聚酯樹脂產品生命周期分析與評價系統

鐘言久 闞歡迎 劉 陽

（1.合肥工業大學機械工程學院 合肥 233009；2.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，各級政府對環境保護的重視程度也越來越高。同時，頒布了一系列的法律法規對各行業的資源消耗進行了規范和限制，如2016年四部委聯合印發《綠色制造工程實施指南（2016-2020）年》，旨在降低資源消耗和環境污染，提高資源能源的使用效率。在產品的生命周期各階段，產品的環境排放不僅僅局限于產品的生產階段，而是從原材料階段到產品的回收處理各階段均存在不同程度的環境排放。同時，不同類型的產品通常來說評價方法也不盡相同。為了有效的評測和控制特定產品的環境排放，有必要開發一種面向某類產品的基于生命周期理論的產品環境影響評價系統。

在產品生命周期評價工具方面，國外生命周期發展較早，已有相對的成熟的生命周期評價工具，常用的生命周期評價工具包括GABI、SimaPro等。而國內相應的研究尚處于發展階段，劉繼永根據機電產品生命周期特點，進行面向機電產品生命周期分析的軟件功能設計和數據庫構建，從而開發出評價工具[1]。評價方法方面，蔣詩新等利用GaBi6軟件，從原材料、生產、運輸、使用、回收五個階段對家用空調進行碳排放評估，得到家用空調各階段的碳排放量，并分析出導致各階段排放的主要原因[2]。萬騰方等針對鋼鐵行業的環境影響問題，采用生命周期方法評價鋼鐵生產過程中的資源消耗和環境影響，得出環境影響最大的11種物質，并分析了各物質環境影響比重[3]。張方文等針對定向刨花板生產過程，開展基于生命周期的定向刨花板生產環境影響分析，得出生產過程中能源消耗和碳排放量[4]。

由以上分析可知，在當前的研究當中，很少有針對聚酯樹脂產品的生命周期分析，而聚酯樹脂又是重要的工業原材料之一。因此，對聚酯樹脂產品進行生命周期分析將會有效的降低環境排放。本文針對聚酯樹脂產品生產特點，開發基于生命周期理論的聚酯樹脂產品環境績效評價工具，為聚酯樹脂的生命周期分析提供指導。

1 聚酯樹脂產品生命周期分析

生命周期分析是當前產品環境評價的主要方式之一，其主要是通過分析和量化產品生命周期過程中所消耗的原材料、能源等，計算出對環境的排放量，從而評價產品對環境的影響。在生命周期評價過程中，根據國際標準ISO 14040和ISO 14044，生命周期評價步驟主要分為：

步驟一：評價對象和范圍：評價對象和范圍的確定是生命周期分析的首要環節，該步驟的主要目的是確定生命周期分析的研究對象，明確評價的主要功能單元、邊界條件和評價階段等。

步驟二：清單分析：在明確評價對象和范圍之后，即可對聚酯樹脂生命周期各階段的輸入輸出數據進行分析；該步驟主要確定原材料、生產、回收等各階段的物質和能量信息，為后續的評價提供數據支持。

步驟三：影響評價和結果解釋：該步驟是生命周期評價的最后一環，其主要目的是對清單數據和評價結果進行定性和定量的分析和描述，確定對環境影響最大的階段，并提出相應的改進措施。

1.1 評價目標與范圍確定

聚酯樹脂是一種典型的化工原料，其主要參數指標包括外觀、色度、反應性、軟化點、酸值、熔體粘度和玻璃化轉變溫度等。根據ISO 14041標準，結合聚酯樹脂產品特點，本文主要研究聚酯樹脂生命周期中的三個階段：原材料獲取階段、生產制造階段和運輸階段，具體如圖1所示。由圖可以看出，在原材料獲取階段，主要包括原材料和能源物質兩類，且這兩部分均有相應的能源輸入和廢棄物排放；在生產制造階段，主要包括聚酯生產加工和包裝兩個階段；在運輸階段，不僅考慮到了產品到銷售企業的運輸，還考慮到了原材料到生產企業的運輸，從而提高評價的準確性和可靠性。

1.2 清單分析與計算

根據生命周期理論，產品的環境排放總和等于生命周期各階段排放量的累加。因此，根據所定義的聚酯樹脂產品系統邊界，本文在對聚酯樹脂產品進行生命周期分析時，主要考察原材料獲取、生產和運輸三個階段。通過對著三個階段進行分析，得出聚酯樹脂產品對環境的排放總和。各階段計算模型如下所示：

