廢礦物油再生工藝生命周期評價(jià)及其不確定性研究

熊鴻斌,丁 濤

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

廢礦物油是指由于礦物油中原有的物理化學(xué)特性發(fā)生改變而不能繼續(xù)使用的礦物油[1]。2013年我國廢礦物油的產(chǎn)生量達(dá)到624×104t,2019年增加到760×104t[2]。廢礦物油中含有多種重金屬元素、苯系物和多環(huán)芳烴等[3],研究發(fā)現(xiàn),隨意傾倒1 t廢礦物油會(huì)污染106 t飲用水,會(huì)對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害[4],我國早在1998年就將其列入《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中編號為HW08的危險(xiǎn)廢物[5]。廢潤滑油是廢礦物油中的主要類別之一,其中可回收為基礎(chǔ)油的組分[6]可達(dá)到65%～75%,具有很高的回收價(jià)值,因此有必要對廢礦物油進(jìn)行再生利用,以應(yīng)對不斷增長的廢油量與能源需求。

目前,廢礦物油再生是以精制為主的,通過精制技術(shù)將其再生為基礎(chǔ)油產(chǎn)品,工業(yè)上常用的工藝有物理精制、化學(xué)精制和溶劑精制3種工藝[7]。傳統(tǒng)的化學(xué)精制工藝是以硫酸-白土工藝為主,通過硫酸與廢油中的非理想組分進(jìn)行反應(yīng)將其去除[8];物理精制工藝通常以蒸餾為主,如薄膜蒸餾、減壓蒸餾等,不需要另外投加化學(xué)試劑等;溶劑精制工藝使用N-甲基吡咯烷酮(N-Methylpyrrolidone,NMP)、丙烷和糠醛等溶劑與油品按一定比例混合,將廢油中的非理性組分溶解而保留難容的理想組分,其精制過程不產(chǎn)生新的污染組分,具有出油質(zhì)量好、溶劑可回收等優(yōu)點(diǎn),被逐漸重視起來。

近年來,國內(nèi)外對廢礦物油再生工藝技術(shù)的相關(guān)研究較多,但對廢礦物油再生工藝環(huán)境影響的研究很少。不同工藝技術(shù)在原料和出油質(zhì)量方面相近,但是不同的工藝過程以及能耗、物耗和污染物排放等方面的差異會(huì)產(chǎn)生不同的環(huán)境影響,有必要從環(huán)境角度對廢礦物油再生工藝進(jìn)行可持續(xù)的管理。

生命周期評價(jià)(life cycle assessment,LCA)法是目前分析環(huán)境影響的最有效方法之一,具有過程清晰簡便、整體性和目的性強(qiáng)、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn),被越來越多地用于廢物管理系統(tǒng)中。與其他環(huán)境分析方法相比,LCA法可以系統(tǒng)評估與識別生產(chǎn)過程中的環(huán)境變化,量化消耗和排放對人類健康和自然環(huán)境的影響,從而可根據(jù)分析結(jié)果有針對性地提出改善環(huán)境負(fù)荷的策略[9]。目前有關(guān)廢礦物油再生工藝LCA研究的報(bào)道較少。文獻(xiàn)[10]對西班牙某丙烷精制廢油工藝進(jìn)行LCA分析,將全球變暖潛勢、酸化和毒性作為影響類別,結(jié)果表明,每生產(chǎn)1 t基礎(chǔ)油會(huì)產(chǎn)生363 g CO2eq,與傳統(tǒng)的煉油工藝相比更加環(huán)保;文獻(xiàn)[11]對運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)和精煉方案與運(yùn)輸和精煉方案進(jìn)行LCA評估,通過18個(gè)可持續(xù)性指標(biāo)可以清晰分析不同管理方案在環(huán)境績效、社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)成本之間的差異。

