基于LCA的PET再生紡織品環(huán)境影響分析

孫光亞,王雅君*,徐同廣,曹 馨,陳慶華,莊凌峰

基于LCA的PET再生紡織品環(huán)境影響分析

孫光亞1,王雅君1*,徐同廣1,曹 馨2,陳慶華3,莊凌峰3

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院,北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,北京 102249；3.福建師范大學(xué),聚合物資源綠色循環(huán)利用教育部工程研究中心,福建 福州 350007)

為分析PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)再生紡織品的環(huán)境效益及其生產(chǎn)過(guò)程中的重點(diǎn)改進(jìn)因素,基于生命周期評(píng)價(jià)(LCA)研究思路,采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配結(jié)合cut-off規(guī)則的方法對(duì)廢棄PET材料作為原生材料時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分配,核算出再生技術(shù)與原生技術(shù)(所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有相同消費(fèi)功能)兩個(gè)模擬情景的環(huán)境負(fù)荷,并對(duì)再生工藝流程的LCA模型進(jìn)行歸一化分析與敏感性分析.結(jié)果表明:相對(duì)于原生技術(shù),再生技術(shù)每生產(chǎn)1t PET再生紡織品可減少1640kg的溫室氣體排放,并節(jié)約40400MJ的不可再生能源使用,人體毒性潛值、富營(yíng)養(yǎng)化潛值、淡水生態(tài)毒性潛值等環(huán)境影響指標(biāo)均有不同程度的下降.6個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中反應(yīng)增容對(duì)總體環(huán)境負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大,電力與甲基丙烯酸縮水甘油酯的消耗量應(yīng)作為重點(diǎn)改進(jìn)因素.

生命周期評(píng)價(jià)；碳減排核算；PET紡織品；循環(huán)再生；經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配

據(jù)統(tǒng)計(jì),在中國(guó)約40%的消費(fèi)者每年淘汰的衣物數(shù)量在5件以上[1],隨之產(chǎn)生的紡織廢棄材料高達(dá)2000萬(wàn)t[2],再生利用率不足20%,造成了極大的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染.而我國(guó)作為全世界最大的紡織品生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó),65%以上[3]的原材料依賴于進(jìn)口,聚酯廢料的循環(huán)利用不但對(duì)減污降碳大有裨益[4],也是緩解紡織工業(yè)原材料短缺的重要措施,有助于我國(guó)建立健全綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系.

為了實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能減排,在紡織廢棄材料處理技術(shù)的開發(fā)或改進(jìn)過(guò)程中,除技術(shù)性問(wèn)題與經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題外,合理運(yùn)用客觀、系統(tǒng)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法衡量工藝技術(shù)的資源環(huán)境效率也十分重要.生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)作為近年來(lái)被各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用的環(huán)境影響研究方法學(xué)[5-8],其基本思路是對(duì)某項(xiàng)產(chǎn)品或技術(shù)的上游原料生產(chǎn)過(guò)程及其下游消費(fèi)、廢棄過(guò)程進(jìn)行追溯,核算其潛在的資源消耗量與污染排放量,并通過(guò)指標(biāo)轉(zhuǎn)換因子[9]換算為特定的環(huán)境影響指標(biāo)(全球變暖潛值、化石能源消耗、人體毒性潛值、酸化效應(yīng)潛值等).

LCA已廣泛應(yīng)用于紡織行業(yè)的碳減排研究、科研開發(fā)、生產(chǎn)加工以及固廢治理等方面,發(fā)展前景廣闊[10-13].Subramanian等[14]曾開發(fā)一種從紡織廢料中回收聚酯纖維的再生技術(shù),由LCA分析可知減少用電量與尿素消耗量是降低該技術(shù)碳排放的關(guān)鍵因素.Yan等[15]曾對(duì)毛、棉織物進(jìn)行LCA研究,發(fā)現(xiàn)棉織物的全球變暖潛值要低于毛織物,相對(duì)于平紋工藝,羅紋工藝具有更低的溫室氣體排放且會(huì)隨著印染顏色變淺而降低.對(duì)于消費(fèi)后廢棄聚酯材料的回收再利用,Zamani等[16]提出根據(jù)廢棄物的屬性差異結(jié)合使用不同回收方案,每處理1t紡織固廢可降低約10t的溫室氣體排放和169GJ的一次能源使用.Zhang等[17]結(jié)合LCA與LCC(生命周期成本分析)對(duì)山東某工廠以廢棄聚酯材料生產(chǎn)毛毯的案例進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明優(yōu)化有機(jī)化學(xué)品和蒸汽的生產(chǎn)過(guò)程可以大幅提高環(huán)境效益并降低經(jīng)濟(jì)成本.

