水泥LCA研究與應用進展

崔素萍，李 琛

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

水泥LCA研究與應用進展

崔素萍，李 琛

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

以水泥材料及其生產過程為研究對象，開展水泥生產過程生命周期分析(CLCA)理論與技術應用研究，解決水泥生產全過程資源、能源消耗與綜合利用、廢物排放等環境負荷定量分析的難題，突破系統分析軟件等實用技術，建立了水泥材料生命周期基礎數據庫和異構數據集成應用技術，開發出水泥生命周期分析和水泥基材料生態設計系統軟件工具，實現了水泥生產流程環境負荷辨識改進、低環境負荷的硅酸鹽－硫鋁酸鹽－輔助膠凝材料復合體系水泥基灌漿材料設計與應用。

水泥;生命周期評價;環境負荷;制備工藝

1 前言

生命周期評價(Life Cycle Assessment/LCA)的理論與技術方法［1］，是國際通用的評價產品及其生產過程環境影響的標準化方法，所有與產品生產和消費有關的活動，都可從LCA中得到環境負荷信息。水泥生產過程的生命周期評價是對水泥從搖籃到墳墓全生命周期評價中的一個重要階段，即從原料開采到產品出廠的生產過程，進行定量環境負荷分析，指導生產過程的節能減排改進。

2 水泥生命周期分析理論與技術體系

2.1 水泥生產工藝及LCA評價程序

水泥生產過程主要包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個工序，水泥生產過程對環境的負影響主要是天然資源、能源消耗和污染物排放?；谏芷诜治龇椒夹g框架，確定水泥生產過程生命周期分析按圖1程序進行。

圖1 水泥生產過程環境負荷分析程序Fig.1 The analysis environmental load of cement manufacturing

2.1.1 目標與范圍界定

研究目標:生產過程環境熱點的辨識、工藝改進及其效果分析。

功能單位:以1kg 42.5普通硅酸鹽水泥所具有的使用性能作為功能單位。

研究范圍:水泥生產過程環境負荷評價的系統邊界確定為包括生料制備(包括原料開采和運輸在內)、熟料煅燒(包括能源生產和運輸在內)、水泥粉磨等主要工序。

數據質量:采集數據來自水泥企業實際生產，保證準確、一致和可再現性。

2.1.2 清單分析

結合水泥生產過程特點，確定水泥生產生命周期環境負荷評價所需的基礎數據包括石灰石等原料消耗、煤、電等能量消耗和廢氣排放、廢渣綜合利用等。

2.1.3 影響評價

影響類型、類型參數和特征化模型的確定:根據水泥生產特點，選擇不可再生資源消耗、溫室效應、環境酸化、人體健康損害、光化學煙霧等影響類型。見表1所示。

特征化:采用CML方法作為水泥LCA分析的基礎評價方法，但對于其中的資源耗竭特征化模型需要進行本土化修正。

化石燃料的耗竭應被定義為能源儲量的損耗，本土化修正后的化石能源耗竭特征化因子:

式中，ADPi，eng表示化石能源 i的特征化因子;Dri，eng表示化石能源i的年開采量;Ri，eng表示化石能源i的儲量;ε表示化石能源的折標準煤系數;Drref和Rref分別表示參考資源的年開采量和儲量?；剂系牟蓛α考百Y源耗竭特征化因子的計算結果列于表2。原煤、石油和天然氣的折標準煤系數分別為:0.7143 kgce/kg，1.428 6 kgce/kg和1.330 0 kgce/kg。與水泥有關的非金屬礦產資源的耗竭特征化因子［2］的計算結果列于表3。

表1 水泥生產環境類型和類型參數Table 1 The environmental categories and items for cement manufacturing

表2 化石燃料的資源耗竭特征化因子Table 2 ADP characterization factors for fossil fuel

表3 與水泥有關的非金屬礦產資源的耗竭特征化因子Table 3 Characterization factors for the depletion of nonmetals

2.1.4 評價結果解釋

評價結果解釋是根據目的和范圍要求對清單分析結果進行歸納形成結論和建議。

2.2 多工序的環境負荷累積模型與評價方法

水泥生產過程的環境行為可表示為:EP=f(Er，Ee，Eg，El，Es)，式中:EP表示環境行為，E表示環境因子，下標r、e、g、l、s分別表示資源、能源、廢氣、廢水、固體廢棄物。

