輪胎用滌綸簾子布的生命周期評價

崔 寧

(中國紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100025)

汽車用纖維在滌綸工業(yè)絲的下游應(yīng)用市場中占比最大[1]，而輪胎用簾子布又是其中的高端應(yīng)用領(lǐng)域，因此研究滌綸簾子布生命周期中聚酯原料、滌綸工業(yè)絲產(chǎn)品及下游產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中所消耗的資源和能源、污染物的排放情況，對于掌握化纖工業(yè)中產(chǎn)業(yè)用纖維及其下游產(chǎn)品生產(chǎn)的能耗、物耗及污染排放的規(guī)律大有幫助。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義，生命周期是指一種產(chǎn)品體系連續(xù)的，且相互關(guān)聯(lián)的階段，從原材料獲取或從自然資源產(chǎn)生，到最終處置。生命周期評價(LCA)是諸多環(huán)境管理技術(shù)中的一種，指對一種產(chǎn)品體系貫穿生命周期過程中的輸入、輸出和潛在環(huán)境影響進(jìn)行的匯集與評價，它研究了一種產(chǎn)品從原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品運(yùn)輸和儲存、產(chǎn)品使用、產(chǎn)品壽命終結(jié)回收處置過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響和潛在環(huán)境影響。LCA的研究內(nèi)容涵蓋了一種產(chǎn)品在生命周期中的全部資源消耗、向自然界進(jìn)行物質(zhì)排放及其他全部的環(huán)境交換。因此，在一個相對較短的時間內(nèi)以LCA的方法做出充分且可靠的研究結(jié)果是十分困難的，在時間成本和經(jīng)濟(jì)成本上都很難接受。在這種情況下，采用簡化生命周期評價方法，即Streamlined LCA，在生命周期分析的研究范疇或者深度上予以簡化就變得比較普遍[2]。作者采用簡化生命周期評價方法，選擇汽車輪胎用滌綸簾子布作為研究對象，從紡絲用聚酯的合成開始，到簾子布產(chǎn)品為止，分析此生命周期中的各環(huán)境負(fù)荷，討論此生命周期中的顯著性影響因素。

1 研究范圍和研究方法及目標(biāo)的確定

1.1 研究范圍

本研究選擇國內(nèi)輪胎簾子布產(chǎn)業(yè)鏈上的聚酯聚合、滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)和簾子布生產(chǎn)等三類典型企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，以單位質(zhì)量(1 000 kg)輪胎簾子布為LCA的功能單位，研究起點(diǎn)為聚酯生產(chǎn)的原料精對苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)，終點(diǎn)為輪胎簾子布產(chǎn)品。調(diào)研的三類企業(yè)的基本生產(chǎn)技術(shù)路線見圖1。

圖1 聚酯-滌綸工業(yè)絲-簾子布生產(chǎn)技術(shù)路線

1.2 研究方法及目標(biāo)

目前，國內(nèi)外常用的LCA方法體系很多。概括起來，這些方法體系基本可以分為面向問題的方法和損害為主的方法兩種[3]。面向問題的方法是對與氣候變化、酸化、富營養(yǎng)化、潛在光化學(xué)生成及人類的毒性相關(guān)的環(huán)境影響進(jìn)行評價的方法，包括CML2001、EDIP97、EDIP2003和IMPACT2002+體系；損害為主的方法將評價對象劃分為各種環(huán)境主題，對每一個和人類、自然環(huán)境及資源相關(guān)的主題造成的損害進(jìn)行建模，包括Ecoindicator99和IMPACT2002+體系。

本文根據(jù)主要研究目標(biāo)，選擇由荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院提出的CML2001作為基本評價體系。該評價體系包括資源評價因子和環(huán)境評價因子，在上述研究范圍內(nèi)涉及到的環(huán)境負(fù)荷主要包括綜合能源消耗(CED)、水的消耗、非生物資源耗竭(ADP)、全球變暖潛值(GWP)、人體毒性(HT)、光化學(xué)氧化生成潛力(POCP)、酸化效應(yīng)(AP)、富營養(yǎng)化(EP)等。

