1、生命周期評(píng)價(jià)的概述
1.1生命周期評(píng)價(jià)的發(fā)展背景
生命周期評(píng)價(jià)始于20世紀(jì)60年代末和70年代初期，美國(guó)針對(duì)包裝品進(jìn)行一系列的分析、評(píng)價(jià)。1969年美國(guó)可口可樂(lè)公司開(kāi)始跟蹤和定量分析原料，從采掘到廢棄物的最終處理整個(gè)過(guò)程中的變化，還比較了一次性飲料瓶和可回收玻璃瓶的優(yōu)越性，對(duì)前者作出了肯定。從此以后，生命周期評(píng)價(jià)方法不斷發(fā)展，被多個(gè)領(lǐng)域廣泛的使用，成為了可靠的環(huán)境特征分析和決策的工具之一，已被列人IS0 14000國(guó)際環(huán)境認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)系列之中，并得到廣泛的應(yīng)用。
1.2生命周期評(píng)價(jià)的定義
生命周期評(píng)價(jià)( Life Cycle Assessment，LAC)的核心框架是獲取原料、生產(chǎn)、使用直到廢棄處理，給環(huán)境帶來(lái)影響及其潛在影響因素的研究。這種方法從能源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)效益三方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其可持續(xù)發(fā)展做出判斷。
IS0 1404標(biāo)準(zhǔn)體系中定義LAC為匯總和評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品、過(guò)程體系在其整個(gè)生命周期的所有及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成的和潛在的影響方法。
生命周期評(píng)價(jià)還被稱(chēng)為“環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)”或“環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)”，它是對(duì)能量以及物質(zhì)利用并由此導(dǎo)致環(huán)境污染物的排放來(lái)識(shí)別和量化，控制污染源頭、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵。同時(shí)，也能判斷產(chǎn)品和工藝是否屬于清潔生產(chǎn)范疇的基本方法。生命周期法能夠找出清潔生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題。
1.3生命周期評(píng)價(jià)的技術(shù)路線
生命周期評(píng)價(jià)的實(shí)施步驟包括目標(biāo)和范圍的確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋4個(gè)階段。
(1)目標(biāo)和范圍的確定：為生命周期評(píng)價(jià)研究制定一個(gè)初步計(jì)劃，主要包括實(shí)施生命周期評(píng)價(jià)的目標(biāo)和意圖、研究范圍和研究結(jié)果可能應(yīng)用的領(lǐng)域。
(2)清單分析：該分析主要從原料的提取、加工、制造、使用和后期處理整個(gè)生命周期進(jìn)行評(píng)價(jià)，量化了研究對(duì)象的整個(gè)生命周期內(nèi)的原料需求量和能量以及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響（包括廢氣、廢水、固體廢棄物等污染物）。詳細(xì)操作步驟如下：首先，在確定清單分析的目標(biāo)和范圍之后，定義研究對(duì)象的邊界。然后，建立清單調(diào)查表，確定收集信息的范圍，這些范圍包括能源、原材料、大氣污染物排放、土壤污染排放、水污染排放和廢棄物。最后，建立計(jì)算模式，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行表述、解釋?zhuān)贸鼋Y(jié)論并說(shuō)明數(shù)據(jù)的有效范圍。
(3)影響評(píng)價(jià)：為了確定研究對(duì)象的物質(zhì)、能量交換對(duì)其外部環(huán)境的影響，對(duì)清單分析階段所確定的環(huán)境壓力進(jìn)行定性或定量的評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)需考慮研究的對(duì)象對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、人體健康以及其他方面的影響。