圖1 環(huán)境負(fù)荷在前后兩個(gè)生命周期的分配

本研究基于LCA方法學(xué)對(duì)東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)中的PET再生紡織品進(jìn)行環(huán)境效益分析,并識(shí)別判斷再生過(guò)程中造成環(huán)境污染與資源消耗的重點(diǎn)改進(jìn)因素.對(duì)于可再生廢棄材料作為原生材料時(shí)的環(huán)境負(fù)荷在前后兩個(gè)生命周期中的分配問(wèn)題(圖1),國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)多數(shù)是忽略不計(jì)第一個(gè)生命周期的環(huán)境影響(cut-off方法),或是按50%的比例進(jìn)行平均分配,而更為客觀、合理的方法是根據(jù)研究目的按廢棄物的一定屬性進(jìn)行比例折算.因此本研究在量化整體環(huán)境負(fù)荷時(shí)遵循經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法,在識(shí)別改進(jìn)重點(diǎn)時(shí)采用cut-off方法(詳見第1.3節(jié)).

本文研究?jī)?nèi)容依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14040:2006[18]與ISO 14044:2006[19],涵蓋了目標(biāo)與范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評(píng)價(jià)以及生命周期解釋四個(gè)分析步驟.

1 研究方法

1.1 研究目標(biāo)與范圍

本研究的研究目的是量化分析東南輕工建材產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)以PET廢棄材料為原料生產(chǎn)的再生紡織品(通過(guò)再生技術(shù)生產(chǎn))對(duì)比于具有相同消費(fèi)功能的原生PET紡織品(通過(guò)原生技術(shù)生產(chǎn))的環(huán)境效益,并在此基礎(chǔ)上識(shí)別判斷再生技術(shù)工藝流程中發(fā)生資源消耗與環(huán)境污染的重點(diǎn)改進(jìn)因素.

通過(guò)該再生技術(shù)生產(chǎn)的PET再生紡織品各項(xiàng)物理性能與指標(biāo)參數(shù)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),投入市場(chǎng)后,將對(duì)以石化資源為原料生產(chǎn)的原生PET產(chǎn)品進(jìn)行有效代替,從而達(dá)到節(jié)約資源、減污降碳的技術(shù)開發(fā)目的.本研究采用LCA方法學(xué)對(duì)再生技術(shù)與原生技術(shù)造成的環(huán)境影響進(jìn)行量化分析,將兩項(xiàng)技術(shù)的功能單位均定義為生產(chǎn)制造1t PET紡織產(chǎn)品,并將再生技術(shù)與原生技術(shù)以情景A、情景B兩個(gè)模擬情景進(jìn)行區(qū)分.如圖2所示,情景A、B的系統(tǒng)邊界均設(shè)置為Cradle-to-Gate,包括各種原材料、大宗能源與自然資源的輸入,并按再生技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程將物料輸入輸出數(shù)量精確至產(chǎn)品出廠前的各個(gè)加工環(huán)節(jié),包括從廢棄纖維造粒開始直至均化紡絲形成最終產(chǎn)品的全部生產(chǎn)流程.

PET再生紡織品的生命周期模型構(gòu)建主要依靠于LCA專業(yè)軟件—GaBi,該軟件由德國(guó)斯圖加特大學(xué)與PE公司共同開發(fā),是目前國(guó)際上環(huán)境影響分析工具中數(shù)據(jù)集含量最多的軟件[20-21],具有界面靈活和透明性高的特點(diǎn).本研究借助于該軟件核算特征化與歸一化結(jié)果數(shù)據(jù).

基于Gabi軟件中內(nèi)嵌的CML 2001-Jan.2016核算方法,本研究擬定量化分析的環(huán)境影響指標(biāo)共有8類,包括全球變暖潛值(Global Warming Potential, GWP)、非生物性化石能源消耗(Abiotic Depletion fossil, ADPf)、酸化效應(yīng)潛值(Abiotic Depletion fossil, AP)、富營(yíng)養(yǎng)化潛值(Eutrophication Potential, EP)、光化學(xué)氧化劑生成潛值(Photochemical Ozone Creation Potential, POCP)、人體毒性潛值(Human Toxicity Potential, HTP)、淡水生態(tài)毒性潛值(Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential, FAETP)以及海洋生態(tài)毒性潛值(Marine Aquatic Ecotoxicity Potential, MAETP).其中溫室氣體排放量以及能源消耗量是塑料、紡織行業(yè)的LCA研究中最為關(guān)注的環(huán)境影響類別,其次為生命周期過(guò)程對(duì)酸化、富營(yíng)養(yǎng)化以及對(duì)水體與大氣的影響等[22-23].本研究共選取上述8類環(huán)境影響指標(biāo),分別用于測(cè)算PET再生紡織品的生命周期過(guò)程對(duì)氣候變化、能源消耗以及對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境所造成的影響.