水泥生產工藝包括多個連續的工序過程。根據輸入/輸出分析方法(I/O)，建立了原材料消耗(Rn)、能源消耗(En)和廢棄物排放(Wn，包括廢氣、廢水和固體廢棄物)3類環境因子累積模型:

水泥生產LCA評價的主要目的之一，是比較不同產品或不同工藝間的環境行為。為了表達產品或工藝的EP值比率，提出了綜合相對環境指數IREI(Integrated Relative Environmental Index):

式中:ωi為環境因子的權重系數;E表示環境因子，i=1，2，…5分別表示資源、能源、廢氣、廢水、固體廢棄物;下標1、2表示進行比較的2個生產工藝或工序產品，選擇其一作為參照標準。

該方法可以將水泥生產工序和產品或生產流程中將各影響因素進行歸類比較，解決了不同工序之間環境負荷的分配難題以及產品或工藝過程環境負荷定量評價的難題。

2.3 水泥生產環境負荷分析的標準化流程對照法與中國水泥工業清潔生產評價體系

針對水泥LCA中功能單位的確定與轉換、數據處理以及評價結果解釋等難題，提出了水泥生產生命周期分析的標準化流程對照法，采用計算工藝改進潛力指數，應用于辨識環境改善最佳方案。

水泥生產標準化流程對照法:將水泥實際生產過程B=(b1，b2，…，bn)的各項環境負荷值與其標準化流程Sm=(sm1，sm2，…，smn)中相應的指標進行定量分析與比較。eBi和eSi分別為實際工藝B和標準流程S的第i分項環境負荷，其比值(eBi/eSi)表征了實際工藝向標準流程接近的相對容易程度。利用排列圖法，作出帕累托曲線，可以直觀表示出各環境負荷項影響排序，得到其對生產過程整體環境協調性的相對影響程度，從而區分出主要改進目標、次要改進目標及一般性目標。

建立了水泥工業清潔生產LCA技術評價的技術路線和工作程序，通過集成上述水泥生產標準化流程對照法和資源耗竭特征化模型，構建了包括資源消耗、能源消耗、污染物排放、產品品質、管理水平5項一級指標，40項二級指標的水泥工業清潔生產評價體系［3－4］。提出了匯集專家評價、指數法和模糊關系矩陣的綜合評價法，將定量評價與定性分析有機結合，建立了對實際生產過程進行評審的對比依據清潔生產評價基準值。以此為基礎，制定形成了《水泥行業清潔生產評價指標體系(試行)》(國家發改委2007年發布)、國家標準《水泥工業清潔生產技術要求》、建材行業標準《水泥工業清潔生產評價指標體系》。

3 水泥等基礎材料生命周期分析數據庫平臺

LCA從原料提取、制造、運輸、銷售、使用、再利用與維護、及其廢物循環到最終處置，涉及產品全生命周期各環節的資源輸入、能源消耗、環境排放等數據，并將環境排放等實物量轉換為環境影響類別(溫室效應、酸化效應、生態毒性、資源耗竭等)進行計算，需要大量基礎數據支持。通過解決工藝、應用、環境等領域大量異構數據集成應用技術難題，建成了水泥等基礎材料環境協調性評價數據庫平臺，集成中國典型材料環境負荷數據十余萬條［5－7］。

3.1 水泥等基礎材料生命周期分析基礎數據庫

建立了水泥生產資源能源消耗及污染物排放流程清單、行業平均水平及標準數據、數據采集表等。數據庫為基于Windows Advance Server和MSQL Server企業版、面向互聯網的平臺，主要包括初級能源清單、電力清單、能源產品清單、交通運輸清單等公用系統基礎清單數據，建筑材料、鋼鐵材料、高分子材料、有色金屬材料環境負荷清單等典型材料環境負荷數據集，提供國內環境標準及指標體系數據信息的環境排放標準數據，包括本地化物質環境負荷數據的特征化因子、損害評價類型、標準化因子和權重因子在內的材料生命周期分析方法數據庫。

