化工產(chǎn)品生命周期設(shè)計的理論和方法

1、化工產(chǎn)品生命周期設(shè)計的理論和方法 n傳統(tǒng)的環(huán)境技術(shù)主要針對生產(chǎn)過程污染物的末端治理,不能從根本上實現(xiàn)對環(huán)境的保護。n要徹底解決環(huán)境污染問題,必須從源頭上進行治理。n要同時考慮產(chǎn)品整個生命周期各個階段對環(huán)境的影響,最大限度地利用原材料和能源,減少有害廢物和固體、液體、氣體的排放,改進操作安全,減輕對環(huán)境的污染,選取對環(huán)境和人類危害小的替代產(chǎn)品。 n美國工程院院士Grossmann 指出,可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境問題非常重要,但是對過程系統(tǒng)工程研究的努力程度還遠遠不夠n需要開發(fā)更具創(chuàng)造性的方法和工具,化工產(chǎn)品和過程相互作用以及化工產(chǎn)品生命周期分析將成為一個研究機會和挑戰(zhàn)n另一方面,提高產(chǎn)品使用性能和降低產(chǎn)

2、品成本始終是工業(yè)技術(shù)研究開發(fā)的重要目標(biāo)。n但是,降低成本不是一個孤立過程,成本分析不應(yīng)僅僅局限在對生產(chǎn)成本的估測上,而應(yīng)貫穿產(chǎn)品的全生命周期。n下面從生命周期評價(LCA) 入手,綜合分析生命周期成本(LCC) ,介紹生命周期設(shè)計(LCD) 的概念和實施步驟,有助于做出正確的決策,開發(fā)出環(huán)境友好、經(jīng)濟節(jié)約的產(chǎn)品。1 生命周期評價生命周期評價n1997 年,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)生命周期評價的思想,把生命周期評價過程分為：n目標(biāo)范圍的界定n數(shù)據(jù)清單分析n環(huán)境影響評價n改進分析等4 個步驟n各個子系統(tǒng)的關(guān)系如圖1 所示 n圖1 生命周期評價技術(shù)框架n生命周期評價首先是確定評價范圍,即目標(biāo)和范圍的定義,

3、確定了評價范圍也就確定了系統(tǒng)的邊界。n數(shù)據(jù)清單分析的目的是將環(huán)境負荷定量化,即將一個產(chǎn)品從生產(chǎn)、使用到廢棄整個生命過程中投入的所有原材料和能源作為輸入逐一列出,而將在這個過程中排放出的所有影響環(huán)境的物質(zhì)作為輸出也逐一列出,對輸入和輸出進行以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的客觀量化分析,該分析應(yīng)貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期過程。n經(jīng)環(huán)境影響評價得到在產(chǎn)品生命周期全過程客觀量化的環(huán)境影響數(shù)值之后,就能得到一個指標(biāo)來表征被評價過程造成的環(huán)境負荷。n其基本步驟可分為3 步:分類、計算和賦值。 n分類是指對不同的環(huán)境損害類型進行分類;計算是將與各環(huán)境損害項相聯(lián)系的目錄項目進行匯總,定量計算造成的各種環(huán)境損害的大小,這個定量化過

4、程是人為規(guī)定的，它依賴于廣泛的科學(xué)知識;n賦值是由專家規(guī)定各種環(huán)境損害的權(quán)重,與前面得到的各種環(huán)境損害大小加權(quán)求和,從而得出一個指標(biāo)來表示被評價過程造成的環(huán)境負荷。n解析是生命周期評價的最終目標(biāo),通過確定產(chǎn)品的環(huán)境負荷,比較產(chǎn)品的環(huán)境性能優(yōu)劣,可對產(chǎn)品進行重新設(shè)計、不斷完善和改進n這種分析包括定量和定性的改進措施,以期得到產(chǎn)品對環(huán)境影響程度最小的方案。2 生命周期成本分析生命周期成本分析n傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟學(xué)考慮的只是單純的生產(chǎn)成本,對產(chǎn)品整個周期各個階段費用相互影響的分析不夠,缺乏對產(chǎn)品生命周期成本的決策。n可引入生命周期成本分析來進一步剖析生產(chǎn)成本與生命周期成本之間的關(guān)系n生命周期成本是指產(chǎn)品

5、從出現(xiàn)到消亡所涉及的生命周期成本是指產(chǎn)品從出現(xiàn)到消亡所涉及的所有費所有費用。它分為2 個部分:n一部分是傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)成本,包括原料的準(zhǔn)備和生產(chǎn)操作費用,就是在產(chǎn)品生命周期的原料準(zhǔn)備和生產(chǎn)階段的費用,稱為上游成本。n另一部分是指在產(chǎn)品的使用時產(chǎn)生的附帶費用和廢棄處理費用,也就是生命周期后2 個階段的費用,稱為下游成本,二者之和構(gòu)成了產(chǎn)品的整個生命周期成本,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 圖2 生命周期成本結(jié)構(gòu)3 化工產(chǎn)品的生命周期設(shè)計化工產(chǎn)品的生命周期設(shè)計n生命周期設(shè)計是指在產(chǎn)品設(shè)計階段權(quán)衡考慮產(chǎn)品在整個生命周期不同階段的環(huán)境問題和經(jīng)濟因素。n為了為了取得良好的生態(tài)效果和經(jīng)濟效益,設(shè)計者應(yīng)該在考慮產(chǎn)品