圖2 情景A與情景B的系統(tǒng)邊界

GWP為溫室氣體減排量的核算指標(biāo),以二氧化碳生成當(dāng)量作為指標(biāo)單位,具體數(shù)值結(jié)果由研究對(duì)象所在生命周期過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳、甲烷、氮氧化合物以及含氟氣體等溫室氣體按固定的折算系數(shù)匯總求和而來(lái).ADPf的單位為MJ,用于量化生命周期過(guò)程對(duì)硬煤、石油、天然氣等不可再生能源的消耗.AP是將生命周期過(guò)程中含有氮、硫、磷等酸性氣體的生成量轉(zhuǎn)化為二氧化硫生成量,并以其作為指標(biāo)單位.富營(yíng)養(yǎng)化是一種由氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量過(guò)多所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象,在CML 2001-Jan.2016核算方法中以EP作為量化指標(biāo),并以磷酸根生成當(dāng)量作為指標(biāo)單位.POCP的指標(biāo)單位為乙烯生成當(dāng)量,其量化結(jié)果是由生命周期過(guò)程中的非甲烷碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、一氧化碳等折算匯總而來(lái),其在太陽(yáng)輻射(紫外線)作用下會(huì)進(jìn)一步生成臭氧、二氧化氮等具有強(qiáng)氧化性的污染物(統(tǒng)稱為光化學(xué)煙霧).而HTP、FAETP以及MAETP等環(huán)境影響指標(biāo)則均以1,4-二氯苯(1,4-Dichlorobenzene, DCB)生成當(dāng)量作為指標(biāo)單位,用于量化分析研究對(duì)象的生命周期過(guò)程對(duì)人體健康與水體生態(tài)造成的影響.

1.2 生命周期數(shù)據(jù)清單

本研究清單數(shù)據(jù)主要來(lái)源于實(shí)地調(diào)研、企業(yè)生產(chǎn)報(bào)告與環(huán)評(píng)報(bào)告等,由于實(shí)驗(yàn)工作與企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)保密性,部分物料與能耗數(shù)據(jù)來(lái)源于行業(yè)參考文獻(xiàn).

表1 PET再生紡織品工藝流程的物料數(shù)據(jù)清單

如表1所示,為方便后續(xù)開展計(jì)算機(jī)模擬并得到清晰、具體的環(huán)境影響分析結(jié)果,基于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程物料流量與設(shè)備功率的調(diào)研,本研究生命周期清單統(tǒng)計(jì)了PET再生紡織品每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的物料輸入輸出以及能源消耗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),PET再生紡織品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)可細(xì)分為磨盤造粒、反應(yīng)增容、均化造粒、擠出熔融、液相增黏以及均化直紡共6個(gè)步驟.主要原料為廢棄PET紡織纖維、廢棄PET瓶片,分別從磨盤造粒與擠出熔融環(huán)節(jié)輸入.建模過(guò)程中的主要原材料生產(chǎn)模型與PET材料焚燒處理模型由GaBi數(shù)據(jù)庫(kù)提供.主要能源消耗為電力使用,模型選用GaBi數(shù)據(jù)庫(kù)中國(guó)1kV-60kV混合電力模型.其他輔助原料包括甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、苯乙烯(STY)、過(guò)氧化二異丙苯(DCP)、乙二醇、色母粒與礦物油.該再生產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程不涉及污水排放,并分別在反應(yīng)增容、擠出熔融、液相增粘環(huán)節(jié)中設(shè)置過(guò)濾回收裝置,對(duì)產(chǎn)生的PET廢絲進(jìn)行回收使用,其余少量惰性廢棄物以填埋方式進(jìn)行處理.

通過(guò)該綠色循環(huán)技術(shù)生產(chǎn)的PET再生紡織品符合國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),具有與同類型原生PET紡織產(chǎn)品相同的消費(fèi)功能.不僅使得待處理的廢棄材料得到增值利用,也緩解了原料短缺,實(shí)現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益.

1.3 環(huán)境負(fù)荷分配

基于LCA方法學(xué)對(duì)某項(xiàng)技術(shù)或產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行量化研究時(shí),若一個(gè)研究對(duì)象的系統(tǒng)邊界涉及到多個(gè)產(chǎn)品(副產(chǎn)品)的輸出或是來(lái)自于其他對(duì)象系統(tǒng)邊界內(nèi)部物料的輸入,通常要解決環(huán)境負(fù)荷的分配問(wèn)題[24-26].如在本論文系統(tǒng)邊界中作為主要原料輸入的可循環(huán)廢棄材料實(shí)際上來(lái)源于其對(duì)應(yīng)原生產(chǎn)品的生命周期,在進(jìn)行循環(huán)回收處理時(shí)與前后兩個(gè)生命周期的系統(tǒng)邊界均存在關(guān)聯(lián)(圖1),因此如何核算可循環(huán)廢棄材料的環(huán)境負(fù)荷需要進(jìn)一步討論.在紡織技術(shù)的LCA研究中較為常見的解決方式有50%/50%分配方法、cut-off方法、經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法等.

