關(guān)于鐵路運(yùn)輸生命周期評(píng)價(jià)的研究論文
鐵路運(yùn)輸是我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系的骨干，2010年鐵路貨物周轉(zhuǎn)量為2. 76 × 1012 t·km，占全國(guó)總貨物周轉(zhuǎn)量的19. 5%; 同時(shí)，鐵路運(yùn)輸?shù)纳芷谶^程也造成了大量的資源能源消耗和環(huán)境污染. 因此，研究鐵路運(yùn)輸?shù)纳芷诃h(huán)境影響和資源能源利用情況，不僅有利于鐵路行業(yè)的環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排，也可為工業(yè)產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)提供必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).
國(guó)內(nèi)對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境影響問題研究很多. 宋金鵬等對(duì)我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)哪茉聪那闆r進(jìn)行了研究; 曹大勇等對(duì)鐵路、公路、水運(yùn)等交通方式的能耗及CO2排放進(jìn)行了對(duì)比分析. 但上述研究?jī)H包含運(yùn)輸階段，并未包含能源生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等其他生命周期階段. 近年來國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者提出采用LCA( life cycle assessment，生命周期評(píng)價(jià)) 法對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià). Hakan 等分別以Bothnia 鐵路和California 高速鐵路為例，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)( 包括鐵軌鋪設(shè)、隧道、橋梁建設(shè)、車站建設(shè)) 、機(jī)車制造、燃料生產(chǎn)及運(yùn)行階段進(jìn)行了全生命周期評(píng)價(jià). 國(guó)內(nèi)廖千家驊在闡述規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系理論的基礎(chǔ)上，提出了基于LCA模式下的鐵路規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系; 陳淑連等論述了節(jié)能技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)框架及其在鐵路節(jié)能評(píng)估中的應(yīng)用; 張宇峰對(duì)鐵路貨運(yùn)的運(yùn)輸階段和燃油生產(chǎn)階段進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)，得到了生命周期清單及生命周期中的資源能源利用和污染排放情況. 但國(guó)內(nèi)已有的鐵路運(yùn)輸LCA 研究中主要存在2 個(gè)問題: ①系統(tǒng)邊界不完整. 現(xiàn)有研究中系統(tǒng)邊界多僅包括運(yùn)輸階段和燃料生產(chǎn)階段，未包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段. ②評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠全面. 現(xiàn)有研究中評(píng)價(jià)指標(biāo)多為運(yùn)輸階段的能耗及CO2排放，較少涉及SO2、NOx、顆粒物等其他污染物及其他資源消耗，尤其是沒有針對(duì)我國(guó)目前非常關(guān)注的節(jié)能減排政策目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià). 此外，電力機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸近年來發(fā)展的重點(diǎn)，其與內(nèi)燃機(jī)車的對(duì)比一直是研究的熱點(diǎn)，而現(xiàn)有研究多數(shù)僅針對(duì)二者在運(yùn)輸階段的能源消耗的對(duì)比，鮮見對(duì)二者整個(gè)生命周期的環(huán)境影響的定量化研究，易導(dǎo)致忽視上游動(dòng)力燃料生產(chǎn)帶來的環(huán)境影響轉(zhuǎn)移的問題.
該研究以2010 年我國(guó)鐵路運(yùn)輸貨運(yùn)為例，采用LCA 方法對(duì)鐵路運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、上游動(dòng)力及燃料生產(chǎn)、機(jī)車運(yùn)行等生命周期階段進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和建模，計(jì)算鐵路運(yùn)輸生命周期的清單、環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)以及節(jié)能減排指標(biāo)，分析鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕h(huán)境影響類型及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在鐵路運(yùn)輸全生命周期環(huán)境影響中的所占比例; 同時(shí)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的生命周期環(huán)境影響進(jìn)行對(duì)比，以期為鐵路部門實(shí)現(xiàn)行業(yè)節(jié)能減排提供參考.
