中國材料生命周期分析數據庫開發及應用

龔先政，聶祚仁，王志宏，高 峰，陳文娟，左鐵鏞

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

中國材料生命周期分析數據庫開發及應用

龔先政，聶祚仁，王志宏，高 峰，陳文娟，左鐵鏞

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

生命周期分析作為廣泛使用的環境管理工具，用于定量化評價產品系統整個生命周期內的潛在環境影響，其具體應用需要大量的不同層次、不同地區和不同技術水平的相關環境負荷數據和評價方法體系數據的支撐。在系列國家科技計劃的支撐下，調研了典型材料生產的環境負荷數據，開展了中國材料環境數據庫(SinoCenter)的研究，建立了中國材料生命周期分析數據庫平臺。數據庫包含公用系統，典型材料(鋼鐵、建筑材料、有色金屬、高分子材料、聯接材料)等70多個數據集，近十萬條環境負荷數據，并簡要介紹了數據庫的主要功能及數據庫的技術和商業應用。

環境負荷;生命周期分析;數據庫

1 前言

生命周期分析(Life Cycle Assessment，LCA)作為量化產品系統整個生命周期內潛在環境影響的重要方法，已經廣泛應用于產品的環境協調性評價、清潔生產審計、產品生態設計、生態工業等領域，該方法的ISO技術框架包括目的與范圍的確定、編目分析(Life Cycle Inventory，LCI)、影響評價和結果解釋 4 大部分［1－2］。其中，編目分析是成熟且最重要的環節，成熟主要是指其分析與計算方法趨于完善，而重要性則是需要大量環境負荷基礎數據的支撐，包括能源與資源消耗、環境排放等基礎編目數據。LCA數據涉及范圍廣泛，包括全球、地域、地區、企業、不同行業的環境負荷數據。LCA數據的地域性強，不同國家、地域的環境標準差異，數據通用性較差。LCA評估實施者很難獲得全面的、最新的、精確的和適應性強的數據。因此，環境負荷數據成為LCA實踐的基礎，很多國家、研究單位和商業性咨詢公司致力于建立專業的LCA數據庫，幾乎每種材料的LCA數據庫都在建設和完善的過程中，比較著名并廣泛應用的有十多個，如瑞士Ecoinvent、荷蘭IVAM、德國Gabi數據庫、瑞典SPINE@CPM、美國LCI數據庫、歐洲ILCA Data等［3－6］。我國在LCA數據方面的工作起步于20世紀末期，在“九五”國家“863”計劃的大力支持下，收集、整理了國內主要材料產業(鋼鐵、水泥、鋁、工程塑料、建筑涂料、陶瓷等)的第一手環境負荷數據，并在北京工業大學建立了材料環境協調性評價基礎數據庫(SinoCenter)平臺［7－10］。在持續的“863”計劃、“973”計劃、國家支撐計劃和北京自然科技基金的支持下，經過10多年的不懈努力和發展，該數據庫已具有較大的規模，積累材料生命周期分析基礎數據近10余萬條，并在技術和商業上開展了具體的應用。

2 生命周期分析數據特征

2.1 生命周期分析數據類型

生命周期分析，就是對產品系統“從搖籃到墳墓”的整個生命歷程的環境負荷分析和環境影響評價，其實踐過程首先是量化產品的環境負荷(資源消耗、環境排放)，然后根據一定的方法體系評估產品系統對環境的潛在損害程度。因此，生命周期分析需要技術領域、環境領域和數據特征3方面的相關信息［11］。

技術領域信息指人類活動本身及其對環境的直接影響數據，如產品的生產工藝流程和各流程的相互層次關系;各個流程的輸入數據(資源消耗、能源消耗)和輸出數據(產品、廢氣、廢液、廢棄固體排放等)的種類和數量等。技術領域的數據主要來自于各種材料/產品生產系統(鋼鐵、水泥、涂料、陶瓷等)的環境負荷清單;ISO14040系列標準對執行LCA所要求的技術信息，如目標與范圍、功能單元等;LCA評價方法體系數據，如 Eco-Indicator，CML2000等;LCA數據交換格式SPOLD，ECOSPOLD等。

