聚酯樹脂產(chǎn)品生命周期分析與評價(jià)系統(tǒng)

鐘言久 闞歡迎 劉 陽

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 合肥 233009；2.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各級政府對環(huán)境保護(hù)的重視程度也越來越高。同時(shí)，頒布了一系列的法律法規(guī)對各行業(yè)的資源消耗進(jìn)行了規(guī)范和限制，如2016年四部委聯(lián)合印發(fā)《綠色制造工程實(shí)施指南（2016-2020）年》，旨在降低資源消耗和環(huán)境污染，提高資源能源的使用效率。在產(chǎn)品的生命周期各階段，產(chǎn)品的環(huán)境排放不僅僅局限于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，而是從原材料階段到產(chǎn)品的回收處理各階段均存在不同程度的環(huán)境排放。同時(shí)，不同類型的產(chǎn)品通常來說評價(jià)方法也不盡相同。為了有效的評測和控制特定產(chǎn)品的環(huán)境排放，有必要開發(fā)一種面向某類產(chǎn)品的基于生命周期理論的產(chǎn)品環(huán)境影響評價(jià)系統(tǒng)。

在產(chǎn)品生命周期評價(jià)工具方面，國外生命周期發(fā)展較早，已有相對的成熟的生命周期評價(jià)工具，常用的生命周期評價(jià)工具包括GABI、SimaPro等。而國內(nèi)相應(yīng)的研究尚處于發(fā)展階段，劉繼永根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品生命周期特點(diǎn)，進(jìn)行面向機(jī)電產(chǎn)品生命周期分析的軟件功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，從而開發(fā)出評價(jià)工具[1]。評價(jià)方法方面，蔣詩新等利用GaBi6軟件，從原材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、回收五個(gè)階段對家用空調(diào)進(jìn)行碳排放評估，得到家用空調(diào)各階段的碳排放量，并分析出導(dǎo)致各階段排放的主要原因[2]。萬騰方等針對鋼鐵行業(yè)的環(huán)境影響問題，采用生命周期方法評價(jià)鋼鐵生產(chǎn)過程中的資源消耗和環(huán)境影響，得出環(huán)境影響最大的11種物質(zhì)，并分析了各物質(zhì)環(huán)境影響比重[3]。張方文等針對定向刨花板生產(chǎn)過程，開展基于生命周期的定向刨花板生產(chǎn)環(huán)境影響分析，得出生產(chǎn)過程中能源消耗和碳排放量[4]。

由以上分析可知，在當(dāng)前的研究當(dāng)中，很少有針對聚酯樹脂產(chǎn)品的生命周期分析，而聚酯樹脂又是重要的工業(yè)原材料之一。因此，對聚酯樹脂產(chǎn)品進(jìn)行生命周期分析將會(huì)有效的降低環(huán)境排放。本文針對聚酯樹脂產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)，開發(fā)基于生命周期理論的聚酯樹脂產(chǎn)品環(huán)境績效評價(jià)工具，為聚酯樹脂的生命周期分析提供指導(dǎo)。

1 聚酯樹脂產(chǎn)品生命周期分析

生命周期分析是當(dāng)前產(chǎn)品環(huán)境評價(jià)的主要方式之一，其主要是通過分析和量化產(chǎn)品生命周期過程中所消耗的原材料、能源等，計(jì)算出對環(huán)境的排放量，從而評價(jià)產(chǎn)品對環(huán)境的影響。在生命周期評價(jià)過程中，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14040和ISO 14044，生命周期評價(jià)步驟主要分為：

步驟一：評價(jià)對象和范圍：評價(jià)對象和范圍的確定是生命周期分析的首要環(huán)節(jié)，該步驟的主要目的是確定生命周期分析的研究對象，明確評價(jià)的主要功能單元、邊界條件和評價(jià)階段等。

步驟二：清單分析：在明確評價(jià)對象和范圍之后，即可對聚酯樹脂生命周期各階段的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；該步驟主要確定原材料、生產(chǎn)、回收等各階段的物質(zhì)和能量信息，為后續(xù)的評價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

步驟三：影響評價(jià)和結(jié)果解釋：該步驟是生命周期評價(jià)的最后一環(huán)，其主要目的是對清單數(shù)據(jù)和評價(jià)結(jié)果進(jìn)行定性和定量的分析和描述，確定對環(huán)境影響最大的階段，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1.1 評價(jià)目標(biāo)與范圍確定