3.2 具有訪問、查詢與分析功能的水泥等基礎材料環境負荷數據集成技術

針對水泥生產生命周期分析所面臨的海量數據的處理、不同結構數據的集成等技術難題，建立了技術領域與環境領域的集成數據模型、提出了生命周期清單分析計算的物質流分配方法、設計了面向多層次應用的網絡數據庫，開發了具有數據采集、信息檢索基本功能和工序間的能量流分析、能量流時間序列分析和節能減排潛力分析等擴展功能的水泥生產環境負荷網絡數據庫。設計環境負荷數據查詢系統以Microsoft SQL 2008為后臺數據庫服務器，采用ASP.NET技術開發數據查詢，用戶在訪問許可授權模式下，通過Web瀏覽器與數據庫進行安全聯接，從數據庫中查詢相關核心數據。開發出具有企業信息、物料消耗和能量消耗等流程清單、排放數據的檢索與分析，以及在線數據采集等功能的建筑材料生命周期清單網絡數據庫，應用于企業的物料和能量消耗、污染物排放、資源能源利用效率、綜合環境負荷分析與管理，用于企業進行節能減排潛力分析和節能減排改進效果評價，以及行業管理。

4 水泥生命周期分析系統及典型生產流程環境負荷分析改進

4.1 水泥等基礎材料生命周期分析系統

針對不同材料進行LCA分析和材料設計的應用系統，集成了適合各類材料、產品和服務的生命周期分析系統，該系統集成了材料環境協調性評價中心數據的本地化數據、本地化LCA分析方法和中文界面。系統分為3大功能模塊:LCA實例、基礎數據、系統管理;LCA實例包括功能單元、流程建模、平衡計算和評估分析4個子模塊;基礎數據包括單位、物質流、形態和方法體系4個子模塊。

生命周期分析系統通過對用戶錄入的物質流數據，按特定的形態將其展示在各個功能單元中，系統采取流程模型的方式把相關的功能單元組織在一起，實現以圖形界面的方式顯示物質流的輸入輸出過程，并記錄下所有輸入輸出流的數量關系及換算系數，最后，對每個流程模型進行平衡計算和估計分析，輸出有價值的數據，為實施工程提供可靠的決策參考依據。

4.2 典型水泥生產流程環境負荷辨識與節能減排改進

4.2.1 水泥生產流程綜合環境負荷分析

以北京琉璃河水泥廠新型干法水泥生產系統為例，進行生產流程綜合環境負荷分析。琉璃河水泥廠的主要產品是普通硅酸鹽水泥，計算中確定1 kg 42.5普通硅酸鹽水泥所具有的性能為1個功能單位。研究范圍包括原料開采、原料預均化、生料粉磨、生料均化、熟料煅燒、煤粉制備、水泥粉磨7個主要生產工序，并且考慮了與水泥生產相關的原料開采、電力生產和煤炭生產過程產生的環境負荷。研究數據包括技術改造前的2004年和改造后的2006～2007年。單位水泥產品生產過程的環境負荷特征化結果見表4。

表4 2004年單位水泥生產的環境負荷表Table 4 Environmental load of cement manufacturing in 2004

4.2.2 環境負荷重點工序辨識及改造方案建議

熟料煅燒工序環境負荷最大，其環境負荷主要表現在不可再生資源消耗、溫室效應、酸化效應方面。造成熟料煅燒階段環境負荷嚴重的主要原因是，礦物原燃料的使用和煅燒過程的熱量損失。其次是原材料開采工序，其環境負荷主要表現為溫室效應和不可再生資源消耗，這是由于該工序主要消耗電能，而電能的生產需要燃煤，因此環境負荷的表現形式主要為煤炭資源消耗和燃煤排放CO2所造成的溫室效應。該工序環境負荷產生的主要原因是礦山開采能耗。

提出如下節能改造方案建議:①利用工業廢渣替代天然礦石，減少天然礦石原料的用量，從而降低原料開采工序和熟料煅燒工序對不可再生資源消耗和溫室效應的環境影響;②提高系統熱效率，減少熱損失所導致的燃料消耗帶來的不可再生資源消耗和溫室效應的環境影響;提高余熱利用效率(利用余熱烘干原燃料、采用余熱發電技術等);③改進礦山開采技術、采用生料和水泥節能粉磨工藝，降低生產過程電力消耗。

