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岸桥的寿命周期评估
——一个中国的案例研究
摘要
中国是世界上重要的岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）生产国和出口国。岸桥作为集装箱码头的关键设备，为全球贸易提供支持。然而，与此同时它对空气质量产生了负面影响，此外还对能源消耗产生了不利影响。为了减小岸桥的对环境的有害影响，以提高该行业的可持续性，通过生命周期评估其环境影响是非常有必要的。该研究对中国制造的岸桥进行了“从生产到报废”的生命周期评估。其目的是确定影响环境的关键环节，并寻找改善岸桥环境概况的机会。库存数据来自于对中国上海的岸桥生产商的现场调查。使用ReCiPe方法在中点水平评估环境影响并操作GaBi 6.0评估软件。结果表明，在使用阶段几乎所有的环境影响类别和生命周期成本都相对较高。钢铁生产阶段是影响环境退化的最重要因素，如淡水生态毒性，金属消耗，淡水富营养化和臭氧消耗。因此，材料的回收，例如在报废阶段翻新后的钢材的再利用，可以显著减小大部分环境影响。此外，采用敏感性分析和经济分析来提高生命周期评估结果的可靠性。基于这些发现，可以提出一些改进措施，例如，岸桥的电机效率优化设计被认为是减少应该紧急改善的环境影响的最有效方法。寿命周期评估法可以帮助决策者了解应该简化的关键点，使岸桥更加可靠、节能、技术和环境可持续。
copy;2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。
1介绍
机械制造业是中国国民经济的支柱产业之一，为社会提供了大量的生产资料和产品。然而，它作为传统工业，存在一些问题，例如高能耗，高自然资源枯竭和在环境中排放多种污染物。能源价格、材料供应和新兴环境立法带来的不断升级的压力正在推动制造商采取各种措施来减少材料和能源消耗，特别是对机械设备企业而言（Ball 等，2009）。德国阀门制造商协会报告称，2012年全球机械设备出口增长了8％，利润为931亿欧元（WecheGeluuml;bcke，2012）。德国上述比例上升16.1％位居第一，美国排名以12.1％排名第二，中国超越日本排名第三，占11.2％。 2012年中国机械设备国际贸易额为243亿美元，并继续保持快速稳定增长（中国国家统计局，2014）。中国近90％的全球商品通过集装箱码头出口海运，这极大地推动了中国港口物流的发展（Wang 等，2004）。
集装箱化是一个港口服务的巨大科技创新，它通过引进一个程度相当大的标准化使货物运输的本质产生了变革。作为对外出口最重要的机械设备之一，岸桥在现代集装箱码头交易额中扮演着一个关键的角色。考虑到快速的集装箱化和自动化带来的显著全球贸易增长，近年来岸桥的需求量得到了显著的增长。如今，全世界集装箱起重机的数量已经达到了大约21000台，其中包括12000台岸桥，其他种类的集装箱起重机包括轨道式集装箱龙门起重机、橡胶轮胎集装箱龙门起重机等(Gharehgozli等, 2016)。由于集装箱码头设备升级，预估每年有600台新岸桥的需求，其中超过50%都产自中国（中国国家统计局，2014）。每个港口城市都需要岸桥在集装箱货轮上进行入境和出境集装箱的存储和分派。在货轮进入泊位之后，定位到货轮上的岸桥便按照预先设定好的顺序向（从）货轮上装载和卸载集装箱(Lee等, 2015)。据报道，这个对集装箱的操作过程在岸桥的使用寿命期间造成了很大的电力损耗。在消费者、政府和商人日益增长的对环境问题的警觉的驱使下，岸桥制造者和使用者面临着用不同方法减小岸桥对环境的影响的巨大压力。
寿命周期评估法是一个评估由过程、产品和活动造成的潜在经济和环境负担的系统性的、高效的工具(Sala等, 2012)。它提供了对一个产品从原材料的提炼到最终报废的整个寿命周期所造成的影响的描绘(Xu等, 2015)。寿命周期评估法可以用来定量地定义一个产品的寿命周期，并使我们知道它所需要的能量、所消耗的原材料以及它每个阶段所产生的固体、液体和气体的废物。与此同时，对由制造过程产生的环境影响的初步评估、产品的使用和处理、和原材料相关的效应以及产品所需要的能源储备，都可以被定量分析。另外，为了减小环境影响所应该考虑的具有可行性的措施也可以出台了。因此，寿命周期评估法的概念被证明对制造商设计更环境友好、能源高效和更具技术可持续的产品有帮助。
