纤维板生产环境影响的生命周期分析模型研究

葛 冰，贾 娜，花 军，宋 杰

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

纤维板生产环境影响的生命周期分析模型研究

葛 冰，贾 娜，花 军，宋 杰

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

纤维板生产是高能耗的复杂生产系统，对环境会产生多方面的影响。依据纤维板生产工艺，分析确定将纤维板生产过程中的纤维制备、板坯成型和后处理3个主要生产阶段作为研究范围；针对生产过程中的环境负荷因子分析结果，统计和分析出了整个纤维板生产过程的生产环境影响数据清单，对不同生产阶段的环境影响进行了分析和评价；结合数据清单分析结果和生产实际，提出了纤维板生产环境影响生命周期分析的方法学模型，用于改进纤维板生产环境评价体系、工艺改进及设备改造。

纤维板；生命周期评价(LCA)；负荷因子；清单分析；影响评价

纤维板的综合性能优异，被广泛用于家具制作、复合门生产、地板生产、室内装饰与装修、产品包装等领域，是目前发展最为迅速的人造板产品之一。据《中国纤维板产业报告2010》中显示，2010年度，我国纤维板总产量为4354.54万m3，占全部人造板产量的28.35%，比上年增长24.82%，生产总值超过650亿元人民币，我国国内消耗纤维板共计3705万m3，比上年增长12.9%，综合平均售价为1469元/ m3。未来5年，我国的纤维板消费量仍将持续平稳增长，纤维板消费占全国人造板消费份额将维持在28%～30%之间[1]。我国已成为全球中密度纤维板生产第一大国，但还没有成为纤维板生产的第一强国，产品质量和生产技术等都有待进一步提高[2]。

我国属于森林覆盖率低的国家，尽管木材属于可再生生物资源,随着社会对林木产品的需求日益增长，供需矛盾仍日趋尖锐[3]。虽然纤维板产量的持续增长缓解了木材资源供应紧张的现状，但纤维板生产是高能耗、涉及多种加工过程并且对环境影响最为复杂的人造板生产系统，属于能耗高、对环境污染严重的行业之一[4]。生命周期环境影响分析中的环境特性有以下几个方面：1)资源特性；2)环境特性；3)产品的基本特性；4)产品的能源特性[5]。笔者利用生命周期评价方法，结合纤维板生产过程实际，建立纤维板生产过程的生命周期环境影响分析模型，利用该体系可以系统地认识和评价纤维板生产的资源消耗与环境负荷，为构建纤维板生产系统综合评价体系及产品的绿色制造提供支持。

利用LCA方法建立纤维板生产环境影响的分析模型，需要进行4个方面的研究：分析范围的确定、纤维板生产过程数据收集与清单分析、纤维板生产过程环境影响分析方法的确定以及评价模型的建立。在明确研究范围的基础上，通过对纤维板生产阶段数据清单分析，得到生产过程中详细的物质流、能量流和废物流的数据和信息，通过环境影响分析，识别生产过程中影响环境和资源消耗的主要因素，有针对性的对纤维生产工艺和设备进行优化和改进，减轻纤维板生产的环境负担，指导生产企业进行生产优化。

1 范围确定与清单分析

1.1 纤维板生产过程LCA范围的确定

研究范围的确定是纤维板生产过程LCA的清单分析、影响分析和结果解释所依赖的出发点和立足点，它决定了随后3个阶段的工作开展和LCA的结果。

纤维板生产工艺过程如图1所示，其生产过程包括原料获取、纤维制备、板坯成型和后处理4个主要阶段，每个主要生产阶段包括若干工艺单元，从生产工艺流程图中可以看出，纤维制备阶段主要由削片、热磨、调施胶、干燥等将原料加工成纤维的生产单元组成；板坯成型主要包括铺装、热压等过程单元；后处理阶段是对纤维板产品的再加工，主要包括冷却、裁边和砂光等过程单元[6]。由于目前大部分纤维板厂家都采用直接外购工艺木片的方式获得原料，因此，原料获取过程中的采伐和运输环节不作为本研究的范围，结合纤维板生产工艺过程和生命周期理论，将纤维制备、板坯成型和后处理3个主要生产阶段作为研究范围。

