中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年　第19卷　第3期　Vol.19 No.3 1999



生命周期清单分析中的分配方法
杨建新　王寿兵　徐 成
摘要：主要分析了生命周期清单分析中多产品系统和开环再循环系统中所存在的分配问题,详细探讨其分配原则,评述了当前国际学术界和产业界所采用的各种分配方法,结果表明,对等分配法是目前适合于我国国情的比较合理的分配方法.
关键词：清单分析；分配方法；多产品系统；再循环
中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(1999)03- 0285- 04
Allocation rule in life-cycle inventory.
YANG Jian-xin1,WANG Shou-bing2,XU Cheng1 
(1.Department of System Ecology,Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080, China；2.Department of Environment and Resources Biology, Fudan University,Shanghai 200433,China). China Environmental Science, 1999,19(3)：285~288
Abstract：The allocation exists in the co-product system, and the open-loop recycling system. The specific allocation and its allocation principles in relation to these systems are discussed in great detail. Additionally a review of allocation methods at the international research cycles are made. Finally the 50:50 methods is proposed to be used in the Chinese situation.
Key words：life cycle inventory；allocation；co-product；recycling
　　生命周期评价(life-cycle assessment, LCA)作为90年代主要环境管理工具之一,已被纳入ISO14000环境管理标准体系之中,成为当前国际产业界和学术界关注的焦点和研究热点.但在已正式颁布的ISO14040标准中,仅规范了开展生命周期评价的一般原则和方法[1].具体技术方法仍需研究者和实施者根据具体情况进行分析和选择.分配问题是整个LCA中清单分析的重点和难点,直接影响研究进程和研究结论.为此很多会议和文献均讨论有关分配的理论与方法[2-4].本文试图通过分析不同工业系统中的分配问题,比较国际上各种分配方法的优缺点,探讨适合我国国情的分配方法,为我国深入开展LCA研究与应用提供了理论基础与指导方法.
1　生产系统与分配问题
　　生命周期清单分析,即针对产品系统所有单元过程的输入和输出(原材料、能源、环境排放)进行清查和计算.然而实际生产单元过程不可能总是只有一种原料(或产品)输入(或输出),而且生产工艺常通过原料或配件互相连接,因此就需要对系统的输入和输出在各产品中进行分配.分配通常出现在多产品系统及开环再循环过程中.
1.1 多产品系统
　　当多种产品同时产出于某个生产工艺时,就构成多产品系统.如燃煤热电厂,电和热作为共同产品输出,需要确定多少煤用于发电和产热,以及生产一单位电将释放多少CO2,生产一单位热释放多少CO2等问题.因此与生产电力、热相关的工艺过程,如采煤、运输和发电过程都需要进行分配.多产品系统的特殊形式是基础设施共享系统和废物处理系统.许多生产工艺共同使用的基础设施(如照明、动力、电力、热力系统等)可以有效地降低企业生产成本.与基础设施相联系的生产工艺过程可能已经超出了所研究系统的边界,从产品上讲,可能不存在共同产品,但必须对生产设施所支持的所有工艺过程(或产品)进行分配;在废物处理系统中,如果是该处理系统共用的支持系统(如电力系统),就需要进行分配,若非共用,就不必进行分配.
1.2 生产系统的再循环过程
　　工业生产过程实际上存在着复杂的再循环利用过程,即边角料、副产品或废旧产品等在生产工艺的重新利用.由于再循环的出现,改变了生产工艺中的物流、能流的方向和流量,构成了复杂的相互连接的工业生产系统.再循环通常存在两种方式,即闭环再循环(closed-loop recycling)和开环再循环(open-loop recycling).
1.2.1 闭环再循环 闭合再循环指一个生产系统内,一些副产品、边角料或废弃物被重新利用或回用.如回收玻璃渣或废旧玻璃瓶重新制成玻璃瓶,在该循环中,玻璃被重复多次利用,等于减少了原材料的使用和初级原料的生产,也就相应减少了与原材料采掘和生产相联系的能源、物料的投入和对环境的排放.
1.2.2 开环再循环 开环再循环是与闭环再循环相比较而言的,是指一个产品系统的副产品、废弃物或产品在消费后被重新收集、处理,然后被另一产品系统作为原材料再利用.只有开环再循环才存在分配问题.