50%/50%分配方法[27]即分別折算50%原生材料的環(huán)境負(fù)荷到前后兩個(gè)生命周期.該方法被使用的時(shí)間最早,并得到國(guó)外相關(guān)政府部門的認(rèn)可和支持[22].Cut-off方法的應(yīng)用最為廣泛[28-29],該方法假設(shè)廢棄材料的環(huán)境負(fù)荷均歸屬于第一個(gè)生命周期,即在第二生命周期中廢棄材料作為零污染材料輸入,完全忽略其環(huán)境影響.而某些可循環(huán)再生材料雖然為廢棄物,卻仍具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,廢棄物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值被第二個(gè)生命周期所利用,第二個(gè)生命周期也理應(yīng)承受該部分價(jià)值所帶來(lái)的環(huán)境影響.基于該觀點(diǎn),經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法[30-31]根據(jù)廢棄物價(jià)值所占原生材料價(jià)值的比例對(duì)原生材料的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分配,使得環(huán)境影響核算結(jié)果更具有說(shuō)服力.而對(duì)于系統(tǒng)邊界為Cradle-to-Grave的生命周期模型,如何分配再生產(chǎn)品在第二個(gè)生命周期廢棄處理階段所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷同樣需要討論.

在生命周期評(píng)估方法學(xué)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14044: 2006[19]中對(duì)再使用或再生利用過(guò)程環(huán)境負(fù)荷分配較為推薦的參考依據(jù)有:物理屬性(如按照質(zhì)量比例分配)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值(如根據(jù)廢料或再生利用材料的市場(chǎng)價(jià)值與初級(jí)材料市場(chǎng)價(jià)值的比值進(jìn)行分配)以及再生利用材料的后續(xù)使用次數(shù).而從嚴(yán)格意義上講,本研究中的廢棄物及其對(duì)應(yīng)的再生產(chǎn)品并不具有相同的消費(fèi)功能,廢棄材料的物理本質(zhì)已發(fā)生變化,因此按照質(zhì)量比例或后續(xù)使用次數(shù)進(jìn)行分配并不可行.

綜上所述,結(jié)合研究對(duì)象屬性、研究目的與系統(tǒng)邊界(Cradle-to-Gate),本研究采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配結(jié)合cut-off規(guī)則的方法對(duì)廢棄材料作為原生材料時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分配:

①為了使環(huán)境效益量化結(jié)果更加合理,在量化整體環(huán)境負(fù)荷以及與其他文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法,計(jì)算公式如下:

s=cut-off+virgin×AF(1)

式中:E為PET再生紡織品總體的環(huán)境負(fù)荷;cut-off為基于cut-off方法核算出的環(huán)境負(fù)荷;virgin為原生材料的環(huán)境負(fù)荷;AF為生命周期經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù).

式中:P為待循環(huán)廢棄材料進(jìn)行回收時(shí)的市場(chǎng)價(jià)格;P為待循環(huán)廢棄材料作為原生材料時(shí)的市場(chǎng)價(jià)格;X為待循環(huán)廢棄材料作為原料進(jìn)行再生利用時(shí)所占主要原料輸入量的比例.

依據(jù)工廠的原料來(lái)源地,本研究調(diào)研了中國(guó)東部與東南部(山東、浙江、福建三省)PET材料近五年(2017-2021年)的平均價(jià)格,包括原生PET纖維、廢棄PET纖維、原生PET瓶片、廢棄PET瓶片(原料進(jìn)入工廠的價(jià)格,包括分揀與運(yùn)輸?shù)?:

原生PET纖維:6450.29RMB/t;廢棄PET纖維:2011.45RMB/t;原生PET瓶片:7542.68RMB/t;廢棄PET瓶片:3245.20RMB/t.

根據(jù)兩種原料的輸入量比例可得:廢棄PET纖維= 0.31;廢棄PET瓶片=0.69,因此本研究再生循環(huán)技術(shù)的生命周期經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)AF=0.3974.

②Cut-off規(guī)則雖然過(guò)于簡(jiǎn)化了可再生廢棄材料在Cradle階段對(duì)于總體環(huán)境負(fù)荷的影響,但工廠內(nèi)部再生技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)無(wú)法影響工廠外部廢棄材料所引入的環(huán)境負(fù)荷,且經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配法會(huì)導(dǎo)致工藝流程中輸入廢棄材料的環(huán)節(jié)環(huán)境負(fù)荷過(guò)高,不利于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的對(duì)比分析.因此在識(shí)別工藝流程的改進(jìn)重點(diǎn)時(shí)采用cut-off方法,忽略可再生廢棄材料在原生生命周期的環(huán)境影響,可以更高效的分析出工藝流程中發(fā)生資源消耗與環(huán)境污染的重點(diǎn)環(huán)節(jié)與改進(jìn)因素.