在所确定的研究范围中，工艺所消耗的水无需经过深度处理；生产环节中未包括环境治理措施，所需的建筑设施、加工机械、运输设备的生产均不包括在边界之内。

图1 纤维板生产工艺Fig.1 Scheme of fiberboard production process

由于选用评价的功能单元不同，将产生不同的分析评价结果，本文考虑纤维板产品的工艺及产品特点，确定以生产1 m3纤维板所消耗的资源、能源和产生的污染物作为功能单元进行生产过程的分析和评价。

1.2 纤维板生产环境影响清单分析

清单分析是对研究系统整个生命周期阶段资源和能源的使用以及向环境排放废物（包括废气、废水、废渣和其它释放物等）进行定量的技术过程，是LCA表达基本状态数据的过程，也是进行生命周期影响分析的基础和关键[7]。

纤维板生产过程的清单分析，是建立在对其生产过程单元进行数据收集基础上的，数据的收集分不同的层次进行。

首先进行生产过程单元的数据收集，由于纤维板生产具有相对稳定的生产工艺流程，可以对每个生产过程单元的输入物质、能量及生产过程所带来的环境影响进行分析，用以确定纤维板生产各生产单元的环境影响负荷因子[8]。如表1所示，列出纤维板生产过程环境负荷因子分析。表1中的数据类型及具体要求，应与工艺过程和研究目的相符，根据系统边界进行纤维板生产过程环境负荷因子分析，例如，在收集不同生产单元的排放污染物时，要指明具体的化合物，而不是较为一般的数据类型。

表1 纤维板生产环境的负荷因子分析Table 1 Load factor analysis of fiberboard production environment

针对表1中每个具体的单元过程的环境负荷因子，设计用于纤维板每个生产单元过程数据收集表，如表2所示。

表2 纤维板生产单元过程的数据收集Table 2 Unit process data collection of fiberboard production

其次，在对单元过程数据进行汇总和整理的基础上，根据每个生产单元整理成输入和输出量，对环境负荷因子用下述的计算方法进行统计和计算整理：

式（1）中：Qi为以生产过程单元为基础的第i种环境负荷因子的输入或输出；T为功能单元的持续期；L为生产过程的寿命期；ΣQi，k为生产过程中，第k个过程的第i种输入或输出量；ΣQi，j为生产过程的寿命期中，第j个过程的第i种输入或输出量；T和L为无量纲的数字量。

最终可形成单位产量下纤维板生产过程的环境影响数据清单，如表3所示。

表3 生产1 m3 纤维板的生产环境影响数据清单Table 3 Production environment influence data list of producting one cubic meter fiberboard

上述生产环境影响数据清单的整理和分析过程，是分层次进行的，该种方式，不仅能够统计和分析出整个纤维板生产过程的生产环境影响数据清单，也能对不同生产阶段的环境影响进行分析和评价。因此，不仅能计算出生产单位纤维板的环境影响，也能计算和分析出包括纤维制备阶段、板坯成型阶段和后处理阶段在内的纤维板生产的每个阶段对环境产生的影响。因此，既有利于生产宏观调控，也有利于工艺细节分析，对深入进行纤维板生产所产生环境影响研究，起到非常重要的作用。

2 纤维板生产环境影响评价与框架模型的建立

生命周期影响评价是LCA的重要组成部分，它涉及到数据的归类和计算程序，目的是对清单分析中有关输入和输出的量化后的数据进行处理，可以比较产品生命周期各个阶段的环境影响。为了便于将生命周期分析应用于纤维板生产的环境设计、产品开发及管理决策过程，必须在生产中对各种潜在的环境影响进行评估，指出各种环境影响类型和相对重要性，以及每个生命周期阶段，纤维板生产过程每个环节的影响贡献大小。