聚酯樹脂是一種典型的化工原料，其主要參數(shù)指標(biāo)包括外觀、色度、反應(yīng)性、軟化點(diǎn)、酸值、熔體粘度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。根據(jù)ISO 14041標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合聚酯樹脂產(chǎn)品特點(diǎn)，本文主要研究聚酯樹脂生命周期中的三個(gè)階段：原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段和運(yùn)輸階段，具體如圖1所示。由圖可以看出，在原材料獲取階段，主要包括原材料和能源物質(zhì)兩類，且這兩部分均有相應(yīng)的能源輸入和廢棄物排放；在生產(chǎn)制造階段，主要包括聚酯生產(chǎn)加工和包裝兩個(gè)階段；在運(yùn)輸階段，不僅考慮到了產(chǎn)品到銷售企業(yè)的運(yùn)輸，還考慮到了原材料到生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)輸，從而提高評價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.2 清單分析與計(jì)算

根據(jù)生命周期理論，產(chǎn)品的環(huán)境排放總和等于生命周期各階段排放量的累加。因此，根據(jù)所定義的聚酯樹脂產(chǎn)品系統(tǒng)邊界，本文在對聚酯樹脂產(chǎn)品進(jìn)行生命周期分析時(shí)，主要考察原材料獲取、生產(chǎn)和運(yùn)輸三個(gè)階段。通過對著三個(gè)階段進(jìn)行分析，得出聚酯樹脂產(chǎn)品對環(huán)境的排放總和。各階段計(jì)算模型如下所示：

圖1 聚酯產(chǎn)品LCA系統(tǒng)邊界

其中，G 表示聚酯產(chǎn)品生命周期的排放量，Ga原材料獲取階段的排放量，Gm表示聚酯產(chǎn)品在制造階段的排放量，Gt表示其在運(yùn)輸階段的排放量。

1）原材料獲取階段

聚酯產(chǎn)品在原材料獲取階段的排放可由式（2）計(jì)算得到：

其中，k表示評價(jià)模塊個(gè)數(shù)；j表示原材料種類；Mkj表示原材料消耗總量；FMj表示生產(chǎn)排放系數(shù)；nkj表示原材料利用率；i表示能源類別；Eki表示聚酯樹脂所消耗的能源總量；FEi表示該類能源的碳排放系數(shù)；l表示氣體種類；Ckl表示溫室氣體排放量；Fcl表示該類溫室氣體的二氧化碳排放當(dāng)量。

2）生產(chǎn)制造階段

聚酯產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段的排放計(jì)算公式如式（3）所示：

其中，k表示生產(chǎn)單元，由圖1可知，本文根據(jù)聚酯樹脂生產(chǎn)工藝，將生產(chǎn)過程劃分為反應(yīng)、冷卻、破碎和包裝四個(gè)階段；i表示消耗能源種類；Cik表示生產(chǎn)過程中所消耗的能源總量；EFi表示該類能源的排放系數(shù)；p表示成產(chǎn)過程中排放的廢氣種類；Op表示廢氣排放總量；GWPp表示該類氣體的全球變暖潛能值。

3）運(yùn)輸階段

其中，i表示交通工具種類，在本文中，主要有輪船、火車和卡車三種；Ti表示此類交通工具單位距離的能源消耗量；Di表示運(yùn)輸距離；EFi表示所用能源的排放系數(shù)。

2 生命周期評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)對聚酯產(chǎn)品生命周期的分析，結(jié)合聚酯產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)際，開發(fā)基于生命周期理論的聚酯產(chǎn)品生命周期評價(jià)系統(tǒng)。同時(shí)對系統(tǒng)架構(gòu)和人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使得系統(tǒng)簡單易用，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)聚酯樹脂產(chǎn)品具體生產(chǎn)過程和生命周期評價(jià)理論，對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。由系統(tǒng)架構(gòu)圖可知，該評估系統(tǒng)主要分為五個(gè)功能模塊：基本信息模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)錄入模塊、生命周期評估模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。

1）基本信息模塊

基本信息模塊是該系統(tǒng)的首要模塊，該模塊主要用于設(shè)定和查詢出產(chǎn)品基本信息、生命周期階段、生產(chǎn)制造工藝階段等信息，從而實(shí)現(xiàn)對聚酯產(chǎn)品的生命周期評估進(jìn)行邊界界定和模塊設(shè)置。

2）數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊主要用來對物質(zhì)環(huán)境影響評價(jià)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，包括物質(zhì)信息查詢和相關(guān)法規(guī)查詢兩部分。物質(zhì)信息查詢包括原材料、能源等基礎(chǔ)物質(zhì)查詢；相關(guān)法規(guī)查詢主要包括國家法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和政策的查詢。

