涂料生命周期评价的研究及开发

涂料生命周期评价的研究及开发

何琴1，王洪涛1，朱永光2，王志慧1，黄娜1，范辞冬1
( 1． 四川大学建筑与环境学院，成都610065; 2． 成都亿科环境科技有限公司，成都610065)

随着我国经济的发展和基础设施的建设，涂料行业也高速发展起来，我国有近万家涂料企业，规模以上的建筑涂料生产企业也有200 多家， 2010 年我国涂料总产量已超过960 万t，稳居世界第1 涂料生产大国，建筑涂料产量为379 万t。涂料的原料主要是石油化工产品、二氧化钛、无机原材料，而这些上游产品的生产原料石油、钛精矿、碳酸钙矿石皆是不可再生资源，而在生产过程中需要消耗大量的能源，还有CO2、SOx和COD 的排放，其中的二氧化钛更是高污染高能耗的产业，对环境和人体健康造成危害。因此，定量评价涂料的环境影响状况非常重要，而生命周期评价( Life Cycle Assessment，LCA) 正是目前进行此项研究应用最为广泛的方法，在本研究中开发出了中国本地化的涂料原材料数据库和LCA 评价软件，为LCA 方法在我国涂料产品中的应用奠定了坚实的基础。国内对生命周期评价的研究起步较晚，在建筑材料方面，目前我国对水泥、玻璃、建筑陶瓷生命周期评价研究较多［1］，而对涂料的研究却还很少，这主要是因为涂料相对于水泥等产品，它在生命周期模型中排在后面，涂料的上游还需要有石油开采、矿石开采、石油炼制、石油化工、二氧化钛生产、及其他原材料生产等一系列的生命周期流程框。另一方面，涂料的原材料种类繁多，仅乳液生产的原材料就达十多种，LCA 方法要在涂料行业应用，必须要有中国本地化基础数据库作为支持，但这正是目前我国LCA 研究最为欠缺的一方面。本研究根据四川大学提出的建立中国LCA 数据库的基本方法［2］，在已经公布的中国生命周期参考数据库( Chinese referencelife cycle database，CLCD) 的基础之上，展开实际的数据收集、建模、计算，初步建立了中国涂料行业基础原材料生命周期数据库，并应用于某典型涂料实际生产中。本研究可为涂料行业的生态设计提供数据支持和模型基础。

1 涂料生命周期评价的数据库
涂料是由几种或多种物质组成，各组成材料在涂料中的功能各异，相互组合在一起，使涂料具有保护、装饰和特殊功能等基本性能。水性涂料一般由乳液、颜料、填料、成膜助剂四大类组成。乳液的种类繁多，我国经常使用的就有苯乙烯－ 丙烯酸酯共聚乳液、醋酸乙烯－ 丙烯酸醋共聚乳液、醋酸乙烯酯均聚乳液、丙烯酸乙烯酯均聚乳液、纯丙烯酸酯共聚乳液、氯乙烯－偏氯乙烯共聚乳液、叔碳酸乙烯酯共聚乳液等十多种类，而每个乳液生产厂家根据乳液单体配比的调整生产出各种不同牌号的乳液产品。所以，在本研究中不建立各种牌号的乳液数据库，而是建立乳液单体数据库。而二氧化钛是使用最广泛的白色遮盖型颜料，重钙是最具有代表性的体质颜料。本文建立了乳液单体生命周期基础模型、硫酸法二氧化钛生命周期模型、重钙生命周期模型，采用专业软件eBalance 计算获得了涂料需要的乳液单体数据库、颜料数据库、体质颜料数据库。
1. 1 乳液单体数据库
1. 1. 1 乳液单体生命周期基础模型
常见的乳液单体有: 醋酸乙烯酯、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丁二烯。因此，本研究从这些产品出发，追溯其上游生产过程直至资源获取阶段，初步建立了包括石油、天然气等资源开采，石油炼制、石油化工等过程的乳液单体生命周期模型( 如图1 所示，其中红色虚框即低压蒸汽、电力混合与传输、天然气开采，被下游流程使用太多，为图片的可读性，而隐藏了3 个框与其他框的连线。图1 还可为中国基础石化生命周期研究提供参考) 。电力、重油、常减压柴油、常减压石脑油、煤炭开采等数据来自于CLCD，其他过程均是实际收集计算后得到的中国市场平均数据。

