钟言久 阚欢迎 刘 阳

（1.合肥工业大学机械工程学院 合肥 233009；2.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300）

引言

近年来，随着我国经济的快速发展，各级政府对环境保护的重视程度也越来越高。同时，颁布了一系列的法律法规对各行业的资源消耗进行了规范和限制，如2016年四部委联合印发《绿色制造工程实施指南（2016-2020）年》，旨在降低资源消耗和环境污染，提高资源能源的使用效率。在产品的生命周期各阶段，产品的环境排放不仅仅局限于产品的生产阶段，而是从原材料阶段到产品的回收处理各阶段均存在不同程度的环境排放。同时，不同类型的产品通常来说评价方法也不尽相同。为了有效的评测和控制特定产品的环境排放，有必要开发一种面向某类产品的基于生命周期理论的产品环境影响评价系统。

在产品生命周期评价工具方面，国外生命周期发展较早，已有相对的成熟的生命周期评价工具，常用的生命周期评价工具包括GABI、SimaPro等。而国内相应的研究尚处于发展阶段，刘继永根据机电产品生命周期特点，进行面向机电产品生命周期分析的软件功能设计和数据库构建，从而开发出评价工具[1]。评价方法方面，蒋诗新等利用GaBi6软件，从原材料、生产、运输、使用、回收五个阶段对家用空调进行碳排放评估，得到家用空调各阶段的碳排放量，并分析出导致各阶段排放的主要原因[2]。万腾方等针对钢铁行业的环境影响问题，采用生命周期方法评价钢铁生产过程中的资源消耗和环境影响，得出环境影响最大的11种物质，并分析了各物质环境影响比重[3]。张方文等针对定向刨花板生产过程，开展基于生命周期的定向刨花板生产环境影响分析，得出生产过程中能源消耗和碳排放量[4]。

由以上分析可知，在当前的研究当中，很少有针对聚酯树脂产品的生命周期分析，而聚酯树脂又是重要的工业原材料之一。因此，对聚酯树脂产品进行生命周期分析将会有效的降低环境排放。本文针对聚酯树脂产品生产特点，开发基于生命周期理论的聚酯树脂产品环境绩效评价工具，为聚酯树脂的生命周期分析提供指导。

1 聚酯树脂产品生命周期分析

生命周期分析是当前产品环境评价的主要方式之一，其主要是通过分析和量化产品生命周期过程中所消耗的原材料、能源等，计算出对环境的排放量，从而评价产品对环境的影响。在生命周期评价过程中，根据国际标准ISO 14040和ISO 14044，生命周期评价步骤主要分为：

步骤一：评价对象和范围：评价对象和范围的确定是生命周期分析的首要环节，该步骤的主要目的是确定生命周期分析的研究对象，明确评价的主要功能单元、边界条件和评价阶段等。

步骤二：清单分析：在明确评价对象和范围之后，即可对聚酯树脂生命周期各阶段的输入输出数据进行分析；该步骤主要确定原材料、生产、回收等各阶段的物质和能量信息，为后续的评价提供数据支持。

步骤三：影响评价和结果解释：该步骤是生命周期评价的最后一环，其主要目的是对清单数据和评价结果进行定性和定量的分析和描述，确定对环境影响最大的阶段，并提出相应的改进措施。

1.1 评价目标与范围确定

聚酯树脂是一种典型的化工原料，其主要参数指标包括外观、色度、反应性、软化点、酸值、熔体粘度和玻璃化转变温度等。根据ISO 14041标准，结合聚酯树脂产品特点，本文主要研究聚酯树脂生命周期中的三个阶段：原材料获取阶段、生产制造阶段和运输阶段，具体如图1所示。由图可以看出，在原材料获取阶段，主要包括原材料和能源物质两类，且这两部分均有相应的能源输入和废弃物排放；在生产制造阶段，主要包括聚酯生产加工和包装两个阶段；在运输阶段，不仅考虑到了产品到销售企业的运输，还考虑到了原材料到生产企业的运输，从而提高评价的准确性和可靠性。

1.2 清单分析与计算

根据生命周期理论，产品的环境排放总和等于生命周期各阶段排放量的累加。因此，根据所定义的聚酯树脂产品系统边界，本文在对聚酯树脂产品进行生命周期分析时，主要考察原材料获取、生产和运输三个阶段。通过对着三个阶段进行分析，得出聚酯树脂产品对环境的排放总和。各阶段计算模型如下所示：