環境領域信息包括人類活動的地理特征和環境特征，體現為環境指數，如相同的資源消耗和廢物排放在不同環境中的影響程度不一樣，影響效果通過建立環境損害類型進行表征，表現為評價方法模型和數據，如Eco-indicator，CML等方法的分類與特征化、標準化和歸一化及權重數據。此外，在特定場景分析條件下，LCA通常采用相應的環境控制標準數據進行簡要分析，因此，國內外相關環境排放標準數據也是重要的環境領域數據。

數據特征信息，用于描述與理解LCA數據的內涵與外延特征，表現為數據質量信息，如數據的統計性特征、來源、文檔屬性、時間性、數據獲取方法、地理屬性和代表性等方面的數據特性。

2.2 LCA數據特點

LCA數據的顯著特點主要體現在2個方面:一是數據的復雜和多樣性，二是數據的地域性。

2.2.1 LCA數據的復雜性和多樣性

LCA數據包括評價方法指標數據、評價項目信息數據、相關文獻資訊、評價模型數據和環境負荷數據等。其中以評價方法指標和項目環境負荷的數據量最大，不同評價方法指標體系不同，相關數據不盡相同。因此環境負荷數據對不同評價項目，自然存在更大的差異。環境負荷數據不僅涉及到資源消耗，能源投入，而且涉及到環境排放(空氣排放、水體排放、固體和土壤排放)數據。環境排放數據不僅有物質排放，而且還有非物質排放。

2.2.2 LCA數據的地域性

由于不同國家或地區資源分布的不平衡、科技水平的不同層次、能源消耗的不對稱，材料或產品在整個生命周期中對環境的影響存在很大的差異，決定了環境負荷數據的空間差異，即用當地的技術水平去衡量在特定條件下的環境負荷數據。

3 數據庫框架設計與平臺

3.1 LCA 數據庫框架［11］

材料環境協調性評價基礎數據庫，不僅包括材料(產品)的環境負荷信息，同時還包括評價體系和相關的系統信息。數據庫總體框架，包括系統框架庫、評價方法庫、研究對象管理庫、標準參考庫、基礎物質庫、度量單位庫、文獻資料庫、材料性能庫，見圖1。其中，最重要的是評價方法庫、研究對象庫和開放式網絡數據庫。

圖1 材料生命周期分析數據庫框架Fig.1 The framework of database for materials life cycle assessment

評價方法庫(LCA Methodology)包含評價方法及對應的評價指標體系數據。評價方法數據庫主要基于ISO14040框架與國際上廣泛使用的 Eco-indicator99，CML等LCA評價指標體系。

研究對象庫(Project Management)是整個數據庫的核心，所有的材料環境負荷數據都是基于研究對象進行管理，也是LCA實踐和開發商業LCA數據集的基本數據源。

網絡數據庫(Web database)包括基于SinoCenter數據庫的網絡查詢與數據訪問。

3.2 數據庫平臺

數據庫的實現是基于Web服務－瀏覽器模式的網絡平臺，在Windows 2003平臺上安裝和配置了SQL Server 2008企業版的后臺數據庫，前臺通過授權進行數據庫操作和訪問，見圖2。

圖2 材料生命周期分析數據庫網絡平臺Fig.2 The platform of database for materials life cycle assessment

4 材料LCA數據庫的主要內容

4.1 數據采集方法與數據質量控制

生命周期環境負荷數據的獲取方法及數據來源，是LCI數據及LCA數據庫質量的重要保證。我們開發的LCI數據集，是在國家“863”計劃、“973”計劃等國家支持計劃和北京重點基金的支持下，與主要工業及行業部門合作，在企事業單位的密切配合下，取得的材料生產過程環境負荷資料，并基于LCA方法，通過建立相應的模型，開發完成的各類材料及公用系統的編目清單數據集。

