黨朋，蘇桓，劉斌，鄭秋，曾偉，王樂(lè)

1.上海電纜研究所，上海 200093 2.美國(guó)通用電纜(中國(guó))，天津 300308 3.特種電纜技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093

近年來(lái)，鋁合金電纜作為一種新型的電纜，因其優(yōu)越的性能和相對(duì)較低的價(jià)格而迅速發(fā)展成為電纜行業(yè)中一股新生的力量，引起越來(lái)越多的關(guān)注。鋁合金電纜和銅電纜在技術(shù)性能和應(yīng)用場(chǎng)合方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。鋁合金電纜和銅電纜在生產(chǎn)制造及使用過(guò)程中涉及大量的銅鋁資源、能源消耗等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)電纜行業(yè)2011年銅和鋁用量分別達(dá)到484萬(wàn)t(約占全世界銅導(dǎo)體產(chǎn)量的13%)和220萬(wàn)t[1]，且歷來(lái)電工用銅都屬于高品質(zhì)的99.95%和99.99%銅。而我國(guó)銅礦藏匱乏，鋁資源豐富，為鋁及鋁合金在電纜中的應(yīng)用提供可能，線纜行業(yè)專家已經(jīng)指出，鋁及鋁合金芯電纜的應(yīng)用空間巨大[2]。在建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下，從全生命周期角度分析鋁合金電纜和銅電纜對(duì)整個(gè)環(huán)境的影響，對(duì)于這2種電纜的合理使用具有一定的指導(dǎo)意義。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)電線電纜行業(yè)無(wú)論是其產(chǎn)品、工藝或服務(wù)均鮮有相關(guān)的生命周期評(píng)價(jià)(LCA)分析。而國(guó)外僅有少量涉及6類線纜的生命周期評(píng)價(jià)研究[3]。總體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于電線電纜行業(yè)眾多的產(chǎn)品而言，相關(guān)的研究非常少。筆者運(yùn)用LCA方法研究了鋁合金電纜和銅電纜在整個(gè)生命過(guò)程中的環(huán)境影響，對(duì)于了解鋁合金電纜和銅電纜的環(huán)境狀況，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。同時(shí)對(duì)于研究其他電線電纜產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)具有借鑒和參考意義。

1 研究目標(biāo)與范圍

1.1 產(chǎn)品系統(tǒng)

研究的產(chǎn)品系統(tǒng)為具有相同載流能力的鋁合金電纜和銅電纜，其規(guī)格型號(hào)和技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋁合金電纜和銅電纜主要技術(shù)參數(shù)

1)沿墻明敷，環(huán)境溫度30 ℃。

1.2 產(chǎn)品系統(tǒng)功能單元

選取1 000 m長(zhǎng)的電纜作為功能單元。

1.3 系統(tǒng)邊界

鋁合金電纜研究的系統(tǒng)邊界包括原材料(制造導(dǎo)體的鋁桿、絕緣材料和外護(hù)套)的獲取及生產(chǎn)，鋁合金電纜的制造、使用、報(bào)廢回收整個(gè)生命周期過(guò)程。

銅電纜系統(tǒng)邊界包括原材料(制造導(dǎo)體的銅桿、絕緣材料和外護(hù)套)的獲取，銅電纜的制造、運(yùn)輸、使用、報(bào)廢回收整個(gè)生命周期過(guò)程。

2 生命周期清單分析

鋁合金電纜和銅電纜的全生命周期可以分為鋁合金桿銅桿制造、電纜制造、運(yùn)輸、運(yùn)行使用、報(bào)廢回收5個(gè)主要單元階段。按其主要單元過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和清單分析。

2.1 鋁合金桿銅桿制造

鋁合金桿和銅桿分別是制造鋁合金電纜和銅電纜的主要原材料，鋁合金桿和銅桿制造環(huán)節(jié)的主要排放物來(lái)自金屬熔煉及精煉過(guò)程中的氣體燃料燃燒。制造過(guò)程中燃料中絕大部分的碳通過(guò)燃燒被氧化成CO2排放到空氣中，還有一部分不完全燃燒后以CO的形式排放，其余部分殘留在剩余的灰和渣中。燃燒過(guò)程中，CO2的排放量與燃料消耗量有關(guān)，也與燃料本身的屬性和特征有關(guān)，還與燃燒設(shè)備和技術(shù)員操作水平有關(guān)，表征燃料本身燃燒特征的一個(gè)參數(shù)是碳排放系數(shù)，它指燃料潛在的碳排放量，主要取決于燃料的各種化學(xué)組分中碳的燃燒對(duì)于燃料熱值的貢獻(xiàn)，常以kgMJ為計(jì)量單位。碳氧化率是表征燃料自身CO2排放特性的另一個(gè)指標(biāo)。