　　开环再循环中要研究解决的分配问题主要是再循环产品或物质的收集处理过程应该分配给哪个产品系统;资源采掘或获取过程是否应该完全分配给利用原生材料进行生产的初级系统;最终的废物处理过程是否完全分配给最后利用该物质的产品系统.
2 分配原则与方法
　　分配实际上是对现有生产工艺的物理形式进行的主观描述,因此,必须根据所作LCA的研究目标来进行.
2.1 分配原则
2.1.1 原则I 尽可能避免分配问题的出现,通过分析工艺之间的因果关系,将可以分解的工艺继续分解以消除虚假的共同工艺,即将具体的工艺过程和环境交换与具体产品对应起来,从而避免分配问题的出现;扩展系统边界,通过扩展产品系统边界,将系统外输入和输出纳入所研究的系统中,从而避免出现分配,但扩展系统边界的做法必须要和研究目标相一致.
2.1.2 原则II 在无法避免分配的情况下,通过确定所研究工艺的所有功能单位的输入或输出比例进行分配.
2.2 分配方法与步骤
2.2.1 多产品系统的分配 多产品系统分配的目标就是要找到一个分配参数,以尽可能的反映系统本身的物理行为.通常采用产品的重量、能量、能质、面积、体积、摩尔值等物理参数进行分配.例如最常见的形式是以每种产品的相对重量大小来分配系统的输入和输出.图1是一个简单的两种产品的生产系统,上部为实际生产过程,下部为根据产品A和产品B的重量比例进行的分配方案.通过对产品A和产品B的重量分布,对能源、原材料和最终的固体废物进行同比例的分配.

图1　多产品系统的重量分配法
Fig.1 Allocation by weight in co-product system
　　对某些特定的系统,也可以采用物质干重、化学计量(分子量等)和反应热等作为分配参数.如干重方法比较适合农产品生产系统,因为采用干重进行分配可以避免将过多的输入和输出分配给某些含水量大的产品.以化学计量学为基础的分配可更精确地把资源分配到复杂化学反应的共同产品上.如果一种原材料的分子在化学反应中只贡献于多产品系统中的一种产品,则将这种原材料分配给该产品,这比用重量分配更合理.以反应热为基础的分配可使用于同时有多种稀烃类产出的系统.
　　在找不到明确的物理分配方法时也可采用产品经济价值进行分配.但一般不鼓励采用,因为清单分析以物理参数为基础,而经济价值不是一个物理参数,尤其是对一些高技术含量的产品,其重量通常很小而经济价值却很高,对此采用经济价值分配显然是不合适的.
2.2.2 开环再循环的分配 图2是一个开环再循环的系统模型,由于废物1 和废物2被系统B作为部分原料利用而构成一个开环再循环.而主要问题是如何将系统A输出的废物流在产品A 和产品B之间进行分配.在该系统中,需要进行分配的环境负荷包括:原生材料生产过程中的环境负荷;与废物处理系统相关的环境负荷;再循环过程中的环境负荷.

图2　开环再循环中的分配
Fig.2 Allocation in open-loop recycling system
　　SETAC提出了一种对等分配法(即50:50法),即将产品中原材料生产和产品最终作为废物处理造成的环境负荷由原材料生产和废物处理系统各负担50%;而再循环过程所造成的环境负荷也由提供再循环材料的系统和接收再循环材料系统各负担50%.尽管这种方法常常掩盖了产品系统输入和输出中各种能流和物流的相对大小和重要性,但在实践中,由于其它方法经常缺乏足够的数据,而使对等分配法成为目前应用最为普遍的方法.由于开环再循环明显地减少了要处理的废物量和需要提供的原生资源,而且从理论上讲,开环再循环所减少的废物处理量一般属于产生该废物的产品系统;而减少的原材料投入则属于利用该循环材料的产品系统.对等分配方法实际上没有考虑再循环的实际情况,即当再循环经济价值不高时,实际上原材料生产系统承担了过多的再循环过程中的环境负荷.
