化工产品生命周期设计的理论和方法

化工产品生命周期设计的理论和方法传统的环境技术主要针对生产过程污染物的末端治理,不能从根本上实现对环境的保护。要彻底解决环境污染问题,必须从源头上进行治理。要同时考虑产品整个生命周期各个阶段对环境的影响,最大限度地利用原材料和能源,减少有害废物和固体、液体、气体的排放,改进操作安全,减轻对环境的污染,选取对环境和人类危害小的替代产品。美国工程院院士Grossmann指出,可持续发展和环境问题非常重要,但是对过程系统工程研究的努力程度还远远不够需要开发更具创造性的方法和工具,化工产品和过程相互作用以及化工产品生命周期分析将成为一个研究机会和挑战另一方面,提高产品使用性能和降低产品成本始终是工业技术研究开发的重要目标。但是,降低成本不是一个孤立过程,成本分析不应仅仅局限在对生产成本的估测上,而应贯穿产品的全生命周期。下面从生命周期评价(LCA)入手,综合分析生命周期成本(LCC),介绍生命周期设计(LCD)的概念和实施步骤,有助于做出正确的决策,开发出环境友好、经济节约的产品。1生命周期评价1997年,国际标准化组织根据生命周期评价的思想,把生命周期评价过程分为：目标范围的界定数据清单分析环境影响评价改进分析等4个步骤各个子系统的关系如图1所示图1生命周期评价技术框架生命周期评价首先是确定评价范围,即目标和范围的定义,确定了评价范围也就确定了系统的边界。数据清单分析的目的是将环境负荷定量化,即将一个产品从生产、使用到废弃整个生命过程中投入的所有原材料和能源作为输入逐一列出,而将在这个过程中排放出的所有影响环境的物质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,该分析应贯穿于产品的整个生命周期过程。经环境影响评价得到在产品生命周期全过程客观量化的环境影响数值之后,就能得到一个指标来表征被评价过程造成的环境负荷。其基本步骤可分为3步:分类、计算和赋值。分类是指对不同的环境损害类型进行分类;计算是将与各环境损害项相联系的目录项目进行汇总,定量计算造成的各种环境损害的大小,这个定量化过程是人为规定的，它依赖于广泛的科学知识;赋值是由专家规定各种环境损害的权重,与前面得到的各种环境损害大小加权求和,从而得出一个指标来表示被评价过程造成的环境负荷。解析是生命周期评价的最终目标,通过确定产品的环境负荷,比较产品的环境性能优劣,可对产品进行重新设计、不断完善和改进这种分析包括定量和定性的改进措施,以期得到产品对环境影响程度最小的方案。2生命周期期成本分分析传统的技技术经济济学考虑虑的只是是单纯的的生产成成本,对产品整整个周期期各个阶阶段费用用相互影影响的分分析不够够,缺乏对产产品生命命周期成成本的决决策。可引入生生命周期期成本分分析来进进一步剖剖析生产产成本与与生命周周期成本本之间的的关系生命周期期成本是是指产品品从出现现到消亡亡所涉及及的所有有费用。它分分为2个部分:一部分是是传统意意义上的的生产成成本,包括原料料的准备备和生产产操作费费用,就是在产产品生命命周期的的原料准准备和生生产阶段段的费用用,称为上游游成本。。另一部分分是指在在产品的的使用时时产生的的附带费费用和废废弃处理理费用,也就是生生命周期期后2个阶段的的费用,称为下游游成本,二者之和和构成了了产品的的整个生生命周期期成本,其结构如如图2所示。图2生命周期期成本结结构3化工产品品的生命命周期设设计生命周期期设计是是指在产产品设计计阶段权权衡考虑虑产品在在整个生生命周期期不同阶阶段的环环境问题题和经济济因素。。为了取得良好好的生态态效果和和经济效效益,设计者应应该在考考虑产品品在整个个生命周周期产生生的费用用的同时时,也考虑产产品对环环境的影影响贯穿穿于生命命周期的的各个阶阶段。Alting提出将产产品的生生命周期期划分为为6个阶段:需求识别别、设计计开发、、制造、、运输、、使用以以及废弃。。Zust等人进一一步将产产品的生生命周期期划分为为4个阶段:产品开发发、产品品制造、、产品使使用及产产品处置置。也可从原原料准备备、生产产过程、、使用和和废弃4个阶段来来考虑化化工产品品的生命命周期设设计。