在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，由于現(xiàn)有檢測(cè)手段難以對(duì)氣體的排放量進(jìn)行精確計(jì)量，主要排放物——CO2、SO2、NOx及CO等排放量需要采用一定的估算方法進(jìn)行估算。由于鋁合金桿銅桿制造過(guò)程中的燃料為天然氣，因此根據(jù)天然氣的燃燒來(lái)確定排放量[4]。

1)燃燒的CO2排放量計(jì)算公式：E=3.67FQKa

式中，E為排放量，kg；F為燃料的消耗量，kg；Q為燃料發(fā)熱量，MJkg；K為燃料的碳排放系數(shù)，kgMJ；a為燃料的碳氧化率。

天然氣的K為15.30×10-3kgMJ，a為0.995，Q為38.931 MJkg。

2)NOx排放量的估算公式：E=0.001Fb

式中，b為燃料燃燒時(shí)NOx排放因子。

天然氣的排放因子為4.10 gm3。

3)CO排放量的估算公式：E=FQc

式中，c為燃料燃燒時(shí)CO排放因子。

4)SO2排放量的計(jì)算參照環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊(cè)[5]，工業(yè)爐燃燒過(guò)程中SO2的產(chǎn)生量約為0.000 63 kgm3(以天然氣計(jì))。

通過(guò)對(duì)工廠有關(guān)材料、能量及資源的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.2 鋁合金電纜銅電纜制造

鋁合金電纜和銅電纜制造過(guò)程的主要排放物為含油廢水，對(duì)拉制好的鋁合金絲和銅絲，在絞制前要進(jìn)行表面清洗，以去除鋁合金絲和銅絲表面沾帶的拉絲油。根據(jù)工廠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，含油廢水中的主要污染物COD產(chǎn)量為0.10 kgd，BOD產(chǎn)量為0.03 kgd。

2.3 鋁合金電纜銅電纜運(yùn)輸階段

電纜運(yùn)輸過(guò)程體現(xiàn)在能源的使用及對(duì)應(yīng)相關(guān)的環(huán)境排放。按照電纜從工廠到用戶的平均運(yùn)輸距離為800 km計(jì)算，電纜運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境模型及運(yùn)輸1 t電纜1 km后對(duì)環(huán)境的影響見(jiàn)表2。

表2 電纜運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境模型[6]

2.4 鋁合金電纜銅電纜運(yùn)行使用階段

電纜運(yùn)行過(guò)程中體現(xiàn)在電能損耗。電纜在運(yùn)行年限的能量損耗計(jì)算公式[7]：

第1年內(nèi)能量損耗=(Imax2RlNpNc)T

式中，Imax為第1年內(nèi)電纜的最大電流，A；R為考慮到集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)(ys，yp)以及金屬屏蔽和鎧裝中損耗(λ1,λ2)導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的交流電阻，Ωm；l為電纜長(zhǎng)度，m；Np為每個(gè)回路的相導(dǎo)體數(shù)；Nc為類型和負(fù)荷值相同的回路數(shù)；T為最大能量損耗下的運(yùn)行時(shí)間，h年，即與實(shí)際變化負(fù)荷電流產(chǎn)生的年能量損耗總和相同所要施加的最大電流(Imax)的時(shí)間。

對(duì)所有電纜進(jìn)行相應(yīng)能耗分析，假設(shè)設(shè)備運(yùn)行電流為電纜載流量的90%，工作電壓為380 V，環(huán)境溫度為30 ℃，設(shè)備的功率因數(shù)取0.85，敷設(shè)方式采用沿墻明敷，設(shè)備運(yùn)行周期為30年，每年365天，每天24 h，設(shè)備最大能量損耗運(yùn)行時(shí)間使用率為0.3。

2.5 鋁合金電纜銅電纜報(bào)廢回收

當(dāng)電纜達(dá)到使用壽命30年后，進(jìn)行電纜回收。電纜分拆環(huán)節(jié)不考慮。電纜分拆下來(lái)的絕緣和護(hù)套材料按100%掩埋處理，考慮其占用土地的體積。鋁合金導(dǎo)體材料按廢雜鋁100%回收處理，銅導(dǎo)體材料按再生銅100%回收。

對(duì)于電纜分拆下來(lái)的絕緣和護(hù)套材料按其密度計(jì)算其體積，進(jìn)而確定其掩埋空間。按PE密度為940 kgm3，PVC密度為1 500 kgm3計(jì)算。

電纜導(dǎo)體回收過(guò)程中的環(huán)境影響以能耗為主，根據(jù)上海市再生鋁能耗要求[8]，每t廢雜鋁的綜合能耗限定值為150 kg(以標(biāo)煤計(jì)，下同)。根據(jù)工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部《再生有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》[9]，再生銅熔煉(雜銅-陰極銅)能耗低于290 kgt，因此其能耗按最低值290 kgt計(jì)算。