1. 1. 2 单元过程清单数据收集描述
根据四川大学提出的建立中国LCA 数据库的基本方法与步骤［2］，收集了图中多个单元2008 年的全国市场平均清单数据。其中，原材料的投入数据是根据我国各主要生产企业的年度单耗数据及2008 年产量计算后得出，否则按照主要工艺技术参数与工艺技术所占的市场份额计算得到; 排放数据是划分市场上主要的工艺技术类型，然后按工艺技术所占市场份额和排放系数计算得到［3］，CO2是依据IPCC 中各种能源的排放系数与能源消耗量计算得出［4］。因图中单元过程较多，因此，本研究只描述较重要且具有代表性的几个单元数据收集。
乙烯: 功能单位选取生产1 kg 的乙烯产品，系统边界从原料石脑油、常压柴油、加氢尾油、轻烃进入蒸汽管式裂解炉开始到乙烯及其他副产品丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等出来为止。能源消耗包括天然气、蒸汽、电网电力; 排放包括COD、石油类、SO2、CO2、固废、CO。在数据计算中，因4 种原料的6种产物产率各不相同，先从文献中统计出4 种原料在我国乙烯生产中使用的比例及其产率，从而计算出平均1 kg 原料的产率。乙烯及其伴生产品之间按照经济价值进行分配［5］。
丙烯: 功能单位选取生产1 kg 的丙烯产品，系统边界从原料进入生产车间开始到丙烯及其他伴生产品出来为止。在我国，丙烯产品来自于3 种工艺: 蒸汽催化裂化生产乙烯的副产品、深度催化裂化回收的副产品、丙烷脱氢制丙烯。因第三种工艺只占丙烯生产的6%，所以在研究中没有考虑; 蒸汽催化裂化数据的计算过程可参照乙烯; 在深度催化裂化中，原料投入是催化裂化原料，产物包括汽油、液化气、丙烯、乙烯、柴油、重油、石油焦; 排放包括COD、石油类、SO2、CO2、挥发酚。在数据计算中，根据文献统计的我国各个深度催化裂化装置的产品产率和产量，计算出我国平均1 kg 的催化裂化原料在深度催化裂化装置中的产率，再根据经济价值分配，折算出生产1 kg的丙烯所需的原料及排放［6］。
甲醇: 功能单位选取生产1 kg 的甲醇产品，系统边界从原料进入生产车间开始到甲醇产品出来为止。在我国，甲醇生产有3 种工艺: 煤制甲醇、天然气制甲醇、焦炉煤气制甲醇; 投入的原材料包括煤、氧气、天然气、焦炉煤气; 排放包括COD、氨氮、SO2、石油类、氰化物、挥发酚。3 种工艺所占的市场份额是根据统计出我国大小200 多个甲醇生产企业在2008 年的生产能力，然后按照工艺进行分类，计算出来3 种工艺的市场份额。
电石: 功能单位选取生产1 kg 电石产品，系统边界从生产原料进入车间开始到电石生产出来为止。根据目前生产电石的主要燃烧炉，将分为内燃式电石炉技术及密闭式电石炉技术。数据库中收入数据包括生石灰、焦炭。排放包括SO2、CO2、粉尘。因电石行业一直是污染严重、能耗高、条件恶劣的产业，目前国家要求生产中产生的可燃炉气引出并综合应用，主要生产工业蒸汽，但蒸汽并没能得到很好的应用，所以并没有将工业蒸汽作为副产品并参与分配。
丙烯腈及其副产氢氰酸: 功能单位选取生产1 kg 丙烯酸产品，系统边界从生产原料进入车间开始到丙烯酸及其他副产物生产出来为止。根据其生产的主要技术丙烯氨氧化法的技术参数，投入的原材料包括丙烯、氨、硫酸。根据我国主要的丙烯腈生产企业2008 年的生产数据及能源消耗数据，生产中主要的能源消耗为电力、燃料油、天然气、低压蒸汽; 主要的排放包括COD、CO2; 生产中的主要产品是丙烯腈; 副产物包括氢氰酸、稀硫铵、粗乙腈; 产物之间主要按照经济价值进行分配。
醋酸乙烯: 功能单位选取生产1 kg 醋酸乙烯产品，系统边界从生产原料进入车间生产到醋酸乙烯生产出来为止。根据生产醋酸乙烯的原料不同，生产技术分为: 电石乙炔法、石油乙烯法、天然气乙炔法; 投入的原材料包括醋酸、氧气、电石、天然气乙炔、石油乙烯; 排放包括COD、粉尘。
丙酮、丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等: 功能单位选取生产1 kg 相应的产品，系统边界从生产原料进入车间开始到产品及副产品生产出来为止，根据我国生产该产品的主要技术及工艺参数，确定原材料及投加量。丙酮生产的原材料包括苯、丙烯; 丙烯酸生产的原材料是丙烯; 丙烯酸丁酯生产的原材料包括丙烯酸、丁酯; 甲基丙烯酸甲酯生产的原材料包括氢氰酸、丙酮、甲醇、硫酸; 排放主要包括COD、CO2。
1. 2 颜料数据库
根据生产工艺的不同，二氧化钛可分为硫酸法二氧化钛和氯化法二氧化钛，在我国广泛采用的技术是硫酸法，国外采用最多的是氯化法，我国涂料生产企业大量使用从国外进口的氯化法二氧化钛，而这两种生产工艺所造成的环境影响又有很大的差别。因此，本研究重点收集了硫酸法二氧化钛及其上游单元的全国平均清单数据，并从国外Ecoinvent 数据库中导出氯化法二氧化钛系统数据，进行本地化。在数据库中分别给出这两种二氧化钛的系统数据，而没有进行市场平均。
1. 2. 1 硫酸法二氧化钛生命周期模型
二氧化钛一直是高能耗高污染行业，本研究从二氧化钛开始，往上追溯直至资源开采阶段，建立了包括钛精矿生产、蒸汽生产、硫酸生产、二氧化钛生产的中国硫酸法二氧化钛生产的生命周期模型。模型中的电力、原煤开采、公路运输、柴油来自CLCD，硫磺生产、硫铁矿开采、冶炼烟气生产来自Ecoinvent。二氧化钛生命周期模型见图2。

