生命周期評價在焦化領域中的應用及研究進展

史 帆，李晶瑩，張穗穗，屈佩璽，唐團團，徐 龍，馬曉迅

（西北大學 化工學院；碳氫資源清潔利用國際科技合作基地，陜西 西安 710069）

焦化行業是化工行業的中堅力量，對國民經濟發展起著重要作用。多年來，中國一直是世界上最大的焦炭生產、消費和貿易大國，截至2021年底，中國焦炭產量約4.64 億t，消費量占全球總量的69%左右［1］。然而，焦化行業作為傳統煤化工行業，高污染、高能耗情況比較嚴重。隨著我國力爭在2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和戰略目標的提出，堅持系統觀念，加快產業結構調整，大力推行焦化清潔生產，構建多產業鏈條，系統推動節能降碳，實現綠色可持續發展是焦化行業發展的新方向［2-3］。傳統研究通常側重于生產階段，不考慮生產上游資源消耗和環境影響，缺乏系統性分析與評估。可持續發展要求從全生命周期角度出發，全面考察產品生命周期過程的環境影響和能源利用效率，這對焦化過程提出更嚴格的要求。生命周期評價（Life Cycle Assessment，簡稱為LCA）是一種“從搖籃到墳墓”系統化地定量描述產品生命周期中的各種資源、能源消耗和環境排放并評價其環境影響的國際標準方法［4］。鑒于其全面性和系統性，LCA已成為國際公認的進行環境管理、可持續發展評估和生態設計的主要工具。目前，LCA已廣泛應用于各行業評估和改進特定的產品系統［5］，如在廢物管理［6］、建筑行業［7］、農業系統［8］、鋼鐵行業［9］、電力行業［10］等。在焦化領域，引入LCA 方法，可準確且全面地定量化評估產品從原材料獲取、運輸、生產、使用、再循環到最終處理等各階段環境影響，尋求節能減排的改進方向。基于其全面性和系統性，LCA可對比分析同一產品不同替代途徑以及不同產品實現同一功能的環境優劣性，避免環境問題的轉移［11］。因此，應用LCA 方法對焦化行業的綠色低碳可持續發展具有極為重要的意義。本文簡述了LCA 理論框架，總結和分析了LCA 在焦化領域的應用和存在問題，并對其未來發展提出相關建議，以期為焦化行業LCA研究提供理論指導和參考。

1 LCA方法簡述

如圖1所示，LCA 起源于20世紀60年代末美國的資源和環境概況分析，1990 年環境毒理學和化學協會（SETAC）第一次提出了“生命周期評價”這一概念［12］。2006年國際標準組織先后發布ISO 14040和ISO 14044兩個標準，為LCA理論提供了基本框架［13］。進入21 世紀后，以歐盟國家、美國、日本為代表的LCA 學者進一步推動了LCA 理論的深入研究，這也引起了亞洲、非洲和南美洲的關注，LCA 在全球范圍內得到了迅速的發展［12］。

圖1 LCA的發展歷程

根據ISO14040 標準，LCA 方法包括4 個相互聯系且不斷重復的步驟［13］：目標和范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋（圖2）。首先，確定研究的目標和范圍，然后收集數據列出各單元的輸入輸出清單，再對清單中的能量、物質的消耗以及對環境的排放進行量化分析，確定影響類型以及權重大小。根據影響評價對整個產品/系統/工藝過程進行生命周期解釋，識別薄弱環節以及潛在的改善機會，對整個生命周期過程得出結論［14］。

圖2 LCA方法的技術框架[13]

2 LCA方法在焦化領域的應用

目前，LCA方法已經廣泛應用到焦化生產、焦爐煤氣下游利用以及焦化廢水處理過程。通過對產品環境影響定量化分析，LCA方法已成為焦化產品系統識別環境問題和優化改進方案的重要決策工具［15］。

2.1 焦化生產工藝及焦爐煤氣下游利用路徑

2.1.1 焦化生產工藝

如圖3所示，通常焦化生產過程分為兩部分：煉焦部分和化產部分。具體如下：

圖3 焦化生產工藝流程圖

1）煉焦部分：經備煤、裝煤后，將煉焦煤送入炭化室，再經高溫（950 ℃～1 050 ℃）干餾變成焦炭，并放出荒煤氣由管道輸往回收車間；得到的焦炭用推焦機從炭化室推出，進入熄焦塔熄焦；隨后進入晾焦臺，最后進行篩焦分成各級焦炭。

2）化產部分：在煉焦過程產生的化學產品經過回收、加工提取煤焦油、氨、硫磺、硫銨、粗苯等產品，同時獲得焦爐煤氣。主要分為鼓冷工段、脫硫工段、硫銨工段、粗苯工段4個工段［16］。

