基于物質(zhì)流分析的再生水泥環(huán)境負(fù)荷研究

基于物質(zhì)流分析的再生水泥環(huán)境負(fù)荷研究

鋼鐵工業(yè)和水泥工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱和支柱，具有高資源消耗、高能源消耗和高污染排放等特點(diǎn)。由于工業(yè)和貿(mào)易的關(guān)注，環(huán)境協(xié)調(diào)重建越來越受到重視。另一方面,鋼鐵工業(yè)固廢含有大量可回收的金屬和石灰石等原生礦物,再生利用潛能大、價(jià)值高,其成分與制備水泥的基料相似,可替代水泥工業(yè)的部分生產(chǎn)原料。因此,鋼鐵工業(yè)固廢資源化再生利用于水泥生產(chǎn)中可以節(jié)約資源投入,是城市推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要切入點(diǎn)?！笆濉惫ぷ髂繕?biāo)繼續(xù)以推動(dòng)廢物資源化領(lǐng)域研究成果向產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)化為主題,這就要求產(chǎn)業(yè)化階段關(guān)注層面不僅僅停留在廢物消納量,更要升級(jí)到關(guān)注其降耗、節(jié)能、減排的貢獻(xiàn)強(qiáng)度。這是因?yàn)橐詮U物替代部分生產(chǎn)原料的資源循環(huán)利用一方面減少了資源使用量和廢物處理量,從而減少對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾和破壞。另一方面,廢物再循環(huán)因生產(chǎn)原料中引入廢物也非常有可能增加某些環(huán)境干擾,導(dǎo)致二次污染。因此,廢物再循環(huán)是否能如人們所期望的有效降低生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷必須依靠科學(xué)研究結(jié)果進(jìn)行論證。然而,現(xiàn)行工業(yè)固廢資源化研究領(lǐng)域與成果中,缺失科學(xué)、系統(tǒng)、權(quán)威的廢物資源化降耗、節(jié)能、減排的量化分析與評(píng)價(jià)結(jié)果。生命周期評(píng)價(jià)理論和方法是一種環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)的工具,被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用、循環(huán)利用、最終處置等階段的物耗、能耗和環(huán)境影響分析,鮮見在固體廢物資源化中引入生命周期評(píng)價(jià)的研究成果。本文以鋼鐵工業(yè)固廢生產(chǎn)再生水泥(鋼鐵工業(yè)固廢作為水泥生產(chǎn)替代原料生產(chǎn)出的水泥產(chǎn)品)為例,利用物質(zhì)流分析方法對(duì)原生水泥與再生水泥生產(chǎn)過程中的物質(zhì)代謝和環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行定量評(píng)價(jià),在固體廢物資源化中引入LCA,對(duì)資源化利用過程進(jìn)行監(jiān)督,旨在揭示廢物資源化綜合利用過程中對(duì)降耗與減排的貢獻(xiàn)及其對(duì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有的重大現(xiàn)實(shí)意義,更為廢物管理的可持續(xù)性提供有力工具與參考價(jià)值。1研究范圍和方法1.1水泥工業(yè)排放本文主要考察生產(chǎn)工藝相似條件下,原生水泥的制造與再生水泥生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流量變化以及環(huán)境排放差異。目前,我國(guó)水泥生產(chǎn)中存在立窯和新型干法窯兩種主要工藝。據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)公布的《水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》,2010年我國(guó)新型干法窯水泥所占比例為70%。分析我國(guó)近幾年的水泥產(chǎn)品,95%是通用水泥,特種水泥只占5%,所以本文以單位通用水泥為研究對(duì)象。綜上,本研究?jī)H限于采用新型干法窯工藝下生產(chǎn)原生水泥與再生水泥的過程內(nèi),分別以生產(chǎn)1t原生水泥和1t再生水泥為功能單位比較物質(zhì)消耗和環(huán)境排放情況。研究的地理范圍為山東地區(qū),系統(tǒng)邊界是水泥生產(chǎn)所涉及到的全部直接過程,所有關(guān)于原料開采、加工、能源生產(chǎn)以及生產(chǎn)設(shè)備、運(yùn)輸、銷售和使用階段等輔助環(huán)節(jié)的資源、能源消耗和環(huán)境排放均暫不考慮。