31原材料准准备和选选择在实施生生命周期期设计的的原料准准备阶段段,要求原材材料在满满足一般般功能要要求的前前提下,应具有良良好的环环境兼容容性,以便产品品在制备备、使用用以及用用后处置置等生命命周期的的各阶段段具有最最大的资资源利用用率和最最小的环环境影响响。生命周期期设计要要求选择择原材料料应遵循循以下原原则:①优先选用用可再生生材料,尽量选用用可回收收材料,提高资源源利用率率,实现可持持续发展展;②尽量选用用低能耗耗、少污污染的材材料;③尽量选择择环境兼兼容性好好的材料料,避免选用用有毒、、有害和和有辐射射特性的的材料。。所用材料料应易于于回收、、再利用用、再制制造或易易于降解解。32生产工艺艺和流程程的确定定化工产品品制造阶阶段应该该采用绿绿色工艺艺实现绿绿色制造造,绿色工艺艺与清洁洁生产密密不可分分。清洁生产产要求对对产品及及其工艺艺不断实实施综合合的预防防性措施施,其实现途途径包括括清洁材材料、清清洁工艺艺和清洁洁产品。。绿色工艺艺是指既既能提高高经济效效益,又能减少少环境影影响的工工艺技术术。它要求在在提高生生产效率率的同时时必须兼兼顾削减减或消除除危险废废物及其其他有毒毒化学品品的用量量,改善劳动动条件,减少对操操作者的的健康威威胁,并能生产产出与环环境兼容容的安全全产品。。在经济方方面应采采用费用用相对最最小的工工艺流程程。33使用阶段段的设计计在这个阶阶段,对设计者者而言,产品的功功能和性性能是主主要因素素,在实现其其功能的的过程中中伴随着着物料消消耗、有有害气体体的释放放和对人人体的影影响。就产品对对环境的的友好功功能而言言,在设计阶阶段应该该考虑到到能量的的有效性性,减少废物物排放,提高产品品利用率率,减少生产产成本同时在保保证性能能的前提提下,使其生命命周期尽尽可能地地延长。。34废弃阶段段的设计计目前已经经有一些些研究报报道了关关于描述述废物管管理的生生态设计计策略,比较典型型的有再再利用、、再制造造和再回回收策略略。废物再利利用和回回收是指指把一种种产品使使用后的的废品回回收再利利用或者者作为生生产其他他产品的的原料。。这体现了了循环经经济的思思想,同时节约约了成本本,防止环境境受到更更大危害害。4案例分析析利用相对对丰富的的煤资源源生产汽汽车代用用燃料,根据能源源状态可可分为煤煤制甲醇醇、煤合合成油和和煤发电电。不同的燃燃料生产产路线与与相应的的汽车组组成完整整的生命命周期链链,对这些生生命周期期链进行行分析,确定哪条条链具有有优势,从而为未未来汽车车和相应应的燃料料发展方方向提供供决策依依据,是此生命命周期研研究的目目的。根据汽车车燃料的的特殊性性,它的生命命周期成成本只涉涉及从原原料阶段段到使用用阶段的的费用,废弃阶段段的费用用忽略不不计,可以得到到不同燃燃料的生生命周期期成本,见表1。由表1可知,单位质量量的燃料料中电的的生命周周期成本本最高。。为了进一一步更清清楚对比比各个产产品经济济的优劣劣性,假设汽油油车每百百公里耗耗油7.5L,以甲醇为为燃料的的汽车是是以85%甲醇和15%汽油混合合的灵活活燃料汽汽车,其每百公公里消耗耗燃料12.5L,合成油每每百公里里的耗油油量为9.8L,电动汽车车是镍氢氢电池电电动车,其每百公公里电耗耗为26kW·h。据此计算算,在达到同同样效果果的前提提下,用煤基甲甲醇是最最经济的的,煤基发电电的成本本约是甲甲醇的8倍。另一方面面,同时对各各种燃料料对环境境的影响响进行生生命周期期评价。。以每条链链在生命命周期整整个过程程中的废废气排放放量为例例,由于行驶驶同样路路程所需需不同燃燃料的量量是不同同的,仍以行驶驶每百公公里所需需燃料在在生命周周期排放放的废气气为依据据。把各个阶阶段的排排放进行行汇总,采用环境境负荷计计算公式式:式中,EB指环境负负荷;a、b、c为排放物物中所含含的各种种化学物物质;W为各物质质的质量量;PF为各物质质对某类环环境所造造成影响响的潜能能因子(采用英国国ICI公司研究究使用的的潜能因因子),得到的各各种信息息见表2。由表2可以看出出,对大气污污染而言言,电所产生生的环境境负荷最最小,合成油对对环境影影响最为为严重。。仅考虑环环境影响响因素,电是最佳佳的选择择。但是