1、过程系统智能工程和计算机集成环境课程论文生命周期评价在化工过程中的应用研究A Study on the Life Cycle Assessment and Its Application to chemical processes2004 年11 月生命周期评价在工业过程中的应用研究摘要：提高化工过程对环境的负面影响，实现环境友好的清洁生产过程对化工过程提出了更高的要求和压力。生命周期评价作为一种量化环境影响的方法正受到越来越广泛的认可。除了应用于产品的生命周期评价外，这种方法正被广泛应用于化工过程中，多目标优化问题是解决这类问题所面临的最大问题。同时，将生命周期评价体系模型集成于通用的过程流
2、程模拟软件中也是一个必然的趋势。关键词：生命周期评价；过程设计；过程优化；多目标优化1引言长期以来，化学工业一直是高污染、高能耗的形象。近年来，日 趋 严 峻 的资源、环 境及安全等方面的约束，要求过程工业企业必须利用先进的信息、控制与系统技术，改善生产和管理。在这种情况下，九十年代初借鉴于在机械、电子等制造行业得到蓬勃发展的 CIMS概念，流程工业提出了 CIPS (Computer Integrated Process System)概念。其目的是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有关生产技术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部
3、生产活动的综合系统，从而达到提高企业经济效益和竞争能力的目的；其核心是“集成”，即通过多种技术的综合，从而达到全企业或全厂的信息集成、任务集成、工具(或方法)集成和人机的协同工作。现在，信息集成的概念已深入到过程系统工程的各个领域。本文研究了生命周期评价在化工过程中的应用，也体现了计算机集成以及智能工程的理念。11 过程系统工程范围的扩展过程系统工程作为一门化工领域中较新的学科,正从传统的中观系统向两头延伸，一方面向以产品设计为代表的微观世界延伸，另一方面向以供应链管理及全球环境化学等为代表的超大规模系统延伸，即逐步从传统的集中在化工过程及其经济方面转向更广泛范围的化学供应链，它包括安全，环境
4、以及经济因素。如图1所示。在这种形势下，2000年，Grossmann 和Westerberg扩展了过程系统工程的定义， 他们定义过程系统工程就是改进化学供应链的创造和操作运行决策过程的学问。论述在众多矛盾目的条件下的化学供应链的发现，设计，制造和配送。作为过程工业企业信息化理论指导的过程系统工程只注重生产过程的物料流, 能量流的处理已不够.。还必须注意结合经营管理业务中的信息流、 资金流。也就是说，不仅要在企业内部将工作过程、人的参与以及二者间的相互作用。软技术与硬技术的相互作用综合集成起来， 还要将企业本身与其生存的环境相结合。这种过程系统技术和管理科学的综合集成包括三个方面. 系统内部的
5、集成、 系统与环境的集成和系统内外有关信息与人的经验和知识的集成。通过综合集成实现过程企业乃至整个供应链的整体优化和可持续发展。这三个方面是密切联系相互影响的。有人提出这种过程企业系统是由6种流（物质流、 能量流、 信息流、人员流、 资金流和工件流）联接起来的多层次、 多尺度、 多时间标度的多层次结构模型， 而且具有很强的不确定性，这无疑给新世纪的过程系统工程提出新的挑战。12 可持续发展的过程系统工程可持续发展是指一种在保证后代生活质量的前提下，同时满足人类需要及保持全球生态环境的发展方式。为迎接可持续发展的挑战，需要重新考虑所有的工业产品和工业过程的设计、构建，操作及评价。Bhavik R
6、. Bakshi 及 Joseph Fiksel 对可持续过程或可持续产品作了如下定义：可持续过程或产品是将资源消耗和废物的产生限制在一个可接受的水平，满足人类的需要，同时对企业提供持续的经济价值。可持续发展是一个大系统的概念，而不是单个的子系统，因此将可持续性集成于工程中需要将边界大大扩展车间之外，甚至整个公司之外。分析的范围也应扩展到除了经济之外的环境社会等方面。可持续发展的要求对过程系统工程提出了全面的挑战，要求从设计、操作、 优化控制等各个方面都要考虑环境友好性。可以预料，21世纪初期必然是具有环境意识的过程系统工程（或可简称为“绿色过程系统工程”）大发展的年代。同时过程系统工程的分析
7、边界也在不断扩大，最初步的层次是将废物的回收、 再循环和再利用纳入到过程综合范围之中。其次，把不同工艺过程之间的能量及物质集成统一考虑，也就是全厂集成。最高层次是要考虑产品生命周期中的经济与环境效应，即生命周期评价。2生命周期评价方法21 生命周期评价简介生命周期评价是随着人们对环境污染意识的提高以及可持续发展的思想的提出而产生的。生命周期评价（LCA）是用于从头至尾地评价产品，过程或行为的方法，即从原料的提取到最终的处理。环境有毒品和化学品协会（SETAC）和世界标准组织（ISO）对 LCA 方法进行了一般性的框架定义。SETAC 对生命周期评价的定义为：这“是一个通过对利用的能量和物料以及
