材料生命周期分析系统的设计与开发

第35卷第7期

2009年7月北京工业大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol. 35No. 7J ul. 2009

材料生命周期分析系统的设计与开发

刘　宇, 龚先政, 聂祚仁, 张　群, 王志宏

(北京工业大学材料科学与工程学院, 北京　100124)

摘　要:为了降低生命周期评价(life cycle assessment , 简称LCA ) 方法中海量基础数据与评价对象数据的收集与处理难度, 提高评估的效率与可靠性, 以Visual Basic. net 为平台, 开发出适用于中国本土的LCA 软件《生命周期分析系统V110》. 软件中集成了目前国内最大的LCA 基础数据库, 实现了LCA 方法中各有关业务职能的自动处理, 并在一些关键环节具有较高的灵活度, 使软件可以处理各种复杂的评估系统, 缩短了评价周期, 有利于推动LCA 方法在实际生产中的广泛应用.

关键词:生命周期评价; 环境影响; 生命周期评价软件

中图分类号:X 82013文献标志码:A 文章编号:0254-0037(2009) 07--06

1　生命周期评价软件概述

111　研究意义

　　生命周期评价(life cycle ) 、输[1, 具有较为广泛的应用前景. 2003年的统计资料, 目前LCA 方法广泛应用于产品开发、市场营销、[2], 依照ISO14040推荐程序, 一次完整的LCA 大约需要60万条数据, 这些数据的获取、分析、归类需要大量的财力与时间, 而对于一般的研究小组而言, 同时收集所有LCA 数据的工作量十分巨大, 也是不切实际的, 所以对于当今的LCA 研究而言, 为了缩短评估周期并减少人力与物力消耗, 需要从个案分析中积累评估数据, 将这些数据组织为数据库的形式, 并以数据库为依托, 开发相应的数据库管理系统与LCA 软件, 用于指导新的LCA 实例研究, 再从新的LCA 研究中提取有用信息并对数据库进行扩充, 用于指导下次评估, 这种数据的积累与循环利用是保证LCA 能更好开展下去的重要条件.

此外, 由于不同国家或地区资源分布的不平衡、科技水平层次的不同、能源消耗的不对称, 材料或产品在整个生命周期中对环境的影响存在很大差异. 而国外软件的统一特征就是它们所依赖的基础数据库都是基于本国行业的平均数据, 并不适合我国国情. 在这样的数据背景下, 即使在我国同行业使用国外软件, 其评价结果也会与实际情况存在较大差异. 因此, 在充分利用国外先进软件的同时, 应该借鉴其开发的经验和教训, 开发出更适合我国具体情况的评价软件, 对推进我国LCA 工作与指导生态产品的设计与开发具有重要意义.

112　国内外发展概况

我国在LCA 软件方面起步较晚, 近几年才开始出现相关的文献报道, 而文献上谈及的软件大多可以收稿日期:2008211220.

基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50525413) ; 国家“九七三”计划资助项目(2007CB613706) ; 国家“八六三”计

划资助项目(2007AA03Z432) ; 北京市自然科学基金资助项目(2081001) ; “十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAF02A23) .

) , 男, 北京人, 博士生; 聂祚仁(1963—) , 男, 湖南长沙人, 教授, 博士生导师. 作者简介:刘　宇(1984—

992北　京　工　业　大　学　学　报2009年实现对生命周期评价信息的管理, 但并没有完全实现生命周期评价中的所有职能, 通常只是涉及生命周期中的某几个阶段, 或是只针对某一特定领域[326]. 虽然这种形式的评价尚有许多待完善之处, 但总的来讲我国LCA 软件的发展速度还是很快的, 短短10a 之中已经收集并整理了国内主要材料产业(钢铁、水泥、玻璃、建筑涂料等) 的第一手环境负荷数据, 建立了环境负荷基础数据库[7], 为后期的分析系统开发奠定了坚实的基础.

相比之下, 国外的LCA 软件发展得比较完善, 其中某些系统已经达到了实用商品化的程度[8210]. 据统计,1997年欧洲商业性LCA 软件已销售1300件,1999年达2000件以上, 全世界环境数据库已超过1000个, 著名的LCA 相关数据库也有10余个[11].

2　《生命周期分析系统V 110》的结构框架与主要功能

211　软件结构框架与设计目标

　　为适应LCA 研究的发展要求, 作者以Visual Basic. net 为平台, 开发出了适用于中国本土的LCA 软件《生命周期分析系统V110》. 软件的结构框架图如图1所示.