1.2環(huán)境分析的發(fā)展方向物質(zhì)流分析(MaterialFlowAnalysis,簡(jiǎn)稱MFA)是針對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)投入與產(chǎn)出進(jìn)行量化分析,以便找出經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中物質(zhì)流動(dòng)與環(huán)境問題之間的關(guān)聯(lián),從而為解決這些問題提供定量的研究依據(jù)。它的基本觀點(diǎn)是人類活動(dòng)所產(chǎn)生的環(huán)境影響很大程度上取決于進(jìn)入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的自然資源和物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量,以及從經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排入自然環(huán)境的廢物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量。前者對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng),引起環(huán)境功能退化;后者則引起環(huán)境污染。目前,物質(zhì)流分析在國(guó)家與區(qū)域系統(tǒng)層次上主要側(cè)重研究整個(gè)國(guó)家或區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的物質(zhì)通量;而在部門或產(chǎn)業(yè)層次上研究得很少,多數(shù)是將部門或產(chǎn)業(yè)層次與產(chǎn)品層次的物質(zhì)流分析相結(jié)合,沿產(chǎn)品鏈對(duì)物能代謝與環(huán)境影響狀況進(jìn)行研究;在企業(yè)或產(chǎn)品層次上的研究多與生命周期評(píng)價(jià)方法相結(jié)合,針對(duì)產(chǎn)品全生命過程各個(gè)環(huán)節(jié)的物耗、能耗以及環(huán)境影響進(jìn)行定量描述與分析評(píng)價(jià),很少用于固體廢物資源化生產(chǎn)再生產(chǎn)品過程中資源消耗與環(huán)境影響的定性分析與定量評(píng)價(jià)。生命周期評(píng)價(jià)LCA(LifeCycleAssessment)是通過定量化研究能量和物質(zhì)利用及廢物的環(huán)境排放來評(píng)估一種產(chǎn)品、工序或生產(chǎn)活動(dòng)所造成環(huán)境負(fù)載的技術(shù),主要用于評(píng)價(jià)能源資源利用和廢物排放的影響以及評(píng)價(jià)環(huán)境改善的方法。早期LCA研究主要采用能源分析方法,主要用于指導(dǎo)企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)和管理的決策支持工具。如今,LCA己發(fā)展成為一種產(chǎn)品環(huán)境特征分析和決策工具,不僅應(yīng)用于技術(shù)科學(xué)和自然科學(xué),而且也廣泛應(yīng)用于社會(huì)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)科學(xué)、管理科學(xué)和國(guó)際關(guān)系學(xué)等領(lǐng)域,被認(rèn)為是一種全新的、21世紀(jì)最具潛力的、適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的環(huán)境管理工具。然而,對(duì)固體廢物資源化而言,LCA還是一個(gè)尚未接觸和有待發(fā)展的方法。為促進(jìn)資源的循環(huán)利用和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,在固體廢物資源化中引入LCA方法非常必要。2數(shù)據(jù)收集和計(jì)算方法2.1年生產(chǎn)品占全國(guó)的1/3%山東省水泥工業(yè)在全國(guó)占有重要地位,連續(xù)十幾年處于全國(guó)第1位,每年水泥產(chǎn)品占全國(guó)的11%～13%,成為名副其實(shí)的水泥大省。因此,本文數(shù)據(jù)主要來自山東省代表平均生產(chǎn)水平的典型水泥企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及地方環(huán)保部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。