水泥工業(yè)生命周期評價及其應(yīng)用

王瑞蘊，尹靖宇，李保金，方 群

（北京國建聯(lián)信認證中心有限公司，北京 100831）

前 言

水泥作為我國國民經(jīng)濟建設(shè)的重要基礎(chǔ)原材料，目前國內(nèi)外尚無一種材料可以替代它的地位。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，水泥在國民經(jīng)濟中的作用越來越大，其產(chǎn)量也日益增長。據(jù)統(tǒng)計，2015年水泥產(chǎn)量為23.48億噸；2016年我國累計水泥產(chǎn)量為24.03億噸，同比增長2.5%。中國水泥產(chǎn)量占全球水泥產(chǎn)量的60%[1]，名副其實的水泥大國。水泥行業(yè)的高產(chǎn)量同時也為環(huán)境影響帶來負面作用，其生產(chǎn)過程中能源消耗、污染物排放等相關(guān)問題同樣備受社會各界關(guān)注。為治理水泥工業(yè)污染問題，同時推進行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，近年來國家也出臺了相關(guān)政策引導(dǎo)水泥企業(yè)的生態(tài)化建設(shè)。在這些相關(guān)政策法規(guī)中，均引入了“全生命周期（life cycle）”的理念，即均考慮從原材料的生產(chǎn)、產(chǎn)品的生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置，對環(huán)境影響的技術(shù)和方法[2]。而針對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯編和評價，ISO 14040將其定義為生命周期評價（life cycle assessment，LCA）。是系統(tǒng)化、定量化分析和評價產(chǎn)品及其生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負荷的方法，也是辨識環(huán)境問題、優(yōu)化改進方案、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段[3]。本文基于LCA理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)水泥工業(yè)特點分析其生產(chǎn)過程中環(huán)境影響評價及相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、生命周期評價方法簡介

產(chǎn)品生命周期理論是美國哈佛大學(xué)教授雷蒙德·弗農(nóng)（Raymond Vernon）1966年在其《產(chǎn)品周期中的國際投資與國際貿(mào)易》一文中首次提出的，1969年美國西部研究所用此理論對可口可樂公司的飲料包裝瓶進行了從原材料開采至廢棄物最終處置的全過程的研究。之后這一理論迅速發(fā)展。國際環(huán)境毒理學(xué)學(xué)會（SETAC）、美國環(huán)保局（1993）、美國環(huán)保局（1993）、ISO（1997）分別對生命周期評價進行了定義[4]。

LCA最終的定義被定為對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價，該定義出自ISO 14040：2006《環(huán)境管理生命周期評價原則與框架》。生命周期評價的思想要求對產(chǎn)品從原料開采直至最終報廢的整個生命周期全過程中的資源、能源投入和環(huán)境排放進行量化分析，辨識和評價減少物料消耗及環(huán)境影響的機會。生命周期評價的主體包括四個階段，目的和范圍的確定（Goal and Scope Definition，GSD）、清單分析（Life Cycle Inventory，LCI）、影響評價（Life Cycle Impact Assessment，LCIA）以及解釋（Life Cycle Interpretation），其關(guān)系如圖1所示。

目標(biāo)與范圍的確定需要根據(jù)研究對象的地域廣度、時間跨度等多因素，確定生命周期的評價目標(biāo)，以此來界定研究對象的功能單位、系統(tǒng)邊界、生命周期環(huán)節(jié)、環(huán)境影響類型等因素。清單分析即對產(chǎn)品系統(tǒng)邊界內(nèi)和整個生命周期內(nèi)，對所有輸入與輸出物質(zhì)進行數(shù)據(jù)收集與整理，并通過計算得出所需要的數(shù)據(jù)清單，作為環(huán)境影響評價的分析基礎(chǔ)和依據(jù)。生命周期影響評價是對清單分析中的環(huán)境影響作定量或定性的描述和評價，進行環(huán)境影響分析，為核心階段，主要包括：環(huán)境影響分類、特征化、歸一化和加權(quán)評價。該階段可通過軟件來實現(xiàn)，現(xiàn)階段市場主流的計算軟件包括Simapro、Gabi等。生命周期解釋根據(jù)一定的評價標(biāo)準(zhǔn)，對影響評價結(jié)果做出分析解釋，識別出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的改善機會，為達到產(chǎn)品的生態(tài)最優(yōu)化目的提出改進建議。

就產(chǎn)品生命周期評價而言，主要具有以下特點：首先產(chǎn)品生命周期評價是面向的是產(chǎn)品系統(tǒng)，其對象是企業(yè)所生產(chǎn)的某種或者某類產(chǎn)品；其次產(chǎn)品生命周期評價是對產(chǎn)品或服務(wù)“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^程的評價，這也體現(xiàn)在生命周期評價的定義中；第三，由于生命周期評價過程中的LCIA階段是對環(huán)境影響進行分類、特征化、歸一化的過程，因此產(chǎn)品生命周期評價也是一種系統(tǒng)性、定量化的評價方法；第四，該種評價方法充分重視了環(huán)境影響的評價方法，同時也是一個種開放性的評價體系。