早前的文献将目光聚焦在了大量的对工业产品的寿命周期分析的研究上。其中一些研究的是太阳能热水器(Koroneos和Nanaki, 2012)，一些研究家用冰箱(Xiao等, 2015)，还有一些聚焦在产品报废的交通工具的回收利用(Li等, 2016)。然而一些和岸桥有关的文献资料却仅仅将注意力集中在操作效率和安全表现上(Al-Dhaheri等, 2016)，到目前为止没有任何的研究讨论过岸桥的生产或其寿命周期对环境造成的影响的分析。
现在的研究是基于在网上调查所获得的数据，对中国制造的岸桥“从生产到报废”的寿命周期的评估。在中国，目前为止还没有开展过任何这方面的调查。现在的研究使用的是典型属性寿命周期评估法。在典型属性寿命周期评估法的框架下，考虑了寿命周期内的环境影响和寿命周期消耗，另外还使用了敏感性分析。这项研究的结果将帮助我们了解中国的岸桥在寿命周期内对环境的影响，并为决策者达成环境可持续性并紧随国家政策的趋势和满足国际需求创造科学的基础。
2方法
2.1.目标和范围定义
在这个研究中，典型属性寿命周期评估法模型，作为一个贯穿寿命周期的方法，帮助分析对环境的不同类型的影响。从最开始的原材料阶段到最后的报废阶段，岸桥整个寿命周期的各个阶段都被加以比较。一个针对一种典型岸桥的现场调查在中国开展，检验了以下几个关键的方面：整个寿命周期中的即时资源、能源消耗和排放物。另外，通过分析潜在的热点识别和情景假设，处理了岸桥清理器的进程并环境友好地和最初的情况进行了比较。为了使这种方法更全面，我们还研究了经济因素。这项工作对于制造者设计出一个对产品最优化的方案非常有帮助。
2.2.功能单位
在寿命周期评估法中，产品在功能等同的基础上进行评估，根据提供给消费者的服务的等效使用来规范化数据。 它还为将过程输入和输出与库存相关联提供参考，并研究跨产品系统的寿命周期评估法影响评估（EPA，2013）。 在这项研究中，功能单位被定义为在中国制造的1,785,055千克的岸桥的完整生命周期，出口到迪拜并使用了20年。 所有材料，废物，排放和能源消耗均基于此功能单位。
2.3.系统边界
根据ISO 14040标准和研究目标，岸桥的生命周期分为钢铁生产，岸桥制造，岸桥运输，岸桥使用和报废阶段。该研究的系统边界如图1所示。原材料生产是指获得用于钢铁生产，岸桥制造和运输材料（例如，铁矿石，乙烷，柴油和液化天然气）的自然资源。岸桥制造包括岸桥钢结构的生产，包括切割，机加工，焊接，喷砂，涂装，工厂内钢构件的运输，零件装配和岸桥性能测试。在岸桥制造阶段也考虑了用于建筑的消耗品。建筑的使用寿命假定为50年。在完成这些生产过程步骤之后，制造了集成的岸桥。岸桥的结构如图2所示。岸桥运输仅涵盖从制造商到用户的岸桥运输。在评估迪拜港的运行条件后，确定应根据断裂力学理论（吴和赵，2010）和岸桥的寿命预测（Ling等，2015）确定使用寿命的使用阶段。因此，根据这些研究人员提出的19.9年至26.5年的寿命预测范围，估计使用寿命为20年。 报废阶段反映了产品在其使用报废时终止的足迹（即回收，焚烧或填埋）。
2.4.数据源
第一手资料来自具有代表性的一个中国岸桥企业，该企业是世界上最大的重型设备制造商之一。 到目前为止，它已为80个国家的200多个港口提供了2000多套岸桥。 此外，包括岸桥，轨道式集装箱龙门起重机，橡胶轮胎集装箱龙门起重机在内的集装箱起重机的市场份额已经超过了过去几年的70％。 第一手资料选自岸桥的设计资料，并同位于上海长兴岛码头的产品部门进行现场调查。 在我们满足数据差距的情况下，相关的背景数据被用作补充（Ecoinvent，2010）。 背景数据由GaBi（6.0版）数据库（PE International，2012），Ecoinvent数据库，文献和统计年鉴提供，以保证数据集的一致性。 表1表示GaBi软件中岸桥的生命周期清单。
2.4.1.钢铁生产
该阶段被认为是岸桥制造过程的上游。最重要的材料由上海宝钢集团提供，该集团是全球第四大钢铁公司。岸桥主要由钢构成，因此其整个寿命周期的环境影响与该钢铁公司有很强的相关性。宝钢以钢铁为核心业务，推出三大产品类别，即不锈钢、碳钢和特种钢。在经营业绩方面，宝钢在国内行业和全球主要钢铁企业中名列前茅（中国钢铁工业协会，2001-2011）。 2015年继续见证宝钢连续第12年出现在“财富”全球500强榜单上，排名第218位（宝钢，2015）。用于钢材防腐涂料的涂料由岸桥常州子公司的涂料厂生产。通过现场访谈和调查获得的主要材料的消耗情况获得了第一手资料。然而，其他一些工厂拒绝提供所有指定材料的详细信息，因为它被认为是技术核心的机密，例如放置在岸桥机械室的电机和各种钢的含碳量。由于一级资源数据无法获得，因此从相关文献中收集了与电机和减速器相关的二级资源（Mobile Organics，2009）。
2.4.2.制造