(4)結(jié)果解釋?zhuān)合到y(tǒng)地對(duì)評(píng)估對(duì)象的整個(gè)生命周期內(nèi)消耗能源、原材料及對(duì)環(huán)境影響的需求與機(jī)會(huì)，從而對(duì)結(jié)論進(jìn)行建議，提出改進(jìn)措施，例如改變廢物管理、原料重新選擇和制造工藝等。
1.4生命周期評(píng)價(jià)的應(yīng)用
1.4.1生命周期評(píng)價(jià)在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用
生命周期法作為一個(gè)注重研究生態(tài)系統(tǒng)、資源消耗和人類(lèi)健康領(lǐng)域內(nèi)對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)手段和分析工具，能夠幫助企業(yè)制定戰(zhàn)略計(jì)劃、環(huán)境行為評(píng)價(jià)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等收集信息，有利于企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。
張浩等選取重油、石油、天然氣作為中國(guó)浮法玻璃的燃料，用生命周期評(píng)價(jià)了采用3種燃料的環(huán)境影響，得出了不同燃料的環(huán)境影響類(lèi)型。
劉文金通過(guò)對(duì)中密度纖維板生態(tài)循環(huán)境周期評(píng)價(jià)研究，將資源、能源、廢棄物及使用過(guò)程中揮發(fā)物污染等4項(xiàng)內(nèi)容作為參數(shù)，探討了中密度纖維板生態(tài)循環(huán)周期評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，明確了中密度纖維板生態(tài)循環(huán)周期評(píng)價(jià)綜合分析的內(nèi)容和要求。
薛擁軍等在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的纖維板生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)的原則，從環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)性能方面出發(fā)，為我國(guó)纖維板廠的新廠建設(shè)和老廠改造以及相關(guān)政策的制定提供參考依據(jù)。
1.4.2生命周期評(píng)價(jià)在產(chǎn)品中的應(yīng)用
諸多專(zhuān)家為了使研究的新技術(shù)、新產(chǎn)品以及設(shè)計(jì)方案能夠朝可持續(xù)發(fā)展道路發(fā)展，提高產(chǎn)品、技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。他們常常采用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)產(chǎn)品、技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為獲得最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)路線和設(shè)計(jì)方案提供數(shù)據(jù)參考和理論支持。
朱金陵等從能源、資源和環(huán)境角度出發(fā)，分析玉米秸稈成型燃料從原料、制造、使用和最后處理等單元過(guò)程，結(jié)果顯示：從秸稈運(yùn)輸、壓縮成型、成型燃料運(yùn)輸?shù)入A段需消耗能源。其中，壓縮成型能耗最大，并建立了玉米秸稈生命周期評(píng)價(jià)模型，得出了玉米秸稈減排性能優(yōu)于化石燃料的結(jié)論，為生物質(zhì)成型燃料的利用提供了理論依據(jù)。
閆宇飛以對(duì)環(huán)境和人體健康的影響為指標(biāo)，對(duì)紙杯和一次性塑料水杯的生命周期進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：由于紙杯在材料采用、制造耗能的缺陷使得它對(duì)環(huán)境的影響較大，而一次性塑料水杯的劣勢(shì)在于其可降解性上和資源消耗上不及紙杯。
馬明珠等利用生命周期法評(píng)價(jià)某一辦公建筑保溫進(jìn)行節(jié)能減排效益和生命周期成本評(píng)估，結(jié)果表明，保溫后節(jié)能減排效果良好，生命周期成本減少了294. 48元·m
-2，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
