乙烯是重要的化工原料，其下游产品占总石化产品的70%以上，具有重要的地位.经过数十年的发展，2012年我国乙烯产量已达1486.8万t(赵志平，2013)，仅次于美国位居第二.然而与乙烯行业相关的环境影响分析却鲜有报道，对资源消耗和环境影响还缺乏系统认识.

生命周期评价(LCA)方法是目前有效的化工过程的环境评估方法，是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价，贯穿产品的全生命周期过程(ISO，2006；宋小龙等，2010).由于LCA方法所涉及的范围广，因而系统边界不统一，有半生命周期(“从摇篮到大门”)和全生命周期(“从摇篮到坟墓”)之分，同时评价方法也有中间类型和结果类型之分.中间类型是面向环境问题的方法，具有普适性，是我国目前普遍采用的方法，如袁宝荣等(2006a；2006b)采用中间类型方法对2002年我国某乙烯生产装置进行了半生命周期评价.而结果类型是面向人类健康问题的方法，评价结果更具有优势，也是国际研究的趋势.

鉴于上述现状，本文采用中间类型和结果类型相结合的IMPACT 2002+方法对我国2010年的乙烯行业进行研究，得到乙烯生产的生命周期环境清单.并对比研究不同乙烯生产工艺的环境影响评估，为提高资源利用率、减少污染排放量提供建议.

生命周期评价分为4个阶段：目标和范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释(ISO，2006).

本文以我国现阶段的乙烯生产数据为基础，采用IMPACT 2002+方法对不同工艺环节和不同环境影响类别进行分析，考察乙烯生产对环境的影响.功能单位是1t乙烯产品.系统边界包括原煤、原油、电力的生产，原料的制取和乙烯的生产(图 1).

图 1(Fig. 1)

图 1 乙烯生命周期评价的系统边界 Fig. 1 System boundary of life cycle assessment of ethylene

我国乙烯生产的原料较多且来源复杂，主要包括石脑油、加裂尾油、富乙烯气和液化气等(朱和，2012)，因此本研究对乙烯的生产主要考察管式炉蒸汽裂解法，上游原料为四种石油炼制产品.此外，还存在新兴的煤制烯烃技术，但目前报道数据不足，因此该部分的环境分析仅作为对比研究.

原料的制取环节中与本研究相关的石油炼制工艺主要包括：常减压蒸馏、加氢裂化、重油催化、渣油加氢、柴油加氢、汽油加氢、石脑油加氢、轻烃回收等环节.

电力主要来自于工艺外界，该过程的环境影响单独进行计算.运输过程只考虑了原油和原煤的运输，其环境清单并入原油生产和原煤生产过程；此外对基建、催化剂等其他的间接排放未进行计算.

本文的LCA分析边界定义为：原料的制备(石油炼制过程)、乙烯的生产以及对原油、原煤和电力的生产.

1)乙烯生产

乙烯生产的原料投入、产品产出、能源消耗及污染物排放清单来源于2010年中石化和中石油的4家百万吨企业.按照文献(IPCC，2006；中国石油化工集团公司，2007)对冷却水、净化空气等进行折标，并对未知污染物CO₂进行估算，所得环境数据清单列于表 1.然后按照产物质量比重分配原则进行分配，得到乙烯生产过程的环境排放清单.

表 1(Table 1)

表 1 1t乙烯生产的资源、能源消耗及污染物排放清单 Table 1 Resource，energy consumption and emission inventory of 1 ton of ethylene production

表 1 1t乙烯生产的资源、能源消耗及污染物排放清单 Table 1 Resource，energy consumption and emission inventory of 1 ton of ethylene production kg · t-1 原料 投入量 产物 产出量 气体污染物 排放量 液体污染物 排放量 石脑油 2.12×103 乙烯 1.00×103 CO2 1.69×103 废水 0.28×103 加裂尾油 0.69×103 丙烯 0.48×103 CO 0.093 COD 0.016 液化气 0.14×103 氢气 0.03×103 SO2 4.133 NH3-N 0.001 富乙烯气 0.08×103 甲烷 0.42×103 NOx 0.930 油 0.001 电 /(kW·h) 115.326 混合C4 0.32×103 CH4 0.056 SS 0.014 燃料油 380.902 C6~C8加氢汽油 0.39×103 N2O 0.010 燃料气 162.675 C5-馏分 0.20×103 TSP 0.941 C9+馏分 0.05×103 裂解燃料油 0.13×103

