水泥的生命周期評(píng)價(jià)
1. 前言
自從水泥在世界上出現(xiàn)之后,它作為基礎(chǔ)原材料的地位就沒有動(dòng)搖過,水泥工業(yè)成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的支柱產(chǎn)業(yè),為人類的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。然而到了20世紀(jì)90年代以后,發(fā)達(dá)國(guó)家的水泥工業(yè)重心開始向“與自然協(xié)調(diào)、為地球環(huán)境做貢獻(xiàn)”的方向傾斜,當(dāng)然也是為了適應(yīng)燃料價(jià)格不斷上漲的變化。歐美和日本等國(guó)大力開展了減少自然資源和能源的消耗、充分利用再循環(huán)技術(shù)消納廢棄物、處理有毒有害物、盡量做到“零”排放、不產(chǎn)生二次污染等研究開發(fā)工作、改變常規(guī)生產(chǎn)工藝、開發(fā)與廢棄物利用相關(guān)的設(shè)備。一方面說明現(xiàn)代水泥工業(yè)的成熟,生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展;另一方面說明傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開始向生態(tài)化轉(zhuǎn)型,水泥工業(yè)正在以它特殊的優(yōu)勢(shì),逐步成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,這可能是自新型懸浮預(yù)熱器窯出現(xiàn)之后水泥工業(yè)的又一次革命。
近20年來我國(guó)水泥工業(yè)取得了驚人的發(fā)展,2005年全國(guó)水泥產(chǎn)量已超過10億t, 新型干法水泥產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比重躍升到40%以上,“十五”期間我國(guó)共建成新型干法生產(chǎn)線487條,并且日產(chǎn)4000噸水泥熟料及以上規(guī)模生產(chǎn)線約占新型干法線的1/3。
然而全球性的人口、資源、環(huán)境矛盾尖銳,使中國(guó)水泥工業(yè)的現(xiàn)代化面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的任務(wù)更為迫切。提高自主創(chuàng)新能力,轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì),走新型工業(yè)化道路等,已成為“十一五”規(guī)劃的戰(zhàn)略目標(biāo),它意味著:我們要從過度依賴資金、自然資源和環(huán)境投入,以量的擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng),轉(zhuǎn)向更多依靠提高勞動(dòng)者素質(zhì)和技術(shù)進(jìn)步,以提高效率獲取經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。因此,為了使水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展,我們?cè)絹碓叫枰哂协h(huán)境意識(shí)的設(shè)計(jì)專家,使我國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展,逐步納入生態(tài)設(shè)計(jì)階段。
在循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下,如何評(píng)價(jià)產(chǎn)品的環(huán)境效益,國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了幾種評(píng)價(jià)方法,不同時(shí)期人們有著不同的認(rèn)識(shí),以目前水平來說,水泥生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)已在水泥領(lǐng)域得到采用。本文將對(duì)水泥的LCA進(jìn)行初步探討。
2. 生命周期評(píng)價(jià)的基本內(nèi)容
“生命周期評(píng)價(jià)”又稱為“環(huán)境影響評(píng)價(jià)”,即一般所說的LCA,英文的全稱是Life Cycle Assessment。水泥的LCA分為兩個(gè)部分:一是進(jìn)行水泥產(chǎn)品和服務(wù)壽命中的環(huán)境負(fù)荷定量分析(Inventery分析,即清單分析);另一個(gè)是進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)(Impact分析,即環(huán)境影響分析)。
這里所說的環(huán)境負(fù)荷定量分析,是指由于天然資源的消耗或容量減少以及污染物的增加(通常的或一時(shí)的)所帶來的大氣、水質(zhì)、土壤的惡化,從而引起的的環(huán)境負(fù)荷變化;環(huán)境影響評(píng)價(jià)是指因環(huán)境負(fù)荷增加產(chǎn)生的天然資源枯竭、地球溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等,從而給人類健康、動(dòng)植物生存和生長(zhǎng)帶來的惡劣影響,表1所示為水泥的LCA說明。
表1 水泥LCA
