窯干橡木鋸材的生命周期評價研究

呂赫，丁濤*，程亞飛，江寧

(1. 南京林業大學材料科學與工程學院， 南京 210037；2. 江蘇星楠干燥設備有限公司， 南京 210037)

木材作為一種天然生物質材料具有可降解和可再生的優點，但不能據此就對木材的環境性能做出簡單判斷，木材的采伐、運輸和加工都伴隨著大量的物質和能量消耗，并對環境產生影響。對木材環境性能的評價應以系統性的視角，考慮從原料的獲取到產品最終廢棄處理的完整價值鏈，即按照生命周期評價(LCA)的方法來進行。LCA是對一個產品系統從自然資源的產生直至最終處理過程中所有輸入、輸出和潛在環境影響的匯編與評估 (GB/T 24040—2008)，是目前最為全面和科學的環境影響評價方法。

實木鋸材是最基本的木材加工中間產品，對鋸材的LCA研究可為實木成品的環境影響評價提供基礎數據。現有LCA研究表明，實木鋸材的環境影響因材種、產地、運輸距離等因素的不同而有顯著差異。一般而言，針葉鋸材的生產能耗低于闊葉鋸材，兩者的能耗值可能相差一倍，密度大、初含水率高的材種和較軟的干燥基準都會增加鋸材的生產能耗[1-3]。地區差異會對鋸材的環境屬性產生顯著影響，Milota等[4]的研究顯示，美國東南地區針葉材生產所需能耗為5.15 GJ/m3，遠高于太平洋西北地區的3.43 GJ/m3。在木材生命周期的各階段中，干燥階段的能耗和排放水平都較高，對于出口木材，遠洋運輸也是產生環境影響的一個重要環節[5-6]，與此相對應，木材采伐階段的環境影響要相對小得多[7]。

中國是世界木材生產和消費大國，2018年國內商品材產量8 811萬m3，原木和鋸材進口量9 642.2萬m3[8]。木材來源廣泛，材種多樣，但對鋸材產品基于LCA的環境評價卻鮮見報道，更沒有系統性的研究，木材產品的基礎環境數據長期缺失。近年來，隨著國家對環境問題更加重視，木材企業的生產裝備水平和能源供應方式都發生了顯著變化，尤其是小型工業鍋爐的使用受限后，木材干燥的供熱方式發生變化[9]，生產裝備和工藝等也隨之調整，對鋸材生產的能源消耗、環境排放和生產成本都產生了顯著影響，需要進行量化評估。

對此，本研究以橡木鋸材為典型范例，研究從木材采伐到鋸材生產全過程的消耗與排放水平，分析國內干燥板材和進口干燥板材環境性能的差異，以及供熱方式的變化對鋸材環境性能的影響，為深入性的木質產品環境影響評價提供方法和數據借鑒。

1 研究對象

選用美國橡木(Quercusspp)鋸材作為研究對象。橡木是我國主要進口硬闊葉材樹種，廣泛用于室內建筑材料、家具、地板等產品。美國是我國最大的橡木進口來源國，2018年美國闊葉板材對中國市場出口額近19億美元[10]，其中橡木是美國出口中國量最大的樹種，故以橡木鋸材為研究對象，結論具有較高代表性。

本研究基準材選擇厚度為50 mm的白橡木鋸材，為常見家具材厚度，氣干密度為755 kg/m3。橡木屬于難干材，通常初含水率為60%左右，結合國內生產現場調研的數據并參照美國林產品實驗室發表的木材干燥基準[11]，板材干燥后含水率8%，干燥周期約為40 d。該規格的橡木鋸材作為此次研究的基準參數。

2 環境影響評價

2.1 目標和范圍

1)目標:對窯干橡木鋸材生產的物質和能量輸入，以及相應的排放和產出進行量化分析，評價其環境影響，為橡木木質制品的環境影響評價提供基礎數據；比較鋸材生產地的不同和干燥供熱方式變化對鋸材環境性能的影響，為鋸材價值鏈和生產方式的優化提供參考。

