基于LCA的工业过程碳排放建模和环境评价

Original 2017-06-15 袁泽，李琦 测绘科学

摘要

针对我国化工类企业在生产过程中排放大量温室气体和污染物，造成气候变暖和区域重度雾霾事件频发的现状，该文提出了基于生命周期的工业过程碳排放计量和环境影响评价方法。采用生命周期分析方法对工业过程进行碳排放清单分析，较好地理清了工艺流程中各单元的碳排放当量；同时借助GaBi软件，采用环境影响潜势分析方法对工业过程进行了进一步的环境影响评价，实现了复杂工艺流程中重污染单元的精确定位。基于内蒙古苏尼特碱厂的两类碱产品工业过程的分析表明：这两类方法运用于工业过程的生命周期分析都是可行的，分析的结果对于工业过程整改解决方案的提出具有重要的参考价值。

引用格式

引用格式：袁泽，李琦．基于LCA的工业过程碳排放建模和环境评价 [J].测绘科学,2017,42(5):196-200.

正文

近年来，全球气候变暖带来的冰川融化、海平面上升、干旱、洪涝和病虫害等自然灾害增加的问题，严重阻碍了社会经济持续发展甚至直接威胁到人类的生存^[1]。同时一些学者的研究表明在全球气候变暖的背景下，北极涛动向正位相增强、东亚冬季风减弱、东亚大槽变浅以及近地表大气增暖较快导致中低层大气更加稳定，上述因素的共同作用导致了雾霾事件的增加^[2]。而全球气候变暖和频发的雾霾事件作为区域性的复合污染，诸多因素中工业过程的大量温室气体排放首当其冲。尤其在当代中国的大部分工厂的工业过程中，排放物中除大量温室气体外还含有大量氮氧化物，会造成光化学烟雾污染，也是空气中PM2.5浓度上升的重要原因^[3] 。因此中国政府这几年制定了一系列的方针政策来应对这种现象，例如北京市政府实行的“蓝天计划”，但是总的来说目前国内的大部分化工企业仍不清楚该从自身工业过程中的哪些工艺单元来进行改进。因此，对这类企业的工业过程进行一次彻底的从“摇篮”到“坟墓”的生命周期评价，找到污染产生的源头，从而精准的对症下药来解决这类区域性污染事件，就具有了重大的科学和现实意义。

生命周期评价(Life cycle assessment, LCA)是目前常用的工业过程分析方法，它属于系统分析方法之一，定义为对产品系统自原物料的取得到最终处置的生命周期中，投入和产出及潜在环境冲击数据的汇整与进一步评估。这几年LCA方法发展较快，常见的有编目分析方法和影响评价方法两类^[4] ，LCA分析工具一般由基础数据库和评估软件两大体系构成，论文所采用的GaBi软件是由PE-INTERNATIONAL开发的生命周期评价专业软件，具有海量的环境数据负荷数据库，包括Buwal，Ecoinvent，PlasticsEurope等，采取的评价方法有CML，EI，UBP等^[5] 。

论文为了验证传统的生命周期碳排放清单分析方法和这几年兴起的借助GaBi软件的生产单元环境影响评价方法在工业过程分析中的可行性，选取了内蒙古苏尼特碱业从天然碱的开采到碱产品加工成型的整个工业过程为分析对象，将该厂两种成熟碱产品的工业过程分别对应于上述两种方法来进行研究，最终目的都是为了找到工业过程中对环境影响最严重的工艺单元，为企业的清洁生产改造和产业升级转型提供方向和途径，同时进一步来说也可以有效比较两类方法各自的优势，为以后进行类似企业的分析工作时方法的选择提供一些参考。

本文所使用的数据来自苏尼特碱厂2013年全年的生产数据，主要包括两部分，其中物料能源消耗和碳排放的计算所采用的是日均烧碱生产数据，而基于GaBi软件的环境影响评价采用的是碱厂的纯碱日均生产量，为550 t。

在碳排放计算中所使用的排放因子主要包括：①全球增温潜势(GWP)：定义为瞬间释放单位质量的温室气体在一定时间段产生的辐射强迫与对应于单位 47 31947 47 15262 0 0 1539 0 0:00:20 0:00:09 0:00:11 3006 47 31947 47 15262 0 0 1398 0 0:00:22 0:00:10 0:00:12 2980量的CO₂辐射强迫的比值，用于评价各种温室气体相对气候效应^[6]。文中所用的GWP来自IPCC2007，取CO₂、CH₄、N₂O的GWP分别为1、25、298；②电力排放因子：采用国家发改委应对气候变化司2009年公布的数据，取华北地区电网每l kW·h电量排放CO₂当量1.006 9 kg；③燃料煤的排放因子：取 1 kg煤燃烧排放CO₂当量为2.53 kg；④原油排放因子：取 1 L原油燃烧排放CO₂当量为2.76 kg；⑤公路运输排放因子：货车的载货量以8 t计算，取每100 km的耗油15 L。

基于GaBi软件的环境影响评价中，对采集得到的原始数据进行当量换算所使用的是CML2001方法的特征化因子^[7] ，主要包括：①全球增温潜势(GWP)，单位为kg CO₂-当量；②光化学烟雾氧化反应潜势，单位为kg C₂H₄-当量；③不可再生资源消耗，单位为kg Sb-当量。

论文采用了两种方法对化工类企业的工业过程进行了研究分析，证明了这两种方法都达到了指导产品工艺流程改进的目的，可以预见把它们用于企业的清洁生产转型进而解决该类区域性污染问题^[14] 在实践上是可行的，都为化工类企业实现减排目标和配合国家“蓝天计划”的实施提供了新的思路。其中第一种方法较为传统，人工数据处理量稍大但并不复杂，同时数据呈现较为直观，但是由于人力物力所限不可能做到像第二种方法那样精确^[15]，存在一定的误差与不确定性，整体结果比较概括。第二种方法则借助了GaBi软件，将整个生产流程中的每一个步骤间的输入输出清晰细致地展现出来，可以精确地定位到企业生产的流程中去找到相应的改进点，但是该软件的普及有一定困难，而且软件首次呈现的数据较为抽象，需要有经验的相关人士进行数据的整合和转化，想要直接推广并应用于企业生产的生命周期评估还比较困难。由此看来，选择何种方法去进行企业生产的生命周期评估也要视具体的问题和情形而定。

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