6、在整個生命周期產(chǎn)生的費用的同時,也考慮產(chǎn)品對環(huán)境的影響貫穿于生命周期的各個階段。 nAlting 提出將產(chǎn)品的生命周期劃分為6個階段:需求識別、設(shè)計開發(fā)、制造、運輸、使用以及n廢棄 。nZust 等人進一步將產(chǎn)品的生命周期劃分為4 個階段:產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品使用及產(chǎn)品處置 。n也可從原料準(zhǔn)備、生產(chǎn)過程、使用和廢棄4個階段來考慮化工產(chǎn)品的生命周期設(shè)計。31 原材料準(zhǔn)備和選擇原材料準(zhǔn)備和選擇n在實施生命周期設(shè)計的原料準(zhǔn)備階段,要求原材料在滿足一般功能要求的前提下,應(yīng)具有良好的環(huán)境兼容性,以便產(chǎn)品在制備、使用以及用后處置等生命周期的各階段具有最大的資源利用率和最小的環(huán)境影響。 n生命周期設(shè)計要

7、求選擇原材料應(yīng)遵循以下原則: n優(yōu)先選用可再生材料,盡量選用可回收材料,提高資源利用率,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展; n盡量選用低能耗、少污染的材料; n盡量選擇環(huán)境兼容性好的材料,避免選用有毒、有害和有輻射特性的材料。n所用材料應(yīng)易于回收、再利用、再制造或易于降解。32 生產(chǎn)工藝和流程的確定生產(chǎn)工藝和流程的確定n化工產(chǎn)品制造階段應(yīng)該采用綠色工藝實現(xiàn)綠色制造,綠色工藝與清潔生產(chǎn)密不可分。n清潔生產(chǎn)要求對產(chǎn)品及其工藝不斷實施綜合的預(yù)防性措施,其實現(xiàn)途徑包括清潔材料、清潔工藝和清潔產(chǎn)品。n綠色工藝是指既能提高經(jīng)濟效益,又能減少環(huán)境影響的工藝技術(shù)。 n它要求在提高生產(chǎn)效率的同時必須兼顧削減或消除危險廢物及其他有

8、毒化學(xué)品的用量,改善勞動條件,減少對操作者的健康威脅,并能生產(chǎn)出與環(huán)境兼容的安全產(chǎn)品。n在經(jīng)濟方面應(yīng)采用費用相對最小的工藝流程。33 使用階段的設(shè)計使用階段的設(shè)計n在這個階段,對設(shè)計者而言,產(chǎn)品的功能和性能是主要因素,在實現(xiàn)其功能的過程中伴隨著物料消耗、有害氣體的釋放和對人體的影響。n就產(chǎn)品對環(huán)境的友好功能而言,在設(shè)計階段應(yīng)該考慮到能量的有效性,減少廢物排放,提高產(chǎn)品利用率,減少生產(chǎn)成本n同時在保證性能的前提下,使其生命周期盡可能地延長。34 廢棄階段的設(shè)計廢棄階段的設(shè)計n目前已經(jīng)有一些研究報道了關(guān)于描述廢物管理的生態(tài)設(shè)計策略 ,比較典型的有再利用、再制造和再回收策略。n廢物再利用和回收是指把

9、一種產(chǎn)品使用后的廢品回收再利用或者作為生產(chǎn)其他產(chǎn)品的原料。n這體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟的思想,同時節(jié)約了成本,防止環(huán)境受到更大危害。4 案例分析案例分析n利用相對豐富的煤資源生產(chǎn)汽車代用燃料,根據(jù)能源狀態(tài)可分為煤制甲醇、煤合成油和煤發(fā)電。n不同的燃料生產(chǎn)路線與相應(yīng)的汽車組成完整的生命周期鏈,對這些生命周期鏈進行分析,確定哪條鏈具有優(yōu)勢,從而為未來汽車和相應(yīng)的燃料發(fā)展方向提供決策依據(jù),是此生命周期研究的目的。n根據(jù)汽車燃料的特殊性,它的生命周期成本只涉及從原料階段到使用階段的費用,廢棄階段的費用忽略不計,可以得到不同燃料的生命周期成本,見表1。n由表1 可知,單位質(zhì)量的燃料中電的生命周期成本最高。n為了進

10、一步更清楚對比各個產(chǎn)品經(jīng)濟的優(yōu)劣性,假設(shè)汽油車每百公里耗油7.5 L ,以甲醇為燃料的汽車是以85 %甲醇和15 %汽油混合的靈活燃料汽車,其每百公里消耗燃料12.5 L ,合成油每百公里的耗油量為9.8 L ,電動汽車是鎳氫電池電動車,其每百公里電耗為26 kWh。 n據(jù)此計算,在達到同樣效果的前提下,用煤基甲醇是最經(jīng)濟的,煤基發(fā)電的成本約是甲醇的8 倍。n另一方面,同時對各種燃料對環(huán)境的影響進行生命周期評價。n以每條鏈在生命周期整個過程中的廢氣排放量為例,由于行駛同樣路程所需不同燃料的量是不同的,仍以行駛每百公里所需燃料在生命周期排放的廢氣為依據(jù)。n把各個階段的排放進行匯總,采用環(huán)境負荷計算公式:n式中, EB 指環(huán)境負荷; a 、b、c 為排放物中所含的各種化學(xué)物質(zhì); W 為各物質(zhì)的質(zhì)量; PF 為各物質(zhì)n對某類環(huán)境所造成影響的潛能因子(采用英國ICI公司研究使用的潛能因子) , 得到的各種信息見表2。n由表2 可以看出,對大氣污染而言,電所產(chǎn)生的環(huán)境