铝材料及其产品的环境协调性评价

一、实验目的

1、掌握材料环境协调性评价的基本方法、实施流程及步骤；

2、利用生命周期分析工具，完成对铝合金材料制备过程的建模与分析； 3、认识铝合金材料生产对环境的影响，辨识环境负荷最严重的相关环节。 二、实验概述

材料的环境协调性是指材料在满足使用性能的同时还具有良好的环境表现和环境行为，环境材料的开发有助于资源短缺、能源危机和环境污染等问题的解决。材料的协调性评价，通常用生命周期方法进行评估。所谓生命周期评价是指一种对产品、生产工艺以及人类活动对环境的压力进行评价的客观过程，通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和量化来实现评价。其目的在于评估能量和物质利用，以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。这种评价贯穿于产品、工艺和消费活动的整个生命周期，包括原材料提取与加工、产品制造、运输以及销售、产品的使用、再利用和维护，以及废物循环和最终废物的处置。

采用生命周期评价方法（LCA），对铝合金材料在制造阶段的环境性能进行评价，包括从原材料提取与加工、产品制造及相关能源使用和运输过程各环节产生的资源消耗、能源消耗和环境废弃物排放。铝材料环境协调性评价实验将结合运用环境材料基础、材料制备、加工工艺等基础知识，目的在于培养学生综合运用、融合贯通多学科交叉知识的方法，辨识铝材料制备过程的环境问题，提高材料生产的环境意识。 三、实验设备与材料

教学版生命周期分析工具（德国Gabi）、铝合金材料制备过程的能源消耗、环境排放等数据。

四、实验内容与步骤

实验内容包括：铝合金材料制备工艺流程，功能单位的数据收集与计算，清单分析，材料环境影响评价，材料环境性能改善的措施及方案。

1、 材料环境性评价方法

介绍生命周期评价技术框架、单元过程、系统边界概念。 生命周期评价是对某一产品系统在整个生命周期中的输入、输出和环境影响的汇编与评价。这里的产品系统，是指具有特定功能的、与物质和能量相关的操作过程单元的集合，其中既包括产品的生产过程，也包括产品的服务过程。

ISO14040标准定义了LCA的技术框架，如图1所示，此框架将LCA方法分为4个联系的部分：定义目标与确定范围，清单分析，环境影响评价与生命周期解释。

LCA技术框架 目标与规范 清单 分析 环境影 响评价 结 果 解 释 直接应用： 产品开发与改进 方案决策 公共政策制订 图1 生命周期分析技术框架

单元过程是指材料制备工艺或材料制备工艺的某一个环节或过程，是环境负荷数据集收集和管理的基本单位。

系统边界是描述研究系统所涉及范围大小，以便明确数据收集、处理的范围。 2、铝合金材料制备工艺流程

掌握铝合金材料制备工艺流程图，了解各单元过程的主要特点和功能。

确定研究系统边界，按照生命周期分析的特点，包括从原材料的开采、加工、使用及废弃等不同生命周期阶段，制定选定铝合金材料的生命周期流程(或制备工艺)，制定该种材料的详细工艺流程图，如图2示。

图2 铝合金材料环境协调性评价的系统边界

3、功能单位的数据收集与计算

掌握功能单位的基本概念，理解数据收集的方法和计算方法。 在明确材料制备流程后，针对各工艺过程进行材料的环境负荷数据的收集，主要包括资源的投入、能源的消耗和空气排放、水体排放、固体废弃物排放和非物质排放(辐射、噪音等)。这部分工作，部分数据可以从网络、图书馆、各类统计年鉴中获取，部分数据可以根据所学相关工艺特点推算、理论计算、工艺计算，部分数据可以从数据库中直接获取，尽量

保证数据的完整性和独立性。对于一些公用数据，如交通运输清单、能源清单数据，则由实验室提供。在收集完各工艺流程的数据后，将按照功能单位计算出每一个工艺的环境负荷数据，如1kg铝土矿的主要环境负荷清单(资源消耗、能源投入、污染物环境排放)等见下表1。

