我国水泥产量一直位居全球第一，但另一方面，水泥生产工艺落后的问题仍然十分突出。统计表明，2004年我国立窑工艺、湿法回转窑工艺和新型干法工艺生产的水泥产量所占比重分别为59.%、8.1%和32.5%，新型干法工艺生产水泥产量不到总产量的1/3。巨大的水泥生产规模和落后的生产工艺不仅加剧资源和能源紧张态势，而且排放大量污染物。就能源消耗而言，统计表明，2003年全国水泥工业消耗能源1.0×108t标准煤，约占全国能源总耗量的6%，而同年度水泥工业总产值(1.495

33、15;1011元)，仅占国内生产总值的1.28%。在水泥生产过程中，排放的污染物包括废气、废水和噪声等，以废气尤其是颗粒物为主。水泥生产有3种典型工艺，即立窑工艺、湿法回转窑工艺和新型干法工艺。对这三种工艺进行生命周期评价，从而得到不同工艺生产水泥的环境负荷，为水泥的环境性能改善、新工艺和新技术的发展提供方向和指导。6.5.1目标和范围的确定以1kg 42.5等级硅酸盐水泥作为评价的功能单位，评价目标是确定不同工艺生产功能单位水泥的环境负荷。基于生命周期理论，评价范围界定为水泥产品的厂内生产过程及其周边环境。其中厂内生产过程是指原料依次经过预处理、生料粉磨、煅烧、熟料磨和水泥均化等工序，最终成

34、为水泥产品的生产全过程。水泥生产过程的周边环境是指外部资源和能源的投入和污染物的排放等。6.5.2原料、能源消耗和污染物排放清单根据水泥生产工艺和污染物排放特点，考虑的原料组分包括石灰石、石膏、粘土和铁粉等。在干法生产工艺中，除这些组分外，还包括掺入粉煤灰和矿渣等工业废渣。能源消耗包括各生产工序的电耗和煤耗。污染物则包括颗粒物、SO2、NOX和CO2等。在比较不同水泥生产工艺的环境影响时，未考虑不可再生资源和颗粒物排放造成的环境影响以及污染物对人体健康的影响。实际上，不可再生资源消耗和颗粒物排放，以及污染物对人体健康的影响作为水泥生产的主要环境影响因素，对于水泥生产环境负荷的贡献不可忽视。根据

35、上述评价范围和数据确定方法，可得到典型水泥生产工艺的资源、能源消耗和污染物排放数据如表6-5所示。表6-5 典型水泥生产工艺资源、能源消耗和污染物排放量/kg项目立窑工艺湿法工艺干法工艺水泥原料石灰石1.12591.22411.0737粘土0.16650.1990石膏0.05680.04440.0511铁粉0.06130.02630.0285粉煤灰0.0980矿渣0.1376能源消耗标准煤0.19530.19400.0938电力/kWh0.08300.11120.0966污染物排放颗粒物3.25E-43.43E-42.55E-4二氧化硫3.993E-49.033E-43.501E-4氮氧化物2

36、.4E-32.262E-31.419E-3二氧化碳1.07031.12700.80736.5.3环境影响评价对于水泥生产来说，主要影响类别包括不可再生资源消耗(ADP)、不可再生能源消耗(EDP)、温室效应(GWP)、人类健康损害(HT)、环境酸化(AP)和营养化作用(NP)等6项。为了比较不同环境影响类别的作用程度，必须将各环境影响类别转化为同一标准下的量化数据，可用各环境影响类别的环境负荷当量数与世界环境负荷的总当量数之比值表示，称之为环境污染相对指数，如表6-6所示。表6-6 水泥工艺环境污染相对指数单位/a立窑工艺湿法工艺干法工艺不可再生资源消耗(ADP)10-141.491.471.