3）數(shù)據(jù)錄入模塊

數(shù)據(jù)錄入模塊是在基本信息模塊確定生命周期評估階段的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)查詢功能，對聚酯樹脂生命周期各階段進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入生命周期階段數(shù)據(jù)的錄入，包括原材料獲取階段、生產(chǎn)制造階段以及產(chǎn)品運(yùn)輸階段三個(gè)階段。

圖2 聚酯樹脂生命周期分析系統(tǒng)架構(gòu)圖

4）生命周期評估模塊

在聚酯產(chǎn)品各生命周期階段數(shù)據(jù)錄入的基礎(chǔ)上，該模塊主要對各階段進(jìn)行生命周期環(huán)境影響計(jì)算。在計(jì)算內(nèi)容方面，分別對各階段進(jìn)行計(jì)算，包括碳排放分析和CML 2001分析。在計(jì)算結(jié)果可視化方面，用戶可以根據(jù)需要在分階段和總評估方面，選擇柱狀圖、餅狀圖、雙餅狀圖和折線圖等展示計(jì)算結(jié)果。

5）數(shù)據(jù)管理模塊

此模塊主要是對物質(zhì)環(huán)境影響等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和法律法規(guī)等政策數(shù)據(jù)的查看、修改、添加和刪除等，從而可以根據(jù)用戶需求對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，保證數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行更新和自定義，提高軟件的適用性。

2.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程是該聚酯產(chǎn)品生命周期評估過程的主要步驟，也是用戶進(jìn)行聚酯產(chǎn)品生命周期評估的主要步驟，具體流程如圖3所示。由流程圖可知，該聚酯產(chǎn)品生命周期評估系統(tǒng)主要分為六個(gè)步驟，具體如圖3所示。

步驟1：目標(biāo)和范圍確定：該步驟是評估的首要步驟。首先需要確定聚酯產(chǎn)品的評價(jià)目標(biāo)和范圍，包含評價(jià)指標(biāo)、生命周期階段和生產(chǎn)工藝過程等。

步驟2：原材料和能源數(shù)據(jù)導(dǎo)入：在步驟1完成生命周期階段定義后，對原材料獲取階段進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。主要依據(jù)聚酯產(chǎn)品的生產(chǎn)的具體原材料、能耗等數(shù)據(jù)添加。

步驟3：生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入：該步驟主要是根據(jù)具體的制造工藝進(jìn)行添加，一般包括包裝、反應(yīng)、冷卻、破碎等工藝階段。同時(shí)也可以對工藝階段進(jìn)行修改和添加。

步驟4：運(yùn)輸階段數(shù)據(jù)導(dǎo)入：該步驟主要包括兩個(gè)階段：原材料運(yùn)輸至生產(chǎn)企業(yè)階段和聚酯產(chǎn)品運(yùn)輸至銷售客戶階段。同時(shí)根據(jù)具體的運(yùn)輸方式，將運(yùn)輸方式分為卡車、輪船、火車。

步驟5：生命周期分析與計(jì)算：在完成以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入步驟之后，即可進(jìn)行環(huán)境影響計(jì)算。在分析指標(biāo)方面，利用碳排放和CML2001兩組標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)境影響分析。

步驟6：數(shù)據(jù)展示與導(dǎo)出：在計(jì)算結(jié)果展示方面，通過餅狀、柱狀等圖形進(jìn)行展示，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。同時(shí)，該系統(tǒng)具有評估報(bào)告導(dǎo)出功能，以方便用戶使用。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

本文選擇某公司生產(chǎn)的聚酯樹脂產(chǎn)品，對該評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。該聚酯樹脂產(chǎn)品生命周期階段為原材料獲取、生產(chǎn)制造和運(yùn)輸階段，不考慮該產(chǎn)品的使用和回收過程，其中，各階段所消耗的原材料和能耗不考慮品牌和地區(qū)。為提高數(shù)據(jù)收集和系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文所采用的數(shù)據(jù)均為生產(chǎn)1 000 kg聚酯樹脂產(chǎn)品所消耗能源和物質(zhì)數(shù)量。

在原材料獲取階段，聚酯樹脂生產(chǎn)所需要的主要原材料數(shù)據(jù)見表1所示。在此階段中，主要考慮的原材料包括新戊二醇、己二酸、對苯二甲酸、丙二醇、間苯二甲酸、單丁基氧化錫、抗氧化劑（酚類）七類。其余原材料由于比例較少，因此在本次評估中未考慮其他材料。