2)范圍：完整LCA包括了一個產品從“搖籃到墳墓”所有階段。對于木材而言，包括森林經營、木材采伐、制材、干燥、成品加工、產品銷售/使用直至廢棄處理(圖1)。由于美國闊葉林都是天然林，樹木生長過程中的人工干預較少[12]，因而森林經營階段的環境影響可忽略不計。橡木鋸材的用途廣泛，不同終端產品的環境影響各不相同，本次研究的目的在于通過對鋸材環境屬性進行量化評估，為木質制品環境影響的評價提供基礎數據，研究只討論經干燥后得到的鋸材，不考慮木質制品的加工、使用和最終處理。

圖1 窯干橡木鋸材LCA系統邊界示意圖Fig. 1 System boundary for the LCA of kiln-dried oak lumber

對于在國內生產的橡木鋸材，其制材和干燥環節的系統邊界如圖2和圖3所示。圖3中左側為外購水蒸氣供能的系統邊界，右側為工廠內部生物質鍋爐供能的系統邊界。二者的差異體現于以生物質鍋爐為熱源時，鍋爐和噴淋塔會消耗額外的電能，制材過程中產生的木廢料可以進行循環利用用作燃料，消除了外界的蒸汽輸入。

圖2 國內制材工段的系統邊界示意圖Fig. 2 System boundary for domestic lumber manufacturing

圖3 國內不同熱源的制材及干燥工段系統邊界對比圖Fig. 3 System boundary for domestic manufacturing and drying process with different heat sources

在生命周期各階段中存在一些影響較小可以忽略不計的工段，根據LCA標準(ISO 14040—2006)可以通過設定一個閾值，將物質、能量或對重要環境性能影響較小的工段排除不進行分析，只保留重要的工段。本研究將閾值設定為環境影響值的1.4%，在此閾值標準下鋸材的全部生產工段都可以保留，同時忽略對結果影響過小的部分。系統中用于產生水蒸氣的水、用于調濕處理的水蒸氣、噴淋塔用水以及最終排出的廢水的環境影響均在閾值以下，因此忽略不計。

3)功能單位：功能單位是一個量化產品性能的參考單元，所有的能耗計算和分析都要以功能單元作為參考基準。參照已有的林產品LCA研究，本次研究的參考單元為1 m3干燥木材[12-14]。

4)分配：分配是指將產品系統中的輸入和輸出流劃分到所研究的產品系統或多個其他產品的系統中去(ISO 14040—2006)。根據生產調研的結果，原木制材過程中所得鋸材占比70%，木廢料占比30%。根據質量分配原則按此比例對制材的輸出數據進行分配[12]，即70%的輸出分配給鋸材、30%的輸出分配給木廢料。

2.2 清單分析

清單分析是對一個產品生命周期各階段的物質和能量的輸入和輸出進行量化的過程，通過與功能單元的關聯，計算環境負荷因子最終形成生產過程單位產量環境影響數據清單[15]。

2.2.1 數據收集

橡木產地選擇美國產量最多的密蘇里州，采伐后的原木經2 791 km的公路運輸至美國加州的長灘港，再從長灘港經約9 215 km的海洋運輸至我國的上海港。以此為基準數據，代入Eco-invent數據庫和USLCI數據庫進行木材采伐和運輸階段的物質、能量的輸入和輸出清單。Eco-invent是由瑞士Eco-invent中心開發的商業數據庫，涵蓋了歐洲以及世界多國7 000多種產品的單元過程和匯總過程數據集。USLCI由美國國家再生能源實驗室和其合作伙伴開發，主要包含了美國本土950多個單元過程數據及390個匯總過程數據集，涵蓋常用的材料生產、能源生產、運輸等過程。國內生產的橡木鋸材制材和干燥環節的清單數據通過現場調研獲得，調研地點為張家港和靖江港木材加工企業，所有調研數據均與理論計算值進行對照評估。窯干橡木鋸材生命周期各階段數據來源匯總見表1。

表1 窯干橡木鋸材生命周期各階段數據來源Table 1 Data sources for different life cycle stages of kiln-dried oak lumber

