磷石膏和陶瓷拋光廢料配料制備普通水泥對環境負荷的影響

□□吳清仁 ，孫創奇 ，陳光

磷石膏和陶瓷拋光廢料配料制備普通水泥對環境負荷的影響

□□吳清仁1，2，孫創奇1，陳光3

運用生命周期評價法，以試驗和生產數據為基礎，參考有關統計數據及文獻資料，對本文提出的資源化綜合利用磷石膏和陶瓷拋光廢料配料制備普通硅酸鹽水泥的兩種試驗方法與傳統生產方法進行比較分析，探討了功能單位普通水泥制備過程及其相關原料開采、電力生產和煤炭生產過程對環境負荷的影響。結果表明：水泥生產的環境負荷影響主要體現在不可再生能源消耗、溫室效應和不可再生資源消耗；本文所提出的資源化綜合利用磷石膏和陶瓷拋光廢料配料制備普通硅酸鹽水泥的兩種試驗方法較傳統生產方法可減少水泥制備過程對環境負荷的影響。

水泥生產；生命周期評價；環境負荷；固體廢物

當前，如何根據水泥生產工藝特點有效處置工業廢棄物和城市垃圾，減少資源、能源消耗和污染物的排放，已成為熱點問題。然而，在處置各種固體廢棄物時，不可避免地會導致某種有害氣體的排放或水泥中某些有害物質含量的增加，是否能從整體上減少環境負荷？需要進行環境負荷分析、比較和預測工作。

“生命周期評價”的英文是Life Cycle Assessment，縮寫為 LCA。水泥的 LCA分為兩個部分：一部分是進行水泥生產過程中的環境負荷定量分析（Inventory Analysis），指由于天然資源的消耗或容量減少以及污染物的增加所帶來的大氣、水質和土壤的惡化，引起的環境負荷變化；另一部分是進行環境影響評價（Impact Assessment），指因環境負荷增加產生的天然資源枯竭、地球溫室效應和臭氧層破壞等，給人類健康、動植物生存和生長帶來的不良影響。本文基于ISO14040214043中介紹的生命周期評價理論[4]，采用荷蘭萊頓大學提出的CML環境影響評價方法[5]，對沒有綜合利用固體廢棄物的傳統水泥生產方法，與資源化綜合利用磷石膏配料（試驗方法1）、資源化綜合利用陶瓷拋光廢料配料（試驗方法2）生產功能單位水泥產品對環境負荷的影響進行了分析評價。這不僅有利于促進我國固體廢棄物在水泥工業的資源化利用，改善水泥生產過程的環境負荷，而且可為我國生態水泥評價方法和標準的建立提供技術基礎依據。

1 目標和范圍的確定

本文以1kgP．O32．5普通硅酸鹽水泥作為評價的功能單位，評價目標是比較資源化綜合利用磷石膏配料（試驗方法1）和資源化綜合利用陶瓷拋光廢料配料（試驗方法2）與現有傳統生產方法制備功能單位水泥產品對環境負荷的影響。本文研究范圍，從水泥原料開采、能源生產、生料制備、熟料煅燒及水泥粉磨到水泥儲存，主要考慮水泥生產過程及其相關的原料開采、電力和煤炭生產過程對環境負荷的影響。

2 生命周期清單分析

2．1 基礎數據

本研究以試驗廠家廣州石井水泥廠立窯生產工藝的資源、能源消耗數據作為依據，根據水泥生產工藝和污染物排放特點，考慮主要使用原料包括石灰石、粘土、鐵粉、天然石膏等不可再生資源，工業廢渣包括礦渣、粉煤灰、磷石膏、陶瓷拋光廢料，對工業固體廢棄物不考慮作為資源消耗。能源消耗包括各生產工序的電耗和煤耗。污染物則包括顆料物、CO2、SO2、NOX和HF等。由于本文的研究范圍是從原料開采開始，所以本文涉及資源與能源生產的初級資源消耗。初級資源消耗采用狄向華計算的我國資源、能源生產的生命周期排放數據，如表1所示[3]。