由于LCA是圍繞研究的清單數(shù)據(jù)、系統(tǒng)邊界和評價(jià)體系的選擇而展開的,難免會(huì)由于參數(shù)不確定性、場景不確定性和模型不確定性最終使LCA結(jié)果產(chǎn)生不確定性,而當(dāng)模型確定后,不確定性主要來自參數(shù)的不確定性[12]。許多研究,包括廢礦物油再生工藝的LCA研究,都沒有考慮到不確定性對分析結(jié)果的影響;若忽視該影響, 則會(huì)降低其可信度,從而很難得到可靠的結(jié)論,因此量化不確定性以及解決不確定性對LCA結(jié)果的影響需要給予重視。

本文應(yīng)用LCA法對六安市某企業(yè)NMP溶劑精制再生廢礦物油工藝(簡稱“NMP精制工藝”)進(jìn)行環(huán)境影響分析,識別該工藝在精制廢礦物油過程中主要的環(huán)境影響類別與參數(shù)貢獻(xiàn),與傳統(tǒng)的減壓蒸餾工藝進(jìn)行生命周期環(huán)境影響比較;研究NMP精制工藝輸入?yún)?shù)對LCA結(jié)果的不確定性,并進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,研究主要的貢獻(xiàn)賦值對LCA結(jié)果的量化影響。本文旨在為決策者制定環(huán)境友好的可持續(xù)性廢礦物油處置與管理方案提供LCA方面清晰的視角。

1 研究方法

LCA法在對工藝進(jìn)行評估時(shí),考慮從原料獲取、物耗、能耗、運(yùn)輸、污染物排放等整個(gè)從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡倪^程,來識別潛在環(huán)境影響和貢獻(xiàn)來源,并從區(qū)域與全球性可持續(xù)發(fā)展的角度對工藝進(jìn)行環(huán)境影響評估與比選,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝環(huán)境影響分析的局限性與片面性,因而被廣泛應(yīng)用。LCA法主要評價(jià)過程包括確定研究目標(biāo)和范圍、清單分析、影響評價(jià)與結(jié)果解釋。當(dāng)分析的產(chǎn)品復(fù)雜、流程繁瑣和數(shù)據(jù)量較大時(shí),需要使用 LCA分析軟件來輔助分析,本文使用目前被國內(nèi)外廣泛接受和使用的SimaPro 9.0軟件[13]。

1.1 研究目標(biāo)和范圍

本文采用LCA法研究某廢礦物油處理企業(yè)的處理工藝,原工藝為傳統(tǒng)的減壓蒸餾再生廢礦物油工藝(簡稱“減壓蒸餾工藝”),改建后為NMP精制工藝,這2種工藝是目前國內(nèi)使用較多的典型廢礦物油再生工藝,其進(jìn)料指標(biāo)相同,處理后基礎(chǔ)油品均達(dá)到文獻(xiàn)[14]中的標(biāo)準(zhǔn)。本研究主要考慮工藝運(yùn)行期內(nèi)物質(zhì)輸入與輸出,未考慮末端固廢處理等進(jìn)一步過程。NMP精制工藝和減壓蒸餾工藝系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 NMP精制工藝和減壓蒸餾工藝系統(tǒng)邊界

1) NMP精制工藝。從廠外收集的廢礦物油運(yùn)輸?shù)綇S區(qū),首先經(jīng)過脫水和常壓蒸餾的預(yù)處理,然后進(jìn)入一效蒸發(fā)器中下部,NMP溶劑經(jīng)泵加壓進(jìn)入二效蒸發(fā)器中上部,控制溫度在65～70 ℃,原料油與NMP溶劑在2個(gè)塔內(nèi)逆向接觸,NMP溶劑自上而下萃取出原料油中的芳烴、環(huán)烷烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等,與溶劑不溶或難溶的飽和烴從原料油中抽出,塔頂?shù)木埔涸俳?jīng)過閃蒸和臭氧汽提后得到成品油,塔底抽出液與汽提后精制液通過NMP溶劑回收再用。該工藝相較于蒸餾可以通過萃取很好地去除芳香烴、環(huán)烷烴等非理想組分,具有出油質(zhì)量較高、溶劑可回收、不需要高溫環(huán)境、能耗低等優(yōu)點(diǎn),但該工藝在精制過程中對原料油的質(zhì)量要求高,且在精制過程中溶劑與原料油的質(zhì)量比(劑油比)值較高,大量使用具有毒性的NMP溶劑會(huì)產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),溶劑的回收率也較低,需要不斷優(yōu)化投加量。