2)石油炼制

石油炼制过程中的工艺数据来源于2010、2011两年内中石化和中石油的两家企业及中国生命周期核心数据库(CLCD)(刘夏璐等，2010).因为工艺复杂、工艺环节较多，所以表 2仅列出对工艺数据按照产物质量比重分配原则进行分配后的结果.其余数据，如原油、原煤的开采、运输、火力发电等环境清单来源于CLCD(刘夏璐等，2010).

表 2(Table 2)

表 2 石油产品炼制的资源、能源消耗及污染物排放清单 Table 2 Resource，energy consumption and emission inventory of production of petroleum products

表 2 石油产品炼制的资源、能源消耗及污染物排放清单 Table 2 Resource，energy consumption and emission inventory of production of petroleum products kg · t-1 原料 液化气/富乙烯气 石脑油 裂解尾油 污染物 液化气/富乙烯气 石脑油 裂解尾油 原油 1.06×103 1.06×103 1.10×103 CO2 0.44×103 0.27×103 0.58×103 原煤 0.05×103 0.04×103 0.10×103 CO 0.079 0.052 0.160 电/(kW·h) 59.704 30.312 57.912 SO2 1.566 1.504 0.822 燃料油 19.233 6.296 16.989 NO2 0.265 0.178 0.431 燃料气 40.087 17.495 19.009 CH4 0.148 0.096 0.318 N2O 0.002 0.001 0.003 TSP 0.114 0.073 0.112 废水 0.55×103 0.83×103 0.55×103 COD 6.500 10.060 6.220 NH3-N 0.329 0.468 0.360 油 1.731 2.737 1.615 SS 0.041 0.065 0.038

影响评价是生命周期评价的核心，主要有中间类型方法(mid-point)和结果类型方法(end-point).中间类型方法是面向问题型方法，能直观的解释产品对环境造成的影响，结果类型方法是面向损害型的方法，着眼于影响后果对人类健康、环境及资源等最终保护领域所造成的伤害(李娜和李明俊，2008).

本研究采用同时结合中间类型和结果类型的IMPACT 2002+方法，该方法利用中间类型方法CML 2001和结果类型方法Eco-indicator 99为基础的指标(Guinée et al., 2001；Goedkoop and Spriensma， 2001；段宁和程胜高，2008)，而这两种方法是目前我国最常用的影响评价方法，因而采用IMPACT 2002+进行环境影响分析能够对宏观决策起到正确的指导作用.它首先将数据清单划分为14个中间类型种类，对中间类型环境影响进行分析；然后进一步将中间类型种类划分为健康损害，生态破坏，气候变化和资源耗竭4个主题，对结果类型环境影响进行探索，具体框架见图 2(Humbert et al., 2012；Jolliet et al., 2003).

图 2(Fig. 2)

图 2 IMPACT 2002+总体框架 Fig. 2 Overall scheme of the IMPACT 2002+ framework

本研究采用IMPACT 2002+法对乙烯行业的生命周期进行分析.先以中间类型环境影响为目标，采用IMPACT 2002+中的特征化因子，计算得到乙烯生产的特征化结果，如表 3所示.计算涉及的环境影响类型包括：呼吸效应REP、光化学氧化POP、水体酸化AAP、富营养化AEP、土壤酸化TAP、温室效应GWP和不可再生能源NEP.然后采用IMPACT 2002+法提供的欧洲人均环境影响为基准值，对各影响因素进行标准化处理，结果如图 3所示(Humbert et al., 2012).

