水泥的生命周期評價

　　1． 前言

　　自從水泥在世界上出現(xiàn)之后，它作為基礎(chǔ)原材料的地位就沒有動搖過，水泥工業(yè)成為了國民經(jīng)濟建設(shè)的支柱產(chǎn)業(yè)，為人類的經(jīng)濟建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。然而到了20世紀(jì)90年代以后，發(fā)達(dá)國家的水泥工業(yè)重心開始向“與自然協(xié)調(diào)、為地球環(huán)境做貢獻(xiàn)”的方向傾斜，當(dāng)然也是為了適應(yīng)燃料價格不斷上漲的變化。歐美和日本等國大力開展了減少自然資源和能源的消耗、充分利用再循環(huán)技術(shù)消納廢棄物、處理有毒有害物、盡量做到“零”排放、不產(chǎn)生二次污染等研究開發(fā)工作、改變常規(guī)生產(chǎn)工藝、開發(fā)與廢棄物利用相關(guān)的設(shè)備。一方面說明現(xiàn)代水泥工業(yè)的成熟，生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展；另一方面說明傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開始向生態(tài)化轉(zhuǎn)型，水泥工業(yè)正在以它特殊的優(yōu)勢，逐步成為循環(huán)經(jīng)濟的重要組成部分，這可能是自新型懸浮預(yù)熱器窯出現(xiàn)之后水泥工業(yè)的又一次革命。

　　近20年來我國水泥工業(yè)取得了驚人的發(fā)展，2005年全國水泥產(chǎn)量已超過10億t， 新型干法水泥產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比重躍升到40%以上，“十五”期間我國共建成新型干法生產(chǎn)線487條，并且日產(chǎn)4000噸水泥熟料及以上規(guī)模生產(chǎn)線約占新型干法線的1/3。  

　　 然而全球性的人口、資源、環(huán)境矛盾尖銳，使中國水泥工業(yè)的現(xiàn)代化面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的任務(wù)更為迫切。提高自主創(chuàng)新能力，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，走新型工業(yè)化道路等，已成為“十一五”規(guī)劃的戰(zhàn)略目標(biāo)，它意味著：我們要從過度依賴資金、自然資源和環(huán)境投入，以量的擴張實現(xiàn)增長，轉(zhuǎn)向更多依靠提高勞動者素質(zhì)和技術(shù)進(jìn)步，以提高效率獲取經(jīng)濟增長。因此，為了使水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我們越來越需要具有環(huán)境意識的設(shè)計專家，使我國水泥工業(yè)的發(fā)展，逐步納入生態(tài)設(shè)計階段。

　　在循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式下，如何評價產(chǎn)品的環(huán)境效益，國內(nèi)外已出現(xiàn)了幾種評價方法，不同時期人們有著不同的認(rèn)識，以目前水平來說，水泥生命周期評價法（LCA）已在水泥領(lǐng)域得到采用。本文將對水泥的LCA進(jìn)行初步探討。

　　2. 生命周期評價的基本內(nèi)容

　　“生命周期評價”又稱為“環(huán)境影響評價”，即一般所說的LCA，英文的全稱是Life Cycle Assessment。水泥的LCA分為兩個部分：一是進(jìn)行水泥產(chǎn)品和服務(wù)壽命中的環(huán)境負(fù)荷定量分析（Inventery分析，即清單分析）；另一個是進(jìn)行環(huán)境影響評價（Impact分析，即環(huán)境影響分析）。

　　這里所說的環(huán)境負(fù)荷定量分析，是指由于天然資源的消耗或容量減少以及污染物的增加（通常的或一時的）所帶來的大氣、水質(zhì)、土壤的惡化，從而引起的的環(huán)境負(fù)荷變化；環(huán)境影響評價是指因環(huán)境負(fù)荷增加產(chǎn)生的天然資源枯竭、地球溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等，從而給人類健康、動植物生存和生長帶來的惡劣影響，表1所示為水泥的LCA說明。 

 表1  水泥LCA

　　眾所周知，雖然人們的環(huán)保意識有了飛速提高，但地球的各種環(huán)境問題還是越來越突出了，如全國的工業(yè)廢棄物、有毒有害廢棄物和生活垃圾的大量產(chǎn)生和堆放；大氣污染、水污染越來越嚴(yán)重、日趨緊張的化石能源（石油、煤炭）和水資源、溫室氣體的大量排放和天氣異常變化、天然礦物的品位降低和逐步枯竭等問題。當(dāng)我們探討水泥工業(yè)與環(huán)境問題的關(guān)系時，不能只注意一部分工藝過程的技術(shù)創(chuàng)新和新設(shè)備的開發(fā)，而應(yīng)該全盤考慮產(chǎn)品的生命周期，如配料、設(shè)計、使用以及廢棄或再利用的各個環(huán)節(jié)，這就是我們研究LCA的目的。