1.4 影響評(píng)價(jià)

表2為基于經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法的PET再生紡織品環(huán)境效益核算表.情景A是以PET廢棄材料為原料生產(chǎn)再生紡織品的生命周期過(guò)程,其生命周期模型基于本文表1所示的生命周期數(shù)據(jù)清單進(jìn)行建立,主要清單物料的LCA模型均可直接從軟件背景數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用,可循環(huán)廢棄材料的環(huán)境負(fù)荷按照經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)AF=0.3974以及式(1)、式(2)折算匯總到總體環(huán)境負(fù)荷E中.情景B則是以原生PET材料為原料生產(chǎn)紡織品的生命周期過(guò)程,本研究以GaBi數(shù)據(jù)庫(kù)中PET纖維平均生產(chǎn)模型為基礎(chǔ)對(duì)該情景進(jìn)行建模,功能單位定義為生產(chǎn)1t原生PET紡織產(chǎn)品,系統(tǒng)邊界為Cradle-to-Gate,均與情景A保持一致.情景A各環(huán)境影響指標(biāo)與情景B各環(huán)境影響指標(biāo)的差值(環(huán)境負(fù)荷減少量),即為再生技術(shù)實(shí)施后的環(huán)境效益.此外,若從實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā),由于再生技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施,一方面可以節(jié)約由石油化工原料加工而來(lái)的原生PET紡織品,另一方面也可使得PET廢棄材料得到綠色化處理,避免廢棄物因低效處理(焚燒后填埋)造成的二次污染,由于功能單位不統(tǒng)一,該部分環(huán)境效益并未體現(xiàn)在表2的LCA結(jié)果中,將在后續(xù)章節(jié)中進(jìn)行討論.

表2 PET再生紡織品的環(huán)境負(fù)荷(特征化結(jié)果)與環(huán)境效益

表中:DCB為1,4 - Dichlorobenzene (1,4 -二氯苯)縮寫.

通過(guò)對(duì)特征化數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行總體分析(圖3)可知,除酸化效應(yīng)潛值外,情景A在其余各項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)均體現(xiàn)出可觀的環(huán)境效益,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、減污降碳的技術(shù)開發(fā)目的,但仍存在改進(jìn)因素需要進(jìn)一步的判斷分析.

由于在情景A的生產(chǎn)工藝流程中并不涉及污水對(duì)外排放,淡水生態(tài)毒性潛值相對(duì)于再生技術(shù)實(shí)施前下降了約72%,是環(huán)境效益最高的環(huán)境影響指標(biāo).其次是非生物性化石能源消耗與全球變暖潛值,分別下降了約44%與40%,主要原因?yàn)榍榫癆中的再生技術(shù)相對(duì)于原生PET材料的生產(chǎn)制造具有更低的電力消耗.在我國(guó),火力發(fā)電占到電力總供應(yīng)量的70%[32],由此產(chǎn)生的二氧化碳達(dá)到全國(guó)碳排放總量的四成以上[33-34].若以該產(chǎn)品所在固廢利用示范基地中的年產(chǎn)量(2萬(wàn)t)計(jì)算,技術(shù)實(shí)施后每年可降低約3.28萬(wàn)t當(dāng)量的二氧化碳排放,產(chǎn)品全生命周期節(jié)約的能源合計(jì)相當(dāng)于約2.76萬(wàn)t的標(biāo)準(zhǔn)煤熱值.此外,該再生循環(huán)技術(shù)在人體毒性、光化學(xué)氧化物生成以及富營(yíng)養(yǎng)化等指標(biāo)上也體現(xiàn)出了良好的環(huán)境效益,分別降低約33%、17%、12%.而海洋生態(tài)毒性指標(biāo)僅下降了不到8%,由于PET瓶片的生產(chǎn)加工造成了很高的海洋生態(tài)毒性潛值,情景A按照經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)計(jì)入了廢棄PET瓶片的環(huán)境負(fù)荷,占比達(dá)到該情景海洋生態(tài)毒性指標(biāo)的50%以上,但在情景B中并不涉及PET瓶片原料的輸入,因此在該指標(biāo)中體現(xiàn)出的環(huán)境效益較小.廢棄PET瓶片的輸入同樣導(dǎo)致了情景A酸化效應(yīng)潛值的升高.情景A每輸出1t的再生產(chǎn)品會(huì)造成8.30kg當(dāng)量的二氧化硫排放,其中約68%來(lái)源于廢棄PET瓶片的輸入,造成情景A的酸化效應(yīng)指標(biāo)高于情景B,未體現(xiàn)出環(huán)境效益.

