利用生命周期評估法評價涂裝車間的環境足跡

作者簡介：王思澄（1994—），男，工程師，碩士學位，研究方向為涂裝車間的質量管理體系、環境管理體系與能源管理體系。

參考文獻引用格式：

王思澄， 劉蘇敏， 仇佳俊， 等. 利用生命周期評估法評價涂裝車間的環境足跡[J]. 汽車工藝與材料， 2024（5）： 43-48.

WANG S C， LIU S M， QIU J J， et al. Environmental Footprint Evaluation of Painting Workshop with Life Cycle Assessment[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 43-48.

摘要：簡要介紹了生命周期評估法，并將其應用在汽車涂裝工藝，追蹤涂裝生產過程中包括碳足跡在內的重要環境足跡，定量化評估汽車涂裝過程全生命周期生產活動中各項物料、資源和能源的使用及其產生的排放對生態環境的影響。結果表明，能源消耗及其產生的排放，公用動力、面漆和前處理電泳工序，電網供電對氣候變化和化石資源枯竭影響更為顯著；而物料消耗及其產生的排放，面漆、密封膠及前處理電泳工序，光伏供電對生態毒性和人體毒性影響更為顯著。

關鍵詞：生命周期評估 涂裝工藝 環境足跡

中圖分類號：U466? ?文獻標志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230280

Environmental Footprint Evaluation of Painting Workshop with Life Cycle Assessment

Wang Sicheng， Liu Sumin， Qiu Jiajun， Wang Daran， Peng Song

（Beijing Benz Automotive Co.， Ltd.， Beijing 100176）

Abstract： The life cycle assessment method was briefly introduced and applied to automotive painting process， the important environmental footprints including carbon footprint during painting production process were tracked， the impact of the use of materials， resources and energy as well as generated emissions on the ecological environment during the whole life cycle production activities of automotive painting process were quantitatively evaluated. The results show that energy consumption and generated emissions， utility power， topcoat and pretreatment electrophoresis processes， and grid power supply have more significant impacts on climate change and fossil resource depletion; material consumption and generated emissions， topcoat， sealant and pretreatment electrophoresis processes， and photovoltaic power supply have more significant impact on ecological toxicity and human toxicity.

Key words： Life cycle assessment， Painting process， Environmental footprint

1 前言

汽車涂裝工藝是指將涂料涂覆于經過處理的白車身鈑金件表面并烘干成膜的工藝，主要起到車身防腐蝕和美觀的作用。汽車涂裝生產過程通常包含前處理電泳、密封膠、面漆、注蠟四大主工序和若干道子工序。由于工藝特性及對生產環境的嚴苛要求，使涂裝工藝成為汽車制造四大工藝中能源消耗及污染物排放最高的工藝，因此，針對涂裝生產過程中對資源和環境的影響進行全面系統性定量化評估，追蹤和評價其重要環境足跡，識別生產過程中的環境改善機會，對于實現汽車行業綠色低碳與可持續發展具有重要意義。

ISO 14040： 2006《環境管理 生命周期評價 原則與框架》和ISO 14044： 2006《環境管理 生命周期評價 要求與指南》定義的評估環境影響的標準化方法——生命周期評估法（Life Cycle Assessment，LCA）是迄今為止分析產品系統環境因素和影響的最有價值的方法之一，可用于評估整個生產過程的潛在環境影響（例如資源的使用和排放）[1]。本文以某汽車涂裝車間為例，通過對整車制造過程中化學品和能源消耗以及環境影響最為顯著的涂裝工藝進行生命周期評估，追蹤其環境足跡，定量評估其全生命周期制造過程中主要物料、能源的使用及其產生的廢棄物排放對環境產生的影響。