岸桥企业仅根据钢结构的五个部分提供了材料库存数据，而详细的生产记录因其机密性而被拒绝。 表2列出了每组岸桥的制造阶段材料和消耗品的详细生命周期清单数据。 数据根据岸桥的五个部分分配，即主要钢结构、小车、机械室、龙门车和附件，如前面系统边界所述。该阶段的数据来自制造过程的能量输入、辅助材料输入（例如焊丝、甲烷和焊接保护气体）、消耗品和建筑材料。 表2中展示了用于在工厂区域中运输的用作运输工具（例如叉车、起重机、动力平台车辆、浮式起重机）的柴油和汽油发动机的特定说明的燃料消耗需求。
2.4.3.运输
本研究的目标是一台在中国制造并出口到迪拜的岸桥，因此在本研究中不会假设运输距离。感谢属于岸桥企业的海运部门的数据支持。通过计算上海港与迪拜港之间的运输距离，它提供了更准确的数据支持和信息。所有产品均由岸桥企业使用自己的货船运输，估计距离约为5638公里。从制造商到用户的岸桥运输阶段被分离为单个阶段，并且其他运输阶段（原材料和工厂区域运输）被合并到它们各自的阶段中。
2.4.4.使用
该研究的重点是岸桥，鉴于岸桥的作用是提升集装箱，本研究必须包括评估岸桥在使用阶段的电力消耗所产生的影响。假设岸桥的使用寿命为20年，效率为每年120,000标准箱（以20英尺为当量单位）。每个标准箱将消耗8.5千瓦时的电力。根据上述标准，仅在岸桥的使用阶段将消耗近2040万千瓦时的电力。
2.4.5.报废
由于钢材是一种高价值的可回收产品，几乎所有废钢都在中国通过废物处理厂的磁分离进行回收（Xiao等，2015）。到2012年，全球钢材回收率达到88％。对于每1公斤制造和处理的钢产品，通过二次火法冶金工艺重复使用0.88千克。剩余的代表不可恢复的0.12公斤以填埋的方式处理。回收一吨钢可以节省1100千克铁矿石，630千克煤和55千克石灰石（Organics，2009）。不能回收的零件，如橡胶，岩棉或胶合板，应运至垃圾焚烧厂。假设从岸桥服务的港口到磁选设备、垃圾填埋场或垃圾焚烧厂的运输距离为75公里。 报废阶段的建模可以分为两个不同的部分，首先是废钢回收部分，称为闭环模型，其次是填埋和焚烧部分，也称为截断模型。废钢可以用作原材料，绝大部分可以回收到原始系统，无论是否用于制造岸桥。所以它被认为是闭环模型。然而，垃圾填埋部分和焚烧部分在系统边界不是闭环，在本研究中它们被设定为截止模型。因此，报废阶段被认为是一个重要的阶段，因为它有益于环境并节省资金。
2.5. 寿命周期影响评估和寿命周期成本计算方法
寿命周期影响评估法根据ISO标准涉及几个步骤。这些步骤可以在ISO 14040标准中更详细地找到（ISO14040,2006）。有不同的方法可用于执行生命周期影响评估法。这些方法由使用不同方法的各种科学小组不断研究和开发。在本研究中，我们试图仅关注ISO 14042规定的强制性元素。手稿中未考虑可选的寿命周期影响评估法元素，如加权和分组。
在该研究中，使用ReCiPe方法在中点水平（Goedkoop等，2008）和操作GaBi 6.0评估软件计算寿命周期影响评估法结果。该方法被认为是寿命周期评估法分析中存在的最新方法，并且建立在从Eco-indicator 99（Goedkoop和Spriensma，2000）和Centrum voor Milieukunde Leiden（Guinee，2002）获得的寿命周期评估法结果的基础上。 ReCiPe方法使用具有全球视角的影响机制，并考虑一系列广泛的中点（面向问题的方法）影响类别，如气候变化、臭氧消耗、人类毒性、光化学氧化剂形成、颗粒物形成、电离辐射、地面酸化、淡水水体富营养化、海洋水体富营养化、陆地生态毒性、淡水生态毒性、海洋毒性、农业用地、城镇用地、自然地改造、水源枯竭、金属消耗和化石消耗。本研究仅选择了上述14个关键类别，排除了陆地生态毒性、农业占用、城市占地和自然土地改造。低制造成本被认为是产品设计和工艺规划中最重要的元素之一（Allen，2004）。为了使寿命周期评估法更完善，应该增加经济领域的可持续性作为评估内容（Jin等，2015）。使用寿命周期成本计算法研究成本分析，该方法与寿命周期评估法类似，但考虑成本而不是环境影响（Hong等，2013）。基于寿命周期成本计算方法的经济维度是对产品系统生命周期相关的所有成本的评估，这些成本由产品寿命周期中的一个或多个参与者直接涵盖。它还包括一些预期将在未来决策中内化的外部因素。这种方法涉
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资料编号：[2332]
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