圖1 聚酯產品LCA系統邊界

其中，G 表示聚酯產品生命周期的排放量，Ga原材料獲取階段的排放量，Gm表示聚酯產品在制造階段的排放量，Gt表示其在運輸階段的排放量。

1）原材料獲取階段

聚酯產品在原材料獲取階段的排放可由式（2）計算得到：

其中，k表示評價模塊個數；j表示原材料種類；Mkj表示原材料消耗總量；FMj表示生產排放系數；nkj表示原材料利用率；i表示能源類別；Eki表示聚酯樹脂所消耗的能源總量；FEi表示該類能源的碳排放系數；l表示氣體種類；Ckl表示溫室氣體排放量；Fcl表示該類溫室氣體的二氧化碳排放當量。

2）生產制造階段

聚酯產品生產制造階段的排放計算公式如式（3）所示：

其中，k表示生產單元，由圖1可知，本文根據聚酯樹脂生產工藝，將生產過程劃分為反應、冷卻、破碎和包裝四個階段；i表示消耗能源種類；Cik表示生產過程中所消耗的能源總量；EFi表示該類能源的排放系數；p表示成產過程中排放的廢氣種類；Op表示廢氣排放總量；GWPp表示該類氣體的全球變暖潛能值。

3）運輸階段

其中，i表示交通工具種類，在本文中，主要有輪船、火車和卡車三種；Ti表示此類交通工具單位距離的能源消耗量；Di表示運輸距離；EFi表示所用能源的排放系數。

2 生命周期評價系統設計

本文根據對聚酯產品生命周期的分析，結合聚酯產品的生產實際，開發基于生命周期理論的聚酯產品生命周期評價系統。同時對系統架構和人機交互界面進行設計，從而使得系統簡單易用，具有很好的實用價值。

2.1 系統架構設計

根據聚酯樹脂產品具體生產過程和生命周期評價理論，對系統架構進行設計，具體如圖2所示。由系統架構圖可知，該評估系統主要分為五個功能模塊：基本信息模塊、數據查詢模塊、數據錄入模塊、生命周期評估模塊和數據管理模塊。

1）基本信息模塊

基本信息模塊是該系統的首要模塊，該模塊主要用于設定和查詢出產品基本信息、生命周期階段、生產制造工藝階段等信息，從而實現對聚酯產品的生命周期評估進行邊界界定和模塊設置。

2）數據查詢模塊

數據查詢模塊主要用來對物質環境影響評價相關數據進行查詢，包括物質信息查詢和相關法規查詢兩部分。物質信息查詢包括原材料、能源等基礎物質查詢；相關法規查詢主要包括國家法律法規、行業標準和政策的查詢。

3）數據錄入模塊

數據錄入模塊是在基本信息模塊確定生命周期評估階段的基礎上，利用數據查詢功能，對聚酯樹脂生命周期各階段進行數據錄入生命周期階段數據的錄入，包括原材料獲取階段、生產制造階段以及產品運輸階段三個階段。

圖2 聚酯樹脂生命周期分析系統架構圖

4）生命周期評估模塊

在聚酯產品各生命周期階段數據錄入的基礎上，該模塊主要對各階段進行生命周期環境影響計算。在計算內容方面，分別對各階段進行計算，包括碳排放分析和CML 2001分析。在計算結果可視化方面，用戶可以根據需要在分階段和總評估方面，選擇柱狀圖、餅狀圖、雙餅狀圖和折線圖等展示計算結果。

5）數據管理模塊

此模塊主要是對物質環境影響等基礎數據和法律法規等政策數據的查看、修改、添加和刪除等，從而可以根據用戶需求對數據庫進行更新，保證數據可以根據用戶需求進行更新和自定義，提高軟件的適用性。

2.2 系統工作流程設計

系統工作流程是該聚酯產品生命周期評估過程的主要步驟，也是用戶進行聚酯產品生命周期評估的主要步驟，具體流程如圖3所示。由流程圖可知，該聚酯產品生命周期評估系統主要分為六個步驟，具體如圖3所示。

步驟1：目標和范圍確定：該步驟是評估的首要步驟。首先需要確定聚酯產品的評價目標和范圍，包含評價指標、生命周期階段和生產工藝過程等。

步驟2：原材料和能源數據導入：在步驟1完成生命周期階段定義后，對原材料獲取階段進行數據導入。主要依據聚酯產品的生產的具體原材料、能耗等數據添加。

步驟3：生產工藝數據導入：該步驟主要是根據具體的制造工藝進行添加，一般包括包裝、反應、冷卻、破碎等工藝階段。同時也可以對工藝階段進行修改和添加。

步驟4：運輸階段數據導入：該步驟主要包括兩個階段：原材料運輸至生產企業階段和聚酯產品運輸至銷售客戶階段。同時根據具體的運輸方式，將運輸方式分為卡車、輪船、火車。

步驟5：生命周期分析與計算：在完成以上數據導入步驟之后，即可進行環境影響計算。在分析指標方面，利用碳排放和CML2001兩組標準進行環境影響分析。

步驟6：數據展示與導出：在計算結果展示方面，通過餅狀、柱狀等圖形進行展示，用戶可以根據需求進行選擇。同時，該系統具有評估報告導出功能，以方便用戶使用。

3 系統驗證與分析

本文選擇某公司生產的聚酯樹脂產品，對該評價系統進行驗證和分析。該聚酯樹脂產品生命周期階段為原材料獲取、生產制造和運輸階段，不考慮該產品的使用和回收過程，其中，各階段所消耗的原材料和能耗不考慮品牌和地區。為提高數據收集和系統評價結果的準確性，本文所采用的數據均為生產1 000 kg聚酯樹脂產品所消耗能源和物質數量。

