崔素萍，黎 瑤，李 琛，王亞麗

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124)

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特約專欄

水泥生命周期評(píng)價(jià)研究與實(shí)踐

崔素萍，黎 瑤，李 琛，王亞麗

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124)

水泥行業(yè)是我國(guó)重要的基礎(chǔ)原材料行業(yè)之一，其廣泛地應(yīng)用于建筑、國(guó)防、道路等領(lǐng)域。隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷推進(jìn)，我國(guó)水泥行業(yè)正處于從高能耗、高污染的集約型生產(chǎn)向環(huán)境友好型發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型時(shí)期。基于生命周期評(píng)價(jià)方法，建立了適用于水泥生產(chǎn)流程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法步驟，介紹了據(jù)此開(kāi)展的新型干法水泥生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷熱點(diǎn)辨識(shí)和工藝優(yōu)化效果評(píng)價(jià)研究，進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)并比較了水泥窯協(xié)同處置污泥、生活垃圾以及工業(yè)廢物替代原料的技術(shù)方案，為實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷的科學(xué)定量與低環(huán)境負(fù)荷利廢水泥的生態(tài)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供方法與數(shù)據(jù)支撐。

生命周期評(píng)價(jià)；生態(tài)水泥；節(jié)能減排

1 前 言

面臨產(chǎn)能過(guò)剩、轉(zhuǎn)型發(fā)展的嚴(yán)酷形勢(shì)，我國(guó)水泥工業(yè)正逐步向注重資源效率、能源效率和環(huán)境保護(hù)的生態(tài)型發(fā)展[1]。除了優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能外，生態(tài)化發(fā)展對(duì)水泥工業(yè)環(huán)境影響指標(biāo)更為關(guān)注[2]，傳統(tǒng)經(jīng)典的理論方法已經(jīng)不能滿足需要，而生命周期評(píng)價(jià)方法(Life Cycle Assessment,LCA)可以很好地解決這些問(wèn)題。LCA方法在材料中的應(yīng)用，是基于性能需求對(duì)材料產(chǎn)品或系統(tǒng)的環(huán)境影響進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的分析，獲得定量結(jié)果，幫助辨識(shí)流程中環(huán)境負(fù)荷重點(diǎn)工序、優(yōu)選技術(shù)改進(jìn)方案、研制開(kāi)發(fā)先進(jìn)技術(shù)，指導(dǎo)節(jié)能減排[3]。本文主要介紹LCA在水泥生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境負(fù)荷分析及優(yōu)化中的研究與應(yīng)用。

2 水泥生產(chǎn)流程LCA與環(huán)境熱點(diǎn)辨識(shí)

2.1 水泥生產(chǎn)流程的LCA 方法與步驟

LCA是系統(tǒng)化、定量化分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品及其生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷的方法，也是辨識(shí)環(huán)境問(wèn)題、優(yōu)化改進(jìn)方案、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段[4]。針對(duì)具體的產(chǎn)品和流程，建立基于LCA的環(huán)境影響計(jì)算和分析方法，是開(kāi)展環(huán)境熱點(diǎn)辨識(shí)的重要基礎(chǔ)。按照ISO14040規(guī)定的技術(shù)框架[5]，水泥LCA分析按圖1步驟進(jìn)行。

圖1 水泥LCA分析步驟Fig.1 Procedure of cement life cycle assessment

在生命周期分析目的明確后，需要確定評(píng)價(jià)范圍、邊界，以及重要的環(huán)境影響類別，具體到水泥生產(chǎn)過(guò)程，評(píng)價(jià)范圍主要包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個(gè)工序，邊界確定為從原料獲得到產(chǎn)品出廠前的整個(gè)過(guò)程，涉及到的資源、能源消耗和污染物排放見(jiàn)表1。

表1 水泥生產(chǎn)生命周期主要環(huán)境問(wèn)題Table 1 Environmental impacts caused by cement production

清單分析以及有效數(shù)據(jù)收集是LCA的基礎(chǔ)工作[5]，對(duì)于水泥生產(chǎn)過(guò)程，生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括原料消耗(石灰石、粘土質(zhì)原料、鐵質(zhì)校正原料、硅質(zhì)校正原料、石膏、混合材、廢棄物)、能源消耗(煤、電)、污染物排放(CO2、CO、NOx、SOx、HCl、HF、Hg、As、Cr、Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、粉塵)。

