基于LCA 方法的二氧化碳爆破環境影響分析①

許小泉

（中國鐵建港航局集團有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430000）

爆破作為一種高效實用的破巖方式，在現代工業發展中發揮著重要作用，且人們對爆破安全性和環境影響的關注度逐漸提高［1-2］。 二氧化碳爆破是近年來高速發展并應用的一種新型爆破技術，又稱二氧化碳相變致裂技術［3］。 該技術由英國Cardox 公司在20 世紀初首次開發，并在20 世紀80 年代得到突飛猛進的發展，廣泛用于鋼鐵、水泥、電力以及基坑開挖、礦山開采等領域［4］。 相比于西方國家，中國對二氧化碳爆破的研究要晚得多，初期研究主要集中于煤層致裂開采、增透、瓦斯開發等方面［5］。 直到2015 年，隨著發熱管技術門檻的降低，以CARDOX 致裂管為原型仿制液態二氧化碳相變致裂設備的機械廠家日益增多，同時關于液態二氧化碳相變破巖振動幅值和能量分布規律的相關研究逐漸深入，為液態二氧化碳相變破巖技術的振動安全理論研究提供了科學支撐，進一步促進了二氧化碳爆破在非炸藥破巖工程領域的應用［6］。

因爆破前主機與爆破器材分離、爆破過程中無火花外露、爆破后無需驗炮等特點，二氧化碳爆破具有極高的安全性［7-8］。 但在環保方面，對二氧化碳爆破的研究往往局限于現場粉塵、炮煙等的產生狀況，而忽略了設備生產、廢棄等相關環節，僅從簡單的現場排放對比就定性地認為二氧化碳爆破更為環保顯然是不合理的。 本文采用生命周期評價（LCA）方法對二氧化碳爆破所涉及的環境污染進行全面分析，并與傳統爆破進行對比，用定量研究結果指出二氧化碳爆破在環保方面的優勢與不足之處。

1 二氧化碳爆破生命周期評價模型

1.1 生命周期評價方法

采用生命周期評價（LCA）方法對二氧化碳爆破“從搖籃到墳墓”（cradle to gave）全生命周期過程進行建模分析。 LCA 是一種定量的環境評價方法，可以對某個產品、過程或工藝各個生命周期階段所造成的潛在環境影響進行識別并評估［9］。 本文選用國際領先的生命周期評價軟件SimaPro（內置Ecoinvent 3 等生命周期數據庫） 和ReCiPe 中點方法進行研究。ReCiPe 包含18 個“問題導向”的環境影響類型，涵蓋了大部分當今社會因生產所造成的環境問題［10］。

1.2 目標和范圍確定

本次研究的目的是：①從全生命周期角度解釋二氧化碳爆破所造成的環境污染，定量得出各種環境影響類型相關的特征化指標值；②在結構上分析所建立的生命周期評價模型，探查造成嚴重環境影響的關鍵過程，并提出科學合理的優化方法；③與傳統爆破方法進行對比，定量指出其環保優勢及不足之處。

以原材料和能源生產、致裂器加工組裝、現場使用、回收或廢棄4 個主要過程組為基礎，確定研究范圍，各個過程組包括多個單元過程。 研究的系統邊界如圖1 所示，為保證模型的質量與可行性，過程之間的物質流和能量流都涵蓋在內，而對一些結果影響不大的過程予以舍棄。 例如，對于產品的生產設備，因其極高的可重復使用性，一套設備系統往往對應大量的產品生產，設備制造及保養維修階段產生的環境影響分配到單一產品時微乎其微，可以在一定程度上予以舍棄。 本文選用單支二氧化碳致裂器爆破1 次為功能單位，并基于該功能單位的生命周期確定各單元過程的輸入和輸出，進行建模、計算，得出評價結果。

圖1 系統邊界及物質／能量流

2 清單分析

2.1 清單數據來源

二氧化碳致裂器加工組裝相關清單數據由湖南某生產廠家提供，并在實際工程應用中測得現場排放情況。 二氧化碳致裂器結構如圖2 所示，其型號為95 型，即外徑95 mm、管體長度1 m。 所用二氧化碳充裝量2.8 kg、充裝壓力9 MPa、致裂峰值壓力350 MPa，足以應對絕大多數工程現場使用。 上游原材料和能源生產、下游回收或廢棄等背景生命周期數據來自于行業領先的Ecoinvent 數據庫，經過本土化處理以滿足各單元過程的建模使用。