圖1 生命周期評價的階段

二、LCA的應(yīng)用

鑒于LCA全生命周期的思想和框架，通過成原材料的采集直到產(chǎn)品廢棄后的處置的全過程分析，可以識別對環(huán)境影響最大的生產(chǎn)過程，并且可以對比評估不同工藝流程的資源效益，降低產(chǎn)品生產(chǎn)過程的成本，同時最大限度減少對環(huán)境的影響。是一種評價產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝在整個生命周期中所造成環(huán)境影響的方法，成為一種重要的產(chǎn)品環(huán)境特性確認手段和企業(yè)環(huán)境管理的支持工具。

在應(yīng)用領(lǐng)域，LCA方法在政府層面、企業(yè)層面均有應(yīng)用。環(huán)境問題日益突出，政府在制定環(huán)境政策、財稅補貼方案制度以及制定政策依據(jù)方面均有采納生命周期評價，此外，還開發(fā)系列生態(tài)標(biāo)志以及制定相關(guān)制度。針對企業(yè)而言，利用生命周期評價進行產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計、技術(shù)改進等綜合考慮成本、質(zhì)量和環(huán)境等方面。

1．LCA在國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外對于生命周期評價理論體系研究較為成熟，因此對其應(yīng)用更加廣泛。在企業(yè)層面的應(yīng)用主要基于產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計理念，較多的大企業(yè)非常重視對產(chǎn)品的環(huán)境標(biāo)志的標(biāo)識工作，引進LCA為產(chǎn)品授予“綠色”標(biāo)簽即產(chǎn)品的環(huán)境標(biāo)志來提供量化依據(jù)，如瑞典的“產(chǎn)品生態(tài)項目”、北歐的“環(huán)境友好產(chǎn)品開發(fā)計劃”、荷蘭的“生態(tài)設(shè)計計劃”和“生態(tài)指數(shù)計劃”等均將LCA納入企業(yè)的深層次發(fā)展規(guī)劃中。

在政府層面，國外運用LCA理論來引導(dǎo)制定相關(guān)的政策法規(guī)，如：將LCA應(yīng)用于面向產(chǎn)品的綠色采購政策來引導(dǎo)市民的消費方向；廢棄物的處置管理方面，幫助選擇最佳方案。

2．LCA在國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)于1998年～2003年間等同轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24040系列標(biāo)志著我國LCA的研究應(yīng)用上升到國家標(biāo)準(zhǔn)層面，也意味著我國對生命周期影響評價的逐步重視。縱使我國LCA的應(yīng)用研究較晚，尚未形成系統(tǒng)成熟的統(tǒng)一評價體系，但是隨著經(jīng)濟和技術(shù)的進步、國家環(huán)境政策執(zhí)行力度的加強以及企業(yè)環(huán)境意識的進一步提高，生命周期評價與政策制定、企業(yè)生產(chǎn)理念息息相關(guān)。

目前，LCA的應(yīng)用涉及到很多行業(yè)，如建筑材料、高分子材料、石化產(chǎn)品等領(lǐng)域，較多的研究者通過對產(chǎn)品全生命周期分析和研究，提出了更為優(yōu)化、對環(huán)境更為友好的工藝改進措施、原材料替代措施等方案。在企業(yè)層面主要的應(yīng)用方式有兩種：基于LCA的產(chǎn)品生命周期報告和基于LCA的產(chǎn)品生命周期改進。基于LCA的產(chǎn)品生命周期報告主要包括III型環(huán)境聲明（EPD）、生態(tài)檔案報告以及產(chǎn)品環(huán)境足跡等，如表1所示[5]。基于LCA的產(chǎn)品生命周期改進主要包括生態(tài)設(shè)計、清潔生產(chǎn)、綠色采購與供應(yīng)鏈管理等。

表1 LCA的應(yīng)用及說明

3．III型環(huán)境聲明（EPD）

國內(nèi)外對生命周期評價為基礎(chǔ)的產(chǎn)品聲明的需求不斷增長，并日益受到各國的重視，如產(chǎn)品的環(huán)境聲明等。產(chǎn)品環(huán)境聲明分為I型、II型和III型，其中III型環(huán)境聲明（Environmental Product Declaration，以下簡稱EPD）。EPD從本質(zhì)上來說是由ISO14025所規(guī)定的III型環(huán)境標(biāo)志，是一份經(jīng)第三方核實和驗證的產(chǎn)品質(zhì)量（或者服務(wù)質(zhì)量）與環(huán)境表現(xiàn)雙優(yōu)的數(shù)據(jù)表達，是生命周期評價LCA的一種表現(xiàn)形式/語言。目前有瑞典、丹麥、韓國、日本等國均開展了EPD工作。其應(yīng)用較為廣泛，尤其在建筑領(lǐng)域，隨著國內(nèi)外綠色建筑、建材的評價標(biāo)準(zhǔn)（如LEED、三星綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)等）及其認證市場規(guī)模的日益擴大，作為上述認證的加分項，建筑領(lǐng)域的EPD認證逐漸得到國內(nèi)建筑及建材企業(yè)的重視。

