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(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，且人們對爆破安全性和環(huán)境影響的關(guān)注度逐漸提高［1-2］。 二氧化碳爆破是近年來高速發(fā)展并應(yīng)用的一種新型爆破技術(shù)，又稱二氧化碳相變致裂技術(shù)［3］。 該技術(shù)由英國Cardox 公司在20 世紀(jì)初首次開發(fā)，并在20 世紀(jì)80 年代得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，廣泛用于鋼鐵、水泥、電力以及基坑開挖、礦山開采等領(lǐng)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(fā)等方面［5］。 直到2015 年，隨著發(fā)熱管技術(shù)門檻的降低，以CARDOX 致裂管為原型仿制液態(tài)二氧化碳相變致裂設(shè)備的機械廠家日益增多，同時關(guān)于液態(tài)二氧化碳相變破巖振動幅值和能量分布規(guī)律的相關(guān)研究逐漸深入，為液態(tài)二氧化碳相變破巖技術(shù)的振動安全理論研究提供了科學(xué)支撐，進(jìn)一步促進(jìn)了二氧化碳爆破在非炸藥破巖工程領(lǐng)域的應(yīng)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(huán)保方面，對二氧化碳爆破的研究往往局限于現(xiàn)場粉塵、炮煙等的產(chǎn)生狀況，而忽略了設(shè)備生產(chǎn)、廢棄等相關(guān)環(huán)節(jié)，僅從簡單的現(xiàn)場排放對比就定性地認(rèn)為二氧化碳爆破更為環(huán)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(huán)境污染進(jìn)行全面分析，并與傳統(tǒng)爆破進(jìn)行對比，用定量研究結(jié)果指出二氧化碳爆破在環(huán)保方面的優(yōu)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?zāi)埂保╟radle to gave）全生命周期過程進(jìn)行建模分析。 LCA 是一種定量的環(huán)境評價方法，可以對某個產(chǎn)品、過程或工藝各個生命周期階段所造成的潛在環(huán)境影響進(jìn)行識別并評估［9］。 本文選用國際領(lǐng)先的生命周期評價軟件SimaPro（內(nèi)置Ecoinvent 3 等生命周期數(shù)據(jù)庫） 和ReCiPe 中點方法進(jìn)行研究。ReCiPe 包含18 個“問題導(dǎo)向”的環(huán)境影響類型，涵蓋了大部分當(dāng)今社會因生產(chǎn)所造成的環(huán)境問題［10］。

1.2 目標(biāo)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(huán)境污染，定量得出各種環(huán)境影響類型相關(guān)的特征化指標(biāo)值；②在結(jié)構(gòu)上分析所建立的生命周期評價模型，探查造成嚴(yán)重環(huán)境影響的關(guān)鍵過程，并提出科學(xué)合理的優(yōu)化方法；③與傳統(tǒng)爆破方法進(jìn)行對比，定量指出其環(huán)保優(yōu)勢及不足之處。

以原材料和能源生產(chǎn)、致裂器加工組裝、現(xiàn)場使用、回收或廢棄4 個主要過程組為基礎(chǔ)，確定研究范圍，各個過程組包括多個單元過程。 研究的系統(tǒng)邊界如圖1 所示，為保證模型的質(zhì)量與可行性，過程之間的物質(zhì)流和能量流都涵蓋在內(nèi)，而對一些結(jié)果影響不大的過程予以舍棄。 例如，對于產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備，因其極高的可重復(fù)使用性，一套設(shè)備系統(tǒng)往往對應(yīng)大量的產(chǎn)品生產(chǎn)，設(shè)備制造及保養(yǎng)維修階段產(chǎn)生的環(huán)境影響分配到單一產(chǎn)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(jìn)行建模、計算，得出評價結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)邊界及物質(zhì)／能量流

2 清單分析

2.1 清單數(shù)據(jù)來源

二氧化碳致裂器加工組裝相關(guān)清單數(shù)據(jù)由湖南某生產(chǎn)廠家提供，并在實際工程應(yīng)用中測得現(xiàn)場排放情況。 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)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(yīng)對絕大多數(shù)工程現(xiàn)場使用。 上游原材料和能源生產(chǎn)、下游回收或廢棄等背景生命周期數(shù)據(jù)來自于行業(yè)領(lǐng)先的Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫，經(jīng)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(jié)構(gòu)

2.2 生命周期清單

所有生命周期清單數(shù)據(jù)都是以功能單位即單支二氧化碳致裂器爆破1 次為基準(zhǔn)進(jìn)行收集，涵蓋其整個生命周期。 該致裂器屬于可重復(fù)使用型，只需更換發(fā)熱管和定壓剪切片，重新填裝液態(tài)二氧化碳后即可再次使用，單管可重復(fù)使用3 000 ～5 000 次。 具體數(shù)據(jù)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(jié)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(nèi)置的ReCiPe 中點方法計算模型評價結(jié)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(yǎng)化、海洋富營養(yǎng)化、人類毒性、光化學(xué)氧化劑形成、顆粒物形成、陸地生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、電離輻射、農(nóng)業(yè)土地占用、城市土地占用，自然土地轉(zhuǎn)化、水資源枯竭、金屬資源枯竭和化石能源枯竭等環(huán)境影響類型，每個環(huán)境影響類型都有其相應(yīng)的特征化指標(biāo)與當(dāng)量因子，用以衡量不同物質(zhì)對同一種影響類型的貢獻(xiàn)大小。 例如，氣候變化環(huán)境影響類型以千克二氧化碳排放作為特征化指標(biāo)進(jìn)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(dāng)于排放25 kg 二氧化碳。