紀(jì)丹鳳等運(yùn)用生命周期法對(duì)不同余熱利用和尾氣處理方式下的生活垃焚燒處理方案對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：干法、半干法和濕法3種酸性氣體處理方式中，濕法處理對(duì)環(huán)境的影響最小，但資源消耗系數(shù)最大。單純供熱、供電和熱電聯(lián)供3種余熱利用方式中，熱利用效率最低的是單純供電，熱利用效率最高的是直接供熱。
2、生物質(zhì)顆粒燃料和煤的復(fù)合生命周期對(duì)比評(píng)價(jià)
植物種植、生長(zhǎng)、收獲，廢棄物的收集、運(yùn)輸、預(yù)處理、回收利用、生物質(zhì)的各種轉(zhuǎn)換手段和最終處理是生物質(zhì)的生命周期主要組成部分。因?yàn)樯镔|(zhì)能量密度低，所以，在收集、運(yùn)輸、處理過(guò)程中的能耗比石化燃料大，不可忽視，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)專(zhuān)業(yè)壓制生物質(zhì)成型顆粒燃料。
砂光粉成型燃料的原料來(lái)自于生物質(zhì)原料，這種原料是以有機(jī)物為載體的一種可儲(chǔ)存和可再生的生物質(zhì)能源。砂光粉由碳?xì)浠衔锝M成，與常規(guī)的石化能源石油、煤等相似，但生物質(zhì)的揮發(fā)分高，含硫量和灰分較低。因此，生物質(zhì)利用過(guò)程中S02、N02的排放較少，用生物質(zhì)替代石化能源供能，將明顯減少對(duì)空氣的污染和酸雨形成的現(xiàn)象。
目前，砂光粉燃燒方式主要為燃燒機(jī)燃燒、氣化燃燒和噴燃等3類(lèi)。據(jù)資料顯示：在同等條件下，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率為10%～30%，而制成生物質(zhì)顆粒以后經(jīng)燃燒器燃燒，其熱效率可達(dá)到87%～89%。因此，將散狀的砂光粉、廢棄纖維壓制成生物質(zhì)顆粒燃料提高燃料品味具有重要意義，還可以代替更多的煤。
本文從能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面，對(duì)能源煤和其替代能源中密度纖維板廠木廢料成型燃料（以砂光粉為主）進(jìn)行生命周期對(duì)比評(píng)價(jià)，旨在揭示兩者的優(yōu)異性，并用對(duì)二者進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為中密度纖維板廠使用砂光粉成型燃料替代傳統(tǒng)燃料煤提供決策支持和理論依據(jù)。
2.1目標(biāo)和范圍的確定
2.1.1研究目標(biāo)的確定
研究目標(biāo)確定為二類(lèi)煙煤的發(fā)熱量取中間值為17285 KJ-kg
-１和砂光粉成型燃料（連云港某木業(yè)中密度纖維板廠），熱值為17025KJ·kg
-１。
2. 1.2 系統(tǒng)邊界的確定
砂光粉成型燃料和煤炭在利用過(guò)程中都融人了人的行為，使得兩種燃料的環(huán)境污染物排放量和吸收量有所差異。砂光粉是中密度纖維板生產(chǎn)中，生成量較大且粒度較小的可燃木廢料，是一種可再生能源，燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳可以等量地被利用于樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中。而煤為不可再生資源，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的S02、CO、NOx等氣體破壞大氣環(huán)境。砂光粉成型燃料和煤炭的生命周期評(píng)價(jià)流程。
砂光粉是人造板在鋸切或砂光工序中產(chǎn)生的，在鋸切、砂光等工序需要耗能，施加膠黏劑過(guò)程中也需消耗能源和排放環(huán)境污染物。由于砂光粉是人造板的附屬物和廢棄物，因此，圖2中能耗1及施加膠黏劑過(guò)程中產(chǎn)生的污染物不計(jì)入砂光粉產(chǎn)生過(guò)程。砂光粉的收集和砂光粉壓縮成型階段均需要消耗能源，存在環(huán)境污染物。砂光粉成型燃料可以直接代替煤等石化燃料的燃燒，所以使用成型燃料的燃燒爐等設(shè)備在制造中的能耗4可忽略不計(jì)。
煤的整個(gè)生命周期主要包括煤炭的形成、開(kāi)采、運(yùn)輸加工和使用4個(gè)階段。煤炭是在植物遺體堆積后，經(jīng)過(guò)生物化學(xué)、物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變形成的有機(jī)礦產(chǎn)，是由礦物質(zhì)和多種高分子化合物組成的混合物。煤形成過(guò)程逐漸與空氣隔絕，氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檫�原環(huán)境，因此，圖3中的能耗不計(jì)人煤炭生成過(guò)程。