轮胎用涤纶帘子布的生命周期评价

崔 宁

(中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室,北京 100025)

汽车用纤维在涤纶工业丝的下游应用市场中占比最大[1]，而轮胎用帘子布又是其中的高端应用领域，因此研究涤纶帘子布生命周期中聚酯原料、涤纶工业丝产品及下游产品在生产过程中所消耗的资源和能源、污染物的排放情况，对于掌握化纤工业中产业用纤维及其下游产品生产的能耗、物耗及污染排放的规律大有帮助。

根据国际标准化组织的定义，生命周期是指一种产品体系连续的，且相互关联的阶段，从原材料获取或从自然资源产生，到最终处置。生命周期评价(LCA)是诸多环境管理技术中的一种，指对一种产品体系贯穿生命周期过程中的输入、输出和潜在环境影响进行的汇集与评价，它研究了一种产品从原材料获取、产品生产、产品运输和储存、产品使用、产品寿命终结回收处置过程中产生的环境影响和潜在环境影响。LCA的研究内容涵盖了一种产品在生命周期中的全部资源消耗、向自然界进行物质排放及其他全部的环境交换。因此，在一个相对较短的时间内以LCA的方法做出充分且可靠的研究结果是十分困难的，在时间成本和经济成本上都很难接受。在这种情况下，采用简化生命周期评价方法，即Streamlined LCA，在生命周期分析的研究范畴或者深度上予以简化就变得比较普遍[2]。作者采用简化生命周期评价方法，选择汽车轮胎用涤纶帘子布作为研究对象，从纺丝用聚酯的合成开始，到帘子布产品为止，分析此生命周期中的各环境负荷，讨论此生命周期中的显著性影响因素。

1 研究范围和研究方法及目标的确定

1.1 研究范围

本研究选择国内轮胎帘子布产业链上的聚酯聚合、涤纶工业丝生产和帘子布生产等三类典型企业进行调研，以单位质量(1 000 kg)轮胎帘子布为LCA的功能单位，研究起点为聚酯生产的原料精对苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)，终点为轮胎帘子布产品。调研的三类企业的基本生产技术路线见图1。

图1 聚酯-涤纶工业丝-帘子布生产技术路线

1.2 研究方法及目标

目前，国内外常用的LCA方法体系很多。概括起来，这些方法体系基本可以分为面向问题的方法和损害为主的方法两种[3]。面向问题的方法是对与气候变化、酸化、富营养化、潜在光化学生成及人类的毒性相关的环境影响进行评价的方法，包括CML2001、EDIP97、EDIP2003和IMPACT2002+体系；损害为主的方法将评价对象划分为各种环境主题，对每一个和人类、自然环境及资源相关的主题造成的损害进行建模，包括Ecoindicator99和IMPACT2002+体系。

本文根据主要研究目标，选择由荷兰莱顿大学环境科学学院提出的CML2001作为基本评价体系。该评价体系包括资源评价因子和环境评价因子，在上述研究范围内涉及到的环境负荷主要包括综合能源消耗(CED)、水的消耗、非生物资源耗竭(ADP)、全球变暖潜值(GWP)、人体毒性(HT)、光化学氧化生成潜力(POCP)、酸化效应(AP)、富营养化(EP)等。

2 生命周期清单分析

生命周期清单分析(LCIA)是研究一种产品生命周期过程中所消耗的能源，以及所产生的废物和排放的方法。LCIA一般是LCA中最消耗时间和精力的阶段，但也是LCA的四个阶段中研究方法最为成熟的一个阶段。

本研究调研了国内具有代表性的聚酯企业、涤纶工业丝企业和帘子布企业，收集了这些企业单位重量产品(吨产品)所产生的能量消耗、主要原材料消耗，以及水的消耗量、循环利用情况和主要污染物排放等数据。

2.1 生命周期清单分析的工艺技术基础

在开展与清单分析相关的数据收集之前，本研究根据我国聚酯工业的技术现状与调研结果，确定了涤纶帘子布生命周期中涉及的主要能源消耗与环境负荷排放情况，见表1。

表1 涤纶帘子布生命周期消耗与排放

在实际调研过程中发现，大部分企业对于综合能耗指标能够做到日常监控，但是并没有对生产流程的各个阶段的能耗分别建立监控手段。另外，对于热媒炉工作所释放的CO2等工业废气，绝大多数企业并没有这部分排放的监控手段，而是通过燃料消耗量折算得到。同时，对于工艺流程所产生的工艺废气，多数企业已经开展现场捕集和处理，但是并没有对处理效率进行有效管理和排放监控。

