环境材料学-材料的LCA课件

1、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 （Environmental Affect Factor）环境负荷单位ELU（Environmental Load Unit）单位服务的材料消耗MIPS（Materials Intensity Per unit of Service）生态指数EP（Eco-Point）生态因子ECOI=EI/SP（Eco-Indicator; Environmental Impact; Service P

2、erformance）材料钢铝水泥能耗31.836.7142.4一些材料生产过程的能耗比较 MJ/t2. 环境影响因子environmental affect factorEAF=资源，能源，污染物，生物影响，区域性元素ELU/kg元素ELU/kg铁0.38锡4200锰21.0钴12300铬22.1铂42000000钒42铑42000000铅363石油0.168镍700煤0.1钼42003.一些材料及元素的ELU比较材料环境负荷环境影响评价与使用性能评价环境影响评价使用性能评价使用性能环境消耗能源消耗废弃物声污染热污染其他污染机械性能电磁性能光学性能热学性能化学性能其他性能LCA的起源（Lif

3、e Cycle Assessment） Life Cycle Assessment作为正式术语是由环境毒理和化学学会SETAC(Society of Envionmental Toxicology and Chemistry)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矿石半成品成品零件使用实体层次开发利用地形、地貌和植被破坏，水土流失等环境污染尾砂、固体悬浮物、废气、废水等污染选矿、冶炼、加工制造、二次开发利用等实体层次以下开发利用From cradle

4、to graveLCA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ISO 14040系列，成为ISO 14000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goal and scope definition编目分析life cycle inventory analysis环境影响评价life c

5、ycle impact assessment解释life cycle interpretation目标和范围定义 编 目 分 析 环境影响评估解 释目标和范围的定义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

6、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编目分析示意图目标和范围定义温室气体效应酸雨有机挥发物臭氧层破坏大气污染物水污染物废渣排放固体有害污染光、声、电磁波污染水木材煤石油及天然气矿物资源金属矿产其他能源生态系统硅铁合金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

7、周期 （系统内部流程）油井开采原油运输原油提炼石油生产原料包装/运输塑料原料生产聚乙烯生产乙烯生产塑料瓶生产饮料灌装整瓶包装饮料运输饮料零售饮用消费丢弃废物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。常用表征指标环境损害类型指标名称参照物温室效应GWP100CO2臭氧层变薄ODPCFC11酸雨APSO2富营养化NPP电能燃料内在能量CO2S

8、O2NOX碳氢化合物粉尘CO氟利昂CODTOCTON有知苯酚生物资源消耗非生物资源消耗臭氧层减少全球变暖土壤酸化人体毒性土地占用生物多样性损失人体健康损失自然资源损失产出损失相对生物多样性损失相对人体健康损失相对自然资源损失相对产出损失评价valuation编目分析结果分类classification表征characterization归一化normalization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。能源与资源高硅铁合金低硅铁合金废弃物排放高硅铁合金低硅铁合金电能/千瓦时8400880045004800废渣/吨0.030.030.05硅石/吨1.781.85

9、1.001.05CHX/克30.1426.4焦炭/吨0.890.930.510.53悬浮物/克502442电极糊/吨0.0450.0550.020.03SO2/千克8.107.10循环水/吨101.283.5粉尘/千克23.5120.11新鲜水/吨42.1735.1钢屑/吨0.220.230.560.58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. 输入输出法材料生产过 程或使用过程资源能源有效产品废弃物废水温室效应污染程度输入参数输出参数材料的环境负荷Environmental Load ValueELVF资源，能源，废弃物过 程n资源（EF1）能源（EF2）产品（E

10、F0）废弃物（EF3）其他形态污染（EF4）材料环境负荷的组成结构示意图 等效资源环境指数（Ii）等效能源环境指数（Ii）等效废弃物环境指数（Ii）资源环境因子EF1能源环境因子EF2废弃物环境因子EF3环境负荷值（ELV）ELV=KiEFi i1，2，3式中EFi 为各种环境因子；Ki为相应的权重系数均值型模型：EF11/nCi IiEF2=1/mCi Ii n, m, k各子项的取值EF3=1/k Ci” Ii”ELV=1/3KkEFk均方根模型：EF11/nCi Ii2EF2=1/mCi Ii n, m, k各子项的取值EF3=1/k Ci” Ii”ELV=1/3KkEFk输入输出法评价

11、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。加水配料球磨搅拌废水成形干燥烧成包装废渣加热废气某瓷砖生产工艺示意图环境影响评价由钢渣生产瓷砖的过 程资源能源瓷砖废渣废水全球温室效应输入参数输出参数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

12、、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。配料搅拌脱水调配反应包装废气废渣某防水涂料的生产工艺示意图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

13、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目标层准则层方案层LCA的目标、范围定义、环境影响因子LCA的数据层LCA的环境影响的评价结果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环境指数ECOI环境影响EI材料性能SP总能耗E1资源消耗E2温室效应E3废气E4废水E5废渣E6区域毒性水平E7拉伸强度S1线膨胀系数S2热容 S3电导率S4电

14、极电位S5ECOI = EI / SPS =E =FeAlHEDPFeAlHEDPE11 E12 E13 E14 E15E21 E22 E23 E24 E25E31 E32 E33 E34 E35S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27S31 S32 S33 S34 S35 S36 S37FeAlHEDP环境影响2.027659.95131.9384材料性能1.11161.30312.9910环境指数1.824046.00670.6481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

15、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时间建立单位内容环境指标1990年瑞士联邦环境局包装材料生态指标1992年国际LCA发展组织产品单项1993年荷兰莱登大学产品加权系数1993年美国中西部研究所容器、包装材料单项1994年瑞典环境所汽车、钢铁环境因子1994年欧洲塑料协会塑料单项1995年德国斯图加特大学塑料、汽车单项1996年日本三菱电力发电单项1996年中国清华大学涂料生态因子1998年中国863计划原材料单项材料环境影响数据库框架结构示意图主菜单输入输出LCA数据库能量产品目标与范围定义表面处理资源废物排放编目分析涂料确认全球温室效应环境影响评价建筑材料返回放射性结果

16、解释稀土输入输出法线性规划法模糊数学分析法层次分析法其他其他优化钛打印其他第三章 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材料可持续发展原料工艺评价产品资源F- 4材料流F- 10污染控制污染修复再利用污染治理清洁生产再循环标准LCA方法数据库指标环境协调材料绿色材料生态设计环境工程材料环境降解材料工业生态学无限的资源无限的废物有限的资源有限的废物能源一级生态系统二级生态系统三级生态系统理想的工业生态系统示意图有限的资源和能源材料制造废弃消费服务工业生态学理论框架示意图可持续发展工业生态学技术系统自然系统文化系统凯隆堡工

17、业生态系统示意图STATOIL炼油厂ASNAES燃煤电厂1500MWNOVO生物制药温室区域供热站GYPROC墙板厂养鱼场水泥长筑路公司硫酸厂农场蒂斯湖硫废热废热燃料气冷却水蒸气淡水蒸气废热除尘渣飞灰废渣作肥料沉渣作肥料材料流分析材料流的概念材料流material flow又称物质流mass flow，也称材料链substance chain。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

18、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矿石半成品成品零件使用几种有代表性的材料流理论四倍因子理论（factor 4）它是德国von Weizsaecker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