根據(jù)水泥生產(chǎn)特點(diǎn)選擇影響類型用于評(píng)價(jià)，見(jiàn)表2所示。水泥生產(chǎn)的物質(zhì)輸入為天然礦物如石灰石、砂巖等，能量輸入為熱能和電能，而熱能、電能均可以轉(zhuǎn)化為煤炭、石油、天然氣等化石能源，表現(xiàn)的環(huán)境影響類別為不可再生資源消耗(ADP)；水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境輸出主要是廢氣，其中含有CO2、SO2、NOx等，選擇與上述氣體排放相關(guān)的影響類型，包括溫室效應(yīng)(GWP)、環(huán)境酸化(AP)、人體健康損害(HTP)、光化學(xué)煙霧(POCP)；水泥生產(chǎn)廢水?dāng)?shù)量很少，并且通常僅含有少量懸浮物和油污，無(wú)毒無(wú)害，廢水污染在此不作考慮。

表2 水泥生產(chǎn)的環(huán)境影響類型和類型參數(shù)Table 2 Environmental impact indicators of cement production

環(huán)境影響類型參數(shù)特征化計(jì)算，是LCA分析中對(duì)不同環(huán)境負(fù)荷項(xiàng)目所造成的環(huán)境影響進(jìn)行對(duì)比分析和量化的過(guò)程，采用特征化因子將生命周期清單結(jié)果轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的單位并進(jìn)行合并，得到水泥生產(chǎn)的各類環(huán)境影響潛力值[5]。最終通過(guò)結(jié)果解釋對(duì)量化分析結(jié)果進(jìn)行歸納形成結(jié)論和建議。

2.2 水泥生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷分析與熱點(diǎn)辨識(shí)

以某新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)為例，進(jìn)行生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷分析。該生產(chǎn)系統(tǒng)主要產(chǎn)品是普通硅酸鹽水泥，選取1kg 42.5普通硅酸鹽水泥為功能單位。研究范圍包括生料制備(原料開(kāi)采、原料預(yù)均化、生料粉磨、生料均化)、熟料煅燒(包括煤粉制備)、水泥粉磨三個(gè)主要工序，并且考慮了與水泥生產(chǎn)相關(guān)的原料開(kāi)采、電力生產(chǎn)和煤炭生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷。根據(jù)前文構(gòu)建的評(píng)價(jià)方法體系，計(jì)算得到功能單位水泥的環(huán)境負(fù)荷清單和特征化結(jié)果，見(jiàn)表3與表4所示。

表3 功能單位水泥的生命周期清單(kg/kg)Table 3 LCI of cement

續(xù)表

表4 功能單位水泥的環(huán)境影響特征化結(jié)果Table 4 LCIA result of cement

結(jié)果顯示，水泥生產(chǎn)流程環(huán)境影響由大到小順序依次為溫室效應(yīng)、不可再生資源消耗、環(huán)境酸化、人體健康損害、光化學(xué)煙霧，而排在前兩位的溫室效應(yīng)和不可再生資源消耗的主要貢獻(xiàn)工序是熟料煅燒，節(jié)能減排潛力很大，將此工序作為節(jié)能減排改造的首選重點(diǎn)工序。提高該工序礦物原料和化石燃料利用效率、或者降低該工序礦物原料和化石燃料的消耗量、減少該工序熱工系統(tǒng)的物料損失和熱損失，是降低該工序綜合環(huán)境負(fù)荷的主要途徑。

3 重點(diǎn)工序工藝優(yōu)化降低環(huán)境負(fù)荷效果評(píng)價(jià)