1 評(píng)價(jià)方法
1. 1 目標(biāo)與范圍定義
該研究旨在分析鐵路運(yùn)輸生命周期的環(huán)境影響，因此選取完成1 t·km 貨物周轉(zhuǎn)量作為L(zhǎng)CA 功能單位. 系統(tǒng)邊界包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、上游動(dòng)力及燃料生產(chǎn)、機(jī)車運(yùn)行. 根據(jù)國(guó)外的研究[，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施中的輔助性建筑對(duì)鐵路運(yùn)輸生命周期的影響比例較小，故該研究不包括信號(hào)設(shè)施、噪音隔絕墻等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè). 此外，鑒于目前數(shù)據(jù)缺乏，該研究未包括機(jī)車生產(chǎn)及鐵路維護(hù)和報(bào)廢階段.
1. 2 建模與數(shù)據(jù)收集
鐵路運(yùn)輸?shù)纳芷谶^程,采用eBalance軟件完成LCA 建模計(jì)算與分析.
1. 2. 1 機(jī)車運(yùn)行階段
內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車分別以柴油和電力為動(dòng)力，根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》對(duì)鐵路客、貨運(yùn)輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)，內(nèi)燃機(jī)車柴油消耗量為2. 640 gN( t·km) ，電力機(jī)車電力消耗為0. 010 24 kW·hN( t·km) . 該研究近似將上述能耗數(shù)據(jù)作為貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的數(shù)據(jù).內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生多種污染物， 污染物排放數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的排放系數(shù)及耗油量計(jì)算得到. 采用我國(guó)鐵路行業(yè)實(shí)測(cè)排放系數(shù)( 每g 燃油消耗的污染物排放量) 來計(jì)算內(nèi)燃機(jī)車的環(huán)境排放，其中，CO2的排放系數(shù)取3. 16 gNg;CO、NOx、SO2的排放系數(shù)則采用蔡惟謹(jǐn)?shù)葘?duì)3 種內(nèi)燃機(jī)車測(cè)試的平均值，分別為7. 1 × 10 - 3、50. 3 ×10 - 3和2. 2 × 10 - 3 gNg; 煙塵和碳?xì)浠衔锱欧畔禂?shù)則采用鐵道部勞動(dòng)衛(wèi)生研究所及鐵道機(jī)車車輛研究所的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別為15. 2 ×10 - 3和5. 1 ×10 - 3 gNg.電力機(jī)車在運(yùn)行過程中使用電力，其運(yùn)行過程本身不會(huì)直接產(chǎn)生污染物，因此不考慮其運(yùn)行過程的污染物排放.
1. 2. 2 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段
由于缺乏全國(guó)平均的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)據(jù)，該研究以大瑞鐵路大理—保山段的建設(shè)數(shù)據(jù)作為全國(guó)平均數(shù)據(jù)的近似，以分析鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的環(huán)境影響. 大理—保山段全長(zhǎng)133. 641 km，根據(jù)其建設(shè)資料得到該段鐵路的能源和材料消耗清單，包括電力、汽油、柴油、水泥、石灰、碎石及鋼管、型鋼、鋼軌等，以1 t·km貨物周轉(zhuǎn)量的消耗量進(jìn)行折算和統(tǒng)計(jì).
假設(shè)全國(guó)鐵路單位長(zhǎng)度的`周轉(zhuǎn)量基本接近，2010年全國(guó)年貨物周轉(zhuǎn)量為2. 76 × 1012 t·km，年?duì)I業(yè)鐵路長(zhǎng)度為66 239 km. 根據(jù)式( 1) 計(jì)算全國(guó)平均分?jǐn)偟? t·km 貨物周轉(zhuǎn)量的鐵路建設(shè)所需的各項(xiàng)材料消耗量( Q) .鐵路各部分的使用年限有差異，該研究中大理—保山段鐵路主體工程( 包括路基、橋梁和隧道等) 的使用年限設(shè)為100 a，鐵軌的使用年限為20 a.由于鐵路建設(shè)階段施工程序復(fù)雜，并且其建設(shè)過程中的污染物排放數(shù)據(jù)難以獲得，故在該研究中未包含。
1. 2. 3 鐵路運(yùn)輸上游原料及能源生產(chǎn)過程
內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)輸和電力機(jī)車運(yùn)輸?shù)纳嫌芜^程分別為柴油生產(chǎn)和電力生產(chǎn)，鐵路建設(shè)的上游過程包括煤炭、石灰、碎石等原料的開采與運(yùn)輸，以及水泥、汽油、電力、鋼鐵、鋼筋等的生產(chǎn). 這些過程的生命周期清單數(shù)據(jù)絕大部分來自于中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫( CLCD) ，并且假設(shè)鐵路行業(yè)所使用的電力與全國(guó)電網(wǎng)電力相同. 另外，鋼絲、膨潤(rùn)土、石屑、瀝青、木柴、玻璃纖維這6 種數(shù)據(jù)來自國(guó)外Ecoinvent數(shù)據(jù)庫，其對(duì)計(jì)算結(jié)果的貢獻(xiàn)均不超過1%.
