全行业生命周期评估以改善决策：以石化产品碳排放为例的案例研究

《Frontiers in Environmental Science》：Industry-wide life cycle assessment for improved decision-making: a case study on carbon emissions of petrochemicals

　　产品导向优化与产品篮优化在石油化学工业中温室气体排放影响对比。研究表明，产品导向优化因割裂供应链导致20%-155%更高排放，因其产生过量中间/最终产品需额外处理；而产品篮优化通过协同多产品生产实现更优减排。研究采用技术选择模型（TCM），构建包含24种产品和293个工艺的复杂供应链系统，考虑质量、化学计量、能源内容和市场价格四类分配方法，发现产品篮优化在所有分配场景下均能降低系统碳排放，且技术决策更适应需求变化。

　　在面对全球气候变化的挑战时，减少工业领域的碳排放已成为各国政府和企业的重要任务之一。其中，石化行业作为主要的工业温室气体排放源之一，其减排措施对于实现全球气候目标具有重要意义。然而，石化行业的复杂性和多功能性给环境影响评估带来了挑战，特别是当使用生命周期评估（LCA）方法来分析其排放情况时。传统的LCA方法通常针对单一产品进行评估，这种方法在处理多产品、多过程的复杂系统时存在局限性，例如无法充分考虑产品之间的相互关联性和供应链的优化潜力。

为了解决这一问题，研究者提出了多种LCA方法，其中两种较为常见的方法是“产品导向”（product-wise）和“产品篮子导向”（product basket-wise）的优化策略。这两种方法在评估工业排放时有着不同的侧重点和结果。产品导向方法通常将LCA模型限制在特定产品上，从而简化了分析过程，但同时也可能忽略供应链中的相互依赖关系，导致评估结果不够全面。而产品篮子导向方法则考虑了整个生产系统中所有相关产品和过程，通过同时优化多种产品，能够更好地反映实际生产中的复杂情况，从而更准确地评估环境影响。

在本研究中，我们使用了一种名为“技术选择模型”（TCM）的方法，该模型允许对多技术选项进行整合，并在不同的生产系统中优化技术选择。通过分析两种不同的优化方法——产品导向和产品篮子导向，我们发现，产品导向方法在某些情况下会导致比产品篮子导向方法高出20%至155%的温室气体排放。这一差异主要源于以下几个方面：首先，产品导向方法可能导致更多的副产品产生，因为单一产品生产过程中往往伴随其他有价值产品的生成；其次，由于对原料需求和加工过程的过度依赖，产品导向方法可能需要更多的资源投入；最后，由于无法充分考虑多产品之间的相互关系，产品导向方法在供应链优化上可能存在次优选择。

此外，产品篮子导向方法能够根据市场需求的变化进行调整，从而更好地适应现实中的生产条件。这种方法的优势在于可以同时评估多功能过程，即在一个生产过程中生成多种产品或处理多种废物流。然而，这种方法也要求更复杂的模型结构和更多的数据支持，尤其是在处理大规模生产系统时，数据的收集和处理变得更加困难。因此，在实际应用中，需要权衡方法的复杂性和数据可用性。

为了进一步验证这些方法的适用性，我们以欧洲2016年的石化行业生产系统为例，进行了详细的案例研究。研究中涉及了24种产品和293个工艺过程，涵盖了从原料到最终产品的整个生产链条。我们使用了DECHEMA报告中的数据，结合IHS Process Economics Program（PEP）年鉴和商业LCA数据库（如ecoinvent版本3.5），以确保数据的准确性和全面性。通过对比两种优化方法，我们发现产品导向方法在某些情况下会导致更高的碳排放，主要原因是其无法有效利用副产品和优化整个供应链的资源分配。

此外，我们还分析了不同分配方法（如质量、化学计量、能量含量和市场价格）对技术选择的影响。结果表明，不同的分配策略会导致不同的技术选择，从而影响最终的碳排放量。例如，基于市场价格的分配方法可能导致更多的原料和工艺被选择，而基于化学计量的分配方法则可能更注重化学反应的效率和资源的利用。这种差异在实际生产中可能会导致资源浪费和不必要的排放。

本研究的结果显示，产品篮子导向方法在优化技术选择时能够更有效地减少温室气体排放，而产品导向方法则可能导致较高的排放量。这表明，在制定减排政策和进行可持续性决策时，应优先考虑产品篮子导向方法，以更好地理解整个生产系统中的相互关系和优化潜力。同时，我们也认识到，虽然产品导向方法在某些情况下可能更简便，但其局限性可能会影响最终的减排效果。

为了进一步提高模型的适用性和准确性，我们需要考虑更多的不确定性因素，如工艺数据的波动和市场分配因子的变化。此外，我们还讨论了如何将这些方法扩展到其他环境影响类别，如人类毒性等，以更全面地评估生产过程的环境影响。通过这种方法，我们可以为政策制定者和企业决策者提供更可靠的数据支持，帮助他们在复杂的工业环境中做出更环保和经济的决策。

综上所述，本研究强调了在石化行业中采用产品篮子导向方法的重要性。这种方法不仅能够更准确地评估整个生产系统的环境影响，还能够更好地适应市场需求的变化，从而实现更有效的减排目标。通过对比不同优化方法，我们希望能够为未来的工业可持续性研究提供有价值的参考，促进更科学和系统的减排策略的制定。