經(jīng)計算，單支二氧化碳致裂器爆破1 次“從搖籃到墳?zāi)埂比芷陔A段所造成的各類環(huán)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(fù)利用，抵消了因生產(chǎn)加工所造成的環(huán)境影響，故報廢或回收過程組的特征化指標(biāo)值為負(fù)，即該階段產(chǎn)生環(huán)境正效益。 LCIA 中點方法計算結(jié)果表明，原材料和能源生產(chǎn)過程組所造成的環(huán)境影響遠(yuǎn)大于其他組，這也說明了與二氧化碳爆破相關(guān)的污染不僅存在于自身生命周期當(dāng)中，更多地由上游產(chǎn)品生產(chǎn)所致。

表2 LCIA 中點方法計算結(jié)果

3.2 歸一化結(jié)果

歸一化是為了對不同環(huán)境影響類型進(jìn)行比較，而將各特征化指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為無量綱常數(shù)的一種方法。ReCiPe 中點方法內(nèi)置有歸一化方案，將中點方法計算結(jié)果進(jìn)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(huán)境影響大小。 歸一化LCIA 結(jié)果如表3所示。 結(jié)果表明，二氧化碳爆破對海洋生態(tài)毒性影響程度最高，其次依次是淡水生態(tài)毒性、淡水富營養(yǎng)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(xué)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(huán)境影響類型定義為關(guān)鍵環(huán)境影響類型，即二氧化碳爆破主要會造成該種環(huán)境污染。

表3 歸一化LCIA 結(jié)果

3.3 過程貢獻(xiàn)分析

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

近年來大眾廣為關(guān)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(yīng)當(dāng)被重點研究。 加上已定義的5 種關(guān)鍵環(huán)境影響類型，一共6 種環(huán)境影響類型的過程貢獻(xiàn)分析如表4 所示。

表4 關(guān)鍵環(huán)境影響類別過程貢獻(xiàn)分析

由過程貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)可知，在二氧化碳爆破生命周期中，鋼鐵生產(chǎn)會導(dǎo)致多種類型的環(huán)境問題，且貢獻(xiàn)占比極高，是最具污染的環(huán)節(jié)；電能生產(chǎn)是除鋼鐵生產(chǎn)外的第二大污染來源，導(dǎo)致了廣泛的環(huán)境問題。 以上兩大污染來源被確定為關(guān)鍵過程，為促進(jìn)行業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的首要優(yōu)化目標(biāo)，其余過程因造成的影響程度有限，可在未來尋求適當(dāng)時機進(jìn)行相關(guān)處理。

4 與傳統(tǒng)爆破方法對比

4.1 TNT 當(dāng)量確定

為了在相同水平上分析二氧化碳爆破方法與傳統(tǒng)爆破方法的環(huán)境效益，選取TNT 當(dāng)量這一客觀指標(biāo)作為參考基準(zhǔn)，以理論推算和工程經(jīng)驗相結(jié)合的方式得到各方法的TNT 當(dāng)量值，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生命周期評價對比。

由現(xiàn)有的檢測結(jié)果可知，95 型二氧化碳致裂器參數(shù)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(tài)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(nèi)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(shù)，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(dāng)量為：

式中WTNT為裝置的TNT 當(dāng)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(tǒng)爆破中，炸藥選型的不同將會導(dǎo)致較大的爆破效果差異，這里選擇應(yīng)用較為廣泛的巖石乳化炸藥。 由相關(guān)文獻(xiàn)可知，巖石乳化炸藥的TNT 當(dāng)量系數(shù)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(jié)果與討論

2 種爆破方法的生命周期影響結(jié)果如表5 所示。2 組數(shù)據(jù)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(dá)到相同的TNT 當(dāng)量水平。

表5結(jié)果表明，縱觀整個生命周期，二氧化碳爆破方法比傳統(tǒng)爆破方法造成了更大的環(huán)境污染，主要體現(xiàn)在海洋生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性等關(guān)鍵環(huán)境影響類型方面，絕大多數(shù)作用于水體。 結(jié)合貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)分析可以推斷，這與致裂器制造過程中的鋼鐵生產(chǎn)加工有關(guān)，排放了種類多樣且數(shù)量較大的污染物質(zhì)。此外，二氧化碳爆破方法在土壤酸化、光化學(xué)氧化物形成兩個方面環(huán)境影響相對較低，是其環(huán)保優(yōu)勢。 在現(xiàn)場使用過程中，二氧化碳爆破方法不涉及化學(xué)物質(zhì)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(zhì)，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(chǎn)環(huán)節(jié)過多且復(fù)雜，二氧化碳爆破在顆粒物形成方面并沒有展現(xiàn)出優(yōu)勢，其環(huán)境影響與傳統(tǒng)爆破所差無幾。 在其他環(huán)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(nèi)容進(jìn)行討論。

表5 二氧化碳爆破與傳統(tǒng)爆破LCIA 結(jié)果對比

5 結(jié) 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(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)爆破進(jìn)行了對比，得出以下結(jié)論：

1） LCIA 中點方法計算結(jié)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(huán)境影響，其中大部分影響來自于原材料和能源生產(chǎn)階段。

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

3） 由過程貢獻(xiàn)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可知，鋼鐵生產(chǎn)過程和電能生產(chǎn)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(huán)境影響類型中貢獻(xiàn)占比極高。

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