2.2校正材料和混合材料原生水泥生產(chǎn)過程中直接投入的物質(zhì)包括石灰石、粘土、鐵質(zhì)校正材料、石膏和混合材料等;再生水泥生產(chǎn)過程中直接投入的物質(zhì)包括石灰石、粘土、鐵質(zhì)校正材料、石膏、混合材料和鋼鐵工業(yè)固廢等。2.3煤耗及水泥供熱水泥生產(chǎn)過程消耗的能源主要是煤和電。煤主要消耗在水泥燒成階段的供熱環(huán)節(jié);電力主要來自火力發(fā)電。單位水泥生產(chǎn)總能耗是煤耗與電耗的標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)挝恢?。煤耗按照低位發(fā)熱值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)煤耗量,電的折標(biāo)煤按等價(jià)值。折算標(biāo)準(zhǔn)煤相關(guān)系數(shù)計(jì)算見公式(1)和公式(2)。2.4co排放量的計(jì)算水泥行業(yè)對(duì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對(duì)大氣環(huán)境的污染。其中,粉塵和煙塵是主要的大氣污染物,此外,還包括二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)和氮氧化物(NOx)。環(huán)保部門監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只有粉塵、煙塵、SO2和NOx;CO2排放量一般不做檢測(cè),根據(jù)其產(chǎn)生來源,按公式(3)～(6)推理計(jì)算獲得。水泥生產(chǎn)過程中釋放出的CO2主要產(chǎn)生于燃煤及水泥生產(chǎn)原料石灰石的分解。式中:E為水泥生產(chǎn)過程中CO2排放量(kg);E1為燃煤過程中CO2排放量(kg);E2為水泥生產(chǎn)原料石灰石分解產(chǎn)生的CO2排放量(kg)。E2可根據(jù)碳酸鈣分解平衡方程式(5)計(jì)算,假設(shè)1kg石灰石中CaO含量按50%計(jì)算,得出CO2排放量估算公式為(6)。3結(jié)果與分析3.1再生水泥的物能代謝特性根據(jù)研究目的和水泥生產(chǎn)過程的具體情況,選擇山東省代表平均生產(chǎn)水平的典型水泥企業(yè)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研和數(shù)據(jù)收集,進(jìn)而計(jì)算出原生水泥和再生水泥各項(xiàng)物能代謝相對(duì)于功能單位水泥產(chǎn)量的比例系數(shù)(表1)。研究結(jié)果表明,生產(chǎn)1t原生水泥需要的直接物質(zhì)投入是1.637t;消耗原煤0.086t,消耗電力0.067t。利用鋼鐵工業(yè)固廢制造功能單位再生水泥,可減少資源投入0.16t;減少能源消耗0.036t;環(huán)境排放SO2減排0.0002t;粉塵減排0.001t;煙塵減排0.00012t;NOx減排0.00034t;CO2減排0.231t。3.2環(huán)境分析與結(jié)果解釋3.2.1環(huán)境影響類別水泥工業(yè)對(duì)環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在大氣環(huán)境污染。主要因子是粉塵、煙塵、CO2、SO2和NOx。根據(jù)水泥生產(chǎn)過程中環(huán)境負(fù)荷的自身特點(diǎn),將其產(chǎn)生的環(huán)境影響分為以下5種類型:不可再生資源消耗(ADP)、溫室效應(yīng)(GWP)、環(huán)境酸化(AP)、人體健康損害(HT)和光化學(xué)煙霧(POCP)。環(huán)境影響類別劃分的目的在于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,將其中各環(huán)境負(fù)荷項(xiàng)目的損害盡可能地歸入已確定的各個(gè)環(huán)境影響類別。根據(jù)上述類型的選擇及水泥生產(chǎn)中能源、資源、廢物排放的具體類型,環(huán)境負(fù)荷項(xiàng)目具體分類結(jié)果如表2所示。由表2可知,SO2和NOx同時(shí)涉及多項(xiàng)環(huán)境影響類別,這就需要考慮并聯(lián)和串聯(lián)下分配因子的計(jì)算。根據(jù)環(huán)境影響類別各自的作用機(jī)理,SO2既能造成酸化效應(yīng),也能對(duì)人體健康造成危害。但SO2在造成酸化的過程中會(huì)被氧化發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化,不會(huì)繼續(xù)對(duì)人體健康造成影響。因此,SO2對(duì)酸化和人體健康的影響是并聯(lián)關(guān)系,按各取其半分配,分配因子均為0.5。