針對(duì)上述水泥生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷分析結(jié)果，企業(yè)通過(guò)對(duì)重點(diǎn)工序改進(jìn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境負(fù)荷的降低，包括采用鋼渣替代水泥原料[6]、預(yù)熱分解系統(tǒng)和余熱發(fā)電改進(jìn)等。研究確定并實(shí)施了鋼渣與其它原料分磨后混工藝，保證不同易磨性原料都能夠達(dá)到合理的細(xì)度[7-8]，最大程度地發(fā)揮各自活性，進(jìn)一步降低熟料燒成熱耗，鋼渣的利用量增加60%。針對(duì)各級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速相對(duì)較高、出口風(fēng)速很低、系統(tǒng)的預(yù)熱器尤其是一級(jí)筒的分離效率不夠理想、系統(tǒng)飛灰量大、出預(yù)熱器廢氣溫度過(guò)高等系統(tǒng)燒成熱耗偏高的原因，通過(guò)改進(jìn)一級(jí)筒內(nèi)筒結(jié)構(gòu)、調(diào)整三、四級(jí)筒進(jìn)口結(jié)構(gòu)、撒料盒前端增加導(dǎo)流板便于懸浮熱交換、調(diào)整窯尾煙室局部和縮口結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行了操作參數(shù)優(yōu)化調(diào)整等，提高了預(yù)熱器尤其是一級(jí)筒的分離效率，降低了出預(yù)熱器的廢氣溫度和飛灰量，增強(qiáng)了各級(jí)氣固熱交換，降低了系統(tǒng)阻力；分解爐燃燒狀況大大改善，預(yù)燃室的預(yù)燃功能得到了較好的發(fā)揮；同時(shí)對(duì)冷卻機(jī)操作參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，改善了冷卻機(jī)冷卻效果；從系統(tǒng)總體來(lái)看，系統(tǒng)各項(xiàng)性能都得到了提高。預(yù)熱器分離效果有所改善，一級(jí)筒出口溫度降了20℃左右，系統(tǒng)阻力明顯下降。一級(jí)筒分離效率由90.14%上升到95.20%，系統(tǒng)分離效率由89.13%增加到94.07%。對(duì)系統(tǒng)實(shí)施了余熱發(fā)電改造，降低了系統(tǒng)熱量損失[9]。

采用前文構(gòu)建的指標(biāo)體系計(jì)算得到工藝優(yōu)化后功能單位水泥的生命周期清單和環(huán)境負(fù)荷特征化結(jié)果，見(jiàn)表5與表6所示。與改進(jìn)前相比，水泥生產(chǎn)過(guò)程綜合環(huán)境負(fù)荷降低幅度如表7所示。通過(guò)基于LCA的定量分析方法，不僅可以從能源系統(tǒng)改造計(jì)算出能耗的降低，還可以從全系統(tǒng)的角度定量計(jì)算出與能耗有關(guān)聯(lián)的資源消耗、污染物排放的變化結(jié)果，避免了孤立研究資源、能源及污染排放的弊病，能夠系統(tǒng)地指導(dǎo)工業(yè)過(guò)程節(jié)能減排綜合改造，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排和降低資源消耗。

表5 改進(jìn)后功能單位水泥生產(chǎn)的LCA清單(kg/kg)Table 5 LCI of cement after improvement

表6 技術(shù)改造后水泥生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷Table 6 LCIA result of cement after improvement

表7 技術(shù)改造后水泥生產(chǎn)綜合環(huán)境負(fù)荷降低幅度Table 7 Comprehensive environmental load reduction range of cement after technical improvement

4 工業(yè)廢渣替代原料技術(shù)方案評(píng)價(jià)

工業(yè)廢渣在水泥生產(chǎn)中的綜合利用方式可以分為替代生料與替代熟料兩類，可替代生料的工業(yè)廢渣有電石渣[10]、煤矸石[11]、粉煤灰[12]等，可替代熟料的工業(yè)廢渣主要是粉煤灰、礦渣[13]。采用LCA可以計(jì)算出水泥窯利用每噸工業(yè)廢渣帶來(lái)的環(huán)境效益，并據(jù)此對(duì)不同技術(shù)路線的節(jié)能、節(jié)地、碳減排、非溫室氣體減排與整體環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，作為技術(shù)選擇的依據(jù)。利用每噸固體廢棄物替代生料或熟料產(chǎn)生的各類環(huán)境效益的效果排序，見(jiàn)表8所示。

表8 各類工業(yè)廢渣利用的環(huán)境效益排序Table 8 Rank of environmental benefits potential of different kinds of waste utilization

結(jié)果顯示：在碳排放方面，工業(yè)廢渣替代熟料的碳減排效果明顯優(yōu)于替代生料，在替代熟料中粉煤灰的碳減排效果較好，替代生料中電石渣的碳減排效果最為顯著，煤矸石替代生料則會(huì)增加碳排放。在化石能源消耗方面，煤矸石替代生料的節(jié)能效果顯著達(dá)到162kgce/t，兩種廢渣替代熟料的節(jié)能效果次之為144kgce/t，而電石渣替代生料由于增加了壓濾與干化等原料的處置過(guò)程，能源消耗增加了30.9kgce/t；在節(jié)約土地方面，由于各類廢棄物利用形式均避免了廢棄階段的填埋或是堆積占地，且均替代了部分自然資源，從而降低了資源開(kāi)采占地，故研究涉及的7種廢棄物利用均具有一定的節(jié)地效果，其中粉煤灰替代生料的節(jié)地效果最為明顯，為0.264m2/t。在非溫室氣體減排方面，利用粉煤灰替代熟料的減排效果最好；另一方面，利用電石渣由于能源消耗的增加使得非溫室氣體排放增加。