表 3(Table 3)

表 3 1 t乙烯生产的中间类型环境影响 Table 3 Characterization results of mid-point categories

表 3 1 t乙烯生产的中间类型环境影响 Table 3 Characterization results of mid-point categories kg 影响类型 REP POP AAP AEP TAP GWP NEP 注: REP以PM2.5当量计，POP以C2H4当量计，AAR以SO2当量计，AEP以PO3-4当量计，TAP以SO2当量计，GWP以CO2当量计，NEP以Oil当量计. 特征化结果 0.571 0.284 5.166 0.402 11.924 2.67×103 1.44×103

图 3(Fig. 3)

图 3 1 t乙烯生产的中间类型环境影响(①原油生产过程，②原煤生产过程，③原料生产过程，④乙烯生产过程，⑤电力生产过程，⑥生命周期总排放) Fig. 3 Normalized mid-point categories of ethylene production

由图 3可以看出，在乙烯的生产消费中，不可再生能源消耗、温室效应、水体酸化和呼吸效应的环境影响潜值最为严重，而土壤酸化、富营养化和光化学氧化值较小.不可再生能源消耗的主要因素是原油和发电用的原煤，占92.94%和7.00%.SO₂和NO_x是造成呼吸效应的主要影响因素，分别占57.07%和31.45%.同时，SO₂和NO_x也是造成水体酸化、土壤酸化的主要污染物.CH₄是造成光化学氧化效应的主要因素，COD是产生富营养化的主要因素.CO₂和CH₄是造成温室效应的主要因素，分别占50.67%和49.16%.

图 3也列出了各生产环节对环境的影响，包括：原油生产、原煤生产、原料生产、乙烯生产和电力生产等.由图可知，乙烯生产是造成呼吸效应的主要环节，其次为原料生产环节，分别占47.07%和28.26%.同时，它们也是造成水体酸化的主要环节，占到总量的43.69%和31.55%.乙烯生产和原料生产是造成土壤酸化的主要环节，分别占42.88%和25.11%.原油生产是造成光化学氧化效应的主要环节，原料生产是产生富营养化的主要环节.温室效应中，原油生产环节中逸放的CH₄造成的影响最大，达到了37.69%(原油生产环节占47.30%).其它温室效应的影响环节是乙烯生产和原料生产，分别占34.03%和15.34%，主要由CO₂造成.

对乙烯生产的数据以结果类型为目的进行计算.按图 2中的方法进行分类，人类健康(HH)主题包括光化学氧化和呼吸效应，生态破坏(EQ)主题包括土壤酸化、富营养化和水体酸化，气候变化(CC)主题和资源耗竭(R)主题完全归结于温室效应和不可再生能源，见图 4.

图 4(Fig. 4)

图 4 1 t乙烯生产的结果类型环境影响(①原油生产过程，②原煤生产过程，③原料生产过程，④乙烯生产过程，⑤电力生产过程，⑥生命周期总排放) Fig. 4 Normalized end-point categories of ethylene production

由图 4可以看出，我国乙烯行业对资源耗竭和气候变化主题影响最大，对人类健康和生态破坏影响较小.造成人类健康和生态破坏的主要是NO_x和SO₂.在人类健康主题中，SO₂和NO_x分别占56.98%和31.41%，其次为TSP，为11.42%；在生态破坏主题中，SO₂和NO_x的影响分别为25.74%和53.51%，COD和氨氮次之，为15.61%和5.14%.如前所述，气候变化和资源耗竭的主要影响因子是CO₂、CH₄和原油.

从乙烯行业的各个环节来看，乙烯生产对人类健康的影响较大，达47.03%；原料和原油生产次之，为28.22%和16.03%，电力生产和原煤生产的影响很小.在生态破坏主题中，原料生产和乙烯生产的影响较大，为37.89%和36.01%，其次为原油生产和电力生产，原煤生产的影响很小.

通过与袁宝荣等(2006a；2006b)的乙烯生产装置及LCA研究的比较(见表 4、表 5)，发现乙烯行业经过近十年的发展在能源利用效率、污染物控制等方面取得了显著的进步.