NOx可以同時(shí)對(duì)酸化和光化學(xué)煙霧2種環(huán)境影響類型產(chǎn)生影響,不必將其在2種影響類型中再次分配,屬于串聯(lián)關(guān)系;同時(shí)這兩者又與人體健康損害形成并聯(lián)關(guān)系,NOx在3種類型的分配因子為0.5。3.2.2國(guó)內(nèi)耗竭性特征化因子的初步篩選特征化主要考慮的問題是誰對(duì)影響有貢獻(xiàn)。為對(duì)所確定的環(huán)境影響類型各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析,使數(shù)據(jù)之間具有可比性,必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化處理。根據(jù)狄向華關(guān)于我國(guó)耗竭性特征化因子研究結(jié)果并結(jié)合3.2.1分配因子,得到水泥生產(chǎn)生命周期特征化因子,如表3所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)和表3特征化因子,可以獲得水泥生產(chǎn)生命周期特征化結(jié)果(表4)。需要注意的是,表1顯示的是原煤代謝系數(shù)以標(biāo)煤為單位,而表3列出的是原煤的特征化因子,所以進(jìn)行特征化計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)公式(1)先進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。3.2.3各類別環(huán)境協(xié)調(diào)性的研究歸一化的目的是確定不同影響類型的貢獻(xiàn)大小,即確定權(quán)重以便得到一個(gè)數(shù)字化的可供比較的單一指標(biāo)。經(jīng)過歸一化后的各種環(huán)境影響類別在量綱和參照標(biāo)準(zhǔn)上保持了一致,在理論上可以進(jìn)行相加求和,從而確定整體環(huán)境協(xié)調(diào)性。不可再生資源消耗采用狄向華計(jì)算的我國(guó)歸一化基準(zhǔn)值,環(huán)境排放的歸一化基準(zhǔn)采用全球范圍內(nèi)各個(gè)影響類型的環(huán)境排放總量,如表5所示。根據(jù)表5,歸一化結(jié)果如表6所示。將表6單位功能原生水泥和再生水泥的歸一化結(jié)果用柱狀圖(圖1)表示,可以看出兩者的環(huán)境負(fù)荷差異。3.2.4環(huán)境效應(yīng)的影響從表6可以明顯看出,在整個(gè)水泥生產(chǎn)的生命周期中,單位功能原生水泥生產(chǎn)過程中各種環(huán)境影響類別的環(huán)境負(fù)荷都高于單位功能再生水泥生產(chǎn)時(shí)的環(huán)境負(fù)荷。其中,不可再生資源消耗相差1.86E-16;溫室效應(yīng)相差5.9E-15;酸化效應(yīng)相差7.4E-16;人體健康損害相差2.47E-17;光化學(xué)煙霧相差7.5E-17;總體環(huán)境負(fù)荷差值為6.93E-15。這說明替代原料的生產(chǎn)工藝可以明顯的降低水泥生產(chǎn)的總體環(huán)境負(fù)荷。同時(shí),歸一化結(jié)果還顯示了水泥生產(chǎn)生命周期中的各環(huán)境負(fù)荷相對(duì)于全球范圍內(nèi)環(huán)境負(fù)荷的比例關(guān)系。圖1顯示,溫室效應(yīng)的相對(duì)影響最重,酸化效應(yīng)次之,第三是不可再生資源消耗,光化學(xué)煙霧和人體健康損害在水泥生產(chǎn)過程中的影響都相對(duì)較小。從表6可以看出,水泥生產(chǎn)過程中,單位功能原生水泥的溫室效應(yīng)相對(duì)于世界CO2排放總量的比例是1.70E-14,是不可再生資源消耗的36倍,是酸化效應(yīng)的6倍,人類健康損害的219倍,光化學(xué)煙霧的53倍。在單位功能再生水泥生產(chǎn)過程中,溫室效應(yīng)對(duì)世界環(huán)境的影響也是影響最重的類型,相對(duì)于世界CO2排放總量的比例是1.11E-14,是不可再生資源消耗的39倍,是酸化效應(yīng)影響的6倍,人類健康損害的209倍,光化學(xué)煙霧的45倍。4環(huán)境負(fù)荷的測(cè)定方法綜上所述,在整個(gè)水泥生產(chǎn)的生命周期中CO2排放量急需控制。由CO2產(chǎn)生機(jī)理可知,其主要來源之一是水泥生產(chǎn)中石灰石的分解,所以減少熟料的用量是控制CO2排放量的主要途徑。因此鋼鐵工業(yè)固廢替代部分石灰石生產(chǎn)水泥是減小水泥生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷的重要途徑。在固體廢物資源化過程中引入LCA工具,可以將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響負(fù)荷定量化,識(shí)別產(chǎn)生環(huán)境影響的關(guān)鍵原因,有效促進(jìn)廢物的資源化和再利用,從而在一定程