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(chǎng)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(duì)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(píng)價(jià)(LCA)是諸多環(huán)境管理技術(shù)中的一種，指對(duì)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(píng)價(jià)，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(chǔ)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?jī)?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(gè)相對(duì)較短的時(shí)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(shí)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(jiǎn)化生命周期評(píng)價(jià)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(jiǎn)化就變得比較普遍[2]。作者采用簡(jiǎn)化生命周期評(píng)價(jià)方法，選擇汽車輪胎用滌綸簾子布作為研究對(duì)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L(zhǎng)CA的功能單位，研究起點(diǎn)為聚酯生產(chǎn)的原料精對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)的方法，包括CML2001、EDIP97、EDIP2003和IMPACT2002+體系；損害為主的方法將評(píng)價(jià)對(duì)象劃分為各種環(huán)境主題，對(duì)每一個(gè)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(píng)價(jià)體系。該評(píng)價(jià)體系包括資源評(píng)價(jià)因子和環(huán)境評(píng)價(jià)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(shí)間和精力的階段，但也是LCA的四個(gè)階段中研究方法最為成熟的一個(gè)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(duì)于綜合能耗指標(biāo)能夠做到日常監(jiān)控，但是并沒有對(duì)生產(chǎn)流程的各個(gè)階段的能耗分別建立監(jiān)控手段。另外，對(duì)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(shí)，對(duì)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(chǎng)捕集和處理，但是并沒有對(duì)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(duì)環(huán)境的總體影響程度，根據(jù)CML2001體系對(duì)資源評(píng)價(jià)因子和環(huán)境評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(huì)出現(xiàn)在不同影響因子類別下面。例如“SO2/NOx氣體”會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在HT和AP類別中； ADP中的“銻系催化劑”會(huì)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(shí)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(píng)價(jià)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(píng)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(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)，得到各個(gè)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(píng)價(jià)

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(duì)不同排放物的環(huán)境影響進(jìn)行相對(duì)客觀的對(duì)比與評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)。

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(duì)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(duì)環(huán)境影響程度的大小用當(dāng)量物質(zhì)來表示。例如，對(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)(LCIA)所涉及的影響因子類型比較多，每個(gè)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(shí)所研究的不同類型環(huán)境影響因子的相對(duì)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(píng)價(jià)。

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(jí)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(gè)生產(chǎn)階段的影響因子評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果

4 生命周期解釋

為了直觀清楚的評(píng)價(jià)滌綸簾子布生命周期的每一個(gè)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(píng)價(jià)結(jié)果在各自的生產(chǎn)階段進(jìn)行相對(duì)性比較，將相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于上游產(chǎn)品仍然較高。

5 結(jié)論

a.利用CML2001評(píng)價(jià)體系對(duì)滌綸簾子布生命周期中3個(gè)主要階段的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)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(gè)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。