眾所周知,雖然人們的環(huán)保意識(shí)有了飛速提高,但地球的各種環(huán)境問題還是越來越突出了,如全國(guó)的工業(yè)廢棄物、有毒有害廢棄物和生活垃圾的大量產(chǎn)生和堆放;大氣污染、水污染越來越嚴(yán)重、日趨緊張的化石能源(石油、煤炭)和水資源、溫室氣體的大量排放和天氣異常變化、天然礦物的品位降低和逐步枯竭等問題。當(dāng)我們探討水泥工業(yè)與環(huán)境問題的關(guān)系時(shí),不能只注意一部分工藝過程的技術(shù)創(chuàng)新和新設(shè)備的開發(fā),而應(yīng)該全盤考慮產(chǎn)品的生命周期,如配料、設(shè)計(jì)、使用以及廢棄或再利用的各個(gè)環(huán)節(jié),這就是我們研究LCA的目的。
當(dāng)我們循環(huán)利用廢棄物時(shí),雖然可以減輕環(huán)境負(fù)荷,但一定要注意不產(chǎn)生二次污染,因此對(duì)環(huán)境和產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢測(cè)、制定有害元素和重金屬元素限值的標(biāo)準(zhǔn),都是非常重要的工作。
3. 水泥的生命周期評(píng)價(jià)
水泥是典型的基礎(chǔ)原材料,一般它以混凝土的形式服務(wù)于人類,稱之為水泥基材料的種類也在增加。我國(guó)硅酸鹽水泥的產(chǎn)量約占水泥總產(chǎn)量的98%,特種水泥雖有60多個(gè)品種,但較常用的也就20多種。因此我們考慮水泥的LCA將以硅酸鹽水泥為主。
近20年來水泥生產(chǎn)技術(shù)有了飛快進(jìn)步,新型干法水泥的燒成熱耗,世界先進(jìn)水平已達(dá)到2700KJ/kgCl ,與理論熱耗2200KJ/kgCl的差值越來越小,雖然水泥工作者仍在不斷努力從工藝與設(shè)備角度探索降低熱耗的途徑,但進(jìn)一步降低傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的熱耗已感到進(jìn)展緩慢,發(fā)達(dá)國(guó)家的一些公司已開始在水泥生命周期分析與新型膠凝材料開發(fā)方面邁出了步伐,嚴(yán)酷的環(huán)境形勢(shì)要求人們改變傳統(tǒng)的思維模式,首先進(jìn)行思想上的創(chuàng)新,因此世界水泥界出現(xiàn)了利用廢棄物的熱潮、開發(fā)新品種水泥和新型膠凝材料、對(duì)水泥進(jìn)行改性……,并且深入探索循環(huán)經(jīng)濟(jì)與水泥工業(yè)的關(guān)系。
“減量化、再利用、再循環(huán)”是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要理念,我國(guó)倡導(dǎo)的建立節(jié)約型社會(huì),要與自然環(huán)境相和諧,是使我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本指導(dǎo)思想。因此,水泥行業(yè)、建材行業(yè)以及其他有關(guān)行業(yè)都應(yīng)積極開展循環(huán)利用廢棄物的工作,水泥工業(yè)由于有其獨(dú)特消納廢棄物的特點(diǎn),故必能在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮作用。
水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,即從原料和能源兩方面利用廢棄物,一是將工業(yè)廢棄物用作水泥原料或混合材,如用粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢渣取代天然原料,從而可以減少石灰石用量,減輕環(huán)境負(fù)荷;二是將可燃廢棄物用作燃料,減少化石類資源的消耗,如生活垃圾和其他工業(yè)部門難以處理的無機(jī)和有機(jī)廢料,都可用作水泥回轉(zhuǎn)窯的替代燃料。像礦渣等某些傳統(tǒng)的工業(yè)廢渣,因?yàn)榈玫搅擞行г倮?,有時(shí)也可以叫作“資源”。表2
表2 水泥工業(yè)可用作燃料的固體廢棄物
是水泥工業(yè)可用作燃料的固體廢棄物,表3 是水泥工業(yè)可用作水泥原料、混合材的工業(yè)廢渣或廢棄物。
另一方面,國(guó)際水泥界正在開發(fā)發(fā)熱量低、流動(dòng)性高的優(yōu)良水泥和各種功能水泥,應(yīng)用這些水泥能減少和控制建筑結(jié)構(gòu)物的缺陷,延長(zhǎng)建筑物的使用壽命,當(dāng)生產(chǎn)這種水泥時(shí)能耗可能有所增加,但從水泥的生命周期分析看,將對(duì)人類環(huán)境的改善更有意義。圖1所示為水泥產(chǎn)品的生命周期示意圖,圖中的原料、燃料包括著替代的原料和燃料。
表3 水泥工業(yè)可用作水泥原料、混合材的工業(yè)廢渣或廢棄物
圖1水泥產(chǎn)品的生命周期示意圖
4. 我國(guó)水泥工業(yè)的環(huán)境分析
根據(jù)近年來國(guó)內(nèi)各種相關(guān)資料報(bào)導(dǎo),若以PO42.5水泥為考慮基準(zhǔn),綜合歸納得出的我國(guó)水泥工業(yè)的環(huán)境數(shù)據(jù)如下,顯然這些數(shù)據(jù)沒有得到有效的確認(rèn),只供讀者參考。
?。?) 與水泥工業(yè)有關(guān)的天然資源與能源
2000年底全國(guó)探明保有儲(chǔ)量石灰石約560億t,硅質(zhì)原料儲(chǔ)量約47億t,天然石膏儲(chǔ)量約640萬t,2002年底全國(guó)煤炭經(jīng)濟(jì)可采資源量約1300億t。
?。?)水泥工業(yè)的資源能源消耗
設(shè)定年產(chǎn)8億t水泥熟料和10億t水泥、水泥熟料煤耗130kg標(biāo)煤/t熟料、水泥綜合電耗125kwh/t水泥, 則年需石灰石約10億t,粘土 2億t(當(dāng)不用其它原料代替粘土?xí)r),砂巖0.48億,鐵粉0.12億t,石膏 0.05億t,用水總量13億t(重復(fù)利用率約65%), 電力 1250億Kwh, 煤炭1.04億t標(biāo)煤。