2 生命周期清單分析

生命周期清單分析(LCIA)是研究一種產(chǎn)品生命周期過程中所消耗的能源，以及所產(chǎn)生的廢物和排放的方法。LCIA一般是LCA中最消耗時間和精力的階段，但也是LCA的四個階段中研究方法最為成熟的一個階段。

本研究調(diào)研了國內(nèi)具有代表性的聚酯企業(yè)、滌綸工業(yè)絲企業(yè)和簾子布企業(yè)，收集了這些企業(yè)單位重量產(chǎn)品(噸產(chǎn)品)所產(chǎn)生的能量消耗、主要原材料消耗，以及水的消耗量、循環(huán)利用情況和主要污染物排放等數(shù)據(jù)。

2.1 生命周期清單分析的工藝技術(shù)基礎(chǔ)

在開展與清單分析相關(guān)的數(shù)據(jù)收集之前，本研究根據(jù)我國聚酯工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀與調(diào)研結(jié)果，確定了滌綸簾子布生命周期中涉及的主要能源消耗與環(huán)境負(fù)荷排放情況，見表1。

表1 滌綸簾子布生命周期消耗與排放

在實(shí)際調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，大部分企業(yè)對于綜合能耗指標(biāo)能夠做到日常監(jiān)控，但是并沒有對生產(chǎn)流程的各個階段的能耗分別建立監(jiān)控手段。另外，對于熱媒爐工作所釋放的CO2等工業(yè)廢氣，絕大多數(shù)企業(yè)并沒有這部分排放的監(jiān)控手段，而是通過燃料消耗量折算得到。同時，對于工藝流程所產(chǎn)生的工藝廢氣，多數(shù)企業(yè)已經(jīng)開展現(xiàn)場捕集和處理，但是并沒有對處理效率進(jìn)行有效管理和排放監(jiān)控。

2.2 生命周期清單及分析

為了顯示在滌綸工業(yè)絲“從搖籃到廠門”的生命周期中各類型指標(biāo)對環(huán)境的總體影響程度，根據(jù)CML2001體系對資源評價因子和環(huán)境評價因子的分類，將聚酯、工業(yè)絲、簾子布生產(chǎn)階段能夠被納入到體系中的影響評價因子歸類，并將通過企業(yè)調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，見表2。從表2可以看出，清單項(xiàng)目中的一些指標(biāo)會出現(xiàn)在不同影響因子類別下面。例如“SO2/NOx氣體”會同時出現(xiàn)在HT和AP類別中； ADP中的“銻系催化劑”會在HT類別中以“產(chǎn)品重金屬含量”形式被研究；另外，由于本研究所涉及的CED基本上由燃煤消耗量和電力消耗量組成，而受調(diào)研企業(yè)所在省份的工業(yè)用電目前基本依靠火電，因此CED中的“單位產(chǎn)品綜合能耗”可以看做是生產(chǎn)過程中“燃煤的消耗”而同時計(jì)算在ADP類別之中。

表2 滌綸簾子布生命周期環(huán)境影響分類及評價因子數(shù)據(jù)

2)簾子布生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)根據(jù)被調(diào)研企業(yè)的環(huán)評數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

3)由單位產(chǎn)品綜合能耗減去聚酯余熱回收利用能量計(jì)算得到。

4)由于被調(diào)研企業(yè)提供的數(shù)據(jù)差異過大，此數(shù)據(jù)根據(jù)單位產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)煤消耗和我國現(xiàn)行工業(yè)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13271—2014中有關(guān)SO2/NOx排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到。

將表2清單數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的統(tǒng)計(jì)，得到各個資源影響因子和環(huán)境因子在滌綸簾子布生命周期的不同階段所占的比例，見表3。

表3 滌綸簾子布生命周期不同影響因子占比

從表3可以看出，以PTA、EG為起點(diǎn)，以輪胎用簾子布為終點(diǎn)的生命周期過程中，簾子布生產(chǎn)階段消耗了最大比例的能源消耗，貢獻(xiàn)了最大比例的CO2、SO2和NOx排放，工業(yè)絲生產(chǎn)階段貢獻(xiàn)了最大比例的VOCs排放和COD排放。