2.6 數(shù)據(jù)清單

通過(guò)整理和計(jì)算鋁合金電纜和銅電纜所有單元過(guò)程的清單數(shù)據(jù)，可以得出單位產(chǎn)品(LCA中稱為功能單位)的生命周期清單表，即該產(chǎn)品在整個(gè)生命周期模型所涵蓋的過(guò)程中，總共消耗的各種資源的數(shù)量和造成的各種環(huán)境排放的數(shù)量(表3和表4)。

表3 1 000 m TC90-4×240鋁合金電纜清單數(shù)據(jù)

表4 1 000 m YJV-4×150銅電纜清單數(shù)據(jù)整理

3 生命周期影響評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算影響類型指標(biāo)

在清單數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以采用特征化因子將清單中的各種數(shù)據(jù)匯總為針對(duì)主要環(huán)境影響類型的特征化指標(biāo)。國(guó)際上的LCA大多采用8種影響類型：資源(包括礦石資源和化石資源)消耗、氣候變化、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、臭氧損耗、光化學(xué)污染、人體毒性、生態(tài)毒性。結(jié)合鋁合金電纜的全生命周期清單數(shù)據(jù)，其生命周期涉及到其中7種影響類型(表5)。

表5 環(huán)境影響類型及其要素

產(chǎn)品生命周期總是涉及多種資源的消耗，而且各種資源的稀缺度不同。為綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品的資源消耗水平，在LCA方法中，首先需要得到反映各種資源稀缺度的特征化因子，然后與產(chǎn)品生命周期的各種資源消耗量相乘并求和，從而得出產(chǎn)品的綜合資源消耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，以衡量產(chǎn)品生命周期總體的資源消耗水平。

文獻(xiàn)[10]中給出了中國(guó)資源消耗潛值(Chinese abiotic depletion potential，CADPi)的計(jì)算公式：

式中，ADPi為世界范圍資源i的稀缺度因子；SRi為該資源的中國(guó)自給率；下標(biāo)ref代表基準(zhǔn)資源。

CADP選擇了煤作為基準(zhǔn)資源，文中涉及的資源CADP見(jiàn)表6。

表6 資源CADP

表7 各種能源折標(biāo)煤參考系數(shù)

對(duì)于計(jì)算酸化潛值模型[12]，以潛在的H+當(dāng)量值表達(dá)潛在的酸沉降，允許排放的酸性氣體按它們形成H+的能力累計(jì)。假設(shè)1個(gè)SO2分子產(chǎn)生2個(gè)H+，1個(gè)NOx分子產(chǎn)生1.4個(gè)H+。所以NOx的酸化潛力等于相對(duì)于SO2，每kg NOx釋放的H+數(shù)。酸性氣體的特征化因子如表8所示。

表8 酸性氣體的特征化因子

對(duì)于全球暖化，由政府間氣候變化專門委員會(huì)[13](IPCC)提出的全球變暖潛力(GWP)是被普遍使用的描述全球暖化的模型。目前最新版本是IPCC2007。表9為IPCC模型中溫室氣體的特征化因子。

表9 溫室氣體的特征化因子

在評(píng)價(jià)富營(yíng)養(yǎng)化的各模型中，只有CML2002[12]提供了不包含本地化信息的可普遍適用的特征化因子，且特征化因子可同時(shí)適用于水體以及陸地富營(yíng)養(yǎng)化。該模型特征化因子基于化學(xué)計(jì)量學(xué)中N和P的固定比值(來(lái)源于藻類的平均化學(xué)組成)。同時(shí)以BOD或COD表示的有機(jī)物的特征化因子。因此選擇該模型中的富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)作為評(píng)價(jià)富營(yíng)養(yǎng)化的指標(biāo)。表10為CML2002模型中富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的特征化因子。

表10 富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的特征化因子

3.2 生命周期影響評(píng)價(jià)

按照3.1節(jié)特征化值計(jì)算方法，對(duì)表3和表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類計(jì)算，分別得到1 000 m TC90-4×240鋁合金電纜和YJV-4×150銅電纜在其全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響特征化指標(biāo)，如表11所示。

表11 1 000 m TC90-4×240鋁合金電纜和YJV-4×150銅電纜的環(huán)境影響特征化指標(biāo)

4 生命周期解釋

4.1 完整性檢查

完整性檢查的目的是確保解釋所需的所有相關(guān)信息和數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得，并且是完整的。

鋁合金電纜主要由鋁合金和外層絕緣以及護(hù)套材料組成，在其整個(gè)生命周期階段完成后，最終鋁合金以回收的方式回到初始的鋁錠，而外層絕緣以及護(hù)套材料以掩埋的方式完成。銅電纜主要由銅和外層絕緣以及護(hù)套材料組成，在其整個(gè)生命周期階段完成后，最終銅以回收的方式回到初始的電解銅板，而外層絕緣和護(hù)套材料以掩埋的方式完成。因此整個(gè)生命周期邊界是閉環(huán)，其單元過(guò)程是完整的。