煤開(kāi)采過(guò)程（圖3，能耗2、環(huán)境排放2），會(huì)伴隨著固體廢物、礦井水的排放，其中，固體廢物（以矸石為主）是中國(guó)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量和堆積量最大的固體廢棄物，占煤炭產(chǎn)量的10%左右，而固體廢棄物的可利用率僅為50%，未被利用部分隨意丟棄，破壞環(huán)境。此外，煤炭開(kāi)采過(guò)程中破壞了地殼內(nèi)部原有的力學(xué)平衡，容易引起地表塌陷，打破了原有的生態(tài)系統(tǒng)。由于砂光粉成型燃料和煤炭的生成方式不同，所以研究的系統(tǒng)邊界針對(duì)砂光粉從它收集、預(yù)處理、燃料壓縮成型到燃燒；研究煤的系統(tǒng)邊界從開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)饺紵龔U棄物處理。
2.1.3基本假設(shè)和功能單位
年產(chǎn)15萬(wàn)m3中密度纖維板廠生產(chǎn)線的能耗為87.31GJ·h
-１，折合煤炭約5.05 t·h
-１。生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)生木廢料砂光粉、廢纖維、鋸屑與邊條生成量，折合成煤炭約4.60 t·h
-１。不足部分可用稻殼、花生殼作為補(bǔ)充燃料，這里選用稻殼作為補(bǔ)充燃料，折合成煤炭為0.60t·h
-１。為了統(tǒng)一評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)，該研究做了如下假設(shè)：纖維板廠原料需求地A與稻殼供給地B和煤炭供給地C之間的距離均為400 km，均采用公路運(yùn)輸。以燃燒釋放87.31GJh
-１為基準(zhǔn)，對(duì)煤炭、木廢料進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。
2.2清單分析
清單分析是從所確定的研究系統(tǒng)邊界內(nèi)的所有過(guò)程（原料的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸、使用和回收等），并選取了能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行合理性分析。表1為煤與木廢料從開(kāi)采、加工和運(yùn)輸過(guò)程中的能源消耗和經(jīng)濟(jì)核算。煤炭在開(kāi)采和運(yùn)輸中主要消耗不可再生資源石油和煤炭。對(duì)成型燃料而言，資源的消耗主要在壓縮成型階段。
砂光粉成型燃料和煤炭的各個(gè)階段對(duì)環(huán)境的影響，分別從原料收集加工、運(yùn)輸、燃燒排放物及焚燒廢棄物處理進(jìn)行分析。
表一煤與木廢料能源銷(xiāo)售
|
燃料類(lèi)別 |
每噸產(chǎn)品能量投入 |
成本合計(jì)（元·ｔ-１） |
|
煤（kg） |
柴油（kg） |
汽油（kg） |
電（kw·h-１） |
運(yùn)輸費(fèi)用（元·t-1） |
|
煤 |
19.40 |
0.37 |
0.28 |
29.44 |
260 |
960 |
|
木廢料成型燃料 |
- |
- |
0.22 |
75 |
- |
273 |
表2生物質(zhì)顆粒燃料和煤炭生命周期的定性分析
|
燃料生命周期單元定義 |
成型燃料環(huán)境影響評(píng)價(jià) |
煤炭環(huán)境影響評(píng)價(jià) |
原料采集及加工
對(duì)土地的占用和破壞
對(duì)水資源的破壞和污染
對(duì)大氣環(huán)境的污染
對(duì)能源的消耗 |
中密度纖維板廠人造板制造中的附屬物和
廢棄物。
粉塵污染環(huán)境，傷害人體健康
燃料壓縮成型要消耗電力較少 |
煤炭的開(kāi)采容易造成矸石山壓和地表塌陷，而露天開(kāi)采主要是外排土場(chǎng)壓占和直接挖損。
煤炭開(kāi)采過(guò)程中，在進(jìn)行疏干排水和自然疏干時(shí)，對(duì)地下水資源造成破壞。 |
|
原料運(yùn)輸 |
--- |
來(lái)自礦井排出的煤層瓦斯和煤礦矸石山形成的廢氣 |
|
燃燒排放物 |
二氧化碳 |
汽車(chē)運(yùn)輸時(shí)尾氣排放，污染空氣，影響人體健康
二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮 |
|
廢棄物處理 |
灰分還田，可增加土壤費(fèi)力，但會(huì)消耗動(dòng)力、
人力 |
運(yùn)輸成本較高 |
2.2.1原料的收集及加工