為保證數據質量，主要工作集中在原始數據的獲取方法與檢驗，包括以下幾方面:①設計數據調查問卷或要收集的數據格式，到企業進行實地調研;②吸收提供數據的企業、行業協會為重要的合作伙伴;③數據調研人員實地測量數據，主要是環境排放數據;④行業、國家發布的公開數據，如各種統計年鑒的報表數據;⑤專業領域工程計算數據，對于個別缺乏的數據，可以利用專業領域知識進行計算獲得。

在實際數據采集過程中，綜合運用這些方法，較好地保證了數據質量。同時，在形成最終數據集時，還分別與相關行業專家交流、討論，進行詳細的數據檢驗和嚴格的數據審核，在源頭上保證數據具有較高的質量。

4.2 公用系統數據集

4.2.1 電力產品清單［12－14］

現代社會里，幾乎所有的人類活動都離不開電力，因此電力生命周期清單是開展材料產業乃至所有工業產品生命周期評價的基礎性數據。電力清單的系統邊界是電力生產過程，包括諸如燃料燃燒、污染消除技術、電力輸送及其他與燃料相關的生命周期過程。涵蓋范圍包括化石燃料的消耗、氣態污染物、液態污染物及固體廢棄物的排放。對于火力發電，煤炭、原油和天然氣的開采和運輸過程都包括在研究范圍中。對于核能發電，則涵蓋了鈾礦石的開采、加工與運輸過程。相關的基礎設施，包括廠房、大壩等建筑物的建設與運行，未包含在電力清單內。

通過調查和收集相關的發電技術參數和消耗燃料的特性數據，建立了相關污染排放模型，并根據我國電廠自用電率和供電的線路損失率，計算得到中國單位電力生產和售電的生命周期排放清單，主要包括一次能源(原煤、原油、天然氣)消耗，氣態污染物(As，Zn，Pb，Hg，Cd，CH4，煙塵，NMVOC，V，Cr，SO2，CO2，CO，Ni，NOx)排放，液體污染物(廢水、COD)，固態污染物排放，放射性廢氣和廢水排放等。

4.2.2 化石能源產品清單［15－17］

化石能源一直是人類社會發展的主要能源，人類所需初級能量的80%以上均來自化石能源。化石能源的生產和使用是整個工業生產系統中的重要環節，我國是世界第二大能源消費國和第三大能源生產國。

化石能源清單的系統邊界為化石燃料生產的生命周期過程，包括開采過程的能源消耗，工藝過程直接排放，相關工業鍋爐排放，運輸過程排放以及主要原燃料的生命周期消耗與排放。所有數據均為全國平均水平，涉及的環境性排放包括液態污染物，固體廢棄物和CO2，SO2，NOx，CH4，CO，煙塵等氣態排放物，構成化石能源生產生命周期清單。

4.2.3 交通運輸清單［18－19］

物流環節是現代社會的重要組成部分，材料、產品和服務只有經過交通運輸等環節，才能最終達到生產者、使用者，實現商品的具體價值。但交通運輸環節會引起大量能源消耗和污染物排放。針對國內的主要交通運輸類型(長江流域水運、珠江流域水運、公路運輸、鐵路運輸、管道運輸等)，不同的運輸工具(中輕型貨車、重型貨車、火車、拖船、駁船等)，不同的運輸路況(城市道路、高速公路、鄉村道路等)，開發了相應的交通運輸清單，即功能單位(噸公里)的資源消耗、能源消耗，溫室氣體、氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳和揮發性有機物等污染物。

4.3 材料清單數據集

材料環境負荷清單是中國材料生命周期分析數據庫的核心，針對量大、面廣的典型材料開展了相關的生命周期清單編制。

4.3.1 鋼鐵材料編目清單數據集［20－21］

鋼鐵材料是使用最廣泛的材料，也是大量消耗資源、能源和污染排放顯著的工業。鋼鐵材料環境負荷數據集，基于中國企業的生產情況和行業統計報告，代表了不同地區、不同技術水平企業的環境負荷狀況。環境負荷數據均基于工序單元進行數據管理。數據集的范圍是從“搖籃到大門”的環境負荷數據，針對不同的生產流程，以工序為基本功能單元進行數據組織和管理，如電爐長流程生產鋼鐵材料，包括采礦工序、選礦工序、燒結工序、焦化工序、煉鐵工序、煉鋼工序和軋鋼工序，形成鋼鐵材料環境負荷數據集。數據集僅是特定工序單元的過程數據，與能源和交通運輸等基礎數據相結合，可以得到完整的鋼鐵材料編目清單。目前，數據集包含了我國70余家主要的鋼鐵材料生產企業的環境負荷數據。