1. 2. 2 数据收集描述
钛精矿: 功能单位选取为1 kg 钛精矿生产，系统边界从钒钛磁铁矿开采，经破碎、球磨、选矿至生产出1 kg 钛精矿为止。在采选阶段，每生产1 kg 的钛精矿，同时得到副产品铁精矿10kg，按照质量对钛精矿和铁精矿进行分配。投入物质为钒钛磁铁矿、电、新鲜水，钒钛磁铁矿的用量是根据钛精矿的品位( 假定为50%) 和钒钛磁铁矿的含钛率理论计算得到，电和新鲜水的用量是来文献调查。
硫酸: 功能单位选取为1 kg 98% 的硫酸。系统边界主要从原料生产到生产为98%的硫酸。涵盖了硫酸生产的主要路线: 硫磺制酸、硫铁矿制酸和冶炼烟气制酸。投入数据包括电耗、蒸汽以及硫磺、硫铁矿等原料。数据主要来自于常规标准和文献报道的硫酸生产的数据。
蒸汽生产: 功能单位为燃煤锅炉生产的1 t 高压蒸汽，系统边界从煤炭开采经到燃煤锅炉蒸汽产生为止。假定层燃炉、循环流化床、水煤浆炉等各种炉型所占的市场份额相同，排放包括SO2、COD、NH3、粉尘。
二氧化钛: 功能单位选取为硫酸法生产的1 kg 二氧化钛，系统边界包括从钛精矿酸解、硫酸氧钛水解到二氧化钛粗粉煅烧、粉碎为精细二氧化钛为止。投入的原材料包括钛精矿、浓硫酸，公路运输，其次还有原煤，二氧化钛粗体粉碎用的蒸汽，吸收生产过程中酸性废水用的氢氧化钠溶液及柴油消耗。其中公路运输是假定生产出来的钛精矿须经80 km 的公路运输才能到达二氧化钛厂。排放包括SO2、COD、NH3、粉尘。
1. 3 体质颜料数据库
1. 3. 1 重钙生命周期模型
重钙全称是重质碳酸钙( Ground Calcium Carbonate) ，它是由天然矿石经细微粉碎而得，一般建筑涂料中选取800 ～1 200目。为此，本研究从800 目和1 250 目两种重钙产品出发，逐步往上追溯直至矿石开采过程，建立了重钙生命周期模型( 图3) ，其中电力来自CLCD，矿石开采来自于Ecoinvent。图3 为重钙生命周期模型。