EPD作為由第三方機構(gòu)進行嚴(yán)格評審、檢測和評估的一類環(huán)境標(biāo)志，其評價標(biāo)準(zhǔn)的一致性不容忽視，為此各國從事EPD相關(guān)工作的機構(gòu)（如瑞典環(huán)科院、UL認證公司、建造與環(huán)境材料研究所——IBU等）陸續(xù)開展了一系列規(guī)則的開發(fā)，這些規(guī)則在ISO14025、溫室氣體議定書產(chǎn)品生命周期計量和報告標(biāo)準(zhǔn)、以及PAS2050補充規(guī)則中被定義為產(chǎn)品種類規(guī)則（Product Category Rule，以下簡稱PCR）。產(chǎn)品類別涵蓋了建筑、能源、紡織、機械、電子、材料（玻璃、金屬、木材等）、汽車整車及零部件等。其中受到市場需求的影響，建筑相關(guān)產(chǎn)品尤為受到重視。目前，國內(nèi)制定了浮法玻璃、鋼鐵產(chǎn)品和建材產(chǎn)品的PCR操作規(guī)程，其中符合我國國情的建筑領(lǐng)域建材產(chǎn)品的PCR包括水泥、預(yù)拌混凝土、預(yù)拌砂漿、衛(wèi)生陶瓷、陶瓷磚（板）等標(biāo)準(zhǔn)由國建聯(lián)信認證中心執(zhí)筆編制。

三、水泥工業(yè)生命周期評價

在水泥工業(yè)的應(yīng)用中，國內(nèi)外均有大量利用生命周期理論研究對其生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響評價進行對比分析，包括對資源、能源消耗及污染物排放等進行統(tǒng)計分析，并通過改變生產(chǎn)工藝、原材料種類、替代原料的使用，填補了水泥生命周期評價研究相關(guān)理論和方法的一些空白，為中國混合型水泥的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持，推動水泥行業(yè)和建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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(huán)境影響類別，具體到水泥生產(chǎn)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，如圖2所示。邊界確定為從原料獲得到產(chǎn)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2。

根據(jù)表2水泥生產(chǎn)特點，與其資源消耗、能源消耗、污染物排放相關(guān)的必要影響類型，主要包括資源耗竭（RD）、氣候變化（CC）、化石能源耗竭（FD）、顆粒物形成（PMF）、人體毒性（HT）以及酸化（TA），如表3所示。

圖2 水泥生命周期評價的系統(tǒng)邊界

表2 水泥生產(chǎn)生命周期環(huán)境影響種類

表3 水泥生產(chǎn)環(huán)境影響特征化類型及單位

通過環(huán)境影響類型參數(shù)特征化計算，得到水泥生產(chǎn)的各類環(huán)境影響潛力值，最終分析得出水泥生產(chǎn)流程環(huán)境影響由大到小順序依次為氣候變化、化石能源耗竭、酸化、人體健毒性[6]。經(jīng)分析水泥制備各工段的環(huán)境影響大小依次為熟料煅燒階段＞水泥粉磨制成＞運輸階段＞礦石原料開采＞生料粉磨制備。其環(huán)境影響主要環(huán)節(jié)為熟料煅燒階段和水泥粉磨階段。因此，應(yīng)著重考慮水泥煅燒過程中排放的大量污染氣體，粉磨中消耗的大量電力和產(chǎn)生的大量粉塵污染，以及運輸過程中非甲烷系碳氫化合物的排放，以減少水泥生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響[7]。同時采取相應(yīng)工藝改變方式來改善環(huán)境影響，如采用工業(yè)廢渣替代原材料、預(yù)熱分解系統(tǒng)和余熱發(fā)電改進等。

四、結(jié) 論

LCA作為一種系統(tǒng)化、定量化分析和評價產(chǎn)品及其生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負荷的方法，成為辨識環(huán)境問題、優(yōu)化改進方案、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。利用生命周期評價方法和理論，針對具體的產(chǎn)品和流程，建立基于LCA的環(huán)境影響計算和分析方法，能夠為環(huán)境熱點辨識提供依據(jù)。同時通過分析特定產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中其資源能源輸入、污染物排放，可以得出產(chǎn)品制備過程中各工段的環(huán)境影響排序，為優(yōu)化產(chǎn)品工藝、改善生產(chǎn)方式來減小產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響，推進行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型做出貢獻。

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