2 生命周期評估

生命周期評估研究從原材料開采到生產、使用，直至廢棄處理與回收的整個產品生命周期（即從搖籃到墳墓）的環境因素和潛在影響，通常包括資源利用、人類健康和生態后果[1]。在ISO 14040： 2006和ISO 14044： 2006中規定了生命周期評估的4個主要階段[1-2]：

a. 確認目標與范圍定義；

b. 生命周期清單分析中建立過程中所有相關的質量流和能量流，其相對應的輸入和輸出均列入清單[3]；

c. 根據從生命周期清單分析中獲得的結果進行接下來的生命周期影響評估，根據對環境的影響將所有輸入和輸出進行分類和計算；

d. 根據研究的目標評估和解釋結果確定對人類健康、環境和自然資源的影響，給出結論并提出建議[4]。

在生命周期影響評估階段會將清單分析結果與特定環境影響類別指標相關聯，借助包括中點指標（問題導向）和終點指標（損害導向）的表征因子，將產品生命周期中大量具有不同環境相關性的物質流與能量流轉化為有限數量的環境影響評分，以量化這些影響并提供生命周期解釋說明階段所需的信息[5]。本文使用的ReCiPe2016影響評估法共包含18個中點指標和3個終點指標[6]，將生命周期清單數據轉化為統一的表征因子。影響類別和表征因子的選擇取決于研究的焦點，本文主要聚焦于追蹤和評價汽車涂裝車間生產過程中包括碳足跡在內的重要環境足跡，故中點影響類別選擇了氣候變化（Climate Change）、生態毒性（Ecotoxicity）、人體毒性（Human Toxicity）以及化石資源枯竭（Fossil Resource Scarcity），目的是研究涂裝車間生產過程中對人類健康、生態環境以及資源可用性的損害，這也是本文中LCA研究選擇的終點指標。

氣候變化（也稱全球變暖，Global Warming）的主要影響途徑為：溫室氣體排放導致輻射強迫能力增強，進而造成全球平均溫度升高，最終損害人類健康以及陸地和淡水生態系統[6]。由于二氧化碳為導致全球變暖最主要的溫室氣體，故在LCA研究中通常使用全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）計算其他溫室氣體排放影響的相對值[6]。氣候變化這一影響類別是ReCiPe2016影響評估法18個中點指標中評價生產過程碳足跡產生的環境影響的重要中點指標。

生態毒性影響類別表征了由人類活動產生的物質所引起的從微觀到宏觀的生態系統結構和功能方面的有害變化[3]。根據廢棄物排放的最終去向，生態毒性可分為陸地生態毒性、淡水生態毒性和海洋生態毒性。LCA研究中通常使用生態毒性潛能值（Ecotoxicity Potential，ETP）計算生態毒性這一環境影響類別的相對值，包含了陸地生態毒性潛能值（Terrestrial Ecotoxicity Potential，TETP）、淡水生態毒性潛能值（Freshwater Ecotoxicity Potential，FETP）及海洋生態毒性潛能值（Marine Ecotoxicity Potential，METP），化學品1，4-二氯苯（1，4-DCB）在中點指標計算過程中用作參考物質[6]。

人體毒性影響類別表征了通過空氣、水和食物攝入有毒物質對人類健康造成的負面影響[3]。由于存在大量不同的可能導致疾病或疾病組的影響機制，因此LCA研究中通常使用人體毒性潛能值（Human Toxicity Potential，HTP）計算人體毒性這一環境影響類別的相對值，包含了致癌和非致癌兩類人體毒性潛能值之和，化學品1，4-二氯苯（1，4-DCB）在中點指標計算過程中用作參考物質[6]。

作為重要的能源以及許多重要產品的原料，地球上有限的化石資源日益短缺。化石資源枯竭影響類別表征了對自然資源稀缺性的損害。然而，不同的生產技術或不同的開采地點會影響化石能源的開采成本，因此LCA研究中通常使用化石枯竭潛能值（Fossil Depletion Potential，FDP）計算化石資源枯竭這一環境影響類別的相對值[6]。

3 涂裝車間的生命周期評估

3.1 目標與范圍定義

本文中生命周期評估研究的目標是通過某涂裝車間整體生產過程及各主要工序和單元（前處理電泳、密封膠、面漆、注蠟、公用動力）中主要物料、能源的使用及其產生的廢棄物排放追蹤其重要環境足跡，分別進行評價和對比，定量化評估該涂裝車間的生產過程對環境產生的影響。此外，涂裝生產過程中使用不同種類電力造成的環境影響差異也會在生命周期解釋說明階段的敏感性分析中進行對比評估。