1. 3. 2 重钙数据收集描述
功能单位选取生产1 kg 重钙产品，系统边界从原料矿石进入生产车间开始到重钙产品出来为止。在本研究中选取的是常用的球磨机配大型分级机。排放物主要是粉尘。800 目和1 250目重钙的排放假设的是一样，其他数据是根据生产线实际的经济技术指标得来。
1. 4 成膜助剂数据集
涂料行业传统的成膜助剂有: 松节油、酯醇十二、乙二醇、丙二醇、Texanol 醇酯等，在本文只研究乙二醇这一广泛使用的成膜助剂。由于我国乙二醇的生产能力远不能满足国内市场的需求， 73%的乙二醇依赖进口［7］。本文采用Ecoinvent 数据代表中国市场平均数据。
1. 5 涂料行业基础数据库的获得
采用国内自主研发的通用LCA 软件—eBanlance，从图1～ 3 所示的生命周期模型中分别得到乳液单体( 醋酸乙烯酯、苯乙烯等) 、二氧化钛( 硫酸法和氯化法) 、重钙( 800 目和1 250目) 生命周期清单数据。在实际生产中，厂家可根据涂料配料表从涂料行业基础数据库中选取所需数据进行建模分析。

2 讨论
2. 1 数据库的使用
在国内开发的LCA 软件—eBanlance 中数据库能胜任的工作包括涂料的产品生态设计、生命周期评价、节能减排分析、碳足迹分析及报告。本研究中选取1 种常用涂料，并利用数据库及软件进行生态设计。
2. 1. 1 建立涂料生命周期模型
选取建筑涂料中我国较早工业化的乙丙外用乳液涂料进行生命周期分析，并对其生产配方进行生态设计，对其原材料的绿色采购提供数据支持，乳液及涂料生产清单列表1 所示。
表1 乙丙乳胶漆和乙丙外用乳液涂料生产清单表

根据清单表在软件eBanlance 中建立乙丙外用乳液涂料生命周期模型，见图4。

2. 1. 2 生命周期分析
选择乙丙乳液涂料为基准流，选择9 类环境影响类型: 非生物资源消耗( ADP) 、酸化( AP) 、能源消耗( CED) 、化学需用氧量( COD) 、富营养化( EP) 、全球暖化( GWP) 、可吸入无机物( RI) 、固体废物( WS) 以及水资源消耗( WU) ，在软件中分析涂料原材料及生产过程中的排放对涂料环境影响的敏感性，分析结果如表2。

由表2 可知，乳胶漆及二氧化钛对涂料的各个环境影响类型影响均较大，对涂料的生态设计应主要从更改乳胶漆及二氧化钛类型，或减少乳胶漆及二氧化钛用量方面进行考虑。涂料设计师将改进后的设计方案与原方案可进行对比分析，得到定量化的分析结果，以支持生态设计及企业原材料的绿色采购。
2. 2 数据库的完整化
在涂料行业基础原材料数据库建立初期，不可避免地存在着数据库不完整，需要逐步补充完善。在乳液单体数据库中还应该逐步包括其他种类的树脂; 在颜料数据库中还应该补充其他常用白色颜料如立德粉、氧化锌，以及其他着色颜料;在体质颜料数据库中还应添加涂料行业常用的轻钙、滑石粉等; 成膜助剂数据库中还应增加如Texanol、苯甲醇、丙二醇等常用成膜助剂。在图1 ～ 3 的生命周期模型中引用的国外数据需要用中国本地数据替换，在数据集的扩充过程，涉及到的产品及中间产品将非常广泛，但应尽量保证数据来源于中国市场平均，特别是一些基础的产品。

3 结语
限制我国涂料行业生命周期研究发展最主要的障碍就是国内数据库的空白，由于涂料行业使用的原材料涉及到太多处于生命周期下游的精细化学品，这使得涂料不能像其他建筑材料那样直接使用企业现场生产数据就能建立起产品的生命周期模型。而盲目套用国外数据库的数据不能真实的反应出我国涂料生产的环境影响及改进方向。从使用国外数据库可以发现，数据库的完整性相当重要，但是即便在生命周期研究较成熟的国外，也不能保证涂料需要的原材料都能在数据库中找到，因此本研究从涂料生产的需要出发，建立起涂料专用的原材料数据库，为涂料的生命周期研究提供了最基础的本地化数据支持。本研究中提供了涂料生产中常用的一些原材料数据，虽然不全面，但是因为上游物质中涵盖了三烯三苯等一些最基础的化工原料，为涂料行业原材料数据库的拓展提供了基础。下一步将继续完善，建立一个不断完整的涂料行业基础数据库。
在生命周期软件中，对涂料进行建模计算，得到的数据能支持涂料生命周期报告、碳足迹报告、Ⅲ型环境申明、生态设计等工作。上述结果表明，本研究提供的数据库及开发的软件为中国涂料的生命周期评价研究提供了基础与工具。