　　當(dāng)我們循環(huán)利用廢棄物時，雖然可以減輕環(huán)境負(fù)荷，但一定要注意不產(chǎn)生二次污染，因此對環(huán)境和產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)測和檢測、制定有害元素和重金屬元素限值的標(biāo)準(zhǔn)，都是非常重要的工作。

　　3. 水泥的生命周期評價

　　水泥是典型的基礎(chǔ)原材料，一般它以混凝土的形式服務(wù)于人類，稱之為水泥基材料的種類也在增加。我國硅酸鹽水泥的產(chǎn)量約占水泥總產(chǎn)量的98％，特種水泥雖有60多個品種，但較常用的也就20多種。因此我們考慮水泥的LCA將以硅酸鹽水泥為主。

　　近20年來水泥生產(chǎn)技術(shù)有了飛快進(jìn)步，新型干法水泥的燒成熱耗，世界先進(jìn)水平已達(dá)到2700KJ/kgCl ，與理論熱耗2200KJ/kgCl的差值越來越小，雖然水泥工作者仍在不斷努力從工藝與設(shè)備角度探索降低熱耗的途徑，但進(jìn)一步降低傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的熱耗已感到進(jìn)展緩慢，發(fā)達(dá)國家的一些公司已開始在水泥生命周期分析與新型膠凝材料開發(fā)方面邁出了步伐，嚴(yán)酷的環(huán)境形勢要求人們改變傳統(tǒng)的思維模式，首先進(jìn)行思想上的創(chuàng)新，因此世界水泥界出現(xiàn)了利用廢棄物的熱潮、開發(fā)新品種水泥和新型膠凝材料、對水泥進(jìn)行改性……，并且深入探索循環(huán)經(jīng)濟與水泥工業(yè)的關(guān)系。

　　“減量化、再利用、再循環(huán)”是循環(huán)經(jīng)濟的重要理念，我國倡導(dǎo)的建立節(jié)約型社會，要與自然環(huán)境相和諧，是使我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基本指導(dǎo)思想。因此，水泥行業(yè)、建材行業(yè)以及其他有關(guān)行業(yè)都應(yīng)積極開展循環(huán)利用廢棄物的工作，水泥工業(yè)由于有其獨特消納廢棄物的特點，故必能在循環(huán)經(jīng)濟中發(fā)揮作用。

　　水泥工業(yè)實現(xiàn)廢棄物資源化，主要體現(xiàn)在兩個方面，即從原料和能源兩方面利用廢棄物，一是將工業(yè)廢棄物用作水泥原料或混合材，如用粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢渣取代天然原料，從而可以減少石灰石用量，減輕環(huán)境負(fù)荷；二是將可燃廢棄物用作燃料，減少化石類資源的消耗，如生活垃圾和其他工業(yè)部門難以處理的無機和有機廢料，都可用作水泥回轉(zhuǎn)窯的替代燃料。像礦渣等某些傳統(tǒng)的工業(yè)廢渣，因為得到了有效再利用，有時也可以叫作“資源”。表2 

    表2  水泥工業(yè)可用作燃料的固體廢棄物

是水泥工業(yè)可用作燃料的固體廢棄物，表3  是水泥工業(yè)可用作水泥原料、混合材的工業(yè)廢渣或廢棄物。

　　另一方面，國際水泥界正在開發(fā)發(fā)熱量低、流動性高的優(yōu)良水泥和各種功能水泥，應(yīng)用這些水泥能減少和控制建筑結(jié)構(gòu)物的缺陷，延長建筑物的使用壽命，當(dāng)生產(chǎn)這種水泥時能耗可能有所增加，但從水泥的生命周期分析看，將對人類環(huán)境的改善更有意義。圖1所示為水泥產(chǎn)品的生命周期示意圖，圖中的原料、燃料包括著替代的原料和燃料。 

表3  水泥工業(yè)可用作水泥原料、混合材的工業(yè)廢渣或廢棄物 

 圖1水泥產(chǎn)品的生命周期示意圖  

　　4.   我國水泥工業(yè)的環(huán)境分析

　　根據(jù)近年來國內(nèi)各種相關(guān)資料報導(dǎo)，若以PO42.5水泥為考慮基準(zhǔn)，綜合歸納得出的我國水泥工業(yè)的環(huán)境數(shù)據(jù)如下，顯然這些數(shù)據(jù)沒有得到有效的確認(rèn)，只供讀者參考。

　?。?） 與水泥工業(yè)有關(guān)的天然資源與能源

　　2000年底全國探明保有儲量石灰石約560億t，硅質(zhì)原料儲量約47億t，天然石膏儲量約640萬t，2002年底全國煤炭經(jīng)濟可采資源量約1300億t。