砂光粉為中密度纖維板廠的附屬物和廢棄物之一，隨意丟棄對(duì)廠內(nèi)環(huán)境造成污染，不利于工作人員身體健康，而利用不合理會(huì)造成資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)人造板廠常用煤炭為生產(chǎn)線供能，煤炭為不可再生資源，其開(kāi)采過(guò)程中會(huì)給土地資源、水資源和空氣造成破壞，如表1和表2所示。人造板在砂光粉和鋸切工序產(chǎn)生的砂光粉通過(guò)人工進(jìn)行收集，煤炭的開(kāi)采需要工人在井下進(jìn)行操作，操作工人安全感較低。據(jù)報(bào)道，中國(guó)是世界上礦難最多的國(guó)家，煤炭生產(chǎn)百萬(wàn)噸死亡率為2.04，是美國(guó)的50倍。
2.2.2原料運(yùn)輸
煤炭從開(kāi)采到運(yùn)往加工地最后運(yùn)到工廠使用，運(yùn)輸成本較高，不僅消耗人力、動(dòng)力和物力，而且汽車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中的尾氣排放，會(huì)造成空氣污染，影響人體健康。由于砂光粉本身是工廠加工的廢棄物，無(wú)需高成本運(yùn)輸和較大人力、物力和動(dòng)力的投入，結(jié)合廢棄纖維等木廢料工廠可自給自足，冬季不足時(shí)可用稻殼等農(nóng)作物作為補(bǔ)充燃料。
2.2.3燃燒排放物
隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃的出臺(tái)，以及社會(huì)各界對(duì)空氣質(zhì)量的密切關(guān)注。砂光粉成型燃料與煤炭相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)燃燒飛灰少，從而簡(jiǎn)化了煤炭燃燒爐的除灰設(shè)備；(2)砂光粉成型燃料主要燃燒成分為揮發(fā)分，燃燒時(shí)不冒黑煙，煙塵較少；(3)C02排放少，并且煙氣中沒(méi)有S02和粒狀C等產(chǎn)生，有利于降低對(duì)鍋爐腐蝕延長(zhǎng)使用壽命和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞；(4)二氧化硫、氮氧化合物等污染性氣體的排放少，不需使用脫硫裝置，減少了治污成本，避免酸雨的形成；(5)煤一般含有微量元素，如：As、Hg、Pb、Se等，部分金屬是有毒的重金屬元素。雖然他們?cè)诿禾恐械暮亢苌伲捎诿禾康拇笠?guī)模的燃燒和使用，重金屬總量仍不可忽視，而砂光粉中基本不含重金屬。
散狀燃料成型后熱效率可由100-10~30%提高到87%～89%，以1t煤的熱量17.285 GJ為單位，熱效率取中間值，則需散狀砂光粉5.145 t，成型砂光粉1.169 t。因此，砂光粉成型燃料比砂光粉散狀燃料能多替代3. 864 t煤。一噸煤排放S02的量按照16 kg計(jì)算，則砂光粉成型燃料替代煤的使用可避免61. 824 kg S02量的排放。
2.2.4燃燒廢棄物處理
砂光粉的發(fā)熱量為17 045 KJ·kg
-１，二類(lèi)煙煤的發(fā)熱量取中間值為17 285 KJ·kg-l，兩者發(fā)熱量相近。在理想狀態(tài)下，1t砂光粉可替代0.986 t煤完全燃燒釋放的熱量。1t煤炭燃燒后，產(chǎn)生灰分為0.27t。1t砂光粉燃燒后，產(chǎn)生灰分約0.03 t。在獲得相同熱量的條件下，砂光粉成型燃料燃燒產(chǎn)生的灰分是煤燃燒產(chǎn)生的9倍。當(dāng)處理燃燒剩余物的運(yùn)輸距離相同時(shí)，煤燃燒剩余物的處理費(fèi)用是砂光粉燃燒剩余物處理費(fèi)用的9倍。由于中密度纖維板廠一般建在林業(yè)資源較豐富地區(qū)附近，砂光粉等木廢料燃燒后的灰渣可用作附近林地或農(nóng)田的肥料。煤的燃燒剩余物還需運(yùn)往其它地區(qū)進(jìn)行二次加工利用或廢物處理。
3、結(jié)果與探討
(1)綜合考慮煤與木廢料成型燃料的生命周期能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本，木廢料成型燃料是一種較為理想的煤炭替代能源。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，煤的成本960元·t
-１，木廢料成型燃料成本273元·t
-１。從能源消耗出發(fā)，砂光粉的收集、壓縮成型等需要消耗人力、物力和動(dòng)力資源，其中，壓縮成型階段能耗占的比例最大。煤炭從開(kāi)采、加工再到使用，需消耗不可再生資源石油和煤炭。從環(huán)境角度出發(fā)，煤炭燃燒排放的一氧化碳、二氧化硫等污染氣體較多，生物質(zhì)成型燃料實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。
(2)中密度纖維板廠使用成型燃料燃替代煤炭的燃燒，一方面，降低了對(duì)環(huán)境負(fù)荷量，減少了能源資源的消耗；另一方面，與直接燃燒木廢料相比，成型燃料燃燒效率更高，壓縮成型的顆粒密度增大，燃燒起來(lái)更加安全，更便于儲(chǔ)存和車(chē)間工人投料量的控制。
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