图1 聚酯产品LCA系统边界

其中，G 表示聚酯产品生命周期的排放量，Ga原材料获取阶段的排放量，Gm表示聚酯产品在制造阶段的排放量，Gt表示其在运输阶段的排放量。

1）原材料获取阶段

聚酯产品在原材料获取阶段的排放可由式（2）计算得到：

其中，k表示评价模块个数；j表示原材料种类；Mkj表示原材料消耗总量；FMj表示生产排放系数；nkj表示原材料利用率；i表示能源类别；Eki表示聚酯树脂所消耗的能源总量；FEi表示该类能源的碳排放系数；l表示气体种类；Ckl表示温室气体排放量；Fcl表示该类温室气体的二氧化碳排放当量。

2）生产制造阶段

聚酯产品生产制造阶段的排放计算公式如式（3）所示：

其中，k表示生产单元，由图1可知，本文根据聚酯树脂生产工艺，将生产过程划分为反应、冷却、破碎和包装四个阶段；i表示消耗能源种类；Cik表示生产过程中所消耗的能源总量；EFi表示该类能源的排放系数；p表示成产过程中排放的废气种类；Op表示废气排放总量；GWPp表示该类气体的全球变暖潜能值。

3）运输阶段

其中，i表示交通工具种类，在本文中，主要有轮船、火车和卡车三种；Ti表示此类交通工具单位距离的能源消耗量；Di表示运输距离；EFi表示所用能源的排放系数。

2 生命周期评价系统设计

本文根据对聚酯产品生命周期的分析，结合聚酯产品的生产实际，开发基于生命周期理论的聚酯产品生命周期评价系统。同时对系统架构和人机交互界面进行设计，从而使得系统简单易用，具有很好的实用价值。

2.1 系统架构设计

根据聚酯树脂产品具体生产过程和生命周期评价理论，对系统架构进行设计，具体如图2所示。由系统架构图可知，该评估系统主要分为五个功能模块：基本信息模块、数据查询模块、数据录入模块、生命周期评估模块和数据管理模块。

1）基本信息模块

基本信息模块是该系统的首要模块，该模块主要用于设定和查询出产品基本信息、生命周期阶段、生产制造工艺阶段等信息，从而实现对聚酯产品的生命周期评估进行边界界定和模块设置。

2）数据查询模块

数据查询模块主要用来对物质环境影响评价相关数据进行查询，包括物质信息查询和相关法规查询两部分。物质信息查询包括原材料、能源等基础物质查询；相关法规查询主要包括国家法律法规、行业标准和政策的查询。

3）数据录入模块

数据录入模块是在基本信息模块确定生命周期评估阶段的基础上，利用数据查询功能，对聚酯树脂生命周期各阶段进行数据录入生命周期阶段数据的录入，包括原材料获取阶段、生产制造阶段以及产品运输阶段三个阶段。

图2 聚酯树脂生命周期分析系统架构图

4）生命周期评估模块

在聚酯产品各生命周期阶段数据录入的基础上，该模块主要对各阶段进行生命周期环境影响计算。在计算内容方面，分别对各阶段进行计算，包括碳排放分析和CML 2001分析。在计算结果可视化方面，用户可以根据需要在分阶段和总评估方面，选择柱状图、饼状图、双饼状图和折线图等展示计算结果。

5）数据管理模块

此模块主要是对物质环境影响等基础数据和法律法规等政策数据的查看、修改、添加和删除等，从而可以根据用户需求对数据库进行更新，保证数据可以根据用户需求进行更新和自定义，提高软件的适用性。

2.2 系统工作流程设计

系统工作流程是该聚酯产品生命周期评估过程的主要步骤，也是用户进行聚酯产品生命周期评估的主要步骤，具体流程如图3所示。由流程图可知，该聚酯产品生命周期评估系统主要分为六个步骤，具体如图3所示。

步骤1：目标和范围确定：该步骤是评估的首要步骤。首先需要确定聚酯产品的评价目标和范围，包含评价指标、生命周期阶段和生产工艺过程等。

步骤2：原材料和能源数据导入：在步骤1完成生命周期阶段定义后，对原材料获取阶段进行数据导入。主要依据聚酯产品的生产的具体原材料、能耗等数据添加。

步骤3：生产工艺数据导入：该步骤主要是根据具体的制造工艺进行添加，一般包括包装、反应、冷却、破碎等工艺阶段。同时也可以对工艺阶段进行修改和添加。

步骤4：运输阶段数据导入：该步骤主要包括两个阶段：原材料运输至生产企业阶段和聚酯产品运输至销售客户阶段。同时根据具体的运输方式，将运输方式分为卡车、轮船、火车。

步骤5：生命周期分析与计算：在完成以上数据导入步骤之后，即可进行环境影响计算。在分析指标方面，利用碳排放和CML2001两组标准进行环境影响分析。

步骤6：数据展示与导出：在计算结果展示方面，通过饼状、柱状等图形进行展示，用户可以根据需求进行选择。同时，该系统具有评估报告导出功能，以方便用户使用。

3 系统验证与分析

本文选择某公司生产的聚酯树脂产品，对该评价系统进行验证和分析。该聚酯树脂产品生命周期阶段为原材料获取、生产制造和运输阶段，不考虑该产品的使用和回收过程，其中，各阶段所消耗的原材料和能耗不考虑品牌和地区。为提高数据收集和系统评价结果的准确性，本文所采用的数据均为生产1 000 kg聚酯树脂产品所消耗能源和物质数量。