系统分为四大功能模块:计算分析模块、基础数据管理模块、. 其中基础数据管理模块用于对系统中的基础信息进行管理与维护, 包括单位部分数据; 计算分析模块是整个软件体系的核心部分, 究对象的模型, 并对其进行汇总与评估计算, 4个子模块; ; 而数据库模块用于存储系. 软件的主要设计目标包含以下几个方面:

1) , 系统的功能需要涵盖LCA 各有关的业务职能.

2) LCA 的基础信息, 具有海量数据的管理能力; 数据信息更新方便, 系统安全可靠; 方便地对生命周期评价信息进行查询、检索、统计、评价、输出等.

3) 整个软件能适应于不同的产品体系, 并非只针对某一产品或环境问题.

4) 根据评价目的与实际条件的不同, 可以对评价模型做出相应的修改与定义

.

图1　《生命周期分析系统V110》结构框架图

Fig. 1　The framework of L if e Cycle

A nalysis S ystem V 11

　图2　皮江法炼镁的主要工艺流程与输入输出Fig. 2　The main inputs and outputs of pidgeon process in China

212　软件主要功能与工作流程

作者结合皮江法炼镁的实例, 介绍《生命周期分析系统V110》的主要工作流程. 评估的目标是对皮江法炼镁主要生产阶段的直接资源消耗和污染物排放进行环境负荷分析, 定义评价法炼镁的生产阶段作为

　第7期刘　宇, 等:材料生命周期分析系统的设计与开发993系统边界, 具体可分为白云石煅烧、冶炼还原以及精炼与铸锭3个过程, 工艺流程图及各个过程的输入输出如图2所示, 输入输出流的流量见表1、表2[12].

表1　皮江法炼镁产出吨镁的原料及能源输入清单[12]

T able 1　I nput inventory of ra w m aterial and energy in pidgeon process [12]t

原料、能源

输入量白云石12154硅铁1118萤石0121硫粉0108煅烧用煤4114还原用煤8169精炼用煤0197

表2　皮江法炼镁产出吨镁的污染物排放清单[12]

T able 2　Output inventory of pollution in pidgeon process [12]t

污染物

CO 2

CO

SO 2

NO x 白云石煅烧[***********]1105

115173还原过程[***********][1**********]

29115精炼铸锭[***********]12820129总计[***********][***********]颗粒物HF ——

21211　建立物质流

在软件中进行LCA , . 所谓物质流是指系统中区分各种物质的标识, . 对于物质流的描述包括物质流名称、参考形态与主要成分等, . 对于同一种物质流可以用不, , 既可以使用质量形态进行量化, 也可以使用体积形态进行量化, 还可以, 如排放SO 2所造成的酸化影响与人体健康损害等. 系统会根据转换因子自动进行各形态之间的转换, 维护系统计算的一致性, 如在系统中1kg 的水与1m 3的水是相同的概念. 以白云石为例建立物质流信息, 如图3所示.

21212　建立单元过程

单元过程是系统中某一过程的输入输出流集合, 皮江法炼镁包含了白云石煅烧、冶炼还原、精炼与铸锭3个单元过程. 建立单元过程的主要作用是将产品系统中所涉及的输入、输出流组织在一起, 并通过配置参数, 建立不同单元过程间的流入与流出比例关系. 以白云石煅烧过程为例建立单元过程, 如图4所示. 从图中可以看出, 生产1t 原镁锭, 在白云石煅烧单元过程中需要输入白云石121540t 与煤41140t , 同时输出121

953t CO 2、712kg SO 2、121

98kg CO 、31105kg NO x 、115173kg 颗粒物与31670t 煅白.

图3　物质流定义

Fig. 3　The definition of material flow

　　图4　功能单元定义Fig. 4　The definition of process

21213　流程建模

流程建模就是对产品系统的建模用于将各个单元过程组织在一起, 单元过程间以物质流为接口相互

994北　京　工　业　大　学　学　报2009年连接, 如白云石煅烧阶段产生的煅白, 会作为冶炼还原阶段的输入物进入到冶炼还原单元过程, 所以这2个单元过程之间由煅白这个物质流相互连接. 同理, 冶炼还原过程和精练与铸锭过程通过粗镁相互连接, 将单元过程连接后可以形成完整的生产流程图, 如图5所示

.

图5　产品系统的流程建模

Fig. 5　Modeling the production system

　

21214　平衡计算

对流程模型进行汇总计算, , 图6所示. 从以质量为基准的平衡计算(见图6(a ) ) 1t 11180t 硅铁、80kg 硫粉、210kg 萤石等; 1kg CO 等. 同时也可以按照环境形态进行平衡计算, 如酸化潜力(见图(, 所以其数值均为0, 而输出物中的HF 、

SO 2与NO x , [1**********]2kg SO 2等价物.