2．2 缺失數據的處理

參閱相關文獻，各污染物排放數據的確定方法如下[9]：

（1）CO2排放量計算

CO2的生成主要產生于煤等化石能源的燃燒和水泥熟料生產原料中石灰石的分解。化石能源燃燒的CO2排放量計算：

式中：E——的CO2排放量，kg

F——燃料的消耗量的，kg

Q——燃料的發熱量，MJ／kg

k——燃料的碳排放系數

a——燃料的碳氧化率

水泥生產過程中，原料石灰石的化學反應產生大量的的CO2，其化學反應式如下：

石灰石中CaO的百分含量按48%計算。最后得CO2排放量的估算公式為：

（2）NOx的排放量

NOx的排放量估算公式為：

式中：E——NOx的排放量，kg

F——燃料的消耗量，kg

a——燃料燃燒時NOx排放因子

r——脫氮設備的覆蓋率

f——平均脫氮效率

目前國內脫氮設備較少，不考慮脫氮問題。原煤和原油的排放因子分別為 9．95kg／t和 0．24kg／t， 天然氣為4．10g ／m3。

（3）其他

SO2和HF的排放量[6]：根據文獻資料和試驗情況分別取熟料質量的0．25%和0．03%。

顆粒物排放量[10]：按2004年中國環境年鑒和中國建筑材料工業年鑒的統計數據，每生產一噸水泥粉塵和煙塵的排放總量約5．84kg。

2．3 初步數據

表1 資源與能源生產的初級資源消耗

表2 中國化石燃料的碳排放系數和碳氧化率

表3 功能單位普通水泥生產基本資源、能源消耗情況

根據上述評價范圍和數據確定方法，可得到三種配料方法生產功能單位普通水泥的資源、能源消耗和污染物排放數據，如表3所示。

2．4 生命周期清單計算結果

根據表1和表3，可以得到三種配料方法生產功能單位普通水泥的生命周期清單，如表4所示。

3 生命周期影響評價

環境影響評價的目的是對資源、能源消耗和污染物排放進行定性和定量化描述，最終獲得具有可比性的數據。

3．1 影響分類、類型參數和特征描述

對于水泥生產來說，主要影響類別包括不可再生資源消耗(ADP)、不可再生能源消耗(EDP)、溫室效應(GWP)、人類健康損害(HT)、環境酸化(AP)、光化學煙霧 POCP等6項。水泥生產原料石灰石、石膏、鐵粉等的環境影響體現在不可再生資源消耗上，煤耗的環境影響則為不可再生能源；污染物的環境影響因種類不同而異。沒有考慮固體廢棄物資源代替天然原料后對環境負荷（污染）的減少。

由于 SO2、NOx同時涉及多項環境負荷，涉及并聯和串聯下的分配因子的計算。本文對分配因子進行簡化處理，根據各自的作用機理，SO2在酸化效應和人體健康損害兩種影響類型是并聯的關系，按各取其半分配，分配因子均為0．5；而 NOx在光化學煙霧和酸化效應兩種影響類型間形成串聯機制，二者與人體健康損害形成并聯，三種類型的分配因子為0．5。

不可再生資源(石灰石、石膏和鐵粉)消耗則由Jeroen等提出的公式，即式（4）和式（5）確定， 其中，參考資源為原油，開采量和儲量數據取自統計值。

式中：ADF——資源環境負荷因子

m——功能單位產品相應資源的消耗量，kg(表4)

DR——相應資源的年開采量，kg

R——相應資源的礦產儲量，kg

DRref——參考資源的年開采量，kg

Rref——參考資源的礦產儲量，kg

根據表4數據和表5中的特征化因子，可以得到功能單位水泥生產生命周期的特征化結果，如表5所示。

表4 功能單位普通水泥生產基本資源、能源消耗與污染物排放清單分析

表5 特征化因子與功能單位水泥生產數據的特征化結果

表6 環境負荷總當量數，kg／a

表7 單位功能水泥生產環境負荷相對指數，10－14／a

表8 水泥生產的環境影響類別重要性標度

表9 環境影響類別的權重系數

3．2 標準化

為了比較不同環境影響類別的作用程度，必須將各環境影響類別轉化為同一標準下的量化數據，可用各環境影響類別的環境負荷當量數與世界環境負荷的總當量數(表6)之比值表示，稱之為環境污染相對指數，如表7所示。

根據表 7可以得出圖1，從圖1可直觀地看出三種方法對環境負荷的影響。

3．3 環境負荷影響分析

（1）水泥生產工藝過程對環境負荷影響的分析

標準化的結果顯示了三種配料工藝方法按照立窯工藝生產功能單位水泥生命周期的環境負荷相對于世界總環境負荷的比例關系。如圖1所示，不可再生能源的消耗影響相對最大，其次是溫室效應，因此在整個水泥生產過程中節約能源和控制CO2的排放量是生態化設計的重點。為了減少 CO2的排放量，一是使用固體廢棄物，間接或直接地減少石灰石用量，二是采用礦化劑降低熟料煅燒溫度，減少對天然化石燃料的消耗，從而降低CO2的排放量。