37、32不可再生能源消耗(EDP)10-142.802.901.59温室效应(GWP)10-143.053.272.38环境酸化(AP)10-148.6310.506.82营养化作用(NP)10-144.914.923.32人类健康损害(HT)10-145.636.794.15从表6-6不难看出，干法工艺水泥生产的环境影响远低于立窑工艺和湿法工艺。考虑到现阶段先进的干法工艺产量在我国水泥总产量中所占比重还较低，因此通过行业结构调整，用干法工艺替代其他工艺，是降低我国水泥生产环境负荷的有效途径。 6.6四种通用工程塑料的生命周期评价 采用LCA方法比较PE、PP、GPPS、PVC4大通用工程塑料的环

38、境影响,以便更好地选用材料,为塑料制品工业的生态设计提供参考。在评估4大材料生命周期的环境影响时，研究的起止点放在原油的开采、原油的运输、原油的提炼、聚合体的生产、废物处置方面，而材料的使用阶段不在本文考虑之列，废物处置则选择了环境影响较大的填埋方式，而这种填埋方式也是在我国城市固体废弃物处置中被普遍采用的。能源生产中所带来的环境排放按照各阶段的能耗比计入其中。评价范围选用的功能单元是1000kg。4种材料的实际工艺流程图和每一生产过程的数据如图6-8和表6-7、6-8。图6-8 4种材料的工艺流程图表6-7 制备1000kgPE，PP，GPPS，PVC的资源消耗化合物消耗的资源/kg化合物消

39、耗的资源/kg原油原盐原油原盐PE1.507-GPPS1.975-PP1.443-PVC0.730.56 表6-8 制备1000kgPE，PP，GPPS，PVC的能耗与环境排放材料工序CO2/kgSO2/kg其它/kg废水/t废渣/kg能耗/MJ聚乙烯原油开采372.112.519.0523.80388.48原油运输107.590.77117.88原油分馏92.740.40NOx：4.7×10-50.243.44736.42石脑油等裂解1482.674.61NOx：0.0020.64734.6715231.72裂解气分离3153.0822.35213.437524.65PE生产119

40、1.5311.89乙烯：2.0175.286213.938428.77废弃填埋8.78NOx：0.17 CH4：13.0118.81聚丙烯原油开采347.32.38.4322.21364.06原油运输102.00.73111.75原油分馏86.590.370.233.23687.68石脑油等裂解1384.614.29NOx：0.0020.632.3514223.56裂解气分离2944.6120.83199.317017.39PP生产1207.3412.05烃类：2.7745.53217.488591.2废弃填埋8.78NOx：0.17 CH4：13.0118.81聚苯乙烯原油开采493.513

41、.3111.9431.49515.37原油运输140.981.01157.94原油分馏123.010.514NOx：4.8×10-50.317977.68石脑油等裂解1966.606.09NOx：0.00280.8645.9820201.69裂解气分离4177.6129.58282.799969.48芳烃提取788.755.500.9153.194518.32乙烯和苯烷基化2303.6716.23155.3612159.16乙苯脱氢6908.3043.735.79434.0138224.43GPPS生产343.695.638NOx：0.1464.1451.693500.81废弃填埋8

42、.775NOx：0.17 CH4：13.0118.81聚氯乙烯原油开采164.041.214.3611.46187.71原油运输66.950.3757.40原油分馏44.650.190.1161.66354.67石脑油等裂解713.972.22NOx：0.0010.31216.697334.6裂解气分离1518.3310.76102.783623.41氯气生产2279.8720.18Cl2：7.6×10-54.665314.517096.34氯乙烯生产2440.2324.61EDC：4.93 CO：1.0313.37471.9917035.06PVC生产1451.7814.64VCM

43、：0.34 PVC：0.0114.3264.2710135.0废弃填埋8.775NOx：0.17 CH4：13.0118.81将材料的编目数据划分为资源消耗、能源消耗、废气、废水、废渣排放5个方面。分别针对PE、PP、GPPS、PVC这4种材料进行了比较，结果如图6-9-图6-11所示，GPPS在资源消耗、能源消耗、废气排放及废渣排放中影响最大，PVC在能源消耗、废气排放及废渣排放中居其次，但其废水排放量最高，资源消耗最小。PE与PP在这5项分类中影响相差不大。这种差别不仅源于资源的消耗不同，而且还与其各自的生产工艺相关。 PE与PP、GPPS同为石油化工的加工产品，由于PE与PP的上级原料乙