2.2 生命周期清单及分析

为了显示在涤纶工业丝“从摇篮到厂门”的生命周期中各类型指标对环境的总体影响程度，根据CML2001体系对资源评价因子和环境评价因子的分类，将聚酯、工业丝、帘子布生产阶段能够被纳入到体系中的影响评价因子归类，并将通过企业调研获得的数据进行统计和计算，见表2。从表2可以看出，清单项目中的一些指标会出现在不同影响因子类别下面。例如“SO2/NOx气体”会同时出现在HT和AP类别中； ADP中的“锑系催化剂”会在HT类别中以“产品重金属含量”形式被研究；另外，由于本研究所涉及的CED基本上由燃煤消耗量和电力消耗量组成，而受调研企业所在省份的工业用电目前基本依靠火电，因此CED中的“单位产品综合能耗”可以看做是生产过程中“燃煤的消耗”而同时计算在ADP类别之中。

表2 涤纶帘子布生命周期环境影响分类及评价因子数据

2)帘子布生产阶段数据根据被调研企业的环评数据计算得到。

3)由单位产品综合能耗减去聚酯余热回收利用能量计算得到。

4)由于被调研企业提供的数据差异过大，此数据根据单位产品标准煤消耗和我国现行工业锅炉大气污染物排放标准GB 13271—2014中有关SO2/NOx排放标准计算得到。

将表2清单数据进行简单的统计，得到各个资源影响因子和环境因子在涤纶帘子布生命周期的不同阶段所占的比例，见表3。

表3 涤纶帘子布生命周期不同影响因子占比

从表3可以看出，以PTA、EG为起点，以轮胎用帘子布为终点的生命周期过程中，帘子布生产阶段消耗了最大比例的能源消耗，贡献了最大比例的CO2、SO2和NOx排放，工业丝生产阶段贡献了最大比例的VOCs排放和COD排放。

3 生命周期影响评价

如前所述，能够对某一种环境影响产生贡献的物质通常不止一种，其影响程度也各不相同。为了在同一标准方法下对不同排放物的环境影响进行相对客观的对比与评价，本研究根据ISO 14042的规范和建议，按照影响类型分类、数据的特征化和数据的归一化与加权等步骤进行涤纶帘子布的生命周期影响评价。

3.1 环境影响因子的特征化

数据的特征化是指在所有对某一种环境类型有贡献的物质中，指定一种作为该类型环境影响的当量物质，而其他物质对环境影响程度的大小用当量物质来表示。例如，对GWP有贡献的温室气体有CO2、甲烷、一氧化氮、氯氟烃(CFCs)等。为统一度量整体温度效应的结果，CO2被定义为当量物质，所以1 kg CO2特征化后相当于1 kg CO2当量，而1 kg甲烷特征化后相当于25 kg CO2当量，1 kg一氧化氮特征化后相当于296 kg CO2当量。涤纶帘子布生产过程涉及到的环境影响特征化因子见表4[4]。

表4 环境影响特征化因子

2)采用锑在工业土壤中的特征化因子表示。

根据表4提供的环境影响特征化因子，将表2所列出的GWP、ADP、HJ等评价因子进行特征化，结果见表5。

表5 涤纶帘子布各生产阶段的环境影响因子特征化结果

1)锑系催化剂的HT首先以调研数据200 mg/kg为基准(吨产品中的锑含量为0.2 kg/t)，再考虑锑的HT特征化因子进行计算。

2)工业丝生产阶段的POCP因子以乙醛为代表，其特征化因子为0.641；帘子布生产阶段的POCP因子以甲醛为代表，其特征化因子为0.519。

3.2 环境影响因子的归一化和加权

在CML2001体系中，生命周期影响评价(LCIA)所涉及的影响因子类型比较多，每个类型影响因子所使用的当量物质也各不相同，即使经过特征化后的数据仍然有单位，各种不同类型的环境影响因子的单位不同，不能直接相互比较。