圖2 95 型二氧化碳致裂器結構

2.2 生命周期清單

所有生命周期清單數據都是以功能單位即單支二氧化碳致裂器爆破1 次為基準進行收集，涵蓋其整個生命周期。 該致裂器屬于可重復使用型，只需更換發熱管和定壓剪切片，重新填裝液態二氧化碳后即可再次使用，單管可重復使用3 000 ～5 000 次。 具體數據詳見表1。

表1 二氧化碳爆破生命周期清單

3 生命周期影響評價

3.1 中點方法計算結果

基于生命周期清單，在SimPro 軟件上即可建立二氧化碳爆破LCA 模型。 采用軟件內置的ReCiPe 中點方法計算模型評價結果（LCIA）。 ReCiPe 中點方法涵蓋了氣候變化、臭氧消耗、陸地酸化、淡水富營養化、海洋富營養化、人類毒性、光化學氧化劑形成、顆粒物形成、陸地生態毒性、淡水生態毒性、海洋生態毒性、電離輻射、農業土地占用、城市土地占用，自然土地轉化、水資源枯竭、金屬資源枯竭和化石能源枯竭等環境影響類型，每個環境影響類型都有其相應的特征化指標與當量因子，用以衡量不同物質對同一種影響類型的貢獻大小。 例如，氣候變化環境影響類型以千克二氧化碳排放作為特征化指標進行量化，二氧化碳特征化因子為1，甲烷特征化因子為25，即每排放1 kg 甲烷對氣候變化造成的影響相當于排放25 kg 二氧化碳。

經計算，單支二氧化碳致裂器爆破1 次“從搖籃到墳墓”全生命周期階段所造成的各類環境影響如表2 所示。 除累計值外，每個主要過程組所造成的影響也一一列出。 值得一提的是，二氧化碳致裂器使用后，部分組件參與重復利用，抵消了因生產加工所造成的環境影響，故報廢或回收過程組的特征化指標值為負，即該階段產生環境正效益。 LCIA 中點方法計算結果表明，原材料和能源生產過程組所造成的環境影響遠大于其他組，這也說明了與二氧化碳爆破相關的污染不僅存在于自身生命周期當中，更多地由上游產品生產所致。

表2 LCIA 中點方法計算結果

3.2 歸一化結果

歸一化是為了對不同環境影響類型進行比較，而將各特征化指標值轉化為無量綱常數的一種方法。ReCiPe 中點方法內置有歸一化方案，將中點方法計算結果進行歸一化后，即可比較二氧化碳爆破生命周期造成的各類環境影響大小。 歸一化LCIA 結果如表3所示。 結果表明，二氧化碳爆破對海洋生態毒性影響程度最高，其次依次是淡水生態毒性、淡水富營養化、金屬資源枯竭以及人類毒性。 而對顆粒物形成、化石能源枯竭、氣候變化、陸地酸化、光化學氧化物形成的影響程度較低，其他方面的影響可以忽略不計。 將程度較高的5 種環境影響類型定義為關鍵環境影響類型，即二氧化碳爆破主要會造成該種環境污染。

表3 歸一化LCIA 結果

3.3 過程貢獻分析

在確定二氧化碳爆破所造成的環境問題之后，為尋求改善措施，對其生命周期進行結構分析尋找污染物來源十分必要。

近年來大眾廣為關注空氣污染與霧霾問題，故二氧化碳爆破造成的顆粒物形成也應當被重點研究。 加上已定義的5 種關鍵環境影響類型，一共6 種環境影響類型的過程貢獻分析如表4 所示。

表4 關鍵環境影響類別過程貢獻分析

由過程貢獻結構可知，在二氧化碳爆破生命周期中，鋼鐵生產會導致多種類型的環境問題，且貢獻占比極高，是最具污染的環節；電能生產是除鋼鐵生產外的第二大污染來源，導致了廣泛的環境問題。 以上兩大污染來源被確定為關鍵過程，為促進行業發展與環境保護的首要優化目標，其余過程因造成的影響程度有限，可在未來尋求適當時機進行相關處理。