4.2.3 技術改造方案實施案例

通過對鋼渣組成、結構和性能的系統分析，確定了鋼渣用于水泥生料技術的最佳粉磨工藝為鋼渣與其它原料分磨后混的工藝，適宜的熟料配料方案為KH=0.91～0.93，n=2.4～2.6，p=1.3～1.5。在2007年鋼渣的利用量突破8 026 t，遠遠超過研究初期2005年的5 000 t。

通過運用現場熱工標定結合計算機對窯系統反求工程計算，得到系統的分離效率、分解量分布、燃燒量分布等結果，從系統工程的角度對琉璃河水泥廠2 500 t/d熟料生產線的預熱器、分解爐和冷卻機各個單元系統及其相互間的影響進行了詳細研究。通過對琉璃河水泥廠TSD預分解窯系統進行反求計算和分析得知，各級旋風筒進口風速相對較高，出口風速很低，系統的預熱器尤其是一級筒的分離效率不夠理想，系統飛灰量大，出預熱器廢氣溫度過高，這是系統燒成熱耗偏高的重要原因，也是影響了系統熱效率發揮和能耗降低的主要問題。

為了優化系統，在操作方面采取了:①合理分配窯內通風和三次風的比例。兩者的分配是通過入分解爐三次風閘板開度來進行;②進行篦冷機的合理操作。當篦床上料層較厚時，應加快篦床運行速度，開大高壓風機的風門，使進入冷卻機的高溫熟料始終處于松動狀態。并適當關小中壓風機的風門，以減少冷卻機的廢氣量;③窯頭煤與窯尾煤的比例。實踐證明，根據不同的產量和不同的物料成分窯爐用煤比例，一般為(40～45)%∶(60～55)%較為理想。

在對水泥生產流程綜合環境負荷分析基礎上，針對琉璃河水泥廠窯頭窯尾廢氣熱量損失較大的問題，對系統實施了余熱發電改造，在琉璃河水泥廠2 500 t/d水泥窯生產線上，建成一條裝機6 MW發電機組的低溫余熱發電系統，并實現了成功運行。

計算出技術改造后單位功能水泥生產的環境負荷清單、技術改造后水泥生產過程的環境負荷影響，如表5所示。

表5 技術改造后2007年水泥生產過程的環境負荷Table 5 Environmental load of cement manufacturing in 2007 after technology improvement

4.3 指導水泥窯處置廢物技術研究與應用

對處理廢棄物、部分代替水泥原燃料等不同情況的環境負荷進行了生命周期評價比較，水泥生產的總體環境負荷依次為:不燒廢棄物的最高、焚燒廢棄物次之，而替代燃料和替代原料的總體環境負荷較前兩種有所降低。指導了利用水泥窯焚燒處置廢棄物技術開發，實現了年處理危險廢物10 000 t/a、處置城市污泥16萬t/a的目標。

采用前述標準流程對照法、生命周期綜合環境負荷分析系統，分析北京地區和我國典型水泥企業生產環境負荷狀況，比較了不同規模、不同生產工藝水泥生產的環境負荷;結合物質流分析方法，解析北京地區水泥生產與應用的環境負荷狀況，分析全國水泥行業環境負荷，應用于水泥行業環境負荷評價與節能減排改進。分析結果表明，全國水泥平均能耗與最低能耗之間相差近30 kgce/t水泥，按照2010年水泥產量18.7億t計算，如果將所有水泥生產的綜合能耗降至最低，可實現5 600萬t標煤/a的節能量;采用各種減排技術每年可減排CO2量1億t以上。

5 水泥基材料生態化設計軟件開發與應用

基于生態設計思想、采用全生命周期評價技術方法，對水泥基材料綜合性能(使用性能、環境性能和成本)進行設計。計算硅酸鹽水泥熟料、硫鋁酸鹽水泥熟料單位功能環境負荷，根據工程使用要求，從生產成本和潛在環境影響的定量化評估出發，設計成本低、環境影響小、使用性能好的復合體系水泥基膠凝材料組成配比，以多相多組分復合實現低環境負荷。