2.1.2 焦爐煤氣下游利用路徑

焦爐煤氣（coke oven gas，簡稱COG）作為高附加值的焦化副產品，年產量約為1 900 億m3，占全球總產量的50%以上［17］。鑒于其富含氫氣（55%～60%）、甲烷（23%～27%），既可作燃料也可用作化工原料，如焦爐煤氣制甲醇［18］、制天然氣［19］、制氫［20］、合成氨［21］、發電［22］等。目前，LCA 方法已廣泛應用于焦爐煤氣下游利用路徑。

2.2 LCA方法在焦化領域的應用

2.2.1 焦化生產過程

在焦化生產過程中，有學者采用LCA方法對單位量焦炭產品進行了系統性評估與改進研究，多考察能源消耗、溫室氣體排放等環境影響。如WU 等［23］對中國西北地區焦化工業進行了生命周期溫室評估，表明減少獨立的煉焦廠有利于提高能源利用率和減少排放；LI［24］利用LCA 和經濟性方法分析比較了氣化焦和冶金焦技術路徑的經濟效益、能耗和CO2排放。結果表明，生產氣化焦是焦炭行業轉型發展的可行技術途徑；JHA 等［25］對傳統焦炭燒結方法和環保生物質燒結方法之間進行了生命周期對比評估，比較兩者之間的經濟和環境性能。結果表明，生物質摻入帶來的生產成本降低了10%；HONG等［26］從宏觀層面對中國焦炭生產進行了“搖籃到大門”的生命周期環境影響評價，并對比了濕法熄焦和干法熄焦2 種方法的環境性能。然而，焦化生產涉及多產品輸出問題，環境負擔的分配問題不可避免。LIU等［27］基于LCA方法對干法熄焦和濕法熄焦2種焦炭生產過程進行了“從搖籃到大門”的生命周期環境影響評價，環境負擔的分配主要基于多種產品的能量分配；LI等［28］采用細分法對1 t焦炭的LCA結果進行了分析，并與物理和經濟分配方法進行了比較。上述文獻均只考察了焦化生產階段的生命周期環境影響及改進分析。

2.2.2 焦爐煤氣下游利用

以焦爐煤氣為核心的下游利用的LCA研究多側重于與傳統路線的比較研究。如KANG 等［29］根據經過驗證的動力學研究設計了一種從COG 制甲醇的大規模工藝，對COG 制甲醇過程進行了“從搖籃到大門”生命周期評估，并與傳統路徑進行對比研究。結果表明，COG 制甲醇路徑的全球變暖潛值比傳統路徑低64.8%；CHEN 等［30］對煤制甲醇（CTM）、焦爐煤氣制甲醇（CGTM）和天然氣制甲醇（NTM）3 種甲醇生產路線進行了生命周期評估，認為電力生產是造成環境影響的關鍵因素；YAO 等［31］對汽油、煤炭、焦爐煤氣、天然氣4 條制甲醇路線進行了生命周期評估，重點評估了一次能源使用、溫室氣體排放、水耗和污染物排放（SOx和NOx）。此外，LI等［32］基于LCA方法比較了4種LNG生產方式的環保性能，結果表明，焦爐煤氣甲烷化過程具有較好的環境性能；WANG 等［33］比較了COG、煤、天然氣、生物質、電網混合和可再生能源產氫過程的化石能源消耗和碳排放，發現COG 制氫是除生物質和可再生能源外的最佳選擇；BURMISTRZ 等［34］對清潔焦爐煤氣制氫技術的碳足跡進行了分析，結果表明這些指標與整個產品生命周期中電力和熱能的凈產量以及二氧化碳的直接排放有關。在制合成氨方面，LI等［35］比較了3條基于COG的氨生產路線（即單氨、氨聯產甲醇、氨聯產LNG）產生的環境影響，并討論了氨合成壓力和電力來源對整體環境的影響，旨在為COG 制合成氨生產的可持續發展提供更實用和建設性的建議。另外，焦爐煤氣下游利用還集中于不同路徑的對比研究。如REN 等［36］通過LCA 結合LCC 確定環境和經濟最優情景，探索環境和經濟改善的來源，量化焦爐煤氣的各種利用路徑（即制甲醇、制氫以及制合成天然氣）的碳減排潛力；LIU［37］等從能源供應的角度，采用LCA 方法研究了焦爐煤氣制氫、天然氣、甲醇的能源消耗、碳排放、資本投資和產品成本，并采用熵權法對其綜合競爭力進行了比較。結果表明，COG 制甲醇路徑是最具競爭力的利用方案。綜上，焦爐煤氣下游利用路徑主要集中于制甲醇、氫、天然氣方面，且缺乏對不同路徑之間關于環境-技術-經濟3個方面的綜合評價。