表1 铝合金材料功能单位的环境负荷数据收集

功能单位 数据流

数量

单 位 P*

计量单位 kg

类 型 矿物材料

说明

铝土矿 1 输入流 数据流

数量

计量单位 最小值 最大值 环境负荷类型

资源投入 能源消耗 能源消耗 ……

说明

铝土矿石 X 燃料油 电 …… 输出流 数据流 SO2 NOX CO2 CH4 ……

数量 X X X X …… X X ……

t t kwh …… 计量单位 最小值 最大值 环境负荷类型

空气排放 空气排放 空气排放 空气排放

说明

t kg kg kg ……

4、清单分析，材料环境影响评价

掌握清单分析的概念及计算方法、掌握生态指数方法和计算方法。

实验方法，主要是借助典型的评价分析工具Gabi系统进行，实验重点介绍工具的主要功能，学生根据铝合金制备流程图，在软件系统的流程建模，如输入计算的各工艺过程的环境负荷清单，不同工艺过程间的联接，最后通过软件得到生命周期内的该种材料的计算机建模（图3），并在软件系统内进行相应材料的清单分析，得到研究材料环境负荷的量化的结果，对材料环境负荷的大小有一个感性的认识，为影响评价提供基础。

图3 Gabi铝合金材料制备系统流程建模与清单分析

影响评价是对清单阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的表征评价，即确定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响。LCIA把清单分析的结果归到不同的环境影响类型，再根据不同环境影响类型的特征化系数加以量化，进行分析和判断，不同的LCA方法，其归类存在很大的差异，但主要考虑对生物和人类的直接影响、对生态环境的破坏、可再生资源循环体系的破坏和不可再生资源的消耗影响。可根据Eco-indicator、CML等LCA方法体系,这些均是国际上通用的方法体系，开展材料环境影响评价。

5、材料环境性能改善的措施及方案 掌握数据及图表的分析方法。

将清单分析和影响评价的结果进行综合分析，以便做出合理的结论和建议。如辨识出铝合金材料在制备阶段的环境影响大小，找出环境负荷最大的工艺环节，从而提供降低环境性能改进的工艺改进方向；同时，也可以发现材料生产过程中最重要的环境负荷因素，为改进材料的生态设计提供可行的参考依据和科学数据。学生从不同的角度出发，结合LCI和LCIA结果，根据自己的理解，充分发挥主观能动性，深入分析评价材料的环境负荷的主要环节，并结合材料性能、工艺等方面的特点，提出降低或改善材料环境问题的建议，并完成综合实验报告。

五、实验数据及分析

NewGaBi 4 process plan:Reference quantitiesThe names of the basic processes are shown.Average truck/13t39843 kgp28445 kgal_mining314.93 MJ58372 MJAT: Power grid mix5367 kgal_oxide8892.7 kg1958.7 kg3293 MJ98.611 kg403.4 MJal_anode448.23 kg2407 kgal_electroysis52945 MJ1005 kgal_meltingX1414.8 MJ 图4 铝生产工艺各过程的能源资源输入量 由图4可知铝生产过程中个阶段的工艺流程中的相互关系，可以通过软件来改变相互之间的输入、输出的内容。

GaBi diagram:New - InputsCargo2400022000200001800016000Cargo - Mass [kg]14000120001000080006000400020000-2000al_electroysisal_meltingal_miningal_oxideAT: Power grid mixAverage truck/13t 图5 铝生产工艺各过程的运输（cargo）资源输入量

由图5可知，在资源的流入过程中，铝土矿石的需求是最大的，所消耗的资源最多，为了便于资源的优化，应采取措施减少开采与运输的成本，比如铝的循环利用。

GaBi diagram:New - OutputsSulphur dioxide7570656055Sulphur dioxide - Mass [kg]50454035302520151050al_anodeal_electroysisal_meltingal_miningal_oxideAT: Power grid mix 图6 铝生产工艺各过程的二氧化硫资源输出量

由图6可知，铝生产工艺过程中，在点解环节中二氧化硫的输出量较大，所以应该减少在此阶段的二氧化硫的排放量，以减小其对环境的破环，二氧化硫是导致酸雨的主要原因，可以

通过增加脱硫塔的办法来减小二氧化硫的排放。

GaBi diagram:New - OutputsIronChromium (unspecified)AntimonyAshUranium spent as residuePlutonium as residual productJacket and body materialCaF2 (low radioactice)Liquid hazardous wasteLiquid wasteCopperCadmiumTailingsWaste radioactiveUranium depletedMedium and low radioactive wastesHighly-active fission product solutionSludgeHazardous waste (unspec.)inert chemical wasteCobaltArsenicOverburdenVolatile fission products (inert gases;iodine;C14)Radioactive tailingsMedium and low radioactive liquid wasteHighly radioactive wasteSlagMunicipal wasteIndustrial waste for municipal disposal750070006500600055005000 Mass [kg]450040003500300025002000150010005000AT: Power grid mix 图7 铝生产工艺各过程的电力资源输出量

由图7可知，在铝生产工艺过程中，在overburden环节中，电力资源的输出量很大，即电力资源的消耗主要来自其他工艺过程中，所以，应该控制其他工艺措施来较少电力资源的消耗。