圖3 情景A的環(huán)境效益分析

由基于經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法的LCA分析可知,該P(yáng)ET紡織品再生循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用可大幅降低溫室氣體排放與資源、能源消耗,在大部分的環(huán)境影響指標(biāo)中均體現(xiàn)出理想的環(huán)境效益.為進(jìn)一步降低再生技術(shù)的環(huán)境影響,可適當(dāng)降低廢棄PET瓶片在原料輸入中的所占比例,提高廢棄PET纖維的利用率.

2 分析與討論

2.1 歸一化分析

圖4 基于cut-off規(guī)則的歸一化結(jié)果

為了分析比較不同單位的環(huán)境影響指標(biāo)對(duì)總體環(huán)境負(fù)荷的貢獻(xiàn)情況[35],本研究基于cut-off規(guī)則,以軟件中內(nèi)嵌的CML2001-Jan.2016方法體系中全球環(huán)境影響基準(zhǔn)值作為標(biāo)準(zhǔn)化因子,對(duì)不同類型的特征化結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱處理,從而得到再生工藝流程中每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的歸一化結(jié)果(圖4).

圖5 各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)總體環(huán)境負(fù)荷的貢獻(xiàn)

由LCA歸一化結(jié)果可知,該再生循環(huán)技術(shù)大部分的環(huán)境影響來(lái)自于全球變暖潛值、非生物性化石能源消耗與人體毒性潛值三個(gè)指標(biāo),合計(jì)占比達(dá)到該再生產(chǎn)品加工制造總體環(huán)境負(fù)荷的80%.在歸一化結(jié)果的基礎(chǔ)上,本研究進(jìn)行了PET再生紡織品各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)總體環(huán)境負(fù)荷貢獻(xiàn)的比較分析(圖5).反應(yīng)增容過(guò)程造成的環(huán)境影響是其他環(huán)節(jié)的兩倍以上,對(duì)總體環(huán)境負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大,應(yīng)作為技術(shù)開發(fā)者重點(diǎn)關(guān)注的生產(chǎn)環(huán)節(jié),能源消耗指標(biāo)貢獻(xiàn)了該環(huán)節(jié)接近50%的環(huán)境負(fù)荷,因此可以從節(jié)約電力使用為出發(fā)點(diǎn)對(duì)該部分工藝流程進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化.擠出熔融與均化直紡對(duì)總體環(huán)境影響的貢獻(xiàn)相當(dāng),雖然在工藝流程中前者的電力用量要高于后者,卻表現(xiàn)出更低的能源消耗指標(biāo),說(shuō)明在均化直紡環(huán)節(jié)其他化學(xué)原料的生命周期過(guò)程中消耗了更多的能源.磨盤造粒、均化造粒與液相增粘三個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)只涉及能源消耗,僅在液相增黏過(guò)程中產(chǎn)生少量雜質(zhì),無(wú)其他化學(xué)原料輸入,因此各環(huán)境影響指標(biāo)在三者環(huán)境負(fù)荷中的占比基本一致,三者對(duì)于產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境負(fù)荷(三者歸一化結(jié)果之和)的貢獻(xiàn)與電力消耗量成正比例關(guān)系.

2.2 敏感性分析

LCA的敏感性分析可用于進(jìn)一步識(shí)別產(chǎn)品工藝流程的重點(diǎn)改進(jìn)因素[36].該分析過(guò)程需要選擇不同的清單輸入物料或能耗,使其輸入數(shù)值變化一定比例,從而考察清單物料的數(shù)據(jù)變化對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響.本研究選取的清單輸入變量包括電力消耗以及四種典型的化學(xué)原料(GMA、STY、DCP、乙二醇),模擬變化正負(fù)20%,分析其對(duì)全球變暖潛值、非生物性化石能源消耗以及人體毒性潛值的影響,結(jié)果如圖6所示.

圖6 GWP、ADP、HTP的敏感性分析

由于本LCA研究的分析對(duì)象類型為廢棄物再生循環(huán)技術(shù),若基于cut-off規(guī)則,原生材料及其生產(chǎn)所需各種資源與化學(xué)原料的環(huán)境負(fù)荷并不計(jì)入再生生命周期.且相對(duì)于原生產(chǎn)品,再生紡織品使用了很少量的化學(xué)原料,因此敏感性分析中四種化學(xué)原料的輸入量變化并未對(duì)環(huán)境負(fù)荷造成較大影響.電力消耗量的變化則對(duì)環(huán)境負(fù)荷的增減起到主導(dǎo)作用,與歸一化分析中的觀點(diǎn)一致,電力消耗量應(yīng)作為工藝流程中的重點(diǎn)改進(jìn)因素,降低電力消耗是進(jìn)一步提升PET再生紡織品環(huán)境效益方法中最有效率的改進(jìn)措施.GMA的用量對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響稍高于其他化學(xué)原料,在工藝改進(jìn)過(guò)程中可考慮減少該化學(xué)品的使用或替換為具有相同功能但污染更低的原材料.