4.3.2 建筑材料編目清單數據集［22－25］

建筑材料也是我國目前消耗的主要量大、面廣材料，在國家“863”計劃等支撐計劃的支持下，與水泥、玻璃、陶瓷和墻體材料4大專業協會和生產企業密切合作，開展了LCA研究，共收集水泥、玻璃、陶瓷、墻體材料等領域115個以上的代表性企業的典型生產工藝(流程)的原始生產數據，按照ISO14040和ISO14044生命周期評價規范，對數據進行了生命周期清單計算和數據規范化處理，得到了代表我國建材行業現狀的水泥、玻璃、建筑衛生陶瓷、燒結墻體材料及其生產過程物質消耗、能源消耗及污染物排放的流程清單數據，建立了基于生產流程的材料環境負荷清單數據集，見表1。

在生命周期評價的技術體系下，僅以水泥的生命周期清單計算為例予以說明，清單分析首先要確定研究目的與范圍，時間邊界界定為2005～2007年，系統邊界則選取水泥生產工藝中生料制備、熟料煅燒及水泥粉磨三個工序，如圖3。

表1 建筑材料環境負荷數據清單Table 1 The life cycle inventory of environmental loads for building materials

圖3 水泥生命周期清單的系統邊界Fig.3 System boundary of cement life cycle inventory

此外，還開發了其它建筑材料，如石膏板、木地板、復合地板、膠合板、竹地板、SBS防水材料、保溫材料的環境負荷編目清單。這些清單的完成，為開展建筑物全生命周期能源分析、環境影響分析提供了基礎的科學數據。

4.3.3 有色金屬編目清單數據集［26－29］

針對我國主要有色金屬(銅、鉛、鋅、鋁、鎂、錫、銀)，按照LCA的技術框架，建立了各類材料面向生產工藝過程的編目清單，圖4為原鎂編目清單的工藝過程和系統邊界。

4.3.4 高分子材料清單數據集［30－32］

基于LCA分析及LCI編制方法，開發了主要化工材料及產品的環境負荷清單數據集，如乙烯、聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(GPPS)、聚氯乙烯(PVC)，部分涂料，以及3類可降解塑料(聚碳酸亞丙酯、聚乳酸薄膜材料和非石油基聚碳酸酯)的環境負荷清單數據。

4.3.5 聯接材料編目清單數據集［33］

針對傳統錫鉛焊料(Sn37Pb)、4種典型無鉛焊料(Sn-3.8Ag-0.7Cu，Sn-3.5Ag，Sn-0.7Cu和 Sn-9Zn)，按照不同焊料形態(焊膏和焊料棒)，對它們的生產階段(焊料原料金屬生產過程和焊料生產過程)和應用階段(焊接過程)的不同生命周期階段進行清單編制，建立相關數理模型并進行計算，建立了焊料不同生命周期階段的編目清單，為聯接材料生產與應用的LCA分析提供了基礎數據。

圖4 皮江法煉鎂工藝流程Fig.4 Technical flow of the Pidgeon process

4.4 評價方法庫［34,3］

評價方法數據庫，選擇性地分析了目前廣泛使用的LCA評價方法的特點，主要包括Eco-indicator 99，CML，和IPCC等評價體系的框架，如物質環境負荷數據的特征化因子、損害評價類型、標準化因子和權重因子。重點對Eco-indicator 99指標體系，進行了本地化研究，結合我國的資源特點，建立了42種金屬礦產和58種非金屬礦產的本地化資源損害因子、歸一化因子。同時，基于我國土地資源狀況，建立了不同土地使用與轉換的土地資源損害因子和歸一化因子。