图6　平衡计算结果

Fig. 6　The result of balance calculation

　

21215　影响评价

在平衡计算的基础上, 可以选择或修正系统中集成的影响评估方法, 对研究对象进行LCA , 具体步骤如图7所示.

首先将平衡计算中涉及的输入输出条目按其环境影响进行分类, 例如使用白云石、天然气等会造成不可再生资源耗竭, 排放CO 2和CH 4会造成温室效应等, 具体到皮江法炼镁的生产过程共涉及5类环境影响类别. 然后利用特征化因子将同一影响类别下不同物质换算成通用的单位, 并相互累加得到每个影响类别的指标量化值, 这个步骤称之为特征化步骤. 以温室效应为例, 以CO 2作为衡量温室效应的基准, 那么CO 2的特征化因子设为1, 通过试验测定相同质量的CH 4产生的温室效应是CO 2的21倍, 那么CH 4的特征化因子即为21, 将CO 2与CH 4的输入输出量乘以各自的特征化因子再相加, 即可得到温室效应影响的指标量化值. 如果需要在不同影响类别之间进行比较, 可以继续将每种影响类别的特征化结果除以每种影响类别的归一化基准, 得到一个相对的数值. 归一化基准通常选取全球或区域范围内的总排放量或资源储量, 例如温室效应的归一化基准通常选取某一年度的全球温室气体排放总量. 最后, 可以根据每个

　第7期刘　宇, 等:材料生命周期分析系统的设计与开发995

图7　Fig. 7　The process of life 　

影响类别的重要程度, 为单一的指标值.

8所示. , 、物质流类

3个层面进行汇总, 得到各自层面上

的环境影响总值, 其中输入物质流的环境影响总值为

[**************]×10-14, 输出流的环境影响总值图8　环境影响评价结果

Fig. 8　The result of life cycle impact assessment

　为[**************]4×10-10.

3　结论与展望

本研究建立的软件体系, 集成了大量的基础数据与评价方法体系数据(部分本地化) , 在很大程度上简化了数据的收集与整理工作; 体系中的计算模块可以实现海量数据的自动处理, 提高了计算精度并大大缩短了评价周期. 根据目前国际上LCA 软件的主要发展趋势, 本系统还需要在以下方面进行扩充与完善:

1) 生命周期基础数据库的扩充与完善　数据是整个评价体系的基础, 数据的完整性可以节约大量的数据收集与处理时间. 如果数据完备, 很复杂的评价过程完全有可能在很短的时间内完成, 而数据的准确性与实时性可以使评价结果更为客观、可靠.

2) 在系统中建立并完善数据质量体系　数据质量体系的建立包括数据质量描述与数据质量分析2部分. 数据质量描述要求对软件中使用数据集的可靠性、完整性、时间性、地域性、技术相关性等方面进行表征, 这样可以清楚地判别该数据集是否满足评价的目的与数据质量要求. 数据质量分析包含对评价结果敏感性、不确定性的定量计算与分析以及对缺失数据运用数学的方法进行填补.

3) 实现多功能集成性　LCA 是一个开放性的体系, 目前流行将经济价值、使用价值和社会价值等产品特性集成于软件体系中, 将LCA 从现有的环境决策工具转变为与可持续发展相适应的综合决策工具, 从而真正实现产品生命周期的整体优化, 并使得LCA 更易于被企业与社会所接受.

996北　京　工　业　大　学　学　报2009年参考文献:

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Design and Development of Material Life Cycle

Assessment Soft w are System

L IU Yu , G ON G Xian 2zheng , N IE Zuo 2ren , ZHAN G Qun , WAN G Zhi 2hong

(College of Material Science and Engineering , Beijing University of Technology , Beijing 100124, China )

Abstract :In order to reduce the difficulty of collecting and processing large numbers of basic data in LCA and improve the efficiency and reliability of the assessment , a life cycle assessment (LCA ) software L if e Cycle A nalysis S ystem V 110is developed based on Visual Basic. net platform. Furthermore , the biggest LCA basic database in China recently is integrated in this software and all the data can be calculated and processed automatically with a high flexibility , which is suitable for all kinds of flexible evaluated system to shorten the assessment period and promote the application of LCA method in practical production.

K ey w ords :life cycle assessment (LCA ) ; environmental impact ; life cycle assessment software

(责任编辑　梁　洁)