2.3 與其他文獻(xiàn)案例對(duì)比

Shen等[37]曾對(duì)歐洲地區(qū)的PET再生紡織品生產(chǎn)案例進(jìn)行LCA研究,構(gòu)建出包括機(jī)械法、半機(jī)械法以及化學(xué)法在內(nèi)的三種模擬情景.與本文情景A類似,該研究所評(píng)價(jià)的循環(huán)技術(shù)以廢棄PET瓶片為主要原料,并同樣采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配法對(duì)廢棄材料原生生命周期的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分?jǐn)?三個(gè)情景的功能單位與系統(tǒng)邊界均與本研究情景A一致,對(duì)比結(jié)果如表3所示.其中機(jī)械法是將PET瓶片通過(guò)熔融擠壓的物理方法直接轉(zhuǎn)化為PET纖維產(chǎn)品.半機(jī)械法是在機(jī)械法工藝的基礎(chǔ)上加入乙二醇,達(dá)到提高PET再生產(chǎn)品強(qiáng)度與質(zhì)量的目的.而化學(xué)法是指通過(guò)解聚技術(shù)將PET聚合物分解為單體或低聚物,所生產(chǎn)的PET再生紡織品可以達(dá)到與原生材料相同的質(zhì)量,同時(shí)也消耗了更多的能源與化學(xué)原料.

表3 情景A與其他PET再生循環(huán)技術(shù)環(huán)境負(fù)荷的對(duì)比

該研究的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)要低于情景A,可能由兩者研究案例的空間差異性造成.我國(guó)作為PET材料的凈出口國(guó),具有更低的原材料生產(chǎn)成本[38],但由于西方發(fā)達(dá)國(guó)家很早開始重視廢棄物的回收利用,擁有更成熟的社會(huì)循環(huán)系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)配套[39-40],使得中國(guó)在PET廢料的回收成本上并未體現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)[41],這也導(dǎo)致本研究情景A的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)偏高.

就環(huán)境影響指標(biāo)而言,情景A與另外三個(gè)案例在物料輸入、能源輸入的數(shù)量以及類型上各有不同,導(dǎo)致指標(biāo)數(shù)值的大小情況也有所差異.情景A中的人體毒性潛值低于對(duì)比文獻(xiàn)中的所有案例,全球變暖潛值介于機(jī)械法與半機(jī)械法之間,能源消耗指標(biāo)略高于半機(jī)械法.總體分析可知,相對(duì)于本研究對(duì)比的其他同類型技術(shù),情景A再生循環(huán)技術(shù)的生命周期過(guò)程具有更低的環(huán)境影響.

2.4 研究局限性

本研究經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配系數(shù)基于對(duì)四種PET材料市場(chǎng)價(jià)格的調(diào)研,調(diào)研地區(qū)為山東、浙江、福建三省,時(shí)間跨度為2017年-2021年.就本研究情景A而言,該系數(shù)每升高0.01將會(huì)為再生材料的生命周期增加37.77kg的溫室氣體排放以及898.34MJ的不可再生能源消耗,在很大程度上影響著總體環(huán)境負(fù)荷.而該系數(shù)易受時(shí)間和空間的影響,因此本研究LCA結(jié)果僅代表2017年-2021年研究案例所在地區(qū)的平均水平.而2.3節(jié)所述文獻(xiàn)發(fā)表于2010年,同樣會(huì)導(dǎo)致對(duì)比結(jié)果出現(xiàn)誤差.

若基于研究對(duì)象所在地區(qū)的實(shí)際角度考慮,再生技術(shù)的介入可在兩個(gè)方面產(chǎn)生環(huán)境效益.即在再生技術(shù)應(yīng)用實(shí)施前,PET廢料得不到綠色化處理(傳統(tǒng)處理方式為焚燒后填埋,由GaBi軟件中的LCA模型可知該方式每處理1t廢棄聚酯材料約產(chǎn)生2400kg溫室氣體),且消費(fèi)者只能購(gòu)買到從石油資源中提煉出的PET紡織品,而再生技術(shù)的介入使得上述兩項(xiàng)污染過(guò)程均在一定程度上得到規(guī)避,在兩方面產(chǎn)生環(huán)境效益.但由于功能單位與系統(tǒng)邊界不一致,且本LCA研究的主要研究目的是核算再生技術(shù)代替原生技術(shù)后的環(huán)境效益,因此并未考慮由于避免廢棄材料焚燒處理而減少的環(huán)境影響.此外,廢棄材料的焚燒會(huì)產(chǎn)生電量或熱量收益,不同發(fā)電方式的LCA排放因子不同,相同發(fā)電量所造成的環(huán)境負(fù)荷同樣具有差異[42-43],因此若計(jì)算發(fā)電收益或熱量收益仍需要進(jìn)一步討論系統(tǒng)邊界及不同發(fā)電模型的對(duì)比例.