4.5 引進的LCA環境負荷數據庫

目前，引進了國外著名LCA環境負荷數據庫，如Simapro，Umberto，Gabi，DEAM，IVAM 和 Ecoinvent，主要涉及日用品、造紙、鋼鐵、石化、有機(無機)材料、能源、運輸和電子產品等方面的環境負荷數據，它們也是材料環境協調性評價基礎數據庫的重要組成部分，為開展我國材料/產品的LCA比較研究提供了基礎數據。

5 材料生命周期網絡數據庫的功能

上述LCA清單及相關內容，可以通過中國材料研究會環境材料分會、材料環境協調性評價技術中心網站(www.cnmlca.com)進行查詢和訪問，以下僅以建筑材料為例對主要功能進行簡要說明。

5.1 分類查詢

分類查詢是通過關鍵詞查詢不同行業、企業及生產工藝的清單數據，用戶可以通過輸入相關關鍵字查詢相應的數據，見圖5。

圖5 分類查詢結果(水泥行業)Fig.5 Inquired results by different materials classification sector(cement)

5.2 清單查詢

在分類查詢的基礎上，可進一步得到與選定流程或全生命周期的清單數據，見圖6。

圖6 選定流程的LCI查詢結果Fig.6 Life cycle inventory results for selected flow

6 數據庫應用

根據多年來的研究和積累，開發了集成中國材料生產環境負荷數據、公共體系數據(能源系統數據、交通運輸數據)、中國資源環境負荷特征化因子和土地占用環境影響特征化因子的中國生命周期分析數據集，已經在技術上和商業上得到一定程度的推廣和應用:

(1)為國家/行業相關標準、規范的制定提供了數據和方法，如建材行業水泥、玻璃、陶瓷、墻體材料的節能標準制定、水泥清潔生產規范制定提供了數據和方法;

(2)為一系列國際合作研究項目提供數據支撐，如加拿大木業協會的“北京木結構、輕鋼結構和混凝土結構多層多戶式住宅建筑的生命周期分析”研究項目、中美加三國“鎂質車體前端結構研究與開發”(MFERD)項目等;

(3)為加拿大Athena Institute、加拿大國家資源研究院、英國Pira International機構、APEC執行成員JEMAI(日本產業環境協會)等20余家國外研究機構提供了中國LCA基礎數據支持和咨詢服務，并得到他們的一致肯定和認可;

(4)已經形成為商業數據集，可按材料種類獨立銷售與使用。荷蘭Pré咨詢公司已經購買了我們的中國材料環境負荷集，并將應用于他們的LCA服務平臺Sima-Pro軟件系統。

中國生命周期清單數據庫的建立和應用，將為我國節能減排、碳排放(碳足跡)分析、清潔生產審計等提供科學、基礎數據支撐。

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Development and Application of Chinese Database for Materials Life Cycle Assessment

GONG Xianzheng，NIE Zuoren，WANG Zhihong，GAO Feng，CHEN Wenjuan，ZUO Tieyong
(College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Life cycle assessment is the most efficient environmental management method to analyze the potential environmental impacts of productions across their life cycles.It needs a great deal of environmental loads data and methodology data relevant to specific levels of spatial and temporal differentiation or productivity level of different countries.Environmental loads of the main material industries were investigated under the support of some national research and development projects.The database framework of LCA and dataset were developed.LCA database named SinoCenter has about seventy LCI datasets with more than one hundred thousand environmental loads in total，and each LCI dataset is an individual one，which includes the public dataset of energy products and transportation，and materials dataset，such as iron and steel，non-ferrous materials，polymer products，building materials and solder material.Finally，key figures and applications in technical and commercial fields are briefly introduced.

environmental loads;life cycle assessment;database

X828

A

1674－3962(2011)08－0001－07

2011－04－28

國家863計劃(7150040130，2001AA320201，2007AA03Z432);國家“973”計劃(2007CB613206);國家支撐計劃(2006BAE04B09，2006BAF02A23，2007BAE42B05-4); 北京市重點基金(2081001);國家杰出青年科學基金(50525413)

龔先政，男，1967年生，研究員