2) 減壓蒸餾工藝。回收的廢礦物油運(yùn)輸?shù)綇S區(qū),首先經(jīng)過濾器過濾,然后在抽真空的弱負(fù)壓脫水塔內(nèi)進(jìn)行脫水,脫水后的廢油進(jìn)入加熱至395 ℃左右的減壓蒸餾塔中進(jìn)行減壓蒸餾,得到塔頂?shù)妮p質(zhì)基礎(chǔ)油、中質(zhì)基礎(chǔ)油和塔底的重質(zhì)基礎(chǔ)油。該工藝相較于常壓蒸餾可以在較低溫度下將不同沸點(diǎn)的油類產(chǎn)品餾出,并可將廢油中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等與油分離,工藝簡單且設(shè)備不需要耐高溫,但存在溫度過高會(huì)導(dǎo)致設(shè)備結(jié)焦、真空環(huán)境不穩(wěn)定、能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量低等問題,目前多用于對產(chǎn)品質(zhì)量要求不高的企業(yè),若要提高質(zhì)量,則需補(bǔ)充精制工藝。

1.2 輸入的清單數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)邊界的劃定,為方便進(jìn)行貢獻(xiàn)分析,將輸入的清單分為工藝污染物排放、運(yùn)輸距離、電能消耗和材料資源消耗4組。該企業(yè)每天處理近164 t的廢礦物油,主要來自同城內(nèi)收集,本文假設(shè)用載質(zhì)量10 t的卡車,運(yùn)輸距離為50 km,材料資源消耗、耗電量與工藝污染物的排放數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場收集、環(huán)境影響報(bào)告書等。

通過SimaPro 9.0軟件中的Ecoinvent 3.5 LCA數(shù)據(jù)庫對輸入的參數(shù)進(jìn)行清單分析,主要包括:① 電能的清單數(shù)據(jù),選擇數(shù)據(jù)庫中的中國高壓混合電,其中包含生產(chǎn)1 kW·h所需要的火電、水電、風(fēng)電等綜合資源消耗及污染物的排放;② 工藝投加材料資源的生產(chǎn)數(shù)據(jù);③ 運(yùn)輸距離,選擇7.5～16.0 t卡車在公路運(yùn)輸?shù)谋尘皵?shù)據(jù)。以再生1 kg礦物油產(chǎn)品為功能單位,2種工藝消耗的物質(zhì)能源清單數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝數(shù)據(jù)清單

1.3 生命周期影響評價(jià)體系

在進(jìn)行LCA評價(jià)體系選擇時(shí),通常需要體系能夠涵蓋多種環(huán)境影響類別,并能夠產(chǎn)生用于體現(xiàn)整體LCA結(jié)果的單一分?jǐn)?shù)[15],本文選用IMPACT 2002+評價(jià)體系對2種工藝進(jìn)行生命周期環(huán)境影響分析和不確定性分析,它是結(jié)合生態(tài)指標(biāo)法Eco-indicator 99、CML(Centre of Environmental Science of Leiden University,萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心)和IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change,政府間氣候變化專門委員會(huì))3種評價(jià)方法的綜合性評價(jià)方法,相比之下分析結(jié)果更為可靠。

IMPACT 2002+評價(jià)體系包含15個(gè)特定的中點(diǎn)環(huán)境影響類別、4個(gè)反映各個(gè)中點(diǎn)影響的環(huán)境流最終對人類和環(huán)境影響的端點(diǎn)指標(biāo),以及整體LCA結(jié)果的單一分?jǐn)?shù)[16]。

15個(gè)中點(diǎn)環(huán)境影響類別為致癌效應(yīng)、非致癌效應(yīng)、呼吸系統(tǒng)無機(jī)物、電離輻射、臭氧層耗竭、呼吸系統(tǒng)有機(jī)物、水體生態(tài)毒性、陸地生態(tài)毒性、土地酸化、土地占用、水體酸化、水體富營養(yǎng)化、全球變暖潛勢、不可再生資源和礦產(chǎn)開采;4個(gè)端點(diǎn)環(huán)境損害指標(biāo)為人類健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、資源耗竭和氣候變化。