表 4(Table 4)

表 4 2002年与2010年我国乙烯生产的生命周期清单对比 Table 4 Comparison of life cycle inventory of ethylene production in 2002 and 2010

表 4 2002年与2010年我国乙烯生产的生命周期清单对比 Table 4 Comparison of life cycle inventory of ethylene production in 2002 and 2010 原料 取值 污染物 2010年 2002年 2010年 2002年 注:2002年数据来源于文献(袁宝荣，2006a). 原油/(kg·t-1) 1342.541 2302.56 CO2 1351.814 2257.04 原煤(硬煤和褐煤的总和)/(kg·t-1) 248.022 85.6 SO2 4.178 8.93 天然气 /m3 0.937 162.21 NOx 1.411 11.6 CO 0.251 7.62 乙烯 0 2.9 烟尘 0.416 5.84 废水总量 1724.695 179.82 石油类 3.280 0.02 COD 10.608 2.57 废渣 3.1

1)资源利用效率提高：对比我国乙烯生产的生命周期清单(表 4)，发现原油的消耗是2002年的58.31%，这一方面是因为乙烯生产过程中的损耗降低了(表 5)，2002年生产1t乙烯(包含丙烯、碳四等其他副产品)需要3.20 t的裂解料，而2010年，需要3.03 t裂解料；另一方面，副产物的有效利用也使得乙烯的环境排放降低(表 5)，2002年有价值的副产 物仅仅包括丙烯和碳四，而2010年，几乎对所有的副产物都进行了利用，例如将氢气回收去了制氢装置，得到纯氢，为加氢裂解等工艺的原料；C6~C8加氢汽油去了芳烃抽提装置，可以得到纯苯、甲苯、二甲苯等.副产物的有效利用分担了乙烯的环境清单，因而乙烯的原油消耗可以得到大幅下降.同时发现原煤(表 4)、电和燃料油(表 5)的消耗有所增加，这是因为本文对冷却水、净化空气等也进行了考察，对其进行折标造成燃料油消耗的增加，进而在燃料油追溯过程造成原煤的增加.

表 5(Table 5)

表 5 2002与2010年我国乙烯生产的环境清单对比 Table 5 Comparison of environmental inventory of ethylene production in 2002 and 2010

表 5 2002与2010年我国乙烯生产的环境清单对比 Table 5 Comparison of environmental inventory of ethylene production in 2002 and 2010 原料 消耗量/(kg·t-1) 产物 产量/(kg·t-1) 排放量/(kg·t-1) 2010年 2002年 2010年 2002年 2010年 2002年 注: 2002年数据来源于文献(袁宝荣，2006a); 耗电单位为kW · h. 裂解料 3026 3201 乙烯 1.00×103 1.00×103 CO2 1693.694 1516.65 电 115.326 69.17 丙烯 0.48×103 0.48×103 CO 0.093 11.37 燃料油 380.902 154.26 氢气 0.03×103 SO2 4.133 5.72 燃料气 162.675 313.93 甲烷 0.42×103 NOx 0.930 12.98 混合C4 0.32×103 0.35×103 TSP 0.941 8.22 C6~C8加氢汽油 0.39×103 废液 284 330.06 C5-馏分 0.20×103 油 0.001 0.04 C9+馏分 0.05×103 COD 0.016 4.72 裂解燃料油 0.13×103

2)环境污染降低：乙烯生命周期中排放的CO₂、SO₂、NO_x、TSP分别为2002年的59.89%、46.79%、12.17%、7.12%，而CO则更是为2002年的3.29%.同时，2002年污染物中废气乙烯占产品的0.29%，而2010年乙烯生产过程中的污染物仅仅在事故排放中有微量逸出.这与有效利用的副产物种类和质量增多有关，同时也与我国大力加强环境治理有关.“十一五”期间，我国将主要污染物排放总量显著减少作为经济社会发展的约束性指标，着力解决突出环境问题，因而在污染排放与治理设施的利用方面取得了显著进步(中华人民共和国中央人民政府，2011).