綜合考慮溫室氣體排放、資源消耗、人體健康損害、富營(yíng)養(yǎng)化、光化學(xué)煙霧、酸化與土地使用7項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)，計(jì)算了每種廢物利用方案的綜合環(huán)境影響下降值，見(jiàn)圖2所示。結(jié)果顯示，替代熟料所產(chǎn)生的環(huán)境效益明顯高于替代生料，而在五類生料替代技術(shù)中，處理80%含水污泥由于利用余熱節(jié)約了大量干化能耗，減少了干化過(guò)程的直接污染物排放，故其環(huán)境效益要優(yōu)于其他四類方式，另一方面，煤矸石與35%含水污泥替代生料的環(huán)境效益并不十分顯著。

圖2 不同技術(shù)路線的環(huán)境影響計(jì)算結(jié)果Fig.2LCIA result of different industrial waste utilization scenario

5 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)方案評(píng)價(jià)

我國(guó)生活垃圾的無(wú)害化處置方式主要為衛(wèi)生填埋、焚燒與堆肥等，所占比例分別為82.4%，4.7%和12.9%[14]，近年來(lái)水泥窯協(xié)同處置正在成為生活垃圾無(wú)害化的又一重要途徑[15]。本文采用生命周期分析方法，計(jì)算獲得了水泥窯分類綜合處置、水泥窯直接處置、焚燒后水泥窯處置、以及傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋和焚燒后填埋等生活垃圾不同處理路線的環(huán)境負(fù)荷。研究框架圖和系統(tǒng)邊界見(jiàn)圖3所示。

研究的系統(tǒng)邊界涵蓋生活垃圾處置的主要相關(guān)過(guò)程，其中不僅包括垃圾處置過(guò)程本身的直接能耗與排放，而且包含處置過(guò)程中使用的資源與能源的開(kāi)采過(guò)程以及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的間接影響，更為系統(tǒng)與全面地分析水泥窯協(xié)同處置生活垃圾與傳統(tǒng)的生活垃圾無(wú)害化處置方式相比的優(yōu)勢(shì)所在，研究的系統(tǒng)邊界見(jiàn)圖4所示。

圖3 城市垃圾的不同處置路線Fig.3 Different scenario of garbage treatment

圖4 水泥窯協(xié)同處置城市垃圾生命周期分析的系統(tǒng)邊界Fig.4 System boundary of cement kiln synergy disposal of municipal waste

各類生活垃圾處理技術(shù)路線的環(huán)境負(fù)荷對(duì)比研究結(jié)果顯示(圖5與圖6)，水泥窯處置生活垃圾相對(duì)于傳統(tǒng)處置方式的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在節(jié)材、節(jié)土、特別是人體健康損害潛力的大幅下降，避免了垃圾焚燒過(guò)程的二噁英排放與填埋過(guò)程的重金屬物質(zhì)滲出對(duì)空氣、土壤以及水體的污染，三種水泥窯處置路線的人體健康損害影響，僅為傳統(tǒng)填埋處置方式的16.7%、2.11%與2.13%。綜合考慮資源消耗、全球變暖、人體健康損害等多項(xiàng)環(huán)境影響，采用水泥窯處置城市垃圾造成的環(huán)境影響要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的無(wú)害化處理模式，采用焚燒后水泥窯處置、直接水泥窯處置與水泥窯分類綜合處置的環(huán)境影響，分別為填埋處置方式的16.89%、2.81%與2.21%，是垃圾直接焚燒處置方式的46.7%、7.8%與6.1%。在3種水泥窯協(xié)同處置技術(shù)線路中，水泥窯分類綜合處置(RDF)的環(huán)境影響最小，直接處置方式的環(huán)境影響值次之，與先焚燒后處置方式相比，分類綜合處置環(huán)境負(fù)荷降低86.9%，水泥窯直接處置的環(huán)境負(fù)荷降低83.3%。

圖5 不同生活垃圾處理技術(shù)路線的環(huán)境負(fù)荷計(jì)算結(jié)果Fig.5 LCIA result of different garbage treatment/utilization scenario

圖6 不同生活垃圾處理技術(shù)路線的環(huán)境負(fù)荷比較Fig.6 Weighting result of different garbage treatment/utilization scenario

6 水泥窯協(xié)同處置城市污泥技術(shù)方案評(píng)價(jià)