2.2.3 焦化廢水處理

為實現焦化行業可持續發展，如何處理焦化廢棄物成為了焦化行業重點關注的問題。LCA 作為評價決策工具為廢棄物的可持續性利用提供正確的理論指導。如趙雅思等［38］從能源、經濟、環境3個方面對焦化廢水處理過程中產生的三類固相物質的不同處置方式進行3E 評價，構建了生命周期能源消耗決策模型、環境影響決策模型和經濟性評價決策模型，最終得出最優固相物質處置方案；ZHANG 等［39］對中國3 種典型的焦化廢水處理工藝進行了評價。結果表明，富營養化對整體環境影響有主要貢獻。改善出水水質可以顯著減少對環境的總體影響。從經濟角度看，原材料價格是影響綜合治理運行成本的主要因素。此外，廢水處理過程中的LCA 方法除了集中在氣候變化影響的研究外，還應用于成本效益分析方面，如ZHOU等［40］對集好氧生物處理和兩級吸附于一體的新型廢水處理系統進行了能效評估和成本效益分析，結果表明，該新型廢水處理系統優化焦化廢水處理系統中的能量平衡，成本費用也得到了提高。紀振宇［41］基于LCA 方法，分析了焦化廢水處理系統和煤氣化廢水處理系統的污染物去除效能和環境影響，為煤化工廢水處理提出了節能減排的方案。綜上，目前，關于焦化廢水處理過程的LCA 研究較少，主要集中于幾種不同生產工藝的對比研究，且研究對象單一。

3 LCA方法在焦化領域存在的問題

迄今為止，LCA 方法已較為成熟，在焦化領域的應用也取得了良好的效果，但在實踐過程中仍存在一些值得注意的問題以及需要改進地方。本文基于LCA 研究框架的4 個基本步驟，分析探討焦化領域LCA研究存在的問題。

1）目標與范圍的確定

定義系統邊界是LCA 的基礎。根據研究目標不同，系統邊界分為4 個主要系統［42］：“從搖籃到墳墓”、“從搖籃到大門”、“從大門到大門”以及“從大門到墳墓”。對于焦化產品，由于下游用途廣泛，針對特定用戶才能開展“從搖籃到墳墓”的研究。因此，大多數的研究邊界多采取“從搖籃到大門”［18，20，32］，即從原材料開采做到產品的生產過程；還有少部分采用“大門到大門”研究［43］。功能單位的選取方面，多采用單位量的產品，如1 t焦炭、1 t甲醇、1 kg氫氣等，方便不同替代路線的對比研究；還有研究選取年產量作為功能單位［40］。關于廢棄物處理方面的研究中，系統邊界為“從大門到墳墓”，功能單位為處理單位量的廢棄物［38-39］。目前，較少研究能做到真正意義上的全生命周期評價。存在的主要問題是各研究邊界不統一，部分研究原料和中間產品運輸階段的環境影響未考慮在內［27］。為了簡化系統，已有研究均未考慮相關的基礎設施、設施建設過程中產生的環境影響［37，41］。此外，焦化生產中多功能系統的分配也是一個爭議性問題，比如共生系統副產品或廢棄物綜合利用系統。現有研究大多數采用物理關系方法分配，如質量分配［18］、能量分配等［27］。少數焦化產品生產研究有用經濟分配法［20］，系統擴展法較少見。有的未考慮副產品的貢獻，將環境影響全歸類到主產品［18］。不同的分配方法導致即使同一研究對象研究結果也截然不同，缺乏統一性和比較性［44］。另外，部分研究相關細節和假定交代不清晰，比如原材料的來源差異、工業生產規模影響、使用壽命和處置程序等［43］。為更全面了解焦化生產過程生命周期的環境影響，在有數據條件的情況下應適當擴大系統邊界和細化研究過程。

2）清單分析

清單分析中數據的來源和質量直接決定LCA評估的可靠性和完整性。現有焦化領域LCA 研究中，大多數前景數據來自案例企業現場生產數據和年度報表等［22，32，34］，部分研究采用統計年鑒［18，21］、參考文獻［32，36］、軟件模擬結果［29，，45］以及相關假設［34］等。根據王洪濤課題組的研究報道［46］，數據可靠性按如下來源依次遞減，分別為：實驗測試和現場調查原始數據或工廠年度報表、國家統計局的統計公報或年鑒定期更新數據、參考文獻數據、基于文獻或經驗的推論、估計或假設、無根據的假設或推理。因此，不同數據來源需要對其進行不確定性分析。背景數據方面，現有研究基本調用Ecoinvent 數據庫［27，47］、Gabi數據庫［28，32］、中國的CPLCID 數據庫［39，47］等。然而，在數據的地理代表性和技術代表性方面，由于本地化數據相對較少，在未能直接獲取本地化技術代表性生產數據時，很多研究使用全球平均數據或歐盟國家數據［18，32］，不可避免地增加了不確定性。因此，亟需進一步開發本土區域化LCA 數據庫。此外，大部分研究中數據年限較為陳舊，存在不能及時更新、且部分工藝排放數據缺失等數據不完整問題，都會造成結果的不確定性［32，38-39］。