一個年產能50萬m3的國產制材線配備6臺電機功率為37 kW的跑車帶鋸機、2臺電機功率為15 kW的臥式帶鋸機和10臺電機功率為15 kW的框鋸機，根據調研工廠每天8 h的工作時長可計算出電能的消耗量。干燥過程中橡木由初含水率60%干燥至終含水率8%，干燥窯容積為150 m3，窯體金屬鋁外板厚0.8 mm，內板厚1.2 mm，隔熱纖維層厚100 mm，碎石、煤渣和混凝土厚度各為100 mm，窯內干燥溫度為60 ℃，窯內配有7個功率為3 kW的風機。以外購水蒸氣為熱源干燥時，所消耗的熱能分別經過調研和理論計算[16-17]兩種方法獲得以確保數據的準確性，調研得知每天每窯需要消耗壓力約為14 kg/m2的水蒸氣2.5～3.0 t，根據汽化潛熱可計算出干燥所需的熱量。其他相關數據的來源見表2。

表2 國內制材和干燥工段的數據來源Table 2 Data sources of domestic lumber manufacturing and drying process

2.2.2 輸入、輸出清單

當以外購蒸汽為熱源時，經理論計算得知干燥1 m3橡木鋸材需要消耗熱量3.61×106kJ(表3)，現場調研所獲得的熱能消耗為3.46×106kJ。Simpson等[19]研究結果顯示，干燥50 mm厚的1 m3橡木由50%的含水率干燥至7%需要消耗熱能2.88×106kJ。經比對上述的調研數據、理論計算數據和其他學者相關的研究數據，可知三者數值相近。

表3 以外購蒸汽為熱源的窯干橡木鋸材生產過程的輸入、輸出清單Table 3 The input and output inventory for the manufacturing process of kiln-dried oak lumber with purchased steam as heat source

經調研得知，噴淋塔凈化效率為95%，每生產1 m3鋸材所產生的木廢料中有430 kg可循環利用作為鍋爐的燃料。設鍋爐的熱效率為70%[20]，可得以生物質鍋爐為熱源時的清單數據(表4)。對比表3和表4可知，生物質鍋爐為熱源時，由于鍋爐和噴淋塔的使用，生產過程的熱能和電能消耗相比較外購水蒸氣為熱源都有所增加，干燥所消耗的熱能增加了0.74×106kJ(20.5%)，電能增加了51.42 kWh(35.0%)。但由于生產過程木廢料的資源化利用，系統輸出的木廢料量下降了92.7%。

表4 生物質鍋爐為熱源的窯干橡木鋸材生產過程的輸入、輸出清單Table 4 The input and output inventory for the manufacturing process of kiln-dried oak lumber with on-site biomass boiler as heat source

2.3 影響評價

影響評價是指評價清單分析階段的消耗和排放數據對產品生命周期各部分環境影響的貢獻，并總結各影響因素對環境影響的排序。

2.3.1 評價方法

本次研究選擇了SimaPro 8.0.1軟件中的Eco-indicator99作為評價方法，是一種面向“終點”的損害取向評價理論。它將產品清單分析的數據按照一定的環境機制劃分為各種環境問題，并將各種環境問題對人體健康、生態系統和資源損害按一定權重進行歸一化[21]。選擇它的原因是其應用最成熟，使用也較為廣泛，且影響類別全面，相關的木制品LCA研究也應用了此方法[22]。