3 生命周期影響評價

如前所述，能夠?qū)δ骋环N環(huán)境影響產(chǎn)生貢獻(xiàn)的物質(zhì)通常不止一種，其影響程度也各不相同。為了在同一標(biāo)準(zhǔn)方法下對不同排放物的環(huán)境影響進(jìn)行相對客觀的對比與評價，本研究根據(jù)ISO 14042的規(guī)范和建議，按照影響類型分類、數(shù)據(jù)的特征化和數(shù)據(jù)的歸一化與加權(quán)等步驟進(jìn)行滌綸簾子布的生命周期影響評價。

3.1 環(huán)境影響因子的特征化

數(shù)據(jù)的特征化是指在所有對某一種環(huán)境類型有貢獻(xiàn)的物質(zhì)中，指定一種作為該類型環(huán)境影響的當(dāng)量物質(zhì)，而其他物質(zhì)對環(huán)境影響程度的大小用當(dāng)量物質(zhì)來表示。例如，對GWP有貢獻(xiàn)的溫室氣體有CO2、甲烷、一氧化氮、氯氟烴(CFCs)等。為統(tǒng)一度量整體溫度效應(yīng)的結(jié)果，CO2被定義為當(dāng)量物質(zhì)，所以1 kg CO2特征化后相當(dāng)于1 kg CO2當(dāng)量，而1 kg甲烷特征化后相當(dāng)于25 kg CO2當(dāng)量，1 kg一氧化氮特征化后相當(dāng)于296 kg CO2當(dāng)量。滌綸簾子布生產(chǎn)過程涉及到的環(huán)境影響特征化因子見表4[4]。

表4 環(huán)境影響特征化因子

2)采用銻在工業(yè)土壤中的特征化因子表示。

根據(jù)表4提供的環(huán)境影響特征化因子，將表2所列出的GWP、ADP、HJ等評價因子進(jìn)行特征化，結(jié)果見表5。

表5 滌綸簾子布各生產(chǎn)階段的環(huán)境影響因子特征化結(jié)果

1)銻系催化劑的HT首先以調(diào)研數(shù)據(jù)200 mg/kg為基準(zhǔn)(噸產(chǎn)品中的銻含量為0.2 kg/t)，再考慮銻的HT特征化因子進(jìn)行計(jì)算。

2)工業(yè)絲生產(chǎn)階段的POCP因子以乙醛為代表，其特征化因子為0.641；簾子布生產(chǎn)階段的POCP因子以甲醛為代表，其特征化因子為0.519。

3.2 環(huán)境影響因子的歸一化和加權(quán)

在CML2001體系中，生命周期影響評價(LCIA)所涉及的影響因子類型比較多，每個類型影響因子所使用的當(dāng)量物質(zhì)也各不相同，即使經(jīng)過特征化后的數(shù)據(jù)仍然有單位，各種不同類型的環(huán)境影響因子的單位不同，不能直接相互比較。

歸一化能夠?qū)⒂僧?dāng)量物質(zhì)表示的各類環(huán)境影響的數(shù)據(jù)化量綱轉(zhuǎn)化為1，以更好地認(rèn)識所研究的不同類型環(huán)境影響因子的相對大小。

歸一化步驟是以類型參數(shù)計(jì)算結(jié)果除以選定的基準(zhǔn)值來加以轉(zhuǎn)換。由于我國資源消耗和環(huán)境排放相關(guān)影響類型尚未建立起系統(tǒng)的歸一化基準(zhǔn)，本研究采用的基準(zhǔn)值為2000年世界范圍內(nèi)的各類環(huán)境負(fù)荷總量[5]，見表6。

表6 環(huán)境類型歸一化因子

將表5中的特征化數(shù)據(jù)與表6中的歸一化因子進(jìn)行計(jì)算，得到滌綸簾子布各生產(chǎn)階段因子的歸一化結(jié)果，見表7。

表7 滌綸簾子布各生產(chǎn)階段環(huán)境影響因子的歸一化結(jié)果

在歸一化后，各類型影響因子還需要根據(jù)各自在環(huán)境影響中所占的比例進(jìn)行加權(quán)，而后進(jìn)行最終的比較與評價。

本研究根據(jù)國內(nèi)清潔生產(chǎn)相關(guān)的資源與環(huán)境多層級多指標(biāo)設(shè)置方法，采用層次分析法(AHP)進(jìn)行環(huán)境影響權(quán)衡，通過構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算出各影響因子的權(quán)重。滌綸簾子布生命周期各階段環(huán)境因子權(quán)重見表8。從表8可以看出，簾子布生產(chǎn)階段的GWP、ADP、HT、POCP、AP權(quán)重均較大。

