水泥生命周期評價研究與實踐

崔素萍，黎 瑤，李 琛，王亞麗

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

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特約專欄

水泥生命周期評價研究與實踐

崔素萍，黎 瑤，李 琛，王亞麗

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

水泥行業是我國重要的基礎原材料行業之一，其廣泛地應用于建筑、國防、道路等領域。隨著可持續發展的不斷推進，我國水泥行業正處于從高能耗、高污染的集約型生產向環境友好型發展模式的轉型時期。基于生命周期評價方法，建立了適用于水泥生產流程的環境影響評價指標體系和方法步驟，介紹了據此開展的新型干法水泥生產流程環境負荷熱點辨識和工藝優化效果評價研究，進一步定量評價并比較了水泥窯協同處置污泥、生活垃圾以及工業廢物替代原料的技術方案，為實現水泥生產流程環境負荷的科學定量與低環境負荷利廢水泥的生態設計與應用提供方法與數據支撐。

生命周期評價；生態水泥；節能減排

1 前 言

面臨產能過剩、轉型發展的嚴酷形勢，我國水泥工業正逐步向注重資源效率、能源效率和環境保護的生態型發展[1]。除了優質、高效、節能外，生態化發展對水泥工業環境影響指標更為關注[2]，傳統經典的理論方法已經不能滿足需要，而生命周期評價方法(Life Cycle Assessment,LCA)可以很好地解決這些問題。LCA方法在材料中的應用，是基于性能需求對材料產品或系統的環境影響進行綜合、系統的分析，獲得定量結果，幫助辨識流程中環境負荷重點工序、優選技術改進方案、研制開發先進技術，指導節能減排[3]。本文主要介紹LCA在水泥生產過程環境負荷分析及優化中的研究與應用。

2 水泥生產流程LCA與環境熱點辨識

2.1 水泥生產流程的LCA 方法與步驟

LCA是系統化、定量化分析和評價產品及其生產流程綜合環境負荷的方法，也是辨識環境問題、優化改進方案、實現節能減排的重要手段[4]。針對具體的產品和流程，建立基于LCA的環境影響計算和分析方法，是開展環境熱點辨識的重要基礎。按照ISO14040規定的技術框架[5]，水泥LCA分析按圖1步驟進行。

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，需要確定評價范圍、邊界，以及重要的環境影響類別，具體到水泥生產過程，評價范圍主要包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個工序，邊界確定為從原料獲得到產品出廠前的整個過程，涉及到的資源、能源消耗和污染物排放見表1。

表1 水泥生產生命周期主要環境問題Table 1 Environmental impacts caused by cement production

清單分析以及有效數據收集是LCA的基礎工作[5]，對于水泥生產過程，生命周期環境影響評價所需基礎數據包括原料消耗(石灰石、粘土質原料、鐵質校正原料、硅質校正原料、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)。

根據水泥生產特點選擇影響類型用于評價，見表2所示。水泥生產的物質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、電能均可以轉化為煤炭、石油、天然氣等化石能源，表現的環境影響類別為不可再生資源消耗(ADP)；水泥生產對環境輸出主要是廢氣，其中含有CO2、SO2、NOx等，選擇與上述氣體排放相關的影響類型，包括溫室效應(GWP)、環境酸化(AP)、人體健康損害(HTP)、光化學煙霧(POCP)；水泥生產廢水數量很少，并且通常僅含有少量懸浮物和油污，無毒無害，廢水污染在此不作考慮。

表2 水泥生產的環境影響類型和類型參數Table 2 Environmental impact indicators of cement production

環境影響類型參數特征化計算，是LCA分析中對不同環境負荷項目所造成的環境影響進行對比分析和量化的過程，采用特征化因子將生命周期清單結果轉換成統一的單位并進行合并，得到水泥生產的各類環境影響潛力值[5]。最終通過結果解釋對量化分析結果進行歸納形成結論和建議。

2.2 水泥生產流程綜合環境負荷分析與熱點辨識

以某新型干法水泥生產系統為例，進行生產流程綜合環境負荷分析。該生產系統主要產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(原料開采、原料預均化、生料粉磨、生料均化)、熟料煅燒(包括煤粉制備)、水泥粉磨三個主要工序，并且考慮了與水泥生產相關的原料開采、電力生產和煤炭生產過程產生的環境負荷。根據前文構建的評價方法體系，計算得到功能單位水泥的環境負荷清單和特征化結果，見表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