2 結(jié)果與討論
2. 1 特征化指標(biāo)與歸一化分析
生命周期中具有同類環(huán)境影響的物質(zhì)，按照其相對(duì)于基準(zhǔn)物質(zhì)的當(dāng)量因子( 即LCA 特征化因子) ，可以折算并累加在一起，稱為該影響類型的生命周期特征化指標(biāo). 如生命周期中各種溫室氣體排放可以折算為CO2當(dāng)量值并累加得到溫室效應(yīng)指標(biāo)，而生命周期中含有N、P 元素的各種污染物排放可以折算為PO43 - 當(dāng)量值并累加得到富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo).選擇6 種常見的生命周期環(huán)境影響類型指標(biāo)進(jìn)行分析，包括非能源資源消耗( kg，以煤資源計(jì))、一次能源消耗( kg，以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))、富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)( kg，以PO43 - 計(jì)) 、酸化效應(yīng)( kg，以SO2計(jì)) 、溫室效應(yīng)( kg，以CO2計(jì))及可吸入無機(jī)物( kg，以PM2. 5計(jì)). 由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中能源及原材料等生產(chǎn)過程的有毒物質(zhì)排放數(shù)據(jù)尚不完整，故未對(duì)鐵路運(yùn)輸生命周期所造成的毒性影響進(jìn)行分析. 同時(shí)，由于生命周期評(píng)價(jià)與傳統(tǒng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)不同，故該研究未考慮鐵路建設(shè)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的破壞.
2. 2 生命周期節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)
在《“十二五”國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要》( 以下簡(jiǎn)稱《綱要》) 中規(guī)定了7 種主要的節(jié)能減排約束性政策目標(biāo). 《綱要》指出，到“十二五”末期，單位GDP 能耗和CO2排放分別削減16% 和17%，單位工業(yè)增加值的水耗削減30%，而主要污染物SO2和CODCr年排放總量均削減8%，NOx和氨氮年排放總量均削減10%. 按照《綱要》預(yù)計(jì)的GDP 年增長(zhǎng)率7%估算，單位GDP 的SO2和CODCr排放總量削減達(dá)34%，單位GDP 的NOx和氨氮排放削減總量達(dá)36%.各種產(chǎn)品的生命周期過程都將產(chǎn)生上述資源消耗和污染物排放，直接影響到節(jié)能減排政策目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此評(píng)價(jià)各種產(chǎn)品及技術(shù)方案的生命周期節(jié)能減排效果十分重要. 但由于節(jié)能減排評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)( 多指標(biāo)) 的評(píng)價(jià)問題，在對(duì)比分析不同技術(shù)方案的生命周期節(jié)能減排指標(biāo)時(shí)( 如對(duì)比內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車時(shí)) ，每個(gè)方案均可能分別有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)指標(biāo)，因而難以確定哪種技術(shù)方案更有利于節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn). 在這種情況下，需要將每個(gè)方案的多個(gè)指標(biāo)加權(quán)求和，得出單一的生命周期綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，才能在方案對(duì)比時(shí)得出明確的結(jié)論.生命周期節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)方法( energyconservation and emission reduction evaluation method，ECER 方法) 是基于我國(guó)節(jié)能減排政策目標(biāo)的一種綜合加權(quán)算采用ECER 方法評(píng)價(jià)鐵路運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境影響，結(jié)果表明，初級(jí)能耗、NOx、CO2、CODCr、SO2、氨氮和工業(yè)用水量分別占ECER 的30. 90%、27. 50%、21. 60%、析和敏感度分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)ECER 主要的貢獻(xiàn)來自于電力生產(chǎn)過程、內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)輸過程和柴油生產(chǎn)過程. 內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車運(yùn)輸過程數(shù)據(jù)敏感度最大.
