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让材料在全生命周期中少索取多奉献
作者:匿名    来源: 来源网络    点击数:32    更新时间:2016-01-06 09:42:15    

       让材料在全生命周期中少索取多奉献
                    ——北工大“材料全生命周期分析系统”自主研发应用纪实

本报记者 侯静 通讯员 张彩会

近十年来,我国水泥产量年均增长13.4%,比同期GDP增长高出50%以上。水泥行业对资源、能源的依赖和对环境的污染,长期位居我国节能减排重点行业。

北京工业大学材料学院与金隅北京水泥企业的技术合作,助力水泥厂实现了综合能耗降低5%、总体温室效应降低53.6%、不可再生资源消耗降低2.2%,年处理危险废弃物1万吨和城市污泥16万吨,近五年创经济效益5亿元以上。

是什么新技术新方法引领支撑了这类低附加值的传统耗能行业向高效生态型发展?

记者近日来到北工大材料学院,看到了材料LCA研究中心的六台服务器和十多个工作终端,其内在运行的各 种相关软件系统和包含的专业技术方法,正是突破上述技术难关的核心!据材料学院聂祚仁院长介绍,这里开发出了具有我国自主知识产权的材料LCA基础数据库 和软件系统,建立了国际通用SPOLD数据十万余条,是我国目前最大的材料LCA基础数据库,被链接作为国家科学数据平台的材料环境负荷网站。就是这套 “材料全生命周期分析系统”,为行业企业进行环境负荷管理、节能减排潜力分析和效果评价,提供了科学实用的工具,成功指导完成了水泥生产节能减排、降低整 体环境负荷等多项技术改造工作。

潜心研究 十五年磨剑初成锋

“材料全生命周期分析系统”是什么?它是怎样使水泥厂走向生态型发展的?如何以最低的能耗、最少的污染,生产出最大效能的产品?

生命周期评价(Life Cycle Assessment,简称LCA)的理论与技术方法,是国际通用的评价产品对环境影响的标准化方法,所有与产品生产和消费有关的活动,都可从LCA中得 到环境负荷信息。但由于各个国家和地区的资源储量、能源状况、生产技术水平等存在差异,使得LCA具有极强的地域性和时效性,进行LCA分析需要大量的区 域性数据支撑。上世纪90年代初,在《科学/Science》杂志上就因基础数据引起过几篇LCA论文的争议。要实现准确的环境评价,材料全生命周期分析 系统就要收集到海量的数据,数据不仅量大,而且种类繁多,涵盖矿藏、原料、工艺、能源、设备、运输等不同类型的数据,可称其为异构数据。建立海量、异构的 数据库,然后利用开发的软件系统进行数据的管理与运算,最终实现综合环境负荷的全生命周期评价。

中国工程院院士、著名材料专家左铁镛教授向记者解释说:就像人有生命一样,材料也是有寿命的,材料全生 命周期分析系统就是分析材料产品“从摇篮到坟墓”的全寿命过程中对环境的影响。左院士1996年来到北工大,就开始着手组织材料全生命周期分析研究,成立 了生态环境材料技术研究所和材料LCA研究中心,使北工大材料学院成为国内早期致力于生命周期分析研究的优势单位。

左铁镛院士培养的博士、材料学院院长聂祚仁教授,是这支优秀团队的现任“掌门人”,主持研发“材料全生 命周期分析系统”,从前期的数据积累、软件开发到实际应用,闯出了一条自主创新之路。十余载潜心研究,而今磨剑初成锋。十五年来,材料学院不仅承担完成了 材料LCA方面的国家“973”、“863”、支撑和重点基金等系列科研任务,成功开发出面向多层次应用的材料生产环境负荷网络数据库和分析、管理软件系 统,该系统具有数据采集、信息检索基本功能,同时,还具有生产工序间的能量流分析、能量流时间序列分析和节能减排潜力分析等扩展功能,解决了复杂材料生产 流程中多因素、多层次、多目标环境负荷辨识难题,开始了面向多个工业领域的实际应用;尤其是材料学院培养出了首批我国材料LCA技术的高级专业人才。

目前,北工大材料学院研发的中国材料LCA数据集,被ISO组织推荐的LCA系统SimaPro应用, 在全球50多个国家销售使用。这也使北京工业大学的材料LCA中心成为国际上最知名的几个LCA机构之一,国际同行要知道中国的相关数据就得到北工大材料 学院来获取。研究建立了中国材料LCA资源消耗特征化区域因子、能源物流和排放过程参量等计算模型,相关结果在该领域国际最权威期刊、ISO/SETAC 组织和多个国家LCA学会联合会刊《Int.J.of LCA》(德国)发表了中国作者的头两篇论文。中国人至今在该刊共发表5篇论文,材料学院课题组占了4篇。聂祚仁教授应邀担任了该期刊中国唯一的编委、国 际LCA中心联盟委员等。