續表

表4 功能單位水泥的環境影響特征化結果Table 4 LCIA result of cement

結果顯示，水泥生產流程環境影響由大到小順序依次為溫室效應、不可再生資源消耗、環境酸化、人體健康損害、光化學煙霧，而排在前兩位的溫室效應和不可再生資源消耗的主要貢獻工序是熟料煅燒，節能減排潛力很大，將此工序作為節能減排改造的首選重點工序。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的物料損失和熱損失，是降低該工序綜合環境負荷的主要途徑。

3 重點工序工藝優化降低環境負荷效果評價

針對上述水泥生產流程綜合環境負荷分析結果，企業通過對重點工序改進實現環境負荷的降低，包括采用鋼渣替代水泥原料[6]、預熱分解系統和余熱發電改進等。研究確定并實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到合理的細度[7-8]，最大程度地發揮各自活性，進一步降低熟料燒成熱耗，鋼渣的利用量增加60%。針對各級旋風筒進口風速相對較高、出口風速很低、系統的預熱器尤其是一級筒的分離效率不夠理想、系統飛灰量大、出預熱器廢氣溫度過高等系統燒成熱耗偏高的原因，通過改進一級筒內筒結構、調整三、四級筒進口結構、撒料盒前端增加導流板便于懸浮熱交換、調整窯尾煙室局部和縮口結構，以及進行了操作參數優化調整等，提高了預熱器尤其是一級筒的分離效率，降低了出預熱器的廢氣溫度和飛灰量，增強了各級氣固熱交換，降低了系統阻力；分解爐燃燒狀況大大改善，預燃室的預燃功能得到了較好的發揮；同時對冷卻機操作參數進行了調整，改善了冷卻機冷卻效果；從系統總體來看，系統各項性能都得到了提高。預熱器分離效果有所改善，一級筒出口溫度降了20℃左右，系統阻力明顯下降。一級筒分離效率由90.14%上升到95.20%，系統分離效率由89.13%增加到94.07%。對系統實施了余熱發電改造，降低了系統熱量損失[9]。

采用前文構建的指標體系計算得到工藝優化后功能單位水泥的生命周期清單和環境負荷特征化結果，見表5與表6所示。與改進前相比，水泥生產過程綜合環境負荷降低幅度如表7所示。通過基于LCA的定量分析方法，不僅可以從能源系統改造計算出能耗的降低，還可以從全系統的角度定量計算出與能耗有關聯的資源消耗、污染物排放的變化結果，避免了孤立研究資源、能源及污染排放的弊病，能夠系統地指導工業過程節能減排綜合改造，同時實現節能、減排和降低資源消耗。

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

表6 技術改造后水泥生產過程的環境負荷Table 6 LCIA result of cement after improvement

表7 技術改造后水泥生產綜合環境負荷降低幅度Table 7 Comprehensive environmental load reduction range of cement after technical improvement

4 工業廢渣替代原料技術方案評價

工業廢渣在水泥生產中的綜合利用方式可以分為替代生料與替代熟料兩類，可替代生料的工業廢渣有電石渣[10]、煤矸石[11]、粉煤灰[12]等，可替代熟料的工業廢渣主要是粉煤灰、礦渣[13]。采用LCA可以計算出水泥窯利用每噸工業廢渣帶來的環境效益，并據此對不同技術路線的節能、節地、碳減排、非溫室氣體減排與整體環境影響進行評價，作為技術選擇的依據。利用每噸固體廢棄物替代生料或熟料產生的各類環境效益的效果排序，見表8所示。

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

結果顯示：在碳排放方面，工業廢渣替代熟料的碳減排效果明顯優于替代生料，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增加碳排放。在化石能源消耗方面，煤矸石替代生料的節能效果顯著達到162kgce/t，兩種廢渣替代熟料的節能效果次之為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程，能源消耗增加了30.9kgce/t；在節約土地方面，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，從而降低了資源開采占地，故研究涉及的7種廢棄物利用均具有一定的節地效果，其中粉煤灰替代生料的節地效果最為明顯，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、富營養化、光化學煙霧、酸化與土地使用7項環境影響指標，計算了每種廢物利用方案的綜合環境影響下降值，見圖2所示。結果顯示，替代熟料所產生的環境效益明顯高于替代生料，而在五類生料替代技術中，處理80%含水污泥由于利用余熱節約了大量干化能耗，減少了干化過程的直接污染物排放，故其環境效益要優于其他四類方式，另一方面，煤矸石與35%含水污泥替代生料的環境效益并不十分顯著。