在其單元過(guò)程中所涉及的材料、能量、資源等輸入量，連同產(chǎn)品、排放物、廢物等輸出量均被考慮，因此數(shù)據(jù)的收集是完整的。

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)與目的和范圍的要求相一致。

通過(guò)對(duì)單元過(guò)程所收集數(shù)據(jù)及計(jì)算模型的檢查，與鋁合金電纜和銅電纜生命周期評(píng)價(jià)的目的和范圍相一致。

4.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估只要是評(píng)估數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

鋁合金電纜和銅電纜生命周期一手?jǐn)?shù)據(jù)均為美國(guó)通用電纜(中國(guó))天津工廠實(shí)際收集統(tǒng)計(jì)而來(lái)，具有可靠性。相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算模型和方法已得到廣泛認(rèn)可。因此計(jì)算得來(lái)的數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性。

5 討論

假定銅電纜的各項(xiàng)特征化值為1，將鋁合金電纜與銅電纜的特征化數(shù)值進(jìn)行比較得出表12。

表12 鋁合金電纜與銅纜特征化值比例

由表11和表12可以得出以下結(jié)論:

1)鋁合金電纜和銅電纜生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響主要集中在中國(guó)資源消耗、能源消耗以及全球變暖這3個(gè)指標(biāo)上，而在其余4種指標(biāo)上的影響較小。

2)在中國(guó)資源消耗潛值的這一特征化指標(biāo)上，銅電纜遠(yuǎn)高于鋁合金電纜，達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由于中國(guó)銅資源少，對(duì)外依存度高達(dá)70%[14]，自給率低。而中國(guó)的鋁資源豐富，自給率高。因此銅與鋁的中國(guó)本地化的資源消耗潛值差別巨大：銅為9.32×103，而鋁僅為2.88×101。導(dǎo)致銅電纜的資源消耗潛值在中國(guó)遠(yuǎn)大于鋁合金電纜。

3)在能源消耗潛值這一特征化指標(biāo)上，銅電纜和鋁合金電纜的值在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。但銅電纜要大于鋁合金電纜，這說(shuō)明整個(gè)生命周期過(guò)程中，銅電纜的能源消耗要大于鋁合金電纜。詳細(xì)分析鋁合金電纜及銅電纜各單元過(guò)程的能源消耗潛值及其所占比例(表13)，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是鋁合金電纜還是銅電纜，在生命周期中，運(yùn)行階段的能源消耗所占比例均超過(guò)99%。說(shuō)明不論選擇哪種材質(zhì)的電纜，適當(dāng)?shù)倪x型對(duì)降低電纜生命周期的能源消耗是最為有效的方式。

4)在以上7個(gè)特征化指標(biāo)中，銅電纜在中國(guó)資源消耗潛值、能源消耗潛值、酸化潛值、全球變暖潛值、富營(yíng)養(yǎng)化潛值和工業(yè)用水量這6個(gè)特征值上要大于鋁合金電纜。只有在土地資源潛值(LRP)這一特征化值上，銅電纜比鋁合金電纜小。

圖1對(duì)比了銅電纜和鋁合金電纜在7個(gè)特征化指標(biāo)上的區(qū)別。由圖1可以看出，只有在LRP指標(biāo)上，鋁合金電纜的值高于銅電纜。在能源消耗潛值指標(biāo)上相對(duì)相差最小，而在中國(guó)資源消耗潛值指標(biāo)上相差最大。

表13 鋁合金電纜與銅電纜單元過(guò)程能源消耗潛值(EDP)對(duì)比

圖1 銅電纜和鋁合金電纜特征化指標(biāo)對(duì)比Fig.1 The chart of characteristic indicators of aluminum alloy cable and copper cable

6 結(jié)論

鋁合金電纜在中國(guó)資源消耗潛值、能源消耗潛值、酸化潛值、全球變暖潛值、富營(yíng)養(yǎng)化潛值和工業(yè)用水量6個(gè)特征值上要優(yōu)于銅電纜，且在中國(guó)資源消耗潛值方面優(yōu)勢(shì)顯著。只有在土地資源潛值這一特征化指標(biāo)上，鋁合金電纜的值高于銅電纜。經(jīng)過(guò)該生命周期的分析表明，鋁合金電纜在該應(yīng)用前提條件下，整個(gè)生命周期對(duì)環(huán)境的影響要低于銅電纜。因此推廣鋁合金電纜在適用條件下替代銅電纜不僅是可行的，而且具有積極的社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)意義，完全符合資源節(jié)約、環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略思想。

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