中藥渣氣化循環利用系統的生命周期評價
——以山東步長制藥有限公司為例

尹陽陽

(天津大學 管理與經濟學部，天津 300072)

進入21世紀以后，全球變暖問題成為人們面臨的最嚴重的環境問題之一，減少溫室氣體二氧化碳的排放引起各國人民的關注，成為了緩解環境問題和氣候問題的重中之重，人們逐漸步入“低碳”時代，全球范圍內掀起了一股強大的“低碳”熱潮，但是化石能源的大量使用，依舊會產生大量的二氧化碳，嚴重阻礙了“低碳”時代的發展[1].另一方面，我國共有中藥企業1 636家，占全球醫藥行業企業的32%，并有中藥資源12 807種，我國中藥行業每年要消耗植物類藥材70 萬t左右，每年產生的植物類藥渣高達66.5 萬t，這些藥渣如果不經過處理簡單的堆放在外面，會對環境造成極大的傷害[2-4].因此，面對能源、環境和中藥渣的處理問題，部分中藥企業提出并運用中藥渣氣化循環利用系統，將中藥渣進行一系列處理，最終得到高溫粗燃氣，并將高溫粗燃氣用于中藥生產過程，緩解能源不足的壓力，減少生產過程中火電等能源的利用造成的環境污染，也解決了中藥企業的藥渣處理難題.

為了定量的評價該中藥渣氣化循環利用系統的全生命周期排放，本文運用生命周期評價(Life cycle assessment, LCA)方法，利用生命周期評價軟件Simapro V8.1.1，定量的計算了中藥渣氣化循環利用的生命周期環境影響負荷，對比分析了中藥渣氣化循環利用系統和傳統中藥渣填埋系統的排放的影響，從而說明中藥渣氣化系統的可行性，為中藥渣氣化循環利用的推廣奠定基礎.

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

本文的研究對象為山東步長制藥有限公司的中藥渣氣化循環利用系統.該系統以步長制藥公司的中藥渣為原料，經過原料預處理系統中篩選、粉碎、機械脫水、蒸汽烘干一系列處理得到顆粒均勻的干藥渣，再經過中藥渣氣化系統由氣化爐將干藥渣氣化成高溫粗燃氣，最后經過燃氣利用系統實現高溫粗燃氣的燃燒利用.本文基于山東步長制藥有限公司的日處理藥渣量250 t的中藥渣氣化循環利用系統進行生命周期評價，為中藥渣處理系統提高資源利用率、降低環境排放負荷提供理論依據.

1.2 研究方法

本文運用生命周期方法進行分析.生命周期評價方法(LCA)最早出現于上個世紀60年代末，是評價由原材料的提取、產品的生產、使用、使用后的回收等階段組成的產品全過程對環境產生的影響的1種方法.評價過程一般主要包括輸入和輸出2個方面的內容，其中輸入包括生產、組裝、使用以及回收該產品所有需要的能源類型，輸出包括產品整個生命過程中對環境的排放.目前對LCA的定義有很多種，其中比較權威的有環境毒理學和化學學會(SETAC)和國際標準化組織(ISO)等幾種，如ISO將LCA定義為“對一個產品系統的生命周期輸入、輸出及其潛在環境影響的匯編和評價”[5-6].

生命周期評價可分為4個階段：目標與范圍的確定，清單分析，影響評價和結果解釋，這4個階段相互獨立又相互聯系，構成如圖1所示的生命周期評價技術框架.

本文基于生命周期評價軟件Simapro V8.1.1，選取以終結點(面向損害)為基礎的Eco-indicator 99分析方法進行環境影響分析.其中環境包括3個方面：①資源(Resource)，指的是目前為滿足將來提取礦產和化石資源所需要的剩余能源，包括土地的使用；②人類健康(Human Health)，指的是由于環境問題引起的各種疾病以及非正常死亡而減少的人類壽命，如臭氧層破壞、溫室效應等；③生態系統(Eco-system)，指的是對自然界的生物多樣性的損害，包括酸雨、富營養化等損害.Eco-indicator99分析方法將產品的清單數據進行分析，按照一定的環境機制，按類劃分到各個環境問題類中，主要的環境問題包括致癌物、輻射、酸化/富營養化、土地占用、礦物開采等，再將上述各類環境問題做歸一化處理，最終歸結到對資源、人類健康、生態系統的損害[7-9].歸一化因子采用Eco-indicator 99(I)+ Version 2.10方法中的默認缺省因子，權重系數參照方法Europe EI 99 I/A.