在原材料獲取階段，聚酯樹脂生產所需要的主要原材料數據見表1所示。在此階段中，主要考慮的原材料包括新戊二醇、己二酸、對苯二甲酸、丙二醇、間苯二甲酸、單丁基氧化錫、抗氧化劑（酚類）七類。其余原材料由于比例較少，因此在本次評估中未考慮其他材料。

圖3 聚酯產品生命周期評估系統工作流程

在聚酯樹脂產品的生產制造階段，主要包括酯化、脫水、酸解、減壓縮聚、加助劑、過濾、冷卻、破碎和包裝等生產工藝。在本文中，為提高能耗數據測量的準確性，將酯化工藝、酸解工藝和減壓縮聚工藝融合為一個評估工藝。由于加助劑和過濾工藝所消耗的能耗較低，在本次評估中忽略不計。因此，在本次評估中，主要包括酯化-酸解-縮聚、冷卻、破碎和包裝四大生產工藝階段，具體能耗數據見表2所示。

在運輸階段，本次評估考慮原材料到生產企業和產品到銷售企業的運輸兩個部分。在原材料運輸階段，主要運輸新戊二醇、己二酸、對苯二甲酸、丙二醇、抗氧化劑（酚類）五類物質，間苯二甲酸和單丁基氧化錫的運輸暫不考慮。在產品到銷售企業的運輸類別中，選取典型的三個銷售企業作為評估對象。兩類運輸均采用預設的輪船、卡車和鐵路運輸，具體運輸方式和運輸距離見表3所示。

在完成聚酯產品各階段數據收集之后，根據聚會產品的具體信息，對評價系統進行基本信息設置。在本次評估中，將生命周期評估階段設置為原材料獲取、生產制造和運輸三個階段。其中，在生產制造工藝中，添加酯化-酸解-縮聚、冷卻、破碎和包裝四個工藝階段。生命周期評估系統及參數設置如圖4所示。

在完成基本信息設置之后，將以上給出的聚酯產品各階段數據添加到系統中，即可得到聚酯樹脂環境分析結果。碳排放分析結果如圖5所示，由圖可知，總碳排放總量為17.012 36 [kg CO2eq.]。其中，原材料獲取階段排放量為2.670 96 [kg CO2eq.]，制造階段排放量為13.797 38 [kg CO2eq.]，運輸階段排放量為0.544 02 [kg CO2eq.]。由此可知，制造階段對環境的影響最大，有必要對產品的生產工藝進行優化。

圖6所示結果為聚酯產品生命周期CML2001分析結果。由該圖可知，非生物資源（ADP化石）排放總量為214.253 7 [MJ]，酸化潛能值（AP）排放總量為0.075 25 [kg SO2eq.]，富營養化潛能值（EP）總排放量為0.004 93 [kg Phosphateeq.]，淡水水生生態毒性潛能值（FAETP inf）總排放量為0.371 91 [kg DCB eq.]，溫室效應潛能值（GWP 100 年）總排放量為17.012 36 [kg CO2 eq.]，溫室效應潛能值（GWP 100 年）EXL生物碳總排放量為17.101 14 [kg CO2 eq.]，人類毒性潛能值（HTP inf）總排放量為90.022 95 [kg DCB eq.]，海水水生生態毒性潛能值（MAETP inf）總排放量為24 572.211 30 [kg DCB eq.]，光化學臭氧生成潛能值（POCP）總排放量為0.005 17 [kg Ethene eq.]，陸地生態毒性潛能（TETP）總排放量為0.039 41 [kg DCB eq.]。

表1 聚酯產品原材料組成

表2 生產過程能耗使用數據

表3 原材料和產品運輸階段數據

圖4 聚酯樹脂產品生命周期評價系統

圖5 聚酯產品碳排放分析結果圖

圖6 聚酯產品CML2001分析結果圖

4 結論

本文主要針對聚酯樹脂產品的生產和銷售特點，開發了基于生命周期理論的聚酯樹脂產品環境評價系統。該系統可以根據聚酯產品的生命周期階段和特定生產工藝進行分析，分別計算出不同階段和不同生產工藝的環境影響。在影響結果分析方面，采用碳排放和CML2001指標體系對評價結果進行分析。通過該系統，可以有效地判定聚酯產品在原材料、生產和運輸各階段環境影響，為聚酯產品的后期改進提供指導。