2.3.2 外購蒸汽為熱源的窯干鋸材的環境影響

窯干橡木鋸材最為顯著的環境影響類別是呼吸性無機物和化石燃料，加權后總得分均為25.50(圖4)，均占總環境影響的40.79%，二者共計占比高達81.58%。呼吸性無機物的環境影響主要由運輸和干燥工段所引起，在運輸過程中87.47%的呼吸性無機物影響來自燃料燃燒后所產生的NOx。而干燥工段影響較為顯著的原因是，當以電廠外購水蒸氣作為熱源時，電廠所提供的水蒸氣多數是由燃煤鍋爐產生的，燃煤鍋爐的使用會向大氣中排放大量的SO2、NOx和顆粒物。對化石燃料資源的影響主要來自海洋運輸和鐵路運輸，占比分別達到60%和23.92%。運輸方面影響頗為顯著的原因是，進行鐵路和海洋運輸時火車及貨輪主要以燃油、天然氣和煤作為燃料，因此消耗了大量的化石燃料。剩余的其他影響類別僅占總環境影響的18.42%，體現在酸化/富營養化、氣候變暖、致癌物等方面。2018年美國環境保護署將木材定義為碳中性材料，即森林被砍伐后使得部分“碳”轉移到林產品中，林產品最終被廢棄燃燒，從而產生一定的碳排放，進而被新種植的樹木吸收，從而達到碳平衡，因而其氣候變暖的影響值自然很低[23]。土地利用影響值很低的原因是，森林經營沒有被計入研究范圍，即樹木生長所占用的土地被排除在外。

圖4 1 m3窯干橡木鋸材的環境影響Fig. 4 Environmental impacts of 1 m3 kiln-dried oak lumber

從各加工工段來看，環境影響由大到小依次為海洋運輸、干燥、鐵路運輸、木材采伐和制材(圖5)。其中海洋運輸和鐵路運輸均在化石燃料消耗和呼吸性無機物排放方面產生了顯著影響，化石燃料分別占海洋運輸和鐵路運輸總體影響的49.76%和51.09%，其次是呼吸性無機物分別占海洋運輸和鐵路運輸總體影響的38.05%和36.85%。干燥所造成的環境影響類別最廣泛，對呼吸性無機物、氣候變暖、化石燃料和致癌物等環境類別均有影響，其中最顯著的呼吸性無機物占比為48.12%。而木材采伐和制材的環境影響因素較為單一，木材采伐工段中59.18%的環境影響來自化石燃料的消耗，制材工段中呼吸性無機物的排放占比則高達76.01%。

圖5 生命周期各階段對窯干橡木鋸材環境影響的貢獻Fig. 5 Contribution of each life cycle stage to the environmental impacts of kiln-dried oak lumber

圖5的數據表明，以原木進口到國內，在國內完成制材和干燥的橡木板材，其主要環境影響來自遠洋運輸和干燥環節。海洋運輸的超長距離極大改變了木材的環境屬性，并使得化石燃料和呼吸性無機物成為鋸材的主要環境影響類別。木材干燥一直以來都是木材加工過程中的主要能耗環節，對于橡木這樣的難干闊葉材，由于干燥周期較長，其產生的環境影響尤為顯著，干燥過程對能源的消耗進一步加大了化石燃料和呼吸性無機物兩類環境影響的影響值。

2.3.3 不同熱源的窯干鋸材的環境影響比較

外購水蒸氣為熱源和生物質鍋爐為熱源對鋸材環境性能的影響水平相似，外購水蒸氣為熱源所產生的環境總負荷(62.51)要稍大于生物質鍋爐為熱源(60.27)。如圖6所示，在致癌物、呼吸性有機物的排放、氣候變暖、臭氧層損耗、酸化/富營養化和化石燃料消耗方面，外購水蒸氣為熱源產生的環境影響均大于生物質鍋爐為熱源，其余的環境影響方面則是外購水蒸氣為熱源更具有優勢。兩者在呼吸性有機物和呼吸性無機物的排放、酸化/富營養化和化石燃料消耗方面差距不大，分值相差在10%以內，而氣候變暖、輻射和礦物質資源消耗方面相差較大，超過了30%。造成這一現象的原因是，電廠提供的水蒸氣多數是由燃煤鍋爐產生的，燃煤供熱會消耗大量化石燃料并產生NOx和顆粒物等污染物，而生物質鍋爐主要以廠內制材加工后所剩余的木廢料為燃料，木廢料則循環利用于干燥工段中，因此產生了相應的正向環境影響，這在氣候變暖指標中體現得最為明顯。

圖6 不同熱源橡木窯干鋸材的各類環境影響對比Fig. 6 Comparison of each environmental impact of kiln-dried oak lumber generated by different heat sources