北工大材料学院“材料全生命周期分析系统”方面的研究,吸引了国际上LCA权威机构的合作,并屡受好 评。ISO-TC207推荐的LCA执行单位荷兰Pré公司总裁Mark先生评价道:“你们的工作给我留下深刻的印象,我吃惊地感到你们的研究队伍不仅在 理论上,而且在实践上都取得了很大的成就,尤其在LCA数据方面的工作,开发完成的中国材料环境负荷数据库,是我们目前见到的包含中国材料种类最多、公用 基础数据比较完整的中国生命周期数据集产品”。

牛刀小试 引领行业科技进步

就在“材料全生命周期分析系统”研制日臻完善的同时,我国水泥工业经历了索取资源的经验型、高效节能的 集约型发展阶段,开始进入以环境友好为特征的生态型发展阶段。环境友好是水泥发展进入生态型阶段的重要特征,对于环境友好的评价,涉及到水泥产品、流程、 工序、设备等多层次,包括资源消耗、能源消耗、环境污染、生产管理与质量控制等多个因素,因此需要建立涵盖上述多层次、多因素指标体系的水泥生产环境负荷 定量分析和评价的新技术与新方法,指导水泥工业向生态型发展。课题组率先把研究成果应用于水泥生产领域。

经过多年的产学研合作,研究团队运用生命周期评价的理论与技术,建立了我国水泥生产过程的综合环境负荷 指标体系和评价方法,构建了包括资源和能源消耗、污染排放、产品品质、管理水平的水泥工业清洁生产评价体系,研制出水泥生命周期分析系统软件工具,获得软 件著作权4项,解决了复杂生产流程中多因素、多层次、多目标环境负荷辨识难题,指导水泥生产节能减排、降低整体环境负荷;提出了性能/环境负荷比值作为水 泥环境性能的判据,开发出复合水泥基材料生态设计软件,制备出低环境负荷的高强高耐久性水泥材料,在北京地铁4号、5号和10号线及京广铁路等多项国家重 点工程建设中成功应用;形成了水泥清洁生产国家和行业标准3项,推动行业节能减排,按照2010年水泥产量18.7亿吨计算,如果将所有水泥生产的综合能 耗降至最低,可实现5600万吨标煤/年的节能量,采用各种减排技术每年可减排CO2量1亿吨以上。

2011年4月19日,中国建材联合会表彰颁发2010年度中国建筑材料科学技术奖,北工大与金隅水泥 合作完成的“水泥生产过程生命周期评价技术与应用研究”成果荣获本年度六个一等奖之一,这项成果的第一、二完成人崔素萍教授和龚先政教授,是聂祚仁教授在 北工大招收的第一批博士。

身手大显 应用广泛前景诱人

实际上,“材料全生命周期分析系统”不仅可应用于水泥生产,在其他行业也可广泛应用。

加拿大木业协会要在中国做建筑项目,想论证木材、钢铁、混凝土三种建材哪种更经济、节能。他们慕名找到 北工大材料学院LCA中心求援,课题组实施“木结构建筑与其他结构建筑的生命周期分析”研究,通过碳排放、氧化硫排放、货物运输消耗、固体废弃物排放等方 面的运算分析,得出木结构建筑在全生命周期中比钢结构建筑和混凝土结构建筑更节能减排。

在LCA研究项目完成后,加拿大木业协会给予了高度评价,认为研究结果具有很强的说服力和可信性,为政府决策和倡导绿色消费提供了科学依据,有利于可持续建筑和绿色建筑在中国的推广。

在汽车材料领域,镁合金由于重量轻,可降低汽车耗油量,业内倾向于用镁合金制造汽车的部件。在福特汽车 “中国镁合金用于汽车部件的生命周期分析”和中美加“镁汽车前端部件的研究与发展”等项目实施中,完成了镁合金汽车产品全生命周期分析评价的国际合作研 究。结果表明,根据目前的生产技术水平,一辆镁材部件车跑12.8万公里后开始比钢材车更节能、跑14.4万公里后开始比钢材车减少温室气体排放。由于镁 在冶炼过程中比钢消耗更多的能源、产生更多的排放,抵消了后面汽车使用中的部分节能减排效果。材部件车对应的临界距离是3.5万公里。

从上述案例可以明显看出,只有通过对产品进行全生命周期分析,才能全面、科学、客观地反映其真实的环境效应。

目前,国家“十二五”计划“典型地区建筑节能”以及天津、福建等地生态城建设,正期待着应用他们的“材料全生命周期分析系统”,开发出计算各种建筑材料碳排放值的实用工具,为节能建筑选材提供科学依据。

“材料全生命周期分析系统”在指导节能减排、倡导绿色经济的道路上作用不可限量。(来源: 科技日报 作者: 侯静 张彩会

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