　?。?）水泥工業(yè)的資源能源消耗

　　設(shè)定年產(chǎn)8億t水泥熟料和10億t水泥、水泥熟料煤耗130kg標(biāo)煤/t熟料、水泥綜合電耗125kwh/t水泥， 則年需石灰石約10億t，粘土 2億t（當(dāng)不用其它原料代替粘土?xí)r），砂巖0.48億，鐵粉0.12億t，石膏 0.05億t，用水總量13億t(重復(fù)利用率約65%)， 電力 1250億Kwh， 煤炭1.04億t標(biāo)煤。

　　（3）有害氣體、污染物和溫室氣體排放量 

　　 我國水泥工業(yè)2004年約產(chǎn)生二氧化硫（SO2） 100萬t，煙塵 46萬t，粉塵 520萬t，溫室氣體CO2計算估計約8億t。

　?。?）水泥工業(yè)用作混合材的廢渣和天然資源

　　2004年共計使用約2.43億t，其中礦渣0.85億t、粉煤灰0.24億t。

　　5．我國水泥工業(yè)的資源綜合利用及LCA分析

　　我國每年工業(yè)廢渣約有10億t，生活垃圾約有2億t，每年還會以一定的比例增加。我國采用工業(yè)固體廢物作為水泥混合材有很長的研究開發(fā)和應(yīng)用的歷史，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。我國現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定普通水泥中混合材允許摻量為6%～15%，但復(fù)合水泥的混合材摻量最高可達(dá)50%，礦渣水泥可達(dá)70%，火山灰水泥可達(dá)50%，粉煤灰水泥可達(dá)40%。使用比水泥更細(xì)的混合材（如細(xì)磨礦渣）可以提高摻量而不降低水泥強度。測定水泥中的混合材實際摻加量的方法還在研究開發(fā)中。我國在利用工業(yè)固體廢物代替粘土方面，也有成熟的經(jīng)驗，替代率最高可達(dá)100%，但粘土、鐵粉等在水泥原料配料中最多只占20%（硅酸鹽水泥）。

　　用回轉(zhuǎn)窯焚燒可燃廢棄物將是我國水泥工業(yè)向著環(huán)保產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展的重點。歐美、日本等發(fā)達(dá)國家在利用可燃廢棄物作為替代燃料方面已達(dá)到一定規(guī)模水平，燃料替代率最高已達(dá)到70%～80%，一般水平為10%～30%。我國剛開始這方面的工作，國家鼓勵政策和社會配套設(shè)施還需完善。從技術(shù)的角度來看，涉及到專用處理設(shè)備（破碎、分選、計量、輸送、燃燒器等）的開發(fā)及環(huán)保監(jiān)測、重金屬元素限值標(biāo)準(zhǔn)的制定等。我國廢棄物在水泥工業(yè)中的應(yīng)用具有極其廣闊的前景。如將廢棄物在水泥工業(yè)應(yīng)用的比例由現(xiàn)在的25%（主要用作混合材）提高到40%以上，將會取得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　水泥工業(yè)使用廢棄物，間接或直接的減少了石灰石用量，因此也減少了CO2的排放量。水泥工業(yè)的余熱發(fā)電也在降低環(huán)境負(fù)荷方面起著很好的作用，一方面降低了能耗，另一方面間接的減少了CO2排放量。

　　水泥工業(yè)在日本被稱為靜脈產(chǎn)業(yè)是很形象的說明水泥工業(yè)對自然環(huán)境的貢獻(xiàn)。最近，在難于廢棄物處理的高難技術(shù)方面和廢棄物的前處理技術(shù)方面都有了很大進(jìn)展，然而還缺乏定量的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，也不能定量的估計對環(huán)境負(fù)荷的影響。目前，用LCA評價上述技術(shù)是最有效的方法，并正在開發(fā)對環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行綜合評價的方法（LCA綜合分析法），可以預(yù)計今后LCA分析法將會得到更積極的發(fā)展，從產(chǎn)品質(zhì)量、性能和減少環(huán)境負(fù)荷幾方面看，來確定采用什么樣的廢棄物或副產(chǎn)品，以及選擇再循環(huán)的技術(shù)可能是必要的步驟。此時應(yīng)注意的是，處理廢棄物時，不應(yīng)成為因能耗的增加而抵制采用廢棄物的理由，相反應(yīng)積極促進(jìn)再利用技術(shù)的發(fā)展，這才是對LCA的正確理解。 

　　6．結(jié)言

　　LCA是環(huán)境影響評價方法，它在水泥生態(tài)設(shè)計中占有很重要的位置，對于單位功能相同的兩種產(chǎn)品，比較它們在生命周期過程中對環(huán)境的影響，并且選擇減少環(huán)境負(fù)荷的產(chǎn)品，這就是LCA在水泥生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用。調(diào)整高消耗、高污染的粗放型發(fā)展模式，代之以人與自然和諧發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展模式，提高水泥工業(yè)活動中資源能源的利用效率，降低生產(chǎn)和制造過程對環(huán)境的負(fù)擔(dān)，是我們在21世紀(jì)的任務(wù)。

　　參考資料
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