情景A再生循環(huán)技術(shù)的雜質(zhì)處理量與原材料消耗量受原料批次影響,在本研究中均采用均值.電力消耗數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地調(diào)研與企業(yè)生產(chǎn)報(bào)告,并結(jié)合部分設(shè)備功率分配至各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),可能與實(shí)際生產(chǎn)情況有所差異.但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高,一些大型生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用設(shè)備能耗以及物料流量監(jiān)控系統(tǒng),國(guó)家也愈加重視企業(yè)環(huán)境信息的公開[44],未來(lái)的生命周期評(píng)價(jià)工作將會(huì)有更系統(tǒng)詳實(shí)的基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源,從而得出更準(zhǔn)確、可靠的分析與研究結(jié)論.

3 結(jié)論

3.1 基于經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配方法,計(jì)算得分配系數(shù)AF=0.3974,并根據(jù)該系數(shù)對(duì)廢棄材料作為原生材料時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分配.結(jié)果表明:該再生循環(huán)技術(shù)的生命周期過(guò)程每輸出1t再生產(chǎn)品將會(huì)造成2480kg的溫室氣體排放,并消耗51500MJ的非生物性化石能源.提高廢棄紡織纖維在原料輸入中的占比是進(jìn)一步降低環(huán)境負(fù)荷的有效措施.

3.2 通過(guò)兩種模擬情景的設(shè)置,核算出了再生循環(huán)技術(shù)代替原生技術(shù)后的環(huán)境效益:相對(duì)于由石化資源生產(chǎn)加工而來(lái)的原生PET紡織品,再生紡織品分別可降低約44%和40%的非生物化石能源消耗與全球變暖潛值.若以年產(chǎn)量2萬(wàn)t計(jì),每年可減少3.28萬(wàn)t的溫室氣體排放,并節(jié)約2.76萬(wàn)t的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗,其他大部分環(huán)境影響指標(biāo)也均有不同程度的下降,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、減污降碳的技術(shù)開發(fā)目的.

3.3 基于cut-off規(guī)則進(jìn)行了歸一化分析與敏感性分析.結(jié)果表明:反應(yīng)增容在6個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對(duì)總體環(huán)境負(fù)荷貢獻(xiàn)最大,電力的消耗與GMA的使用是PET再生紡織品工藝流程中的重點(diǎn)改進(jìn)因素.

3.4 通過(guò)與其他文獻(xiàn)LCA案例的對(duì)比分析可知:本研究再生循環(huán)技術(shù)的溫室氣體排放與人體毒性指標(biāo)均低于同類型的再生技術(shù),能源消耗指標(biāo)略高于半機(jī)械法.

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Environmental impact assessment of recycled PET textile using LCA methodology.

SUN Guang-ya1, WANG Ya-jun1*, XU Tong-guang1, CAO Xin2, CHEN Qing-hua3, ZHUANG Ling-feng3

(1.College of New Energy and Materials, China University of Petroleum, Beijing 102249, China；2.School of Economics and Management, China University of Petroleum, Beijing 102249, China；3.Engineering Research Center of Polymer Green Recycling, Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China).,2023,43(11)：6194～6203

Based on the rational of life cycle assessment (LCA), this paper proposes to allocate the environmental impact exerted by PET recycled products otherwise wasted and calculate the environmental loads brought by the manufacturing process using recycling technology and original technology, through using the approach of economic value allocation and the cut-off principle. Moreover, this study conducts normalization and sensitivity analysis of LCA modeling for the manufacturing process. The results show that comparing with the original technology, the PET recycling technology can bring about a reduction of 1640kg of greenhouse gas emissions and 40400MJ of non-renewable energy. Besides, environmental indicators such as Human Toxicity Potential, Eutrophication Potential and Marine Aquatic Ecotoxicity Potential was decreased respectively. Among the six fabrication processes, in-situ reactive compatibilization had the greatest contribution to the total environmental loads, and the consumption of electricity and glycidyl methacrylate should be the key factors to improve.

life cycle assessment；carbon emission reduction accounting；PET textiles；recycling and regeneration；allocation based on economic values

X820.3

A

1000-6923(2023)11-6194-10

孫光亞(1997-),男,遼寧錦州人,中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院碩士研究生,主要從事再生循環(huán)材料的生命周期評(píng)價(jià)方向研究.發(fā)表論文2篇.sgy0100@126.com.

孫光亞,王雅君,徐同廣,等.基于LCA的PET再生紡織品環(huán)境影響分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):6194-6203.

Sun G Y, Wang Y J, Xu T G, et al. Environmental impact assessment of recycled PET textile using LCA methodology [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):6194-6203.

2023-03-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC1904500);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52270115);中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金(2462019QNXZ05, 2462020YXZZ018);重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 研究員, wangyajun@cup.edu.cn