在进行清单分析的基础上，利用LCA对纤维板生产清单分析中所辨识出来的环境负荷，从技术上做出定性或者定量的分析，其分析主要包括环境影响的分类、特征化、标准化、加权评估和环境影响指数五个步骤。

2.1 环境影响的类型和特征化模型

根据国际标准原则，结合我国纤维板生产的具体环境行为，从气候变化、臭氧层破坏和致癌物质释放等方面，建立我国纤维板生产环境影响类型的指标体系如表4所示。表4中也同时列出纤维板生产过程中，产生相应环境负荷因子的生产过程单元。

表4 我国纤维板生产的环境影响指标体系Table 4 Environmental impact index system for China fiberboard production

根据分类结果，需要进行环境负荷因子的参数特征化，对各种环境干预采用特征化因子的方法进行环境影响的归类分析。特征化因子，是用来将生命周期清单分析结果转换成类型参数共同单位的因子，（如1kg 甲烷相当于69kg 二氧化碳产生的全球变暖潜力)来汇总清单提供的数据。将每一个影响类别中的不同物质转化和汇总为统一的单元，并利用环境负荷指标方法，得到每一种影响类型的综合环境负荷（EB）。其计算公式为：

式（2）中： a、b、c为排放物中所含的各种化学物质；W为各种物质的质量；FP为各种物质对某类环境所造成环境影响的潜能因子。

在上述环境影响特征化过程中，除了要考虑纤维板生产的环境影响外，还需要考虑资源消耗情况，并按照相同的特征化方式来考虑纤维板生产生命周期中的资源消耗情况。

2.2 环境影响的潜值计算

纤维板生产环境影响潜值，是指在其生命周期中，某类环境负荷因子的排放影响的总和，其计算方法如式（3）：

式（3）中：VEP，m为生命周期中，第m种环境影响潜值；EPmn为第n种排放物的第m种环境影响潜值；Qmn为第n种物质的排放量；VEF，mn为第n种排放物质对第m中环境影响的当量因子。

当量因子的确定因不同的环境影响类型而不同，通常以某种物质为参考，计算其他物质的相对大小，例如，通常对全球变暖采用CO2，酸化采用SO2为当量因子。

2.3 环境影响的标准化

对数据进行标准化有利于在统一的基准上衡量纤维板制造中各种环境影响的大小程度，也有利于进行不同行业和地区之间的横向比较，对企业和政府部门做出宏观调控和政策具有重要的作用，目前比较通用的做法是采用同一时期内全社会人均潜在环境影响和人均资源消耗作为标准化的基准，环境影响标准化基准值的计算公式为：

式（4）中：VER，j为基准年全社会人均环境影响潜值；VEP，j为基准年全社会的第j种环境影响潜值；Po为基准年全社会人口数。

根据该基准，标准化后，纤维板生产过程环境影响潜值表述为：

式（5）中：VNEP，j为第j种环境影响潜力经标准化后的值。

资源消耗基准采用人均资源消耗量，其标准化过程，参照环境影响标准化过程。

2.4 加权评估

纤维板生产过程的环境影响潜值，能说明环境负荷因子潜在环境影响的相对数值大小，但无法表征环境影响的重要性，因此，需要对影响类型的重要性进行排序，即需要赋予不同影响类型不同的权重，然后才能进行比较，这一过程称为加权评估。

权重的确定方法，即可采用科学目标，如环境干扰的极限浓度和数量，也可采用政策目标，如政府削减某种物质排放的目标；同时，还可以采用管理目标，如各种排放标准、质量标准和行业标准等等。从上述赋予环境负荷因子权重的方法可以看出，权重的确定，往往会由于目的不同、行业不同和政策导向不同而有所不同，它是一个主观的基于价值取向的过程。