1.4 不確定性分析

為研究LCA結(jié)果的穩(wěn)定性,對NMP精制工藝整體LCA結(jié)果在符合正態(tài)分布內(nèi)進(jìn)行Monte Carlo分析。Monte Carlo被廣泛用于LCA結(jié)果的研究中[17],可以模擬各種參數(shù)在統(tǒng)一、正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布下的變化,而SimaPro 9.0軟件的Ecoinvent 3.5 LCA數(shù)據(jù)庫中所有的數(shù)據(jù)遵循對數(shù)正態(tài)分布;在對數(shù)正態(tài)分布范圍內(nèi)可用的數(shù)據(jù)較少時(shí)可以使用較大的間隔[18],本文參數(shù)正態(tài)分布間隔選擇標(biāo)準(zhǔn)差的平方根為2范圍。NMP精制工藝清單分析中輸入的運(yùn)輸距離、材料資源消耗、電能消耗和工藝污染物排放等數(shù)據(jù)決定整個(gè)LCA分析的結(jié)果,為從這些輸入的數(shù)據(jù)參數(shù)變化中找尋改善工藝環(huán)境負(fù)擔(dān)的最佳策略,建立相同的LCA評價(jià)情景進(jìn)行敏感性分析,以確定參數(shù)變化時(shí)LCA分析結(jié)果的差異性。

2 結(jié)果與討論

2.1 NMP精制工藝生命周期環(huán)境影響分析

2.1.1 特征化

特征化是將生命周期清單分析的結(jié)果根據(jù)不同的當(dāng)量因子轉(zhuǎn)化為各種環(huán)境影響潛值,如呼吸系統(tǒng)無機(jī)物是以PM2.5為當(dāng)量因子(以PM2.5eq表示),將清單中的NOx、粒徑小于10 μm的粒子、SO2等根據(jù)不同的系數(shù)轉(zhuǎn)化為以PM2.5表示的集合。NMP精制工藝中點(diǎn)環(huán)境影響特征化結(jié)果見表2所列。

由表2可知, 工藝污染物排放雖然只對8個(gè)類別具有影響,但在具有影響的類別中所占比例都較大,其中對呼吸系統(tǒng)有機(jī)物、土地和水體酸化的影響為主要貢獻(xiàn)者,占比分別為80.63%、47.44%、48.18%;運(yùn)輸距離的環(huán)境影響主要是體現(xiàn)在土地占用方面,占比為59.46%;材料資源消耗在致癌風(fēng)險(xiǎn)、全球變暖潛勢和不可再生資源等9個(gè)方面為主要貢獻(xiàn)者,均達(dá)到50%以上;電能消耗的影響主要在陸地和水生生態(tài)毒性方面,占比分別為43.71%、32.14%。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)化

由于各個(gè)環(huán)境影響指標(biāo)之間單位不統(tǒng)一,無法比較哪個(gè)環(huán)境影響最高以及清單數(shù)據(jù)對工藝環(huán)境影響的貢獻(xiàn)程度,將15個(gè)中點(diǎn)影響類別指標(biāo)根據(jù)不同的基準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化為同一單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較(以分?jǐn)?shù)Pt表示),從而更直觀地看出各指標(biāo)的影響程度。NMP精制工藝中點(diǎn)環(huán)境影響類別標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 NMP精制工藝中點(diǎn)環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