和分散式的燃煤鍋爐供熱相比，集中供熱鍋爐的效率更高，排氣處理設施更加完備，有利于降低能源供給的環境影響。但是生物質鍋爐的原料來自生產廢棄物，是對廢棄物的資源化利用，由于燃料成分為有機物，其燃燒排放特征也有異于燃煤鍋爐，因而其環境性能與相同規模的燃煤鍋爐存在顯著差異。本次研究的結果表明，采用生物質鍋爐供熱，鋸材的總體環境性能的影響與集中供熱相當，表明生物質鍋爐具有保留應用的價值。

2.3.4 國內外窯干橡木鋸材的環境影響比較

由于橡木同時以原木和鋸材兩種形式進口到國內，本研究也比較了國內干燥鋸材和海外干燥鋸材在環境性能上的差異。海外干燥鋸材的制材和干燥數據取自USLCI數據庫。分析表明，橡木國內鋸材所產生的環境影響(62.60)遠大于橡木海外鋸材(27.60)。從圖7可見，在環境影響類別方面，橡木國內鋸材的致癌物、呼吸性有機物和呼吸性無機物的排放、氣候變暖、酸化/富營養化和化石燃料消耗這些環境影響均顯著大于海外鋸材，兩者相差超過1倍。兩者環境影響得分相差較大的原因是海外的制材生產線以及干燥工藝和國內具有差異，其干燥工藝和裝備水平較為成熟，能耗控制較好。另外在運輸方面，原木的運輸質量顯著大于運輸干燥后板材的質量，而呼吸性無機物的排放、化石燃料消耗和氣候變暖都受運輸和干燥工段的影響較大，因此在這3個環境影響方面海外的鋸材也具有明顯的優勢，這也印證了上述研究中所提到的運輸確實對橡木鋸材的環境性能產生了不小的影響。

注：橡木國內鋸材是指原木從海外運輸至國內港口，在國內鋸場內制造成板材；橡木海外鋸材是指海外鋸切后的板材干燥后直接銷往國內。圖7 橡木國內鋸材和橡木海外鋸材的各類環境影響對比Fig. 7 Comparison of each environmental impact between domestic and US-produced oak lumber

國內外窯干橡木鋸材的環境影響差異表明，從提高環境友好性的角度，直接進口板材優于進口原木后在國內進行鋸材加工。

3 結論與討論

1)國內窯干橡木鋸材在生命周期各階段的環境影響從大到小依次為海洋運輸、干燥、鐵路運輸、木材采伐和制材。國內外窯干橡木鋸材所帶來的環境影響主要體現在化石燃料消耗和呼吸性無機物排放這兩種環境問題上，兩者共占據總環境影響的81.58%。就環境影響貢獻最大的運輸而言，由于橡木為進口材導致其運輸距離過長，造成了較為顯著的環境影響，若想削弱這部分的影響可以增加清潔能源的使用。在木材干燥方面，若能縮短干燥周期，也可有效地減輕環境負擔，可將木材在窯干之前先進行預干燥或大氣干燥，以縮短干燥周期，減少能耗降低環境損害。

2)在干燥熱源的研究表明，以木廢料作為燃料的生物質鍋爐與電廠外購水蒸氣為熱源所產生的環境影響相差不大。主要環境影響方面，二者在呼吸性有機物的排放和化石燃料消耗之間的差距較小，分值相差在10%以內，而在氣候變暖方面相差較大，分值相差超過30%。生物質鍋爐是對加工產生木廢料的資源化利用，這部分可產生正向的環境影響，因而其環境性能與相同規模的燃煤鍋爐存在顯著差異，因此生物質鍋爐具有保留應用價值。

3)對比研究發現，由于國外制材生產方式與國內的不同，以及運輸時原木的運輸質量顯著大于運輸干燥后板材的質量，使得國內鋸材消耗了更多的化石燃料資源。在這些因素的影響下，橡木海外鋸材的環境性能在呼吸性無機物排放、化石燃料消耗和氣候變暖方面要顯著優于橡木國內鋸材，致使兩者最終的總體環境性能相差幾乎1倍。就環境性能而言，直接進口板材優于進口原木后在國內進行鋸材加工，可見我國的制材生產線、干燥加工的原料和能源利用效率與國外發達國家相比還有較大的提升空間。