　　假设上述模型系统中共生产了100个单位的产品A,其中60个单位被回收重新作为生产70个单位的产品B的原材料之一,产品B在使用后再进行燃烧处理.那么与60个单位产品A相关的输入和输出是否分配给系统A.根据分配原则,原材料生产的环境负荷A1,使用后产品A的收集、分类和分离的环境负荷A2,以及最终的废物处置过程的环境负荷B3应该在系统A和系统B之间进行分配,但实际上两个系统间的环境负荷只与60个单位的产品A有关.因此:
A1=60/100=60% A2＝100%
如果产品A和产品B由同种材料组成,那么废物处理的环境负荷B3为:
B3=60/70＝86%
采用均等分配的原则,产品A将承担的环境负荷为:
L(A)=0.50×(0.86× B3+100×A2+0.60×A1)
　　美国国家环保局除了推荐采用对等分配法外,又提出两种分配方法:
　　方法1是假设产品B完全由再循环材料来生产,而产品A的循环原材料比例低于100%,那么就完全由产品B来承担.这是一种“惩罚”再循环系统的方法.实际上这种特殊情况在实践中并不多见.
　　方法2是假设产品A是产品B的原材料,通过赋予被循环产品A一个废物处置因子,而将有关再循环的所有输入和输出都由产品系统A承担;同时赋予产品B一个节省原材料的得分,而将废物处理有关的环境负荷由产品系统B承担.该方法适用于两个产品系统的原材料和生产工艺不同的情况下.
　　另有一些根据不同的比例关系进行分配的方法,如1994年Karlsson提出的一种分配方法,即原材料生产和废物处理过程中的环境负荷与最终进入环境中物质量成正比;再循环过程的环境负荷与进入再循环过程的物质量成正比.分配的目标在于使单位产品的环境影响最小,而不是追求100%的再循环.Hauschild等人[5]则提出了根据产品中物质含量比例进行分配,这种方法考虑了不同的再循环层次的循环效率问题,适用于再循环材料的多级利用过程.而Vigon等人[6]则假设原材料生产和废物处理的环境负荷按照没有再循环的系统进行分配,然后考虑由于再循环所减少的环境负荷与产品中该物质的量成正比;而再循环本身造成的环境负荷也与产品中该物质量成正比.
　　总之,目前在生命周期清单分析中,并不存在统一的分配方法,各种方法各有优劣,而且在实际的工业生产工艺中,多产品系统、闭环再循环和开环再循环常常互相嵌套,应针对具体情况采用适当的方法.
3　结　语
　　分配问题主要涉及多产品系统(包括废物处理系统)和再循环系统.但在实践中,针对特定的产品功能单位或工艺的数据常常十分缺乏,尤其是如中国这样的发展中国家,工业生产的工艺数据十分缺乏,大量的数据是针对生产厂家而不是针对产品或工艺.因此大量的系统属于多产品系统,而且很难将其分解.就再循环而言,工厂一般仅有工厂内部再循环(包括闭环再循环和开环再循环)的一般性数据,对于工厂外的再循环数据几乎是空白.分配问题仍是一个亟待研究和解决的问题.目前,对等分配法仍是较好的选择,在某些特定情况下,也可尝试采用比例分配法.
作者简介：杨建新(1965-),男,宁夏吴忠人,中国科学院生态环境研究中心副研究员,主要从事区域、城市生态学及产业生态学研究.承担过欧盟项目“工业初级产品生产过程中的生态持续性研究”、 国家自然科学基金项目“我国企业环境行为生命周期管理对策研究”等研究工作.合作论著1本,发表论文20余篇.
作者单位：杨建新　徐 成　中国科学院生态环境研究中心系统生态室,北京100080；
　　　　　王寿兵　复旦大学环境和资源生物系,上海200433
参考文献：
[1]ISO.Environmental management-life cycle assessment- priciples and framework [S](ISO 14040).1997.
[2]SETAC. Guidelines for life-cycle assessment: a code of practice [M]. Brussels: SETAC Europe,1993.11.
[3]Walter Klopffer. Allocation rule for open-loop recycling in life cycle assessment [J].International Journal of Life Cycle Assessment,1996, 1(1):27- 31.
[4]Karlsson R. LCA as a guide for the improvement of recycling [A]. Proceedings of the European Workshop on Allocation in LCA [C]. Leiden. CML,1994.18- 28. 
[5]Hauschild Michael, Henrik Wenzel.Environmental assessement of products[M]. London: Chapman &Hall. 1997. 541- 565.
[6]Vigon B W, Tolle D A, Cornaby B W, et al. Life cycle assessment: inventory guidelines and principles[M]. Cincinnati: EPA Press,1993.87- 93.
收稿日期：1998-08-05