(3)有害氣體、污染物和溫室氣體排放量
我國(guó)水泥工業(yè)2004年約產(chǎn)生二氧化硫(SO2) 100萬t,煙塵 46萬t,粉塵 520萬t,溫室氣體CO2計(jì)算估計(jì)約8億t。
?。?)水泥工業(yè)用作混合材的廢渣和天然資源
2004年共計(jì)使用約2.43億t,其中礦渣0.85億t、粉煤灰0.24億t。
5.我國(guó)水泥工業(yè)的資源綜合利用及LCA分析
我國(guó)每年工業(yè)廢渣約有10億t,生活垃圾約有2億t,每年還會(huì)以一定的比例增加。我國(guó)采用工業(yè)固體廢物作為水泥混合材有很長(zhǎng)的研究開發(fā)和應(yīng)用的歷史,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國(guó)現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定普通水泥中混合材允許摻量為6%~15%,但復(fù)合水泥的混合材摻量最高可達(dá)50%,礦渣水泥可達(dá)70%,火山灰水泥可達(dá)50%,粉煤灰水泥可達(dá)40%。使用比水泥更細(xì)的混合材(如細(xì)磨礦渣)可以提高摻量而不降低水泥強(qiáng)度。測(cè)定水泥中的混合材實(shí)際摻加量的方法還在研究開發(fā)中。我國(guó)在利用工業(yè)固體廢物代替粘土方面,也有成熟的經(jīng)驗(yàn),替代率最高可達(dá)100%,但粘土、鐵粉等在水泥原料配料中最多只占20%(硅酸鹽水泥)。
用回轉(zhuǎn)窯焚燒可燃廢棄物將是我國(guó)水泥工業(yè)向著環(huán)保產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展的重點(diǎn)。歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在利用可燃廢棄物作為替代燃料方面已達(dá)到一定規(guī)模水平,燃料替代率最高已達(dá)到70%~80%,一般水平為10%~30%。我國(guó)剛開始這方面的工作,國(guó)家鼓勵(lì)政策和社會(huì)配套設(shè)施還需完善。從技術(shù)的角度來看,涉及到專用處理設(shè)備(破碎、分選、計(jì)量、輸送、燃燒器等)的開發(fā)及環(huán)保監(jiān)測(cè)、重金屬元素限值標(biāo)準(zhǔn)的制定等。我國(guó)廢棄物在水泥工業(yè)中的應(yīng)用具有極其廣闊的前景。如將廢棄物在水泥工業(yè)應(yīng)用的比例由現(xiàn)在的25%(主要用作混合材)提高到40%以上,將會(huì)取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
水泥工業(yè)使用廢棄物,間接或直接的減少了石灰石用量,因此也減少了CO2的排放量。水泥工業(yè)的余熱發(fā)電也在降低環(huán)境負(fù)荷方面起著很好的作用,一方面降低了能耗,另一方面間接的減少了CO2排放量。
水泥工業(yè)在日本被稱為靜脈產(chǎn)業(yè)是很形象的說明水泥工業(yè)對(duì)自然環(huán)境的貢獻(xiàn)。最近,在難于廢棄物處理的高難技術(shù)方面和廢棄物的前處理技術(shù)方面都有了很大進(jìn)展,然而還缺乏定量的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明,也不能定量的估計(jì)對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響。目前,用LCA評(píng)價(jià)上述技術(shù)是最有效的方法,并正在開發(fā)對(duì)環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法(LCA綜合分析法),可以預(yù)計(jì)今后LCA分析法將會(huì)得到更積極的發(fā)展,從產(chǎn)品質(zhì)量、性能和減少環(huán)境負(fù)荷幾方面看,來確定采用什么樣的廢棄物或副產(chǎn)品,以及選擇再循環(huán)的技術(shù)可能是必要的步驟。此時(shí)應(yīng)注意的是,處理廢棄物時(shí),不應(yīng)成為因能耗的增加而抵制采用廢棄物的理由,相反應(yīng)積極促進(jìn)再利用技術(shù)的發(fā)展,這才是對(duì)LCA的正確理解。
6.結(jié)言
LCA是環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法,它在水泥生態(tài)設(shè)計(jì)中占有很重要的位置,對(duì)于單位功能相同的兩種產(chǎn)品,比較它們?cè)谏芷谶^程中對(duì)環(huán)境的影響,并且選擇減少環(huán)境負(fù)荷的產(chǎn)品,這就是LCA在水泥生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。調(diào)整高消耗、高污染的粗放型發(fā)展模式,代之以人與自然和諧發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展模式,提高水泥工業(yè)活動(dòng)中資源能源的利用效率,降低生產(chǎn)和制造過程對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān),是我們?cè)?1世紀(jì)的任務(wù)。
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