楊瑞錦

（蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，水泥作為工業(yè)領(lǐng)域的第二大碳排放來源，其生產(chǎn)過程面臨著嚴(yán)峻的減排壓力。水泥被認(rèn)為是全世界用量最大的材料[1]，全球水泥工業(yè)的碳排放量占人類活動(dòng)碳排放總量的7%~9%，占能耗的12%左右，特別是使用化石燃料以及在熟料生產(chǎn)中對(duì)石灰石的脫碳導(dǎo)致了二氧化碳的高排放[2]。雖然近年來我國在水泥領(lǐng)域的控碳工作已取得一定成效，但發(fā)展進(jìn)程緩慢。

本文將從水泥工業(yè)的生命周期視角出發(fā)，利用生命周期評(píng)價(jià)軟件SimaPro（Version9.3.0.2），以廣西省某水泥有限公司2021 年水泥生產(chǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，以探究其對(duì)環(huán)境造成的影響。同時(shí)，生命周期評(píng)價(jià)可以定量分析不同環(huán)境影響類型之間和不同生命周期階段之間的環(huán)境問題，有效識(shí)別出生產(chǎn)過程中碳排放較為集中的階段，從而為水泥工業(yè)降低碳排放提供合理的建議。

1 生命周期評(píng)價(jià)方法

1.1 生命周期評(píng)價(jià)的定義

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義，生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種用于評(píng)估產(chǎn)品、技術(shù)或服務(wù)在生命周期中潛在的環(huán)境影響和資源利用情況的工具。生命周期是從原材料的獲取，到產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，最終到廢棄物管理的全過程。LCA是一種綜合性評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容包括對(duì)自然環(huán)境、人類健康和資源利用等各方面的影響[3]。

本文使用的是ISO14040 定義的基礎(chǔ)LCA 方法，基本框架分為4 個(gè)部分：目標(biāo)與范圍的確定，清單分析，影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋。生命周期評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 生命周期評(píng)價(jià)流程圖

1.2 生命周期評(píng)價(jià)工具

現(xiàn)有的商業(yè)化LCA 軟件有幾十種，目前國外市場上公開出售的LCA 軟件大多數(shù)是歐洲版，以SimaPro（荷蘭）、TEAM（法國）、Gabi（德國）等軟件為主[4]。

我國于2004 年建立了較成體系的數(shù)據(jù)庫Sinaceter，該數(shù)據(jù)庫根據(jù)我國實(shí)際情況及ISO4040 技術(shù)框架建立了50000 條關(guān)于水泥、涂料、鋼鐵等建材數(shù)據(jù)記錄[5]。王洪濤等在2009 年開始研發(fā)LCA 軟件，現(xiàn)已建立中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫（CLCD）[6]，ebalance環(huán)境評(píng)價(jià)軟件以及國際首個(gè)一站式集成SaaS服務(wù)平臺(tái)WebLCA。目前國際上應(yīng)用最廣泛的LCA 研究工具是SimaPro 和GaBi 軟件，國產(chǎn)LCA 軟件中常用的是e Balance。這三款軟件均基于ISO14040的LCA分析框架和流程建立計(jì)算模型。

2 水泥產(chǎn)品的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

2.1 目標(biāo)與范圍的確定

2.1.1 研究目標(biāo)

本文的研究內(nèi)容主要考慮廣西省某水泥有限公司2021年水泥生產(chǎn)生命周期系統(tǒng)對(duì)環(huán)境造成的影響。研究包括生料生產(chǎn)環(huán)節(jié)、熟料生產(chǎn)環(huán)節(jié)、水泥生產(chǎn)、移動(dòng)源及余熱發(fā)電。

2.1.2 研究范圍

（1）功能單元。本研究設(shè)定的功能單位是1t 熟料含量為70%的通用水泥。

（2）系統(tǒng)邊界。由于水泥產(chǎn)品的使用和維護(hù)階段幾乎不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，且循環(huán)利用和廢棄物處理具有復(fù)雜性和不確定性，數(shù)據(jù)有限，所以本研究也不做考慮。因此，本研究系統(tǒng)邊界的范圍界定為：原材料的開采和加工、能源的生產(chǎn)、水泥的制造，以及中間涉及到的運(yùn)輸過程。水泥生命周期流程圖如圖2 所示。