本研究中的涂裝車間生產過程被分解成一系列連續的需要物質和能源輸入的單元過程，如圖1所示。圖1中所示的LCA邊界內的所有對象，包括每個單元過程中主要物料和能源的使用以及排放和廢棄處理都被納入本次LCA研究的范圍。根據ISO 14044： 2006建議的取舍規則，由于對環境影響作用較小，主要物料和能源之外的次要物料和能源消耗可忽略不計，故不納入本次LCA研究的范圍；此外，除污水由廠區污水站處理達標后排放以外，涂裝生產過程中產生的其他各項危險廢棄物均由專門的危廢處理企業進行轉運和無害化處理，屬于本LCA研究系統邊界外的要素，故不納入研究范圍。作為整車制造產業鏈中的增值過程之一，本文選擇了從門到門（Gate-to-Gate）的研究方法對涂裝車身生產制造過程進行LCA研究，功能單元為單臺涂裝車身。

3.2 清單分析

在生命周期清單分析中，為了將LCA研究歸一化并作為標準基礎，選擇1輛涂裝車身作為整個涂裝生產過程的功能單元，清單分析中的所有物料與能源消耗及排放數據均來自該涂裝車間的實際生產過程。本研究使用的軟件工具為SimaPro 9.0，軟件數據基于瑞士Ecoinvent數據庫及歐洲生命周期文獻數據庫（European Life Cycle Database，ELCD）。涂裝車間單臺涂裝車身生產過程中的物質流、能量流與排放流的匯總如表1和表2所示，包含每種物質流、能量流及排放流在軟件數據庫中相對應的數據來源。由于該研究在中國進行，基于軟件數據庫中數據的實際情況，物料與能源消耗及排放數據的范圍選擇了中國（CN）、除歐洲外的世界范圍（RoW）或全球范圍（GLO）。

3.3 影響評估

根據ReCiPe2016影響評估法[6]，基于LCA研究范圍內的過程產生影響最顯著的環境類別，選擇相應的中點指標和終點指標來評估涂裝車間生產過程對環境產生的影響。在本研究中，使用“ReCiPe 2016 Midpoint （H）”模型分別計算以下過程的氣候變化、生態毒性、人體毒性以及化石資源枯竭的量值：

a.使用電網供電的涂裝車間生產過程；

b.涂裝車間生產過程中的主要物料消耗和能源消耗及其分別對應的排放過程；

c.涂裝車間各主要工序和單元；

d.使用光伏發電的涂裝車間生產過程。

進而分別對這些過程造成的環境影響進行評估和對比。值得說明的是，上述使用光伏發電的涂裝車間生產過程是為了對比涂裝生產過程中使用不同電力來源產生的環境影響，假設光伏發電（數據來源：Electricity， Low Voltage {CN}| Electricity Production， Photovoltaic， 3 kW Slanted-Roof Installation， Single-Si， Panel， Mounted | Cut-Off，U）為涂裝生產過程中唯一的電能輸入，進而對整個LCA研究進行重新建模、計算和評估?；谏鲜霾煌^程生產單臺涂裝車身的各項環境影響評估結果如表3和表4所示。

3.4 解釋說明

本節將根據ISO 14040： 2006和ISO 14044： 2006定義的規則對第3.2節和3.3節中的數據進行分析，并對影響評估的結果進行對比和解釋，此外，在敏感性分析中將涂裝生產過程中使用不同電力來源所產生的環境影響進行比較。本章節研究目的是核實清單分析和影響評估的可靠性，對不同過程和要素產生的環境影響進行直觀對比分析，進而識別涂裝生產過程中的環境改善機會。