3)乙烯生命周期中排放的废水总量、石油类、COD有所增加(表 4)，而对比乙烯生产环节中的环境排放，却发现这3类明显减小(表 5)，这是因为之前的研究中并未对炼油过程中的废液进行考察，只考察了乙烯生产过程的直接废液排放(袁宝荣等，2006a).

按照第2节中的方法，对几种乙烯裂解工艺的环境排放进行对比，包括乙烷、丙烷、丁烷等轻烃制乙烯，轻柴油、石脑油制乙烯，以及新兴的煤制烯烃工艺.系统边界与前文类似，但环境清单只包含原料消耗、CO₂、SO₂和NO_x 4类，功能单位和分配方法与前文相同，如表 6所示(李涛，2005；苗杰，2013；项东等，2013).

由表 6中可知，石油制乙烯的5种工艺中以石脑油为原料的污染排放最小，这是因为在LCA评价中，工艺的环境清单数据要分配到工艺的所有产品中，乙烷生产乙烯产品单一，分配系数为1，而石脑油裂解乙烯产品含量小，分配系数小于1，而常规的1 t乙烯能耗是指生产1 t乙烯(包含丙烯、丁二烯等产品在内)的能源消耗.所以，从生命周期评价的角度来看，以石脑油为原料裂解乙烯的环境影响比以轻烃为原料的工艺小.

表 6(Table 6)

表 6 常见乙烯裂解工艺生命周期清单对比 Table 6 Inventory of different processes of ethylene production in life cycle

表 6 常见乙烯裂解工艺生命周期清单对比 Table 6 Inventory of different processes of ethylene production in life cycle kg · t-1 原料 乙烷 丙烷 丁烷 石脑油 柴油 煤制烯烃 原油 1600.652 1478.594 1443.171 1384.130 1381.855 17.200 硬煤 272.026 249.229 244.141 206.441 204.817 5289.000 褐煤 13.872 12.814 12.507 11.993 11.974 0.403 天然气 /m3 1.163 1.038 1.015 0.834 0.876 0.546 CO2 2204.817 1970.491 1672.647 1394.721 1427.963 5825.573 SO2 7.396 5.992 5.593 5.126 6.550 5.140 NOx 2.455 1.983 1.853 1.562 1.534 8.655

煤制烯烃刚刚兴起，工艺不成熟，但是环境影响大.由表中看出，生产1 t乙烯共需消耗5.289 t的原煤，产生5.8 t CO₂，是石油制烯烃的2~4倍；NO_x是石油制烯烃的3~5倍；SO₂虽控制较好，但较石油制烯烃也没有明显优势.由此看来，煤制烯烃的工艺还亟待改进.

1)本文采用IMPACT 2002+方法对我国的乙烯生产进行了生命周期评价研究.发现乙烯行业对不可再生能源消耗、温室效应、呼吸效应和水体酸化的环境影响潜值最为严重，土壤酸化、富营养化和光化学氧化值较小，而乙烯生产和原料生产是主要的影响环节.不可再生能源消耗主要是原油，占92.94%，其余为原煤和天然气.

2)从污染物种类来看，影响环境较大的是SO₂、NO_x、CO₂和CH₄.其中SO₂、NO_x是造成呼吸效应、水体酸化、人类健康和生态破坏的主要污染物，CO₂和CH₄是造成温室效应的主要影响因素.因而在优化乙烯生产、原料生产，同时减少原油开采过程的CH₄排放是改善乙烯生产的关键因素.

3)我国乙烯行业经过近十年的发展已取得显著的进步：原油消耗分别减少41.67%，CO₂、CO、SO₂、NO_x减少40.11%、96.71%、53.21%和87.83%.

4)与其他石油化学品生产乙烯相比，以石脑油和柴油为原料裂解乙烯的环境影响比以轻烃为原料的工艺小.

5)刚刚兴起的煤制烯烃工艺的环境影响较大，尚存在一定的改进空间，主要表现在CO₂、NO_x排放为石油制烯烃的2倍之多.