3）生命周期影響評價

在生命周期環境影響評價上，基本遵循了2 種方法：面向環境問題的方法（中點）和面向損害的方法（終點）。目前，基于“中點”類型的CML2001 方法［28，32］、ILCD 方法［39］和基于“ 終點”的IMPACT2002+和ReCiPe 方法［27-28］應用最為廣泛。大多數焦化領域LCA 研究傾向于“中點”分析，只做到分類和特征化階段，降低研究的不確定度。其中，選取的環境影響類型多包括：非能源資源消耗、初級能源消耗、全球變暖、臭氧層消耗、光化學污染、富營養化、酸化、人體毒性、水消耗等。少部分考慮了加權和標準化，選取的基準值采用全球或者某區域（如歐盟、美國）的人均消耗或排放總量［28］。在“終點”評價方面，部分研究僅從單一角度（如生態毒性影響）評估生產過程中產生的環境影響，未能考慮到其他影響［48］。目前，各研究選取的評價方法尚不統一。由于每種方法側重的環境因子、權重和影響因子不同，同一研究對象選用不同模型會存在結論沖突的問題。

4）結果解釋

生命周期評價的結果解釋需建立在系統邊界、數據源、分配原則等具體內容上，但由于各種條件限制（數據、時間、地理因素），無法對所有的環境影響進行評估，增加環境影響類別會造成結果的不確定性。現有焦化領域LCA 研究多側重于識別某案例產品生命周期過程關鍵環節和物質，以及對比不同路線的優劣性，對導致該影響和結論背后的原因缺乏深入的探討與挖掘，對未來的改進方向缺乏討論［36-37］。使用數據的準確性和全面性是LCA 研究的重要基礎，因此對LCA 評價結果的敏感性分析和不確定性分析已成為LCA 研究的關鍵步驟。目前，已有部分研究做了敏感性分析、蒙特卡洛不確定性分析等，考察輸入物質、生產影響因素等對LCA 最終結果的影響［20，28，35］。然而，仍有很多研究欠缺對結果的敏感性和不確定性分析，結果解釋不完整等問題。

4 結論與展望

LCA 作為一種科學的系統化評價方法，目前已廣泛應用于焦化領域的焦化生產、焦爐煤氣下游利用、焦化廢水處理等多方面，多用于產品生命周期過程中環境熱點的識別和不同替代路徑的環境性能的對比研究。然而，目前仍存在如系統邊界界定和相關細節假定交代不清晰、分配方法不明確、數據來源和質量良莠不齊、本地化清單數據庫較為缺乏、生命周期影響評價方法選取不統一、結果解釋不夠完整等一系列問題。基于當前LCA 在焦化領域的研究現狀和亟待解決的問題，提出了以下幾條建議：

1）明確系統邊界

依據研究目標和功能單位，從生命周期階段范圍、地理范圍（材料來源、技術來源、運輸距離等）、時間有效性、分配方法等方面明確系統邊界。盡可能細化系統邊界內的研究內容和假定，對比不同方式造成的環境影響時系統邊界設定必須一致，從而促進該過程LCA研究的統一性和可類比性，避免重復研究。

2）建立全面的本土LCA數據庫

鑒于不同國家、不同區域的生產材料和技術的差異性，直接調用平均水平數據庫缺乏針對性，導致結果的不確定性較大。因此，建立健全的、符合中國國情的高數據質量的本土區域化生命周期清單數據庫仍然是目前中國LCA 研究發展的重要方向之一，尤其是針對焦化領域的專門數據庫，這樣評價結果會更加精準可靠。

3）選擇合理的分配方法

焦化生產為多產品輸出系統，需要考慮共生系統副產品的環境負荷問題，分配不可避免。具體的分配方法要根據具體案例的研究系統和目標來選擇。如當系統中包括多個與產品生命周期無關的子過程時，可采用細分法進行分配；當共生產品較少且有替代工藝數據，可采用系統擴展法；當多產品輸出系統的各產品存在質量、數量、能量等物理屬性關系，可以選擇物理關系分配方法，如能量分配、質量分配；當系統中產品生產受市場經濟影響，且主、副產品產值相差較大時，選用經濟分配法。

4）評價指標的多元化

生命周期評價多以環境影響評價為主，從可持續發展角度難以權衡經濟、社會等多方面的影響。基于綠色可持續發展和實現“雙碳”目標的大背景下，未來焦化領域的LCA 發展應以更加多元化、系統化的生命周期可持續性評價為導向。因此，在現有LCA 模型基礎上納入經濟和社會指標使其成為一個更具包容性的可持續性分析的評價模型是非常必要的。