聂祚仁团队：生命周期工程评价方法助力流程制造业低碳发展

北京工业大学材料科学与工程学院工业大数据应用技术国家工程实验室聂祚仁教授团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Investigation into the Methodology and Implementation of Life Cycle Engineering under China's Carbon Reduction Target in the Process Industry”（中国双碳目标下流程制造业生命周期工程评价方法及应用）的研究论文，第一作者为李明阳，聂祚仁教授为通讯作者。论文聚焦于流程制造业的碳减排技术，特别是生命周期工程技术在材料流程工业中的应用。

论文指出，工业部门是中国碳排放的主要来源之一，其中能源领域和工业领域分别占碳排放总量的56.39%和28.65%。材料生产是典型的流程制造业，其碳减排是工业领域碳减排的重中之重。因此，大力推进材料制造流程的生态化转型与升级，促进材料生产流程的资源、能源消耗减量化和碳排放趋零化是材料产业实现绿色低碳循环发展的重要措施之一。

研究团队详细介绍了五类流程工业节能减碳技术：原材料替代、流程再造、燃料替代、能量回收利用和物质循环再生。这些技术通过改变原料、反应机理和制造方式等手段，削减制造过程中的碳排放。例如，在钢铁生产中，利用氢气还原替代焦炭还原；在水泥生产中，使用固废或非碳酸盐原料替代碳酸钙原料。这些技术不仅能够显著减少碳排放，还能协同处置大宗固体废弃物，推动绿色低碳循环经济体系的构建。

论文进一步阐述了生命周期工程技术的内涵和方法体系。生命周期工程以生态设计为主导，通过将毒害替代、绿色工艺规划、清洁生产、资源循环等技术与理论应用到产品的全生命周期中，系统优化全产业链条的性能、成本与环境表现。研究建立了基于资源-碳排放-性能指标的多因素综合表征模型，量化了碳排放与材料产品性能、资源能源消耗之间的关系。

图1 铝合金生产系统边界图。（a）原生铝合金生产的系统边界；（b）再生铝合金生产的系统边界。

在案例研究中，研究团队以典型A356铝合金产品为例，从制造流程资源和能源消耗、碳排放、产品性能、二次资源循环利用等角度开展生态设计多维分析，为基础材料流程低碳化技术集成、零碳化产品设计生产提供了科学依据和解决方案。研究结果表明，与原铝铝合金相比，无论是应用先进技术后的原铝铝合金还是再生铝铝合金都能够显著降低资源消耗强度及碳排放强度。减碳技术的应用促进1吨A356铝合金资源消耗强度降低13.37%，再生铝资源消耗强度仅为原铝的13.22%。在碳排放方面，减碳技术的应用将能够降低约14.94%的碳排放，再生铝合金的碳排放仅为原生铝合金的10.86%，再生铝生产的碳排放量是原铝生产碳排放量的5.54%。性能方面，再生铝铝合金性能比原铝有所降低。结合三个指标构建综合表征矩阵模型，在四种需求权重下，再生铝的综合性能均优于原铝和应用先进技术后的原铝。

图2 再生铝合金生产碳排放流动图。

论文强调，流程工业碳减排技术是我国工业领域实现双碳目标的重要支撑。流程工业的低碳发展需要利用生命周期工程技术，从制造全流程入手，综合分析多种碳减排技术应用与组合的效果，才能最大限度地发挥技术集成优势，从而全面构建流程工业低碳化发展路径。研究团队通过阐述生命周期工程技术的理论框架及方法体系，为原材料替代、流程再造、燃料替代、能量回收利用、物质回收利用等流程工业节能减碳技术体系的高效组合与重构提供了理论基础。