如圖1所示，不可再生資源的消耗和酸化效應比較嚴重，不可再生資源的消耗主要是石灰石和天然石膏，酸化效應主要是SO2、NOX、HF的排放，由使用含氟硫礦化劑和化石燃料燃燒引起。固體廢棄物在水泥生產中的資源化利用既減少了本身對環境的污染，又減少了不可再生資源的消耗。當采用含硫較高的廢渣作替代原料或礦化劑煅燒熟料時，會引起SO2排放的增加。如圖1所示，兩種試驗方法的酸化效應均較現有生產方法高，因此必須對廢氣處理系統加以改善，才能達到排放標準。但固體廢棄物作混合材時不會增加水泥生產過程的環境負荷。在水泥生產過程中對人體健康損害和光化學煙霧影響相對較小。

（2）資源化綜合利用固體廢棄物對降低水泥生產環境負荷影響的分析

經過標準化后的各種環境影響類別在量綱和參照標準上取得了一致，理論上已經可以進行相加求和，從而定量確定環境負荷。然而，由于各環境影響類別之間的重要性存在差異，因此還需獲得各環境影響類別的相對權重。本研究采用層次分析法來完成這一任務，其原理是根據實驗數據和專家意見確定各環境影響類別的相對重要性(表8)，繼而得出權重系數(表9)。利用表9環境影響類別的權重系數，對環境負荷相對指數進行加權求和，可得出現有傳統生產方法、試驗方法一和試驗方法二制備功能單位普通硅酸鹽水泥產品的環境負荷分別為 1．88×10－14／a、 1．82×10－14／a 和 1．84×10－14／a。

分析結果表明，兩種試驗方法均能降低水泥生產總的環境負荷，其主要原因是減少了不可再生資源的消耗，并間接地減少了CO2的排放量。此外，陶瓷拋光廢料基本上是微米級的顆粒，當替代粘土原料或作為混合材時，相對天然礦物，減少了粉碎和研磨消耗的能量。試驗結果和生產實踐表明陶瓷拋光廢料還具有助磨作用，即不需要再加入助磨劑，可增加磨機的產量和減少磨機的能耗。若考慮資源化利用固體廢棄物可減少對環境的污染，則可得到更好的環境效益。

4 結論

（1）我國水泥生產的環境負荷主要由不可再生能源消耗、溫室氣體排放和不可再生資源消耗引起。

（2）當采用含硫量較高的原燃料或含氟硫礦化劑煅燒普通硅酸鹽水泥熟料時，酸化效應比較嚴重，需要對廢氣排放系統加以改善，以減少對生態環境的影響和水泥生產過程的環境負荷，如本文提出的資源化綜合利用磷石膏和陶瓷拋光廢料配料制備普通硅酸鹽水泥的兩種試驗方法。

（3）采用本文提出的兩種資源化綜合利用磷石膏和陶瓷拋光廢料配料制備普通硅酸鹽水泥的方法可減少制備功能單位普通硅酸鹽水泥產品總的環境負荷。

（4）水泥生產過程中資源化綜合利用固體廢棄物，既可減少固體廢棄物對環境的污染，又可減少水泥生產過程對不可再生資源的消耗，間接地減少CO2的排放，從而減少水泥生命周期評價中總的環境負荷，具有顯著的環境效益和社會效益。

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The Influence of Phosphorus Gypsum and Polished Ceramic Flotsam on the Environmental Load in Portland Cement Production

WU Qing－ren,SUN CHuang－xin,CHEN Guang
(1College of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,2Key Laboratory of Special Function Materials of Ministry of Education,South China University of Technology,Guangzhou 510640,3Guangzhou Shijing Cement Corporation,Guangzhou,510405)

Based on the data of test and production, and in reference of statistic information and documents,a comparative analysis is made on utilizing of phosphorus gypsum and polished ceramic flotsam for Portland cement production by applying life－cycle assessment in this paper． The affect of cement production, such as raw materials preparation, power and coal production, on the environmental load of per unit cement was investigated here．The results show that the impact of cement production on environmental load mainly reflected on the consumption of non－generation energy and non－reclaiming source, as well as green house effect． The author proposed that,comparing the traditional method, the environmental loads can be reduced by utilizing phosphorus gypsum and polished ceramic flotsam．

Cement production;Life－cycle assessment;Environmental load;Solid wastes

TQ172．44

A

1001－6171（2010）02－0028－05

通訊地址：1華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510640；2華南理工大學特種功能材料教育部重點實驗室，廣州 510640；3廣州石井水泥公司，廣州 510405；

2009－07－31；

沈 穎