圖2 水泥產(chǎn)品的研究范圍和系統(tǒng)邊界

2.2 清單分析

水泥生產(chǎn)消耗的主要原料有石灰石、黏土或砂巖、鐵礦石或硫酸渣、石膏，以及一些工業(yè)廢棄物，如礦渣和粉煤灰。實(shí)際評(píng)價(jià)過程中，由于數(shù)據(jù)庫中不存在某些原料，因此選用相近的物質(zhì)進(jìn)行替代。其中，骨料用

2.3 影響評(píng)價(jià)（LCIA）

ISO、SEATC和EPA都傾向于把生命周期影響評(píng)價(jià)視為一個(gè)“三步走”的模型，即分類、特征化和標(biāo)準(zhǔn)化。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14042《生命周期影響評(píng)價(jià)》中認(rèn)為，特征化是必須要求的，而標(biāo)準(zhǔn)化是根據(jù)研究目的可選擇的內(nèi)容。由于標(biāo)準(zhǔn)化具有很強(qiáng)的主觀性，在水泥生命周期評(píng)價(jià)過程中，為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，忽略掉標(biāo)準(zhǔn)化步驟。

（1）分類是將清單中的輸入和輸出數(shù)據(jù)分成不同的環(huán)境影響類型。影響類型是根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)的范圍來確定的。二氧化碳的排放對(duì)環(huán)境的影響有三大類，即人類健康、生態(tài)系統(tǒng)健康和資源消耗。

（2）特征化是根據(jù)環(huán)境影響類型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和定量化分析處理，并將得到的分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的環(huán)境影響類型的過程。Sand 代替，低硅砂巖用Silica sand 代替，鐵尾泥用Iron ore、crude ore 代替，銅渣用Copper 代替，高硅砂巖用Silica sand 代替，采礦廢石用Gravel 代替，有色金屬灰渣用Granulated blast furnace slag 代替，鐵合金爐渣用Basic oxygen furnace slag 代替。每噸水泥產(chǎn)品的生命周期清單如表1所示。

表1 水泥產(chǎn)品生命周期清單

2.3.1 分類

目前，國際上沒有統(tǒng)一的環(huán)境影響類型分類方法。SETAC 于1999 年提出的Eco-indicator99 分類評(píng)估方案至今仍被大部分LCA 研究所采用。Eco-indicator99 的單位是Pt，它是一個(gè)無量綱的基準(zhǔn)量，由當(dāng)?shù)鼐用窨側(cè)丝谌コ援?dāng)?shù)乜偟沫h(huán)境負(fù)荷再乘以1000 得到[7]。該方案包含人類健康（human health）、生態(tài)系統(tǒng)健康（ecosystems）和資源消耗（resources）3大類。

為了更準(zhǔn)確地評(píng)估水泥生命周期的污染物排放對(duì)環(huán)境的影響，本文選取ReCiPe 2016 環(huán)境影響評(píng)估方法，并用該方法分析了全生命周期排放的污染物對(duì)于環(huán)境的18 種影響。該方法主要包括兩種：Midpoint 方法和Endpoint 方法，兩種方法是互補(bǔ)的關(guān)系，Endpoint方法與環(huán)境流關(guān)聯(lián)性較好，但Midpoint 方法的確定性更好[8]。ReCiPe 2016 Midpoint 評(píng)價(jià)方法是按照IPCC第五次報(bào)告的全球變暖潛值計(jì)算方法，折算CO?當(dāng)量。18 種影響分別為：平流層臭氧消耗、電離輻射、臭氧形成（人類健康）、細(xì)顆粒物的形成、臭氧形成（陸地生態(tài)系統(tǒng)）、土地酸化、淡水富營養(yǎng)化、海洋酸化、土地生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、人類致癌毒性、人類非致癌毒性、礦產(chǎn)資源耗竭、耗水量、土地使用、全球變暖和化石資源耗竭。

2.3.2 特征化

特征化的結(jié)果是反映環(huán)境影響絕對(duì)量大小的參數(shù)。假設(shè)每一種影響類型的總值為100%，通過每一個(gè)生命周期階段在每個(gè)影響類型中所占的比例可知每個(gè)階段對(duì)每種影響類型的貢獻(xiàn)率的相對(duì)大小。利用生命周期評(píng)價(jià)（LCA）軟件SimaPro 計(jì)算得出1t 水泥產(chǎn)品的生命周期特征化結(jié)果，Midpoint方法下的特征化結(jié)果如表2所示，各階段特征化結(jié)果如表3所示。