在原材料获取阶段，聚酯树脂生产所需要的主要原材料数据见表1所示。在此阶段中，主要考虑的原材料包括新戊二醇、己二酸、对苯二甲酸、丙二醇、间苯二甲酸、单丁基氧化锡、抗氧化剂（酚类）七类。其余原材料由于比例较少，因此在本次评估中未考虑其他材料。

图3 聚酯产品生命周期评估系统工作流程

在聚酯树脂产品的生产制造阶段，主要包括酯化、脱水、酸解、减压缩聚、加助剂、过滤、冷却、破碎和包装等生产工艺。在本文中，为提高能耗数据测量的准确性，将酯化工艺、酸解工艺和减压缩聚工艺融合为一个评估工艺。由于加助剂和过滤工艺所消耗的能耗较低，在本次评估中忽略不计。因此，在本次评估中，主要包括酯化-酸解-缩聚、冷却、破碎和包装四大生产工艺阶段，具体能耗数据见表2所示。

在运输阶段，本次评估考虑原材料到生产企业和产品到销售企业的运输两个部分。在原材料运输阶段，主要运输新戊二醇、己二酸、对苯二甲酸、丙二醇、抗氧化剂（酚类）五类物质，间苯二甲酸和单丁基氧化锡的运输暂不考虑。在产品到销售企业的运输类别中，选取典型的三个销售企业作为评估对象。两类运输均采用预设的轮船、卡车和铁路运输，具体运输方式和运输距离见表3所示。

在完成聚酯产品各阶段数据收集之后，根据聚会产品的具体信息，对评价系统进行基本信息设置。在本次评估中，将生命周期评估阶段设置为原材料获取、生产制造和运输三个阶段。其中，在生产制造工艺中，添加酯化-酸解-缩聚、冷却、破碎和包装四个工艺阶段。生命周期评估系统及参数设置如图4所示。

在完成基本信息设置之后，将以上给出的聚酯产品各阶段数据添加到系统中，即可得到聚酯树脂环境分析结果。碳排放分析结果如图5所示，由图可知，总碳排放总量为17.012 36 [kg CO2eq.]。其中，原材料获取阶段排放量为2.670 96 [kg CO2eq.]，制造阶段排放量为13.797 38 [kg CO2eq.]，运输阶段排放量为0.544 02 [kg CO2eq.]。由此可知，制造阶段对环境的影响最大，有必要对产品的生产工艺进行优化。

图6所示结果为聚酯产品生命周期CML2001分析结果。由该图可知，非生物资源（ADP化石）排放总量为214.253 7 [MJ]，酸化潜能值（AP）排放总量为0.075 25 [kg SO2eq.]，富营养化潜能值（EP）总排放量为0.004 93 [kg Phosphateeq.]，淡水水生生态毒性潜能值（FAETP inf）总排放量为0.371 91 [kg DCB eq.]，温室效应潜能值（GWP 100 年）总排放量为17.012 36 [kg CO2 eq.]，温室效应潜能值（GWP 100 年）EXL生物碳总排放量为17.101 14 [kg CO2 eq.]，人类毒性潜能值（HTP inf）总排放量为90.022 95 [kg DCB eq.]，海水水生生态毒性潜能值（MAETP inf）总排放量为24 572.211 30 [kg DCB eq.]，光化学臭氧生成潜能值（POCP）总排放量为0.005 17 [kg Ethene eq.]，陆地生态毒性潜能（TETP）总排放量为0.039 41 [kg DCB eq.]。

表1 聚酯产品原材料组成

表2 生产过程能耗使用数据

表3 原材料和产品运输阶段数据

图4 聚酯树脂产品生命周期评价系统

图5 聚酯产品碳排放分析结果图

图6 聚酯产品CML2001分析结果图

4 结论

本文主要针对聚酯树脂产品的生产和销售特点，开发了基于生命周期理论的聚酯树脂产品环境评价系统。该系统可以根据聚酯产品的生命周期阶段和特定生产工艺进行分析，分别计算出不同阶段和不同生产工艺的环境影响。在影响结果分析方面，采用碳排放和CML2001指标体系对评价结果进行分析。通过该系统，可以有效地判定聚酯产品在原材料、生产和运输各阶段环境影响，为聚酯产品的后期改进提供指导。