圖3 聚酯產(chǎn)品生命周期評估系統(tǒng)工作流程

在聚酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)制造階段，主要包括酯化、脫水、酸解、減壓縮聚、加助劑、過濾、冷卻、破碎和包裝等生產(chǎn)工藝。在本文中，為提高能耗數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，將酯化工藝、酸解工藝和減壓縮聚工藝融合為一個(gè)評估工藝。由于加助劑和過濾工藝所消耗的能耗較低，在本次評估中忽略不計(jì)。因此，在本次評估中，主要包括酯化-酸解-縮聚、冷卻、破碎和包裝四大生產(chǎn)工藝階段，具體能耗數(shù)據(jù)見表2所示。

在運(yùn)輸階段，本次評估考慮原材料到生產(chǎn)企業(yè)和產(chǎn)品到銷售企業(yè)的運(yùn)輸兩個(gè)部分。在原材料運(yùn)輸階段，主要運(yùn)輸新戊二醇、己二酸、對苯二甲酸、丙二醇、抗氧化劑（酚類）五類物質(zhì)，間苯二甲酸和單丁基氧化錫的運(yùn)輸暫不考慮。在產(chǎn)品到銷售企業(yè)的運(yùn)輸類別中，選取典型的三個(gè)銷售企業(yè)作為評估對象。兩類運(yùn)輸均采用預(yù)設(shè)的輪船、卡車和鐵路運(yùn)輸，具體運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離見表3所示。

在完成聚酯產(chǎn)品各階段數(shù)據(jù)收集之后，根據(jù)聚會(huì)產(chǎn)品的具體信息，對評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行基本信息設(shè)置。在本次評估中，將生命周期評估階段設(shè)置為原材料獲取、生產(chǎn)制造和運(yùn)輸三個(gè)階段。其中，在生產(chǎn)制造工藝中，添加酯化-酸解-縮聚、冷卻、破碎和包裝四個(gè)工藝階段。生命周期評估系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

在完成基本信息設(shè)置之后，將以上給出的聚酯產(chǎn)品各階段數(shù)據(jù)添加到系統(tǒng)中，即可得到聚酯樹脂環(huán)境分析結(jié)果。碳排放分析結(jié)果如圖5所示，由圖可知，總碳排放總量為17.012 36 [kg CO2eq.]。其中，原材料獲取階段排放量為2.670 96 [kg CO2eq.]，制造階段排放量為13.797 38 [kg CO2eq.]，運(yùn)輸階段排放量為0.544 02 [kg CO2eq.]。由此可知，制造階段對環(huán)境的影響最大，有必要對產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

圖6所示結(jié)果為聚酯產(chǎn)品生命周期CML2001分析結(jié)果。由該圖可知，非生物資源（ADP化石）排放總量為214.253 7 [MJ]，酸化潛能值（AP）排放總量為0.075 25 [kg SO2eq.]，富營養(yǎng)化潛能值（EP）總排放量為0.004 93 [kg Phosphateeq.]，淡水水生生態(tài)毒性潛能值（FAETP inf）總排放量為0.371 91 [kg DCB eq.]，溫室效應(yīng)潛能值（GWP 100 年）總排放量為17.012 36 [kg CO2 eq.]，溫室效應(yīng)潛能值（GWP 100 年）EXL生物碳總排放量為17.101 14 [kg CO2 eq.]，人類毒性潛能值（HTP inf）總排放量為90.022 95 [kg DCB eq.]，海水水生生態(tài)毒性潛能值（MAETP inf）總排放量為24 572.211 30 [kg DCB eq.]，光化學(xué)臭氧生成潛能值（POCP）總排放量為0.005 17 [kg Ethene eq.]，陸地生態(tài)毒性潛能（TETP）總排放量為0.039 41 [kg DCB eq.]。

表1 聚酯產(chǎn)品原材料組成

表2 生產(chǎn)過程能耗使用數(shù)據(jù)

表3 原材料和產(chǎn)品運(yùn)輸階段數(shù)據(jù)

圖4 聚酯樹脂產(chǎn)品生命周期評價(jià)系統(tǒng)

圖5 聚酯產(chǎn)品碳排放分析結(jié)果圖

圖6 聚酯產(chǎn)品CML2001分析結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文主要針對聚酯樹脂產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售特點(diǎn)，開發(fā)了基于生命周期理論的聚酯樹脂產(chǎn)品環(huán)境評價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)聚酯產(chǎn)品的生命周期階段和特定生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，分別計(jì)算出不同階段和不同生產(chǎn)工藝的環(huán)境影響。在影響結(jié)果分析方面，采用碳排放和CML2001指標(biāo)體系對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。通過該系統(tǒng)，可以有效地判定聚酯產(chǎn)品在原材料、生產(chǎn)和運(yùn)輸各階段環(huán)境影響，為聚酯產(chǎn)品的后期改進(jìn)提供指導(dǎo)。