5.1 綜合價值指標判據與復合體系水泥生態設計軟件

提出了以性能/環境負荷比值作為水泥環境性能優劣的判據，其判別依據為由成本、性能和環境影響三者形成的綜合價值指標:P/IC，其中P(Performance)為性能、C(Cost)為成本，I(Impact)為環境影響，綜合價值指標的意義在于用較小的成本、較低的環境負荷獲得盡可能高的效能。在此基礎上，針對水泥基膠凝材料多元復合的特點，建立了復合體系生態化設計理論，采用生命周期方法的指標體系(CML、ECO-Indicator)數據和相關計算模型，結合我國水泥生產的實際情況與性能、環境影響和成本綜合考慮，開發出了“復合水泥生態設計軟件”。圖2所示為復合水泥綜合價值評估流程。

5.2 設計研制了硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合體系水泥基灌漿材料

采用前述計算的中國本土特征化因子，計算出硅酸鹽水泥熟料、硫鋁酸鹽水泥熟料、礦渣、粉煤灰的環境影響值和不同組成復合體系水泥基材料的環境影響值。計算了復合體系水泥的性能與環境影響比值，分析比較單位環境影響使用性能，給出復合體系水泥基材料的綜合價值指標P/IC，依照生態設計綜合價值指標最大化原則確定優化的配比。圖3為設計流程。

圖2 復合水泥綜合價值評估Fig.2 The comprehensive valuation for composite cement

設計的硅酸鹽－硫鋁酸鹽復合體系水泥基材料(優選配比為硅酸鹽水泥熟料∶硫鋁酸鹽水泥熟料∶礦渣∶粉煤灰 ∶石膏 =40 ∶5 ∶40 ∶10 ∶5 和40 ∶5 ∶30 ∶20 ∶5 的復合水泥)，單位環境負荷的使用性能比硅酸鹽水泥提高10倍以上(表6)。

復合體系水泥新產品應用于北京地鐵4號、10號線和京廣鐵路線等工程，解決了國家重點工程難題，成功實現了不同水泥體系間性能的互補和優勢疊加效果，同時保證了低環境負荷。

圖3 復合水泥設計流程Fig.3 The flow of designing composite cement

表6 復合水泥的綜合性能測試結果Table 6 The testing results of comprehensive performance for composite cement

6 結語

水泥對資源、能源的依賴和對環境的污染，使其長期位居節能減排重點行業。我國水泥工業經歷了索取資源的經驗型、高效節能的集約型發展階段，開始進入以環境友好為特征的生態型發展階段。以基于熱力學的水泥熱工理論為指導，解決了資源、能源有效利用的評價問題，實現了水泥生產由經驗型向集約型的轉變。生態型階段以環境友好為特征，涉及產品、流程、工序、設備等多層次的資源和能源消耗、環境污染、生產管理與質量控制等多個因素，需要建立水泥生產綜合環境負荷定量分析和評價的新理論和新方法，指導水泥工業向生態型發展。生命周期評價方法，不僅可以定量計算出資源、能源等單項環境負荷變化情況，還可以從大系統的角度定量計算出包括資源、能源消耗與污染排放在內的綜合環境負荷變化結果，避免了孤立研究資源、能源及污染排放的弊病，能夠科學地系統地指導生產過程節能減排綜合改造，引領水泥產業升級和行業技術進步［8－10］。

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Research and Application of Cement Life Cycle Assessment

CUI Suping，LI Chen
(College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Taking cement and its manufacturing process as the object，the research on cement life cycle assessment(CLCA)theory and technology practical application has been done，and it could resolve the environmental load measurement problems concerning consumptions of resources and energy，pollutions and emissions in the whole cement manufacturing process.Practical applications of the system analysis software as well as the CLCA basic database and data integrated sets were implemented also.The development of CLCA tools and cementious materials eco-design system software could realize improvement on environmental load recognition in cement manufacturing，and design and applications of low environmental load Portland-aluminosulphate cement-supplementary gel materials complex system of cementious grouting materials at the same time.

cement;life cycle assessment;environmental load;manufacture

TU37

A

1674－3962(2011)08－0035－07

2011－04－18

崔素萍，女，1964年生，教授，博士生導師