2. 3 內(nèi)燃機(jī)車與電力機(jī)車的對(duì)比
采用ECER 方法對(duì)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的綜合環(huán)境影響進(jìn)行對(duì)比研究，電力機(jī)車與內(nèi)燃機(jī)車相比，除SO2的ECER 值明顯高于內(nèi)燃機(jī)車外，其他污染物的ECER 值與內(nèi)燃機(jī)車持平或小于內(nèi)燃機(jī)車，其綜合節(jié)能減排影響比內(nèi)燃機(jī)車低41. 91%.
2. 4 生命周期檢查
2. 4. 1 完整性檢查
完整性檢查的目的是確保影響評(píng)價(jià)及解釋所需的所有相關(guān)信息和數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得且保持完整. 該研究以內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)輸過程為例進(jìn)行完整性檢查，. 與Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫中相近的數(shù)據(jù)集列表進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除前文說明因貢獻(xiàn)不大而忽略和因缺乏數(shù)據(jù)而未包含的信息外，該研究所涉及的單元過程清單數(shù)據(jù)和系統(tǒng)邊界基本完整.
2. 4. 2 一致性檢查
一致性檢查的目的是確認(rèn)假設(shè)、方法和數(shù)據(jù)是否與目的和范圍的要求相一致，主要包括技術(shù)、時(shí)間、地域的一致性檢查和數(shù)據(jù)來源. 一致性檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)車運(yùn)行、柴油生產(chǎn)及電力生產(chǎn)等單元過程的數(shù)據(jù)基本代表了全國(guó)的技術(shù)平均水平，時(shí)間代表了2007—2010 年的數(shù)據(jù)，地域代表了中國(guó)，數(shù)據(jù)主要來源于統(tǒng)計(jì)年鑒等權(quán)威數(shù)據(jù)，基本符合目的與范圍定義的要求. 但由于缺乏全國(guó)平均的鐵路建設(shè)階段的數(shù)據(jù)，該研究中鐵路建設(shè)過程以大理—保山段建設(shè)數(shù)據(jù)代替全國(guó)平均，可能會(huì)造成結(jié)果偏差. 考慮到鐵路建設(shè)在生命周期中的重要性，下一步研究應(yīng)補(bǔ)充更多鐵路建設(shè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估.
3 結(jié)論
a) 歸一化分析表明，鐵路運(yùn)輸生命周期的主要環(huán)境影響類型為富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和可吸入無機(jī)物，分別占全國(guó)相應(yīng)環(huán)境影響類型總量的0. 92%、0. 70%和0. 62%，表明鐵路運(yùn)輸所造成的環(huán)境影響對(duì)全國(guó)總環(huán)境影響的貢獻(xiàn)相對(duì)不大.
b) 對(duì)特征化指標(biāo)的貢獻(xiàn)分析表明，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及上游原料生產(chǎn)階段各環(huán)境影響類型在鐵路運(yùn)輸生命周期環(huán)境影響中所占比例在9. 45% ( 富營(yíng)養(yǎng)化) ～ 73. 55% ( 非能源資源消耗) 之間，表明其對(duì)鐵路運(yùn)輸全生命周期環(huán)境影響貢獻(xiàn)明顯，不容忽視.
c) 從節(jié)能減排政策看，鐵路運(yùn)輸主要的環(huán)境影響指標(biāo)是初級(jí)能耗、NOx和CO2，其分別占ECER 的30. 90%、27. 50%和21. 60%.
d) 電力機(jī)車的生命周期綜合環(huán)境影響比內(nèi)燃機(jī)車低41. 91%，電力機(jī)車的節(jié)能減排效果優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)車.
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