從圖2可以看出,NMP精制工藝主要的中點(diǎn)環(huán)境影響類別為呼吸系統(tǒng)無機(jī)物、全球變暖潛勢和不可再生資源。從清單角度分析造成呼吸系統(tǒng)無機(jī)物數(shù)值較高的原因,主要是工藝排放的污染物、電能消耗和化學(xué)試劑生產(chǎn)釋放的PM2.5、SO2、NOx等造成的,其中工藝污染物排放和材料資源消耗為主要影響,占比分別為36.44%、39.07%;全球變暖潛勢的影響主要是材料資源消耗釋放的CO2、CH4、N2O等,同時(shí)由于我國電力大部分來自火電,化石燃料使用過多從而導(dǎo)致CO2等溫室氣體的排放量較大[19];材料資源生產(chǎn)與電能生產(chǎn)中消耗的天然氣和煤炭資源是造成不可再生資源影響較高的主要原因;另外,土地占用的占比不高,但考慮提高土地利用率和大規(guī)模生產(chǎn)時(shí),其影響會(huì)擴(kuò)大。根據(jù)企業(yè)建設(shè)數(shù)據(jù)得知,改建為NMP工藝后擴(kuò)大產(chǎn)能,使廢礦物油儲存面積從800 m2擴(kuò)大到4 990 m2,土地占用量增大,需要考慮從優(yōu)化運(yùn)輸距離和收集頻率等方面降低運(yùn)輸帶來的土地占用問題;同時(shí)對于大面積的危險(xiǎn)廢物儲存,在廠區(qū)選址時(shí)要關(guān)注其帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、人體健康風(fēng)險(xiǎn)等問題。

2.1.3 環(huán)境損害影響與單一分?jǐn)?shù)

IMPACT 2002+評價(jià)體系將15個(gè)中點(diǎn)環(huán)境影響歸類為4個(gè)端點(diǎn)環(huán)境損害影響,即人類健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、氣候變化和資源耗竭;單一分?jǐn)?shù)是所有影響類別標(biāo)準(zhǔn)化的加和,是工藝整體的LCA結(jié)果。NMP精制工藝端點(diǎn)環(huán)境損害評價(jià)與單一分?jǐn)?shù)結(jié)果見表3所列。由表3可知,4組清單數(shù)據(jù)的端點(diǎn)環(huán)境損害及單一分?jǐn)?shù)總量分別為:人類健康(8.48E-06) Pt;生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(1.43E-06) Pt;氣候變化(4.48E-06) Pt;資源耗竭(5.27E-06) Pt;單一分?jǐn)?shù)(1.97E-05) Pt。

表3 NMP精制工藝端點(diǎn)環(huán)境損害評價(jià)與單一分?jǐn)?shù) 單位:Pt

1) NMP精制工藝主要的環(huán)境損害在人類健康方面,占整體影響的43.12%;從2.1.2節(jié)中點(diǎn)環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果分析可知,對人類健康影響過高的中點(diǎn)環(huán)境影響類別是呼吸系統(tǒng)無機(jī)物,其中包括PM2.5、SO2、NOx等物質(zhì)。

2) 資源耗竭、氣候變化,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響最低。其中資源耗竭的影響較高,占比為26.80%,表明該工藝對化石能源具有一定的依賴性;氣候變化影響是由全球變暖潛勢構(gòu)成的,其貢獻(xiàn)來源與2.1.2節(jié)所述一致;生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響主要是由于電能生產(chǎn)與運(yùn)輸中能源消耗過程釋放重金屬元素鋁和鋅,對水體和陸地生態(tài)毒性造成影響,從而最終影響生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。

2.2 NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝LCA比較

2.2.1 特征化與標(biāo)準(zhǔn)化對比

應(yīng)用IMPACT 2002+評價(jià)體系對NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝清單分析結(jié)果進(jìn)行特征化和標(biāo)準(zhǔn)化對比,分析2種工藝環(huán)境影響差異,結(jié)果見表4所列。

表4 NMP精制工藝和減壓蒸餾工藝特征化對比

從表4可以看出,NMP精制工藝在致癌效應(yīng)、電離輻射、臭氧層耗竭等7個(gè)中點(diǎn)影響類別高于減壓蒸餾工藝,在非致癌風(fēng)險(xiǎn)、呼吸系統(tǒng)無機(jī)物、全球變暖潛勢等8個(gè)中點(diǎn)影響類別表現(xiàn)出更好的環(huán)境績效。由于部分中點(diǎn)影響類別在2種工藝環(huán)境影響中均表現(xiàn)較低,通過標(biāo)準(zhǔn)化對2種工藝的中點(diǎn)影響類別進(jìn)行進(jìn)一步分析,結(jié)果如圖3所示。