目前，我国纤维板生产环境影响评价因子的权重确定，还没有统一的明确方法，就其研究现状而言，还是以专家打分的方法居多。

对于纤维板生产所消耗的木质材料，采取资源稀缺性作为权重的原则，木质材料资源的消耗必须考虑其更新率与消耗率之间的关系，因而可将木质资源的消耗潜值表达为资源总量与年净消耗量的比值，其中，年净消耗量为消耗量与更新量的差值。如果木材的年更新量高于或等于消耗量，则从理论上讲，不存在资源枯竭的威胁，反之，则需要对木材资源和生产进行合理的匹配和使用。

2.5 环境影响指数的确定

加权后环境负荷因子的环境影响潜值具有了可比性，也能反映出相对重要性，将纤维板生产的环境负荷因子加权后的值相加求和后，称为环境影响指数，是一个无量纲值，能反映出纤维板生产总过程对环境影响的总程度。为了能与具有相似生产过程的其他生产方式的环境影响潜值大小进行比较，需要提供一个量化指标。

对纤维板生产过程环境影响潜值的计算方式：

式（6） 中：E为总体环境影响潜值。

2.6 环境影响框架模型的建立

通过上述分析可知，利用生命周期评价方法能够定量分析和描述纤维板生产过程对环境的影响，并通过环境影响指数的形式与其他具有相同功能的生产模式进行比较，建立的环境影响框架模型，如图2描述所示。

3 结 论

图2 纤维板生产环境影响的框架模型Fig. 2 Frame model of environmental impact in fiberboard production

纤维板环境影响评价的本质特征在于测算其生命周期(原材料制备、产品生产、发运、使用维护、回收处理、再利用)的整个过程中的环境负荷值[10]。本研究依据纤维板生产工艺，分析确定了纤维板生产过程中的纤维制备、板坯成型和后处理3个主要生产阶段为研究范围；根据生命周期评价理论，分析了纤维板生产过程的环境负荷因子影响，确定了生产环境影响数据清单，对不同生产阶段的环境影响进行了分析和评价；以各个生产单元过程的数据集和清单分析结果为依据，确定了生命周期环境影响类型分类和特征化模型、环境影响潜值和标准化、加权评估以及环境影响指数，建立了针对纤维板生产过程环境影响和资源消耗的生命周期框架模型体系。

利用该框架模型体系，能够对纤维板生产中资源、能源的消耗和对环境产生的影响等主要因素进行分析。纤维板生产环境影响框架模型的建立，为生命周期评价理论在人造板行业的研究和应用提供了一种模型方法，对纤维板生产过程中环境影响的深入研究和评估提供理论依据。

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Methodological model of effect of fiberboard production environments on life cycle

GE Bing, JIA Na, HUA Jun, SONG Jie
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040 Heilongjiang, China)

Fiberboard production is a complex manufacturing system with high energy consumption, and brings various impacts on surrounding environment. The three production stages such as fiber preparation, mat forming and post-processing were mainly studied.Based on the results of environmental load factor analysis in the production process, the production environment influencing data inventory was obtained through statistics and analysis, and the environment influences in different production stages were analyzed and evaluated. Combined the results of environment influencing data inventory with actual production, the methodological model of fiberboard production environment influencing life cycle analysis was put forward to improve the evaluation system of fiberboard production environment, to guide the enterprise investment, technology improvement and equipment modification.

fiberboard; life cycle assessment (LCA); load factor; inventory analysis, impact assessment

S784

A

1673-923X(2013)04-0091-06

2012-11-22

国家自然基金项目“连续动载作用解离木纤维的分形机理与建模研究”(31070499)

葛 冰（1979-），女，吉林延吉人，博士研究生，主要研究方向：林业与木工机械

花 军（1959-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，主要研究方向：林业与木工机械

[本文编校：吴 彬]