目前城市污泥的主要處置方法包括填埋、焚燒、土地利用、以及近年發(fā)展起來(lái)的水泥窯協(xié)同處置[16]。水泥窯協(xié)同處置的方式又可分為脫水后外運(yùn)水泥廠處置、石灰穩(wěn)定后外運(yùn)水泥廠處置等[17]。不同的處置技術(shù)路線如圖7所示。

基于LCA方法，從環(huán)境影響角度對(duì)不同的技術(shù)路線進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮的影響類別包括溫室效應(yīng)(GWP)、酸化效應(yīng)(AP)、光化學(xué)效應(yīng)(POCP)、水體富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、人體健康損害(HTP)和不可再生資源消耗(ADP)等，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

圖7 城市污泥的不同處置路線Fig.7 Different scenario of sludge treatment

表9 不同污泥處置方式的環(huán)境影響計(jì)算結(jié)果Table 9 LCIA result of different sludge utilization way

計(jì)算結(jié)果顯示，“脫水-外運(yùn)水泥廠處置”路線，即城市污泥在污水廠進(jìn)行機(jī)械脫水到含水率80%，再運(yùn)往水泥廠進(jìn)行協(xié)同處置是綜合環(huán)境影響最低的技術(shù)方案，這種方式不僅可以有效減少臭氣，將重金屬固化于水泥熟料，避免二次污染，并且借助水泥窯余熱利用技術(shù)，相對(duì)于在污水處理廠內(nèi)部進(jìn)行干化和焚燒更能有效利用城市污泥中的熱值；“脫水-石灰穩(wěn)定-外運(yùn)水泥廠處置”路線的環(huán)境影響略高于“脫水-外運(yùn)水泥廠處置”路線，但是這種方式經(jīng)濟(jì)成本較高，目前還未普及；在傳統(tǒng)的處置路線中，“焚燒-填埋”處置城市污泥的方式帶來(lái)的環(huán)境影響最高，是水泥廠協(xié)同處置城市污泥造成環(huán)境影響的10.37倍，“干化-填埋”與“堆肥”方式帶來(lái)的環(huán)境影響也分別是水泥廠協(xié)同處置城市污泥的9.74倍與8.35倍。水泥廠協(xié)同處置城市污泥相對(duì)于在污水處理廠直接處置具有較為明顯的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。

7 結(jié) 論

本文針對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)流程，建立了適用于水泥產(chǎn)品的LCA方法體系，確定了主要的環(huán)境影響類別，開(kāi)展了面向工序的環(huán)境負(fù)荷熱點(diǎn)辨識(shí)和工藝優(yōu)化效果評(píng)價(jià)，通過(guò)重點(diǎn)工序優(yōu)化降低不可再生資源消耗5%、溫室效應(yīng)21%；比較了工業(yè)廢渣替代原料的不同技術(shù)方案，結(jié)果顯示，以粉煤灰替代熟料的綜合環(huán)境效益最好，電石渣替代石灰石的碳減排效果最好，而煤矸石在水泥生產(chǎn)中利用的環(huán)境效益并不明顯；評(píng)價(jià)了水泥窯協(xié)同處置污泥和生活垃圾的不同技術(shù)方案，結(jié)果顯示，水泥窯直接處置80%含水率污泥、水泥窯分類綜合處置生活垃圾(RDF替代燃料)的環(huán)境效益較好。

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(編輯 惠 瓊)

Research and Application of Life Cycle Assessment in Cement Industry

CUI Suping,LI Yao,LI Chen,WANG Yali

(College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

As one of the important basic raw material industries in China,cement is widely used in construction,national defense,roads and other fields. Along with the continuous progress of the sustainable development,cement industry is under the change stage from the intensive production of high energy consumption and high pollution to the environment friendly development mode. In this study,an environmental impact assessment index system and procedures based on Life Cycle Assessment method were established,which suit for cement production process. The research of environmental impact hotspot identification and process optimization effect evaluation on the new dry cement production process was introduced. Moreover,quantitative evaluation and comparison for technology solutions of the cement kiln co-disposal of sludge and household garbage,as well as industrial waste in place of raw materials were carried out in order to provide guidance for accurate quantification of environmental burden in cement production process and eco-design of environment friendly waste-based cement.

life cycle assessment; eco-cement; energy-saving and emission-reduction

2016-02-17

北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2141001)；北京市自然科學(xué)基金(2164056)

崔素萍，女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師， Email：cuisuping@bjut.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.10.01

TU525; X820.3

A

1674-3962(2016)10-0761-08