圖3 NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝中點(diǎn)影響標(biāo)準(zhǔn)化對比

從圖3可以看出,2種工藝主要的中點(diǎn)影響類別均是呼吸系統(tǒng)無機(jī)物、全球變暖潛勢和不可再生資源。減壓蒸餾工藝運(yùn)行的溫度通常在395 ℃左右,NOx的生成和釋放量較大,從而導(dǎo)致其呼吸系統(tǒng)無機(jī)物的影響高于NMP精制工藝;對于全球變暖潛勢的影響,減壓蒸餾工藝較高,表明該工藝對化石燃料的依賴程度相較于NMP精制工藝更高;而NMP精制工藝在材料資源消耗、電能消耗和運(yùn)輸距離方面的LCA背景數(shù)據(jù)中包含較多化石能源,因此其不可再生資源消耗高于減壓蒸餾工藝。

2.2.2 環(huán)境損害與單一分?jǐn)?shù)

NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝4個(gè)端點(diǎn)環(huán)境損害的貢獻(xiàn)物質(zhì)對比如圖4所示。NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝2種工藝端點(diǎn)損害與單一分?jǐn)?shù)對比見表5所列。

表5 2種工藝端點(diǎn)損害與單一分?jǐn)?shù)對比 單位:Pt

圖4 NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝4個(gè)端點(diǎn)環(huán)境損害的貢獻(xiàn)物質(zhì)對比

圖4中,對2種工藝在4個(gè)端點(diǎn)環(huán)境損害影響類別中主要污染成分的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析時(shí),截取水平選擇1%,而貢獻(xiàn)小于1%的物質(zhì)被認(rèn)為是對各個(gè)過程具有很低的影響而可忽略[20]。圖4中的物質(zhì)是各個(gè)端點(diǎn)環(huán)境損害影響的最主要貢獻(xiàn)來源,本文從清單角度的分析以這些貢獻(xiàn)物質(zhì)為基礎(chǔ),分析2種工藝造成環(huán)境影響的主要差異。

1) 在人類健康影響的主要貢獻(xiàn)物質(zhì)類別中,由于多個(gè)中點(diǎn)環(huán)境影響類別的累積,NMP精制工藝比減壓蒸餾工藝降低25.45%;由圖4a可知,影響人類健康的主要污染成分為SO2、PM2.5和NOx,而減壓蒸餾工藝排放的SO2和NOx較多,導(dǎo)致該工藝的結(jié)果影響高于NMP精制工藝。

2) 在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和氣候變化方面,NMP精制工藝同樣表現(xiàn)出友好性,相較于減壓蒸餾工藝分別降低41.81%、23.68%;由圖4b、圖4c可知,由于減壓蒸餾工藝需要維持高溫的操作條件,其大量電源消耗是導(dǎo)致該工藝鋁和溫室氣體排放較高的主要原因。

3) 對于礦產(chǎn)開采和不可再生資源構(gòu)成的資源耗竭類別,由圖4d可知,天然氣、煤炭和原油等化石能源的較多使用,是造成NMP精制工藝的影響高于減壓蒸餾工藝17.32%的主要原因。

4) 通過對環(huán)境損害影響標(biāo)準(zhǔn)化加和,得到2種工藝整體的LCA結(jié)果單一分?jǐn)?shù),NMP精制工藝為(1.97E-05) Pt,減壓蒸餾工藝為(2.42E-05) Pt。由此可見,NMP精制工藝在環(huán)境影響負(fù)荷方面相較于減壓蒸餾工藝有較好的表現(xiàn),總體降低18.74%。

2.3 不確定性與敏感性分析

2.3.1 NMP精制工藝不確定性分析

為了量化和分析判斷由于不確定性輸入數(shù)據(jù)的變化導(dǎo)致的LCA結(jié)果差異,對NMP精制工藝每類參數(shù)在各自的對數(shù)正態(tài)分布范圍內(nèi)進(jìn)行5 000 次符合概率統(tǒng)計(jì)的Monte Carlo分析,并在整個(gè)系統(tǒng)邊界內(nèi)傳播,最終得到在95%的置信區(qū)間內(nèi)各個(gè)影響類別的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)、變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)和最值,其中變異系數(shù)通常分為輕度變異(CV小于15%)、中度變異(CV為15%～36%)和高度變異(CV大于36%)3個(gè)等級[21]。