表8 滌綸簾子布生命周期各階段環(huán)境影響因子權(quán)重

將表7的環(huán)境影響因子歸一化結(jié)果與表8的影響因子權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得到滌綸簾子布生命周期中各個生產(chǎn)階段的影響因子評價結(jié)果，見表9所示。

表9 滌綸簾子布生命周期各階段環(huán)境影響因子評價結(jié)果

4 生命周期解釋

為了直觀清楚的評價滌綸簾子布生命周期的每一個生產(chǎn)階段內(nèi)部環(huán)境影響類別之間的相互關(guān)系，將表9中評價結(jié)果在各自的生產(chǎn)階段進(jìn)行相對性比較，將相對性的百分比數(shù)值列入表10。

表10 滌綸簾子布生命周期各階段環(huán)境影響因子重要性比較

由表10可以看出，在六類環(huán)境影響類別中，ADP與GWP占據(jù)顯著的重要位置，在聚酯聚合階段，GWP比例為48.2%，ADP比例為47.8%；在工業(yè)絲階段，GWP比例為43.9%，ADP比例為50.4%；簾子布階段，GWP比例為44.8%，ADP比例為52.1%。從占比數(shù)值來看，ADP因子對于環(huán)境影響最為重要，GWP次之。由于滌綸簾子布各生產(chǎn)階段的能源來源基本依靠燃煤或者燃煤電力，以SO2和NOx為代表的酸性氣體排放造成的影響占據(jù)第三重要的位置。由于使用銻系催化劑及酸性氣體排放造成的對人體的潛在毒性居第四位。而光化學(xué)氧化和富營養(yǎng)化的影響比較不重要，尤其是富營養(yǎng)化的影響幾乎趨于零。

另外，由于我國聚酯工業(yè)在聚合階段與工業(yè)絲階段，生產(chǎn)的集約化程度很高，受調(diào)研企業(yè)的技術(shù)水平在國內(nèi)屬于領(lǐng)先水平，故其單位產(chǎn)品的能耗已經(jīng)控制得比較低；而在簾子布的織造階段，生產(chǎn)企業(yè)基本都是使用大量的織造機(jī)械，雖然近年來噴氣織機(jī)正在逐漸取代劍桿織機(jī)，但單位產(chǎn)品的能耗相對于上游產(chǎn)品仍然較高。

5 結(jié)論

a.利用CML2001評價體系對滌綸簾子布生命周期中3個主要階段的環(huán)境影響進(jìn)行評價，結(jié)果表明，生產(chǎn)1 t 輪胎簾子布，GWP、ADP、HT、POCP、AP、EP的加權(quán)評價結(jié)果分別為2.43×10-12、2.77×10-12、1.88×10-14、2.64×10-14、1.45×10-13、7.66×10-16，GWP和ADP是滌綸簾子布生產(chǎn)環(huán)境影響的主要類型，占總環(huán)境影響值的 90%以上。

b.生產(chǎn)1 t 輪胎簾子布，聚酯生產(chǎn)階段、工業(yè)絲生產(chǎn)階段、簾子布生產(chǎn)階段的環(huán)境影響總值分別為5.21×10-13、9.00×10-13、3.99×10-12，簾子布生產(chǎn)階段為影響環(huán)境的主要環(huán)節(jié)，占整個生命周期環(huán)境影響值的73.8%，該階段貢獻(xiàn)了最多的能源消耗，產(chǎn)生了最大比例的CO2、SO2和NOx排放，而工業(yè)絲生產(chǎn)階段貢獻(xiàn)了最大比例的VOCs排放和COD排放。

c.在我國各工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵤┕?jié)能減排和綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景下，以滌綸簾子布為代表的產(chǎn)業(yè)用纖維及其產(chǎn)品制造行業(yè)在生產(chǎn)集約化、提高能效方面尚有較大的提升空間。