2 中藥渣氣化系統生命周期評價

2.1 研究目的和范圍的確定

定量的分析中藥渣氣化循環利用系統在整個生命周期中帶來的環境影響，并與傳統的中藥渣填埋系統的環境影響進行對比，從而表明中藥渣氣化循環利用的優點，為中藥渣氣化循環利用系統的推廣提供依據.

文中以中藥渣氣化系統一天的處理量——250 t中藥渣所產生的環境影響為功能單位.在滿足研究需要的同時，對系統邊界進行部分假設和簡化處理，具體如圖2所示.中藥渣氣化生命周期主要包括3個階段：原料預處理階段，包括篩選、粉碎、機械脫水、蒸汽烘干等工藝；中藥渣氣化階段，包括干藥渣的存儲和氣化等工藝；燃氣利用階段，即燃氣的燃燒利用工藝[10-12].本文重點為日處理藥渣量250 t的整個過程中對環境造成的影響，忽略工廠基礎建設和所有機械設備制造的能耗和排放.

2.2 清單分析

本文的清單數據主要來自于山東省步長制藥公司，并輔以Simapro數據庫和相關文獻中的數據參考，具有一定的準確性.在中藥渣氣化循環利用系統的清單數據收集過程中，要把清單數據與中藥渣預處理、中藥渣氣化、燃氣利用3個子系統結合在一起，清單數據詳見表1.

在原料預處理系統部分，輸入包括中藥渣、電力、運輸、烘干用熱，其中中藥渣為250 t含水量高、顆粒大小不一的濕中藥渣，電力為液壓機、粉碎機等相關設備的總電能消耗，由于控制系統及視頻監控系統雖然在整個中藥渣氣化循環利用全生命周期中均應用，但在中藥渣預處理系統應用較多，因此在生命周期評價時將控制系統和視屏監控系統的電力消耗合并入中藥渣預處理系統進行分析，運輸為250 t中藥渣由中藥渣產生地通過貨車運輸0.4 km，運至預處理的廠房的過程中的消耗，由運輸重量250 t與運輸距離0.4 km計算得出生命周期評價中需要輸入的運輸的數值為100 tkm，烘干用熱為燃氣利用系統產生的用于預處理過程中，藥渣烘干的熱量值；輸出包括廢水和干藥渣，其中廢水為濕中藥渣擠壓脫水產生的廢棄物，為183 t，由管道直接運輸到污水處理廠進行處理排放，干藥渣67 t為原料預處理系統的最終產物.

在中藥渣氣化系統中，輸入包括干藥渣、電力、石英砂、空氣、水蒸氣，其中67 t干藥渣為中藥渣氣化系統的原料，電力為氣化爐等設備消耗的總電能，石英砂、空氣、水蒸氣均為催化劑，保證中藥渣氣化進程的穩定推進；輸出包括粗燃氣、半焦、焦油、甲烷、灰渣，其中粗燃氣為中藥渣氣化系統的最終產物，半焦、焦油、甲烷、灰渣都為廢棄物，半焦和灰渣作為廢物流進行處理，焦油和甲烷排放至水體或空氣中.

在燃氣利用系統中，輸入包括粗燃氣和電力，粗燃氣為氣化系統的產物，用作燃氣利用系統的原料，電力為蒸汽鍋爐等設備的總能耗；輸出包括烘干用熱和生產用熱，烘干用熱占總熱量輸出的33%，用于原料預處理系統中濕中藥渣的烘干工藝，以降低藥渣含水量，生產用熱作為中藥渣氣化循環利用系統的最終產物，用于其他生產活動，例如可應用于本制藥公司的中藥生產過程.

表1 中藥渣細化循環利用系統生命周期評價的清單數據

2.3 影響評價及結果解釋

2.3.1 特征化

特征化是對影響評價結果進行統一單位換算，并在一種影響類型內對換算結果進行合并，用來判定環境影響的絕對大小.利用Simapro軟件計算250 t中藥渣處理及利用過程的生命周期特征化結果，如表2所示.

由上表可知，中藥渣氣化循環利用的整個生命周期中，在生態毒性、酸化/富營養化和礦物開采3個方面對環境的影響較大，其中在酸化/富營養化方面對環境的絕對影響最大，達到2.62×102PDF×m2yr，而在輻射、臭氧層消耗、致癌物和大氣有機污染等方面對環境的影響較小.

2.3.2 損害評價

損害評價是指整個生命周期過程在人類健康、生態質量、資源消耗3個方面對環境產生的影響的絕對大小.利用Simapro軟件計算250 t中藥渣處理及利用過程的生命周期損害評價結果，如表3所示.