8、排到环境中的废物进行确定和分析来评价与此产品，过程或行为相关的环境负担的过程，最终确定和评价提高环境影响的机会” 。生命周期评价较其他分析方法，如环境影响评价（EIA）的优点是它扩展了系统的边界使之包括了产品或过程的整个生命周期内对环境的负担和影响，而不只是集中于生产地所产生的排放物和废弃物。SETAC 定义的 LCA 的方法框架由以下四个阶段组成。各个阶段的相互关系如图 2 所示：图 2：LCA 各个阶段的相互关系211 目标定义及范围在这一阶段，需要确定所要研究的体系的范围。图 3 是环境体系分析的示意图。经济系统产生物品或服务，需要能量和物料。在 LCA 中，系统是包括整个生命周期内所有
9、的影响，因此，进入系统的物料是基础资源。图 3 环境体系分析212 清单分析在这一阶段需要考虑物料平衡和能量平衡并量化环境负担。环境负担定义为资源消耗和废物排放。213 影响评价将上一阶段的环境负担集成为几类影响（称为分类） ，并且评价其潜在影响（称为特征化） 。在这一阶段，有几种方法可用于确定和量化环境影响。应用最广泛的是 Heijungs 等人提出的“面向问题 ”方法。这种方法是将环境负担按照对特定的潜在环境影响（如全球变暖潜力，酸雨，臭氧层破坏等）的贡献大小集成起来考虑。如，确定气体 ch4 和其他vocs 的潜在的全球变暖影响是以 co2 作为参考气体来考虑的。在这一阶段，也有人将这些
10、影响通过加入权重集成为单一环境影响函数。当然这一方法还有很多争议。214 提高评价在最后一个阶段中，SETAC 方法是提高评价，目的是确定提高体系行为的可能性。而在 ISO 方法中，这一阶段称为解释。除了提高和创新外，还包括灵敏度分析和最终推荐。生命周期评价方法还在继续发展，但是它已经开始应用于化工过程的设计，和优化中。Adidsa Azapagic 对这些方面进行了全面的综述。22 LCA 用于过程优化传统的化工过程体系的优化集中于是经济目标最大化。最近 10 几年开始考虑将提高环境行为和经济标准一起集成到系统优化中。这方面的工作包括费用最少排放物的质量交换网络，以及产生最少废水等。这些方法
11、因为减少了废物量和处理费用，对环境和经济性都有提高。这些方法的缺点是只考虑了从车间排放的废物，而没有考虑生命周期的其他阶段。将生命周期思想集成于过程设计和优化就将环境影响与过程操作和经济性联系在了一起。一般来说，将 LCA 思想继承与过程优化包括以下3 个步骤：1） 进行生命周期评价研究2） 形成 LCA 的多目标优化问题3） 多目标优化求解，选择最好的解23 多目标优化问题在上述的化工过程优化中，多目标优化问题是里面的关键问题之一。本节对此作一详细介绍。在 LCA 的情况下的优化问题与传统的优化问题的不同之处是它不仅包括经济函数，还包括环境目标，环境目标是以环境影响来表示的。因此就从传统的单
12、目标问题转化为多目标问题。多目标优化问题不同于单目标优化，它要同时优化多个互相冲突的目标函数。多目标优化问题的解是一个解集，称 Pareto 解集。Pareto 平面上任何一个目标函数的增加都是以其他目标函数的减少为代价的。因此，必须在各个目标函数之间进行权衡以得到一定情况下的最优解。在两个目标函数时，Pareto 最优解可以以图形表示。如下图所示。f2f1ABCD图 4 Pareto 最优解的概念在 Pareto 解集上,A,B,C 三点都是最优解，最终的选择要根据具体情况来定，而 D 点则不是最优解。一般来说，在 LCA 的情况下的多目标优化（MO）问题一般是下面的形式：其中，f 是经济目
13、标和环境目标函数；x, y 分别是连续变量和整型变量，h(x,y)=0 是等式约束，可能是物料平衡和能量平衡； 是非等式约束，可以描述物料的可用性，热量需求等。向量 n 可能包括物料流，能量流，压力，组成等等，向量 q 可能表示替代物料或者是一些原料运输中的卡车等。上述问题就形成了一个混合整数非线性规划问题（MINLP） 。典型的经济目标包括成本和利润函数，定义为：其中，c 为整型变量的成本或利润系数；f(x) 是与连续变量有关的线性或非线性函数。而环境目标函数是以负担 Bj 和影响 Ek 来表示：其中， 表示与连续变量 有关的扩散系数， 表示负担 的相对贡献值。有许多软件包可用于解决此类问题
14、，其中 GAMS 可能是在化工过程应用领域应用的最广泛的一个。最终，环境目标和经济目标可以分别加入一个重要性的权重而集合成为一个目标函数，这样，多目标优化问题可以降为单目标问题。但是多目标问题的优点是它能得到 Pareto 解集，从而留给决策者权衡的余地。24 LCA 用于过程设计一个化工过程的生命周期包括科研/ 开发、过程概念设计(过程综合) 、初步设计、施工图设计(详细工程设计) 、建设施工、开车/ 运行、改造/ 维修、关闭/ 拆除等多个阶段.在过程生命周期的各阶段考虑环境影响的机会是大不相同的. 早期阶段过程变化的自由度大, 废物削减的机会也就多, 所引起的投资也少。一旦到工厂建成开车, 则即使有机会减少污染, 改造投资的费用也大得多。这种情形如图 5所示。结论是: 避免污染或环境影响最小化的关键步骤在于概念设计（过程综合）阶段.图5 过程生命周期各个阶段对环境影响的机会过程设计是一个多目标多层次的复杂问题，对这一问题的研究也有很多的方法，主要有以下几种：1）分层次决策法过程设计固有的层次性使层次设计法成为不可或缺的工具. 该方法将过程设计分成若干个层次，在每一层次中提出若干需要决策的问题。这些问题包括