計(jì)算過程在SimaPro 9.0軟件中進(jìn)行,分析結(jié)果見表6所列。

表6 NMP精制工藝中點(diǎn)影響類別特征化、端點(diǎn)環(huán)境損害評價(jià)和單一分?jǐn)?shù)Monte Carlo模擬結(jié)果

1) 從CV看,大多數(shù)影響類別的CV都超過15%,其中致癌效應(yīng)、土地占用、礦產(chǎn)開采和呼吸系統(tǒng)有機(jī)物的CV超過20%,表明這些影響類別的變化對LCA結(jié)果具有較大的影響。

2) 從某一影響類別最好或最差情況即上下限看,在95%置信區(qū)間下,NMP精制工藝再生1 kg礦物油產(chǎn)品時(shí),資源耗竭的影響在(5.51E-01)～1.15 MJ primary之間,最好和最差值相差1倍以上;全球變暖潛勢的影響范圍在(3.08E-02)～(6.20E-02) kg CO2eq之間,同樣相差1倍以上;整體LCA結(jié)果的單一分?jǐn)?shù)范圍在(1.44E-05)～(2.66E-05) Pt之間,上下限相差84.72%。

Monte Carlo分析結(jié)果反映了LCA清單輸入的數(shù)據(jù)對LCA結(jié)果的影響,一般認(rèn)為輸入?yún)?shù)的不確定性對整個(gè)LCA結(jié)果的影響是有限的,但是進(jìn)一步研究是有必要的,在工藝實(shí)際LCA分析中,不能只關(guān)注各個(gè)確定的LCA輸出數(shù)據(jù),還需要注意工藝參數(shù)不確定性帶來的影響與波動(dòng)以及對不確定性來源的識別與解決。

2.3.2 敏感性分析

敏感性分析是為了識別LCA評價(jià)過程中主要的貢獻(xiàn)來源,并通過數(shù)據(jù)的變化來體現(xiàn)其對LCA結(jié)果不確定性的影響。本文通過對輸入的清單數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍賦值,分析參數(shù)的變化是如何影響LCA結(jié)果的。NMP精制工藝輸入的清單數(shù)據(jù)在±30%范圍下,端點(diǎn)環(huán)境損害和單一分?jǐn)?shù)與原LCA結(jié)果相比,敏感性分析結(jié)果見表7所列。

表7 端點(diǎn)環(huán)境損害與單一分?jǐn)?shù)敏感性分析結(jié)果 %

從LCA單一分?jǐn)?shù)看,材料資源消耗的波動(dòng)范圍最大達(dá)到±14.26%,說明對于NMP精制工藝,主要的不確定性來自材料資源消耗,通過提高材料資源數(shù)據(jù)的質(zhì)量來降低整體LCA結(jié)果不確定性的效果最好,同時(shí)減少化學(xué)試劑尤其是NMP溶劑的投加量,對改善整體環(huán)境負(fù)荷較好,但由于溶劑的投加配比難以改變,同時(shí)NMP溶劑回收率低,為了降低NMP溶劑使用帶來的環(huán)境負(fù)荷,需要考慮提高回收率,或研究使用相應(yīng)的助溶劑,通過優(yōu)化試劑的整體投加結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn);運(yùn)輸距離和電能消耗的敏感性變化較低,說明這2個(gè)數(shù)據(jù)的參數(shù)變化對整體LCA結(jié)果影響較小,從NMP精制工藝端點(diǎn)環(huán)境損害影響分析結(jié)果可知,它們的環(huán)境貢獻(xiàn)體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量方面,而生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在整個(gè)工藝的環(huán)境影響負(fù)荷中占比較小,因此這2個(gè)參數(shù)的敏感性變化較低;最低不確定性貢獻(xiàn)來自工藝污染物排放,作為工藝實(shí)際的污染輸出,從中點(diǎn)環(huán)境影響分析結(jié)果可知,其人類健康影響的主要貢獻(xiàn)來源于呼吸系統(tǒng)無機(jī)物,占比為33.2%,因此主要的敏感性變化體現(xiàn)在人類健康方面。綜上所述,通過敏感性分析,得到NMP精制工藝消耗的物質(zhì)能源清單4組數(shù)據(jù)不確定性貢獻(xiàn)從大到小依次為材料資源消耗、運(yùn)輸距離、電能消耗、工藝污染物排放。