归一化能够将由当量物质表示的各类环境影响的数据化量纲转化为1，以更好地认识所研究的不同类型环境影响因子的相对大小。

归一化步骤是以类型参数计算结果除以选定的基准值来加以转换。由于我国资源消耗和环境排放相关影响类型尚未建立起系统的归一化基准，本研究采用的基准值为2000年世界范围内的各类环境负荷总量[5]，见表6。

表6 环境类型归一化因子

将表5中的特征化数据与表6中的归一化因子进行计算，得到涤纶帘子布各生产阶段因子的归一化结果，见表7。

表7 涤纶帘子布各生产阶段环境影响因子的归一化结果

在归一化后，各类型影响因子还需要根据各自在环境影响中所占的比例进行加权，而后进行最终的比较与评价。

本研究根据国内清洁生产相关的资源与环境多层级多指标设置方法，采用层次分析法(AHP)进行环境影响权衡，通过构造判断矩阵，计算出各影响因子的权重。涤纶帘子布生命周期各阶段环境因子权重见表8。从表8可以看出，帘子布生产阶段的GWP、ADP、HT、POCP、AP权重均较大。

表8 涤纶帘子布生命周期各阶段环境影响因子权重

将表7的环境影响因子归一化结果与表8的影响因子权重进行计算，得到涤纶帘子布生命周期中各个生产阶段的影响因子评价结果，见表9所示。

表9 涤纶帘子布生命周期各阶段环境影响因子评价结果

4 生命周期解释

为了直观清楚的评价涤纶帘子布生命周期的每一个生产阶段内部环境影响类别之间的相互关系，将表9中评价结果在各自的生产阶段进行相对性比较，将相对性的百分比数值列入表10。

表10 涤纶帘子布生命周期各阶段环境影响因子重要性比较

由表10可以看出，在六类环境影响类别中，ADP与GWP占据显著的重要位置，在聚酯聚合阶段，GWP比例为48.2%，ADP比例为47.8%；在工业丝阶段，GWP比例为43.9%，ADP比例为50.4%；帘子布阶段，GWP比例为44.8%，ADP比例为52.1%。从占比数值来看，ADP因子对于环境影响最为重要，GWP次之。由于涤纶帘子布各生产阶段的能源来源基本依靠燃煤或者燃煤电力，以SO2和NOx为代表的酸性气体排放造成的影响占据第三重要的位置。由于使用锑系催化剂及酸性气体排放造成的对人体的潜在毒性居第四位。而光化学氧化和富营养化的影响比较不重要，尤其是富营养化的影响几乎趋于零。

另外，由于我国聚酯工业在聚合阶段与工业丝阶段，生产的集约化程度很高，受调研企业的技术水平在国内属于领先水平，故其单位产品的能耗已经控制得比较低；而在帘子布的织造阶段，生产企业基本都是使用大量的织造机械，虽然近年来喷气织机正在逐渐取代剑杆织机，但单位产品的能耗相对于上游产品仍然较高。

5 结论

a.利用CML2001评价体系对涤纶帘子布生命周期中3个主要阶段的环境影响进行评价，结果表明，生产1 t 轮胎帘子布，GWP、ADP、HT、POCP、AP、EP的加权评价结果分别为2.43×10-12、2.77×10-12、1.88×10-14、2.64×10-14、1.45×10-13、7.66×10-16，GWP和ADP是涤纶帘子布生产环境影响的主要类型，占总环境影响值的 90%以上。

b.生产1 t 轮胎帘子布，聚酯生产阶段、工业丝生产阶段、帘子布生产阶段的环境影响总值分别为5.21×10-13、9.00×10-13、3.99×10-12，帘子布生产阶段为影响环境的主要环节，占整个生命周期环境影响值的73.8%，该阶段贡献了最多的能源消耗，产生了最大比例的CO2、SO2和NOx排放，而工业丝生产阶段贡献了最大比例的VOCs排放和COD排放。

c.在我国各工业领域实施节能减排和绿色可持续发展的大背景下，以涤纶帘子布为代表的产业用纤维及其产品制造行业在生产集约化、提高能效方面尚有较大的提升空间。