表2 Midpoint方法下1t水泥產(chǎn)品生命周期特征化結(jié)果（單位：%）

表3 1t水泥產(chǎn)品生命周期各階段特征化結(jié)果

2.4 結(jié)果解釋

從表2 的結(jié)果可以看出，水泥生命周期環(huán)境影響類別排序?yàn)椋旱V產(chǎn)資源耗竭>土地生態(tài)毒性>人類非致癌毒性>海洋生態(tài)毒性>淡水生態(tài)毒性>耗水量>淡水富營養(yǎng)化>土地酸化>土地使用>人類致癌毒性>海洋酸化>細(xì)顆粒物的形成>電離輻射>全球變暖>平流層臭氧消耗>化石資源耗竭>臭氧形成（陸地生態(tài)系統(tǒng)）>臭氧形成（人類健康）。生料中的石灰?guī)r煅燒是形成臭氧的主要原因，而臭氧的形成危害人體健康及陸地生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)土地使用的影響中富銅材料占比最大，約為76.75%，其次是沙子和硅砂。對(duì)礦產(chǎn)資源耗竭的影響中富銅材料占比最大，約為96.99%，其次是鐵礦石。煙煤對(duì)化石資源耗竭的影響最大，占比約為63.83%，其次是富銅材料。在所有原材料及能源消耗中，富銅材料對(duì)所有類別的影響都較為顯著，而碎石、粒狀高爐礦渣、堿性氧爐渣、頁巖、電力、柴油及石膏對(duì)所有類別的影響都較為微弱。

由表2 可知，1t 水泥產(chǎn)品生命周期中，對(duì)總體環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的階段是生料生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其次是熟料燒成環(huán)節(jié)，分別占總影響的70.39%和29.27%。而在整個(gè)生命周期中，各生產(chǎn)階段對(duì)損害類型資源消耗的環(huán)境負(fù)荷最為顯著，其次是人類健康和生態(tài)系統(tǒng)健康，且對(duì)二者的影響可以忽略不計(jì)。

3 水泥生產(chǎn)過程的節(jié)能減碳建議

通過上述研究可以得出，水泥生產(chǎn)過程中的碳排放集中在生料生產(chǎn)環(huán)節(jié)和熟料燒成環(huán)節(jié)，因此可以利用以下3種方式促進(jìn)水泥生產(chǎn)過程的減碳。

（1）利用工業(yè)固體廢棄物替代水泥原料。水泥生產(chǎn)的主要原料為石灰石，而鋼鐵、火力發(fā)電等生產(chǎn)企業(yè)每年排放大量的鋼渣、礦渣、電石渣和粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物的有效化學(xué)成分與水泥熟料較為接近，因此可以替代石灰石作為水泥生產(chǎn)用的原料。

（2）應(yīng)用新型低碳膠凝材料，由于該材料不含高鈣礦物硅酸三鈣（C3S），因此減碳效果顯著。如我國自主研發(fā)的低碳水泥品種硫鋁酸鹽水泥（R·SAC）和高貝利特水泥（HBC），二氧化碳排放相比普通硅酸鹽水泥降低了25%~35%。

（3）采用生物質(zhì)燃料替代技術(shù)。替代燃料的來源包括農(nóng)作物秸稈、稻殼、棉花、高粱、林木、生活垃圾等，生物質(zhì)替代燃料技術(shù)不僅能夠幫助水泥熟料規(guī)模化生產(chǎn)，還能實(shí)現(xiàn)秸稈的無害化處置和循環(huán)利用，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

4 結(jié)束語

根據(jù)LCA 的基本原理及實(shí)施步驟，可以利用LCA分析軟件SimaPro 研究水泥產(chǎn)品生產(chǎn)過程的環(huán)境影響情況，分析主要環(huán)境影響環(huán)節(jié)，改善生產(chǎn)過程及產(chǎn)品的綠色性能，從而提升產(chǎn)品的整體環(huán)保特性，同時(shí)也可以進(jìn)一步節(jié)約成本，縮短水泥產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。本研究也存在一些不足之處，由于原始數(shù)據(jù)缺乏完整性，直接影響了生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定差異。