圖2 不同技術路線的環境影響計算結果Fig.2LCIA result of different industrial waste utilization scenario

5 水泥窯協同處置生活垃圾技術方案評價

我國生活垃圾的無害化處置方式主要為衛生填埋、焚燒與堆肥等，所占比例分別為82.4%，4.7%和12.9%[14]，近年來水泥窯協同處置正在成為生活垃圾無害化的又一重要途徑[15]。本文采用生命周期分析方法，計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、以及傳統的衛生填埋和焚燒后填埋等生活垃圾不同處理路線的環境負荷。研究框架圖和系統邊界見圖3所示。

研究的系統邊界涵蓋生活垃圾處置的主要相關過程，其中不僅包括垃圾處置過程本身的直接能耗與排放，而且包含處置過程中使用的資源與能源的開采過程以及運輸等過程的間接影響，更為系統與全面地分析水泥窯協同處置生活垃圾與傳統的生活垃圾無害化處置方式相比的優勢所在，研究的系統邊界見圖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 水泥窯協同處置城市垃圾生命周期分析的系統邊界Fig.4 System boundary of cement kiln synergy disposal of municipal waste

各類生活垃圾處理技術路線的環境負荷對比研究結果顯示(圖5與圖6)，水泥窯處置生活垃圾相對于傳統處置方式的優勢集中體現在節材、節土、特別是人體健康損害潛力的大幅下降，避免了垃圾焚燒過程的二噁英排放與填埋過程的重金屬物質滲出對空氣、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環境影響，采用水泥窯處置城市垃圾造成的環境影響要遠低于傳統的無害化處理模式，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種水泥窯協同處置技術線路中，水泥窯分類綜合處置(RDF)的環境影響最小，直接處置方式的環境影響值次之，與先焚燒后處置方式相比，分類綜合處置環境負荷降低86.9%，水泥窯直接處置的環境負荷降低83.3%。

圖5 不同生活垃圾處理技術路線的環境負荷計算結果Fig.5 LCIA result of different garbage treatment/utilization scenario

圖6 不同生活垃圾處理技術路線的環境負荷比較Fig.6 Weighting result of different garbage treatment/utilization scenario

6 水泥窯協同處置城市污泥技術方案評價

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

基于LCA方法，從環境影響角度對不同的技術路線進行評價，考慮的影響類別包括溫室效應(GWP)、酸化效應(AP)、光化學效應(POCP)、水體富營養化(EP)、人體健康損害(HTP)和不可再生資源消耗(ADP)等，計算結果見表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境影響計算結果Table 9 LCIA result of different sludge utilization way

計算結果顯示，“脫水-外運水泥廠處置”路線，即城市污泥在污水廠進行機械脫水到含水率80%，再運往水泥廠進行協同處置是綜合環境影響最低的技術方案，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，相對于在污水處理廠內部進行干化和焚燒更能有效利用城市污泥中的熱值；“脫水-石灰穩定-外運水泥廠處置”路線的環境影響略高于“脫水-外運水泥廠處置”路線，但是這種方式經濟成本較高，目前還未普及；在傳統的處置路線中，“焚燒-填埋”處置城市污泥的方式帶來的環境影響最高，是水泥廠協同處置城市污泥造成環境影響的10.37倍，“干化-填埋”與“堆肥”方式帶來的環境影響也分別是水泥廠協同處置城市污泥的9.74倍與8.35倍。水泥廠協同處置城市污泥相對于在污水處理廠直接處置具有較為明顯的環境優勢。

7 結 論

本文針對新型干法水泥生產流程，建立了適用于水泥產品的LCA方法體系，確定了主要的環境影響類別，開展了面向工序的環境負荷熱點辨識和工藝優化效果評價，通過重點工序優化降低不可再生資源消耗5%、溫室效應21%；比較了工業廢渣替代原料的不同技術方案，結果顯示，以粉煤灰替代熟料的綜合環境效益最好，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中利用的環境效益并不明顯；評價了水泥窯協同處置污泥和生活垃圾的不同技術方案，結果顯示，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

北京市自然科學基金重點項目(2141001)；北京市自然科學基金(2164056)

崔素萍，女，1964年生，教授，博士生導師， Email：cuisuping@bjut.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.10.01

TU525; X820.3

A

1674-3962(2016)10-0761-08