表2 250 t中藥渣氣化循環利用系統與填埋系統生命周期特征化結果

表3 250 t中藥渣氣化循環利用系統與填埋系統生命周期損害評價結果

由上表可知，中藥渣氣化循環利用的整個生命周期中，對生態質量方面的影響數值明顯較大 ，達到2.78×102PDF×m2yr，而對人類健康的影響數值最小，僅為2.58 DALY.

2.3.3 環境負荷單一值

環境負荷單一值是指當不同環境干擾或環境問題之間存在利益權衡時，利用價值選擇和主觀因素對各個影響類型的相對重要性排序，將不同影響類型的參數結果合并成單一指數.利用Simapro軟件計算250 t 中藥渣的環境負荷單一值，如表4所示.

表4 250 t中藥渣氣化循環利用系統與填埋系統生命周期環境負荷單一值

由上表可得，中藥渣氣化循環利用的整個生命周期的環境影響負荷為1.68×103Pt；對人類健康方面造成的環境影響負荷明顯較大，達到1.65×103Pt；相比較來說，在生態質量方面的環境影響負荷較小，僅為1.99×101Pt；而在資源消耗方面的環境影響負荷只有1.48Pt，可以忽略不計.

3 中藥渣氣化系統與傳統中藥渣填埋系統環境影響對比

本文基于Simapro V8.1.1也建立了傳統中藥渣填埋系統的生命周期過程，衡量傳統中藥渣填埋方式對環境的影響.在傳統中藥渣填埋系統的全生命周期中，運輸中藥渣質量為250 t，運輸距離為1 km，貨車運輸的能耗和排放直接調用Simapro數據庫中的transport數據，且數值為250 tkm.然后將得到的結果與中藥渣氣化系統進行對比，比較兩種中藥渣處理方式對環境的影響.

3.1 特征化結果對比

由表2可知，中藥渣氣化和中藥渣填埋在生態毒性、酸化/富營養化、土地占用和礦物開采4個方面均對環境影響較大，其中在酸化/富營養化方面對環境產生的絕對影響相差不大，但在生態毒性、土地占用、礦物開采3個方面，2種處理方式對環境產生的絕對影響差距較大，中藥渣氣化處理方式比中藥渣填埋具有明顯優勢.主要原因歸結為2個方面：一方面中藥渣氣化處理方式將中藥渣循環利用，減少了固體廢物和有害物質的排放；另一方面中藥渣填埋方式將大量中藥渣直接填埋，導致大量的土地占用，影響了礦物的開采，并且中藥渣在自然環境中腐化，產生的大量有害物質不容忽視.

3.2 損害評價結果對比

由表3可知，2種中藥渣處理方式在人類健康方面的影響均較小，而在生態質量和資源消耗兩個方面的影響均較大，并且2種處理方式在生態質量方面對環境的影響相差不大.但是，在資源消耗方面，中藥渣氣化處理方式比中藥渣填埋處理方式具有明顯優勢，這主要是由于中藥渣氣化處理方式將中藥渣氣化循環利用，減少了其他種類能源和資源的消耗.

3.3 環境負荷單一值對比

2種處理方式的環境負荷單一值對比結果如表4所示.由表可知，中藥渣氣化系統生命周期的環境負荷單一值為1.68×103Pt，明顯低于中藥渣填埋系統的生命周期的環境負荷單一值2.47×103Pt，差距主要表現在人類健康和資源消耗方面，其中主要的影響因素是人類健康.在人類健康方面，中藥渣氣化系統的環境負荷單一值為1.65×103Pt，比中藥渣填埋的環境負荷單一值小6.4×102Pt.在資源消耗方面，2種處理方式的差別也很大，中藥渣填埋的環境負荷單一值大約是中藥渣氣化的環境負荷單一值的100倍.其原因可歸納為兩方面：一方面，中藥渣填埋后，會在自然條件下腐化，散發怪異的氣味，滋生病菌、微生物、蟲蟻等，對人類健康和生態質量都有不可忽視的影響；另一方面，中藥渣氣化系統將中藥渣循環利用，減少了其他資源、能源的消耗.

4 結語

本文以山東步長制藥有限公司為例，建立了中藥渣氣化循環利用系統和中藥渣填埋系統的生命周期評價，并將兩個系統的生命周期評價結果進行對比，結果表明相較于中藥渣填埋系統，中藥渣氣化循環利用系統具有明顯優勢，尤其是在資源消耗方面.本文這一結果為中藥渣氣化循環利用系統的使用和推廣奠定了堅實的基礎.