44、烯、丙烯其化学结构相似，根据质量分配原理分配物耗，可知单位质量的乙烯和丙烯所消耗的原油基本相同，PE和PP化学结构相似，生产过程也相似，因而相同质量的PE和PP生产中消耗的乙烯与丙烯相近，其能耗及环境排放物也相似；而GPPS生产中所使用的上级原料是苯乙烯，苯乙烯是乙烯联产品C6成分的深加工产品，在质量分配中相同质量的苯乙烯和乙烯消耗原油之比约为1.41，由此可知产品质量相同时，GPPS原油消耗约是PE的1.4倍。能耗方面，生产GPPS时，由于其苯乙烯生产工艺(主要是能耗大的乙苯脱氢工序)的加入，使得GPPS的能耗剧增，在这4种材料中能耗居于首位。由于在实际生产中大量使用的是二次能源(如电、水蒸

45、汽等)，相应地由这些二次能源所带来的废气、废水、废渣排放量也随之增多。 PVC生产的主要原料是乙烯和氯气，其原料各占其生产物耗的43.6%和56.6%，生产中乙烯量的降低引起油耗的降低，这样使得生产相同质量的产品时，PVC的原油消耗量显著低于其它材料。PVC废水排放量的突增除了一部分是由氯气生产及氯乙烯生产环节所需大量电力生产带来的废水排放外，另一部分则是由于其独特的悬浮聚合工艺导致耗水量较大，因而使其整个生命周期阶段的废水排放总量在这4种材料中居于首位。由此可见，资源消耗量越大，工艺环节越多，则材料生产过程中的能耗以及废气、废水、废渣排放量也越高。 图6-9 4种材料资源消耗比较 图6-10

46、 4种材料能源消耗比较图6-11 4种材料环境排放比较为了能使环境影响表现得更加直观，我们尝试采用不同的LCA方法将4种材料的环境影响表示为单一的环境负荷值，鉴于采用的影响因子需具有可比性，这里我们选取了瑞士的Ecopoint 97方法、荷兰的CML2 baseline2000及丹麦的EDIP/UMIP96方法。上述3种方法均采用SETAC LCA的思想将环境影响进行分类表征，归一化后取权重，从而得到单一的环境负荷值。按照这3种方法计算后，得到如下结果。由图6-12看出，当使用这3种不同的方法进行环境负荷评价时，这4种材料的排列顺序大致为：GPPS>PVC>PE>PP，只是当

47、我们采用Ecopoint方法时，由于固体废弃物的归一化因子与权重的影响，使得固体废弃物成为决定环境负荷大小的决定性因素，从而使得废弃物排放量最大的PVC成为4大材料中环境负荷最高的材料，但是由于GPPS材料生产的CO2、SOX的排放及能源消耗造成的环境负荷高于PVC，这样使得GPPS的环境负荷与PVC的环境负荷差别不大；而当采用EDIP/UMIP96方法和CML2 baseline2000方法计算时，我们发现GPPS的环境负荷远高于PVC的环境负荷，这是因为此时采用的归一化因子及权重系数使得温室效应、人体毒害、酸化效应及资源消耗等影响因子共同决定总体环境负荷的大小，由于GPPS的这几项环境影响

48、因子均高于PVC，使得其环境负荷在这4种材料中也居于首位。考虑到工业废渣可以回收利用，这样可以使得废渣对环境造成的负荷值减小，由此我们可以按照EDIP/UMIP96方法和CML2 baseline2000方法得到的结论判断这4种材料环境负荷的高低，即GPPS>PVC>PE>PP。图6-12 4种材料的环境负荷值 随着科技的进步和社会形势的变化，必须随时掌握最新数据和更新数据。作为制造工艺的当事者，原材料、包装容器制造等产业界要相互协作，广泛收集正确数据，并必须建立相应的体制来进行指导和协调组织工作。6.7 从生命周期评价看白色污染治理 在现代文明社会，人类既期望获得高质量的物

49、质享受，又迫切要求有一个良好的生态环境，以提高人类的生存质量，并使文明社会可持续发展。但是任何材料的大规模使用，总是意味着在一定程度上损害生态环境。人们熟悉的PS发泡一次性餐具曾带给国人饮食习惯上的一次变革，促进人们建立方便卫生快捷的现代生活方式，但由于使用后的随意丢弃也引发了不容忽视的环境问题“白色污染”。解决这一问题的途径何在，究竟“替代和禁用”更益于生态环境还是“回收再利用”更符合持续发展战略的争论仍未有定论。人类必须努力减少对环境的负荷，尽可能使这种负荷降低到大自然可以承受的程度。这就是说，应力求合理，客观地理解、解析在制造产品中对环境的负荷程度。 发泡PS是由聚苯乙烯发泡成平板片材后