3.4.1 涂裝車間整體生產過程產生的環境影響

基于表3的數據，單臺涂裝車身在涂裝車間整體生產過程中產生的環境影響對比如圖2所示。從圖2中可以看出，單臺涂裝車身在涂裝車間整體生產過程中，能源消耗及其產生的廢棄物排放對GWP和FDP的貢獻要高于物料消耗及其產生的廢棄物排放，而對ETP和HTP的貢獻則要低于物料消耗及其產生的廢棄物排放。此外，使用電網供電的涂裝車間生產過程對GWP和FDP的貢獻要高于使用光伏發電的涂裝車間，而對ETP和HTP的貢獻則要低于使用光伏發電的涂裝車間。目前中國以火力發電為主，在發電過程中會消耗大量化石能源（如煤炭、石油和天然氣）并產生大量溫室氣體（如CO2、CH4、N2O和CO）；此外，在涂裝車間生產過程中幾乎所有的CO2排放均來自各工序的烘房、公用動力設施（如供風單元中的燃燒器）以及環保治理設施（如噴漆室廢氣凈化處理裝置（KPR）中的焚燒爐）天然氣燃燒，因此，涂裝車間整體生產過程中能源消耗及其產生的排放對GWP和FDP的貢獻要更高。而在涂裝生產中大量化學品（如油漆、清洗劑、密封膠、內腔蠟等），在其生產和使用過程中產生的有害物質會排放到生態環境中進而被人體吸收，因此，涂裝車間整體生產過程中物料消耗及產生的排放對ETP和HTP的貢獻更高。光伏發電作為以太陽能為能量來源的可再生清潔能源，一旦投入使用，其運行不會產生溫室氣體。然而，在太陽能電池板的生產過程中大量使用了氫氟酸、硝酸、三氯氧磷及異丙醇等化學品，同時伴隨著廢水排放（氟離子、COD、總氮等）及廢氣排放（氮氧化物、氟化氫、氯化氫等）[7]。因此，相對于使用電網供電的涂裝車間，使用光伏發電的涂裝車間對GWP和FDP的貢獻更低，而對ETP和HTP的貢獻更高。

3.4.2 涂裝車間各工序和單元產生的環境影響

基于表4的數據，單臺涂裝車身在涂裝車間生產過程中各主要工序和單元產生的環境影響如圖3所示。從圖3中可以看出，單臺涂裝車身在涂裝生產各主要工序和單元中：公用動力對GWP和FDP的貢獻最大，然后依次是面漆、前處理電泳、密封膠和注蠟；面漆工序對ETP的貢獻最高，然后依次是前處理電泳、公用動力、密封膠和注蠟；密封膠工序對HTP貢獻最高，然后依次是面漆、前處理電泳、公用動力和注蠟。從表1和表2的數據中可以看出，公用動力（如制冷站和供風單元等）、面漆（含噴漆室、面漆烘房及KPR）以及前處理電泳（含前處理槽、電泳槽及電泳烘房）工序在生產過程中消耗的電能、天然氣以及排放的CO2最多，因而對GWP和FDP的貢獻最高。而面漆、密封膠及前處理電泳工序因在生產過程中使用大量化學品（如油漆、清洗劑、密封膠等）以及產生非甲烷總烴（VOC）和廢水并排放到生態環境中，因而對ETP和HTP的貢獻更顯著。

4 結束語

本文通過生命周期評估法，追蹤了整車涂裝生產過程中主要物料、能源的使用及其產生的排放所形成的包括碳足跡在內的重要環境足跡，利用全球變暖潛能值、生態毒性潛能值、人體毒性潛能值及化石枯竭潛能值定量評估了單臺涂裝車身在涂裝車間生產過程中對環境產生的影響。從本文的LCA研究中可以得出：在涂裝生產過程中能源消耗及其產生的排放對氣候變化和化石資源枯竭的影響更為顯著，而物料消耗及其產生的排放對生態毒性和人體毒性的影響更為顯著；在涂裝生產各主要工序和單元中，公用動力、面漆和前處理電泳工序對氣候變化和化石資源枯竭的影響最為顯著，而面漆、密封膠及前處理電泳工序對生態毒性和人體毒性的影響最為顯著；此外，如果涂裝生產過程中使用的電能完全來源于光伏發電，則相比于傳統電網供電，對氣候變化和化石資源枯竭的影響更低，對生態毒性和人體毒性的影響更顯著。因此，在涂裝生產過程中，為減少對氣候變化和化石資源枯竭產生的影響，應控制電能及天然氣的消耗，尤其是用電量和天然氣耗量占比較大的工藝過程。此外，應大力推廣可再生能源，以減少電能消耗和其他能源需求過程對環境產生的影響。為減少對生態毒性和人體毒性產生的影響，應控制對環境影響較大的原料（如油漆、清洗劑、密封膠等）的用量以及替代為更環保綠色的原料。

參考文獻：

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