4 與傳統爆破方法對比

4.1 TNT 當量確定

為了在相同水平上分析二氧化碳爆破方法與傳統爆破方法的環境效益，選取TNT 當量這一客觀指標作為參考基準，以理論推算和工程經驗相結合的方式得到各方法的TNT 當量值，并在此基礎上進行生命周期評價對比。

由現有的檢測結果可知，95 型二氧化碳致裂器參數為管體容積2.83 L，二氧化碳充裝量2.8 kg，充裝壓力9 MPa，致裂峰值壓力350 MPa，則液態二氧化碳相變致裂時所釋放的能量為［11］：

式中Eg為氣體的爆破能量，kJ；p為容器內氣體的絕對壓力，MPa；V為容器的容積，m3；K為氣體的絕熱指數，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比，取1.295。 計算可得95 型二氧化碳致裂器在啟動后釋放的能量為3 351.92 kJ，則其近似TNT 當量為：

式中WTNT為裝置的TNT 當量，kgTNT；QTNT為1 kg TNT的爆炸能，取4 250 kJ／kg。 計算可得95 型二氧化碳致裂器啟動時的能量釋放等效于0.79 kgTNT。

在傳統爆破中，炸藥選型的不同將會導致較大的爆破效果差異，這里選擇應用較為廣泛的巖石乳化炸藥。 由相關文獻可知，巖石乳化炸藥的TNT 當量系數為0.61［12］。 計算可得單只二氧化碳致裂器爆破約等效于1.3 kg 巖石乳化炸藥爆破。

4.2 對比結果與討論

2 種爆破方法的生命周期影響結果如表5 所示。2 組數據分別以單只二氧化碳致裂器爆破和1.3 kg 巖石乳化炸藥爆破為功能單元，達到相同的TNT 當量水平。

表5結果表明，縱觀整個生命周期，二氧化碳爆破方法比傳統爆破方法造成了更大的環境污染，主要體現在海洋生態毒性、淡水生態毒性等關鍵環境影響類型方面，絕大多數作用于水體。 結合貢獻結構分析可以推斷，這與致裂器制造過程中的鋼鐵生產加工有關，排放了種類多樣且數量較大的污染物質。此外，二氧化碳爆破方法在土壤酸化、光化學氧化物形成兩個方面環境影響相對較低，是其環保優勢。 在現場使用過程中，二氧化碳爆破方法不涉及化學物質燃燒，其炮煙里僅含有二氧化碳這一大氣中原有且大量存在的物質，不會對空氣和土壤造成太大的危害。 需要注意的是，盡管炮煙相對清潔，但由于上游生產環節過多且復雜，二氧化碳爆破在顆粒物形成方面并沒有展現出優勢，其環境影響與傳統爆破所差無幾。 在其他環境影響類型方面，2 種爆破方法造成的污染都十分有限，這里不作為對比內容進行討論。

表5 二氧化碳爆破與傳統爆破LCIA 結果對比

5 結 論

基于生命周期評價（LCA）方法，對二氧化碳爆破的整個生命周期進行了分析，并與傳統爆破進行了對比，得出以下結論：

1） LCIA 中點方法計算結果表明，二氧化碳爆破生命周期過程中會造成多種類型的環境影響，其中大部分影響來自于原材料和能源生產階段。

2） 歸一化中點方法計算結果表明，二氧化碳爆破生命周期對海洋生態毒性方面的環境影響程度最高，其次是淡水生態毒性、淡水富營養化、金屬資源枯竭以及人類毒性。

3） 由過程貢獻結構分析結果可知，鋼鐵生產過程和電能生產過程是二氧化碳爆破生命周期中最主要的污染來源，在眾多環境影響類型中貢獻占比極高。

4） 二氧化碳爆破和傳統爆破對比結果表明，從生命周期角度來看，二氧化碳爆破比傳統爆破造成了更大的環境污染，主要體現在對水體的影響方面，但其對土壤、空氣的影響相對較低。