另外,參數(shù)敏感性分析是基于參數(shù)變化區(qū)間對LCA結(jié)果的影響變化,可以進(jìn)一步從參數(shù)角度分析對于降低工藝整體或者某一環(huán)境損害有效的方面。例如,六安市在“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中指出,要優(yōu)化運(yùn)輸距離、降低PM2.5排放、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等[22],結(jié)合環(huán)境影響貢獻(xiàn)與敏感性分析可知,可以通過優(yōu)化運(yùn)輸距離來降低運(yùn)輸帶來的鋁、鋅和銅等釋放對陸地生態(tài)毒性的影響,從而最終降低對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響;同時(shí)從上述敏感性分析結(jié)果可知,使用節(jié)能設(shè)備降低電能消耗,從而降低生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響也是較好的選擇;PM2.5的排放主要來源于材料資源中NMP溶劑的背景數(shù)據(jù),因此可以通過提升資源利用率、使用助溶劑等降低NMP溶劑的使用量,減少PM2.5釋放,從而減輕對人類健康的影響。

3 結(jié) 論

1) 本文使用LCA體系對NMP溶劑再生廢礦物油工藝進(jìn)行評價(jià),識別主要環(huán)境影響類別、貢獻(xiàn)來源,從生命周期環(huán)境影響優(yōu)劣方面與傳統(tǒng)的減壓蒸餾工藝進(jìn)行對比,并對NMP精制工藝進(jìn)行LCA不確定性與敏感性分析,研究參數(shù)變化對生命周期結(jié)果的不確定性影響及貢獻(xiàn)水平,整個(gè)評價(jià)流程和結(jié)果清晰簡潔,可行性較好。

2) 對NMP精制工藝LCA評價(jià)結(jié)果表明,該工藝主要的中點(diǎn)環(huán)境影響類別為呼吸系統(tǒng)無機(jī)物、全球變暖潛勢和不可再生資源;主要的端點(diǎn)損害類別為對人類健康的影響,占工藝總體影響的43.12%,這是由過多的PM2.5、SO2、NOx物質(zhì)釋放造成的,同時(shí)資源耗竭影響較高,說明該工藝對化石能源具有一定的依賴性。材料資源消耗造成的影響是環(huán)境影響貢獻(xiàn)的主要來源,為主要改進(jìn)方向。與減壓蒸餾工藝的LCA結(jié)果相比,NMP精制工藝整體的環(huán)境影響降低18.74%,主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響方面降低41.81%,說明NMP精制工藝與減壓蒸餾工藝相比,具有更好的環(huán)境友好性。

3) 對NMP精制工藝輸入?yún)?shù)進(jìn)行Monte Carlo不確定性研究,結(jié)果表明,多數(shù)影響類別的變異系數(shù)超過15%,參數(shù)的不確定性對LCA結(jié)果具有不可忽視的影響;進(jìn)一步的敏感性分析得出,參數(shù)不確定性情況下,選擇一個(gè)理想的環(huán)境管理方向不是一個(gè)確定性的過程,例如當(dāng)關(guān)注降低人類健康的影響時(shí),不單是降低材料資源使用量方面,提高工藝污染防治效果也可以達(dá)到較好效果。

4) 本文采用LCA法研究廢礦物油再生工藝的環(huán)境影響,在進(jìn)一步的LCA研究中可以對工藝建造期、末端廢棄物處置等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析,并關(guān)注輸入數(shù)據(jù)的不確定性對LCA結(jié)果的影響,從而構(gòu)建更加具體和系統(tǒng)的廢礦物油再生工藝LCA評價(jià)體系。