50、成型为各种形状的产品，其材质稳定，安全卫生，轻巧便利，成本低廉； 具有良好的保温性，能延长食品温度及鲜度的保持时间；优异的防潮性，确保食品不受污染；质轻强度好，运输方便，不易变形，广泛用作食品容器，有着不可替代的优势。2005年，全国聚苯乙烯片材生产线已达200条以上；餐具年销售量达280亿只以上(含餐盒、面碗、杯、盘)；全国快餐盒年使用量为120亿只(其中PS发泡餐盒为86亿只，占一次性快餐盒生产销售使用量的71.67%)。生产工艺自身也不断得到提高，CFC发泡技术被淘汰，代之以丁烷，戊烷或二氧化碳发泡工艺。在蒙特利尔议定书（Montreal Protocol）框架下，企业从多边基金获得资助

51、进行技术改造，促进了产业的技术进步。发泡餐具的环境危害在于废弃后对市容景观的破坏和自身难以降解而带来的长期环境问题。6.7.1 发泡餐盒替代品的发展发泡餐具的替代品包括纸制品和降解塑料制品等，其中纸制品一是由木材为主制成木浆，再由木浆制成纸板，经成型，折叠制成餐具，其将消耗大量木材；另一种是纸浆模塑餐具，由植物纤维制浆（木浆与草浆或蔗渣浆，秸杆浆等按一定比例混合）一次成型生产，除消耗一定木材，还耗费大量能源。纸制品成本价格是发泡PS产品的2-3倍。实验表明，在通常条件下，5个月后纸制餐盒才可完全分解，可见视觉污染并未消除。况且，可分解未必就有益于环境，因分解所产生的甲烷会导致温室效应，而生物分

52、解所产生的渗漏水也会污染地下水。虽然理论上造纸厂可回收利用，但由于这种餐盒添加了防油防水剂，因此回收需添加特殊设备，经济上不核算，目前还没有造纸厂愿意回收这种餐盒。降解塑料制品主要有：光降解，以添加光敏剂取得降解效果；生物降解，添加淀粉类可降解物质，以获得降解效果；此外还有光生物双降解模式。降解塑料成本比发泡塑料高10%左右，且降解受空气，阳光，水，微生物等因素影响，需1-3年的时间分解为碎片或粉末，而且有些并不能真正降解和完全被土壤吸收，其碎片在20年的时间内，仍有50%左右的残留量存在，因而降解塑料也面临一个回收问题。降解塑料因其搀有降解材料而难以再利用。6.7.2 国际上有关控制白色污染

53、的政策措施 发达国家在包装废弃物控制方面形成法制化趋势，各国相继立法对包装的再使用，回收利用和处置制定了强制性综合法规。德国的“废弃物处理法”是1972年制定的，经4次修改后提高到一个很高的水平，特别是1986年的修正将其名称改为废弃物的限制及废弃物处理法，这样便从“怎样处理废弃物”的观点提高到了“怎样避免废弃物的产生”为重点的方向。根据这个法律，1991年将关于包装政令的适用范围阶段性地扩大到运输包装物和二次包装物，并从1993年3月开始对包括商品包装在内的所有包装物生效。这个包装令将包装物的回收规定为义务，设定了再生循环利用的目标，作为预期目标1995年回收率为80%，再生循环率为64-7

54、2%。另外，在1993年3月，德国联邦议会通过了新的废弃物处理法。这个法律被称作循环型经济废弃物法，主张生产者和消费者共同对产品的全过程负责，用再资源化代替简单的废弃物处理。荷兰王国则规定到2000年时，包装材料的可回收率必须达到其重量的65%，且包装材料重量必须比96年时减轻10%。 在美国虽尚无一部全国实行的再生循环法规，但半数以上的州都制定了不同形式的再生循环规定，各地方实施的可再生循环物品的回收活动迅猛发展。 对于主要资源依靠进口的日本，通过再生循环的办法有效地利用资源和能源受到国家和民众的重视和支持，关于促进利用再生资源的法律（简称再生利用法）在1991年10月得以实施。2000年修订并更名为资源有效利用促进法。该法为回收利用设立了标准和激励措施，规定企业必须减少垃圾产生量，将零部件作为原材料在生产、分配以