礦渣-硫鋁酸鹽水泥的環境影響及碳減排效應分析

潘志強,李 晨,蔣正武

(1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室,上海 201804;2.同濟大學材料科學與工程學院,上海 201804)

0 引 言

綠色、低碳的發展理念是應對全球氣候變暖的關鍵。近年來,世界各國相繼提出“碳中和”目標,并將此作為國際政治、經濟博弈的重要抓手[1]。中國是全球碳排放最高的國家,面臨較大的減排壓力。水泥工業是能源密集型產業,能源消耗和碳排放分別占全球總值的12%～15%與5%～7%[2-3]。我國的水泥產量長期位居世界首位,國家統計局數據顯示,2022年我國水泥產能為21.3億噸,相應的碳排放約為12億噸,占全國碳排放總量的13%左右。因此,推動水泥工業的低碳發展對我國“雙碳”目標的實現意義重大。

新型低碳膠凝材料是水泥工業減碳的重要途徑。硫鋁酸鹽水泥是以石灰石、鋁礬土、石膏等為原料,在1 300～1 350 ℃下煅燒而成,熟料主要礦物成分為硫鋁酸鈣和硅酸三鈣/二鈣(阿利特/貝利特)[4],具有早強、快硬等優良特性[5],廣泛應用在冬季施工,應力水泥壓力管、普通排水管等制品生產,并用于防水材料、混凝土膨脹劑等特種工程材料的制備[6]。相較于硅酸鹽水泥,硫鋁酸鹽水泥產量少,使用領域特殊,但其煅燒溫度低,具有較低的碳排放。此外,使用粉煤灰、礦渣等輔助性膠凝材料可降低水泥的熟料占比,減少碳排放。研究[7]表明,礦渣粉作為混合材加入硫鋁酸鹽水泥中,能與水泥水化生成的氫氧化鈣發生反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠,形成密實的漿體結構,改善硫鋁酸鹽水泥性能。Gao等[8]研究添加礦渣粉的硫鋁酸鹽水泥體系時發現,當礦渣粉的摻量不超過水泥總質量的10%時,硫鋁酸鹽水泥的力學性能不會降低,且隨礦渣粉摻量的提高,水泥中的C-S-H凝膠增加,微裂紋數量減少。

生命周期評價(life cycle assessment, LCA)方法是評價水泥生產環境影響的重要方法,其中,全球變暖潛值(global warming potential, GWP)為量化產品碳足跡的指標,此前國內外研究大多基于硅酸鹽水泥開展。Li等[9]研究了礦渣摻量的變化對硅酸鹽水泥環境影響的改變,結果表明GWP為該水泥生產過程最主要的環境影響,添加礦渣會顯著降低水泥的各類環境影響,其中GWP可減少10%左右。白文琦等[10]對通用硅酸鹽水泥生產的GWP開展研究,結果顯示混合材摻量越多,GWP越小,但混合材通常需要磨細,電能消耗高,如何提高該過程的能源利用率值得關注。此類研究表明,礦渣作為混合材可有效降低水泥生產過程的碳排放。而礦渣-硫鋁酸鹽水泥作為一種新型建材產品,其碳減排潛力還不明確。本文以《環境管理 生命周期評價 要求與指南》(GB/T 24044—2008)為指導,使用LCA方法研究礦渣-硫鋁酸鹽水泥生產過程的環境影響,并與硅酸鹽水泥對比,分析兩種水泥在GWP、初級能源消耗(primary energy demand, PED)等環境影響上的差異,明確礦渣-硫鋁酸鹽水泥的碳減排效應。

1 礦渣-硫鋁酸鹽水泥的生命周期評價

根據《環境管理 生命周期評價 要求與指南》(GB/T 24044—2008)的規定,LCA包括以下四個步驟:①目的與范圍的確定;②清單分析;③影響評價;④結果解釋。步驟①需確定研究對象、功能單位及系統邊界;步驟②包括數據的收集與計算,該過程重點在于數據的有效性及計算的準確性;步驟③需利用生命周期清單分析結果,根據數據與環境影響的相關性,評估產品生產過程的環境影響潛力;步驟④需對生命周期清單分析和影響評價結果展開討論。

1.1 目的與范圍的確定

本文以礦渣-硫鋁酸鹽水泥的生產為研究對象,模擬新型干法水泥的生產進行研究計算,并與硅酸鹽水泥生產的LCA進行對比,分別以生產1 t礦渣-硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥為功能單位,所選取系統邊界的主要單元過程包括:原料開采、原料運輸、生料制備、熟料煅燒及水泥粉磨,如圖1所示。

圖1 礦渣-硫鋁酸鹽水泥生產的系統邊界Fig.1 System boundary of slag-calcium sulfoaluminate cement production

1.2 清單分析

根據物料平衡、質量守恒規律計算得到生產1 t硅酸鹽水泥熟料的原料用量及熟料煅燒過程石灰石中碳酸鈣分解釋放的CO2,其中,原料配比來源于董世根等[11]的研究,假設石灰石中雜質的質量分數為5%,其余成分為CaCO3,生料的含水率為1%。鐵質校正原料的來源為硫酸制備工業的廢棄硫酸渣,成分以氧化鐵為主,添加量一般不超過水泥總質量的5%,因此在LCA中假設該材料的環境影響為零。生產電耗與煤炭用量取值為我國水泥生產企業的平均水平[12-13]。物料平衡及質量守恒的計算公式如式(1)所示。

m熟料=m生料-m含水-m分解-m粉塵

(1)

式中:m熟料為煅燒后熟料的質量,m生料為投入生產系統的生料的質量,m含水為生料的含水量,m分解為煅燒過程生料中分解產生的CO2的質量,m粉塵為生產過程物料損耗產生的粉塵量。

對于熟料煅燒過程中釋放的CO2,計算中假設其僅來源于石灰石中CaCO3的受熱分解,該部分產生的CO2質量計算公式如式(2)所示。

(2)

式中:mCO2為熟料煅燒過程中釋放的CO2的質量,MCO2、MCaCO3分別為CO2、CaCO3的相對分子質量,m石為生料中石灰石的投入量,m雜為石灰石中雜質的含量。

礦渣-硫鋁酸鹽水泥的原料用量參考《硫鋁酸鹽水泥》(GB/T 20472—2006)。其中,礦渣的添加比例為水泥質量的30%,其為高爐煉鐵工業的副產物,由于用量較高且具有一定價值,本文采用LCA中的經濟價值分配方法對礦渣的清單數據進行分配計算,分配系數取自Chen等[14]對摻合料在LCA分配方法中的研究。原料破碎、粉磨及熟料煅燒過程的電耗與煤炭用量來源于Ren等[15]的研究。每千克礦渣清單分配結果的計算公式如式(3)所示。

(3)

式中:O礦渣、O鐵分別為礦渣、高爐煉鐵生命周期清單輸出結果中各類空氣污染物的排放量,k為根據經濟價值分配方法得出的分配系數,m為生產1 kg鐵產出的礦渣的質量。

原料開采、運輸及發電數據來源為eFootprint軟件中國生命周期參考數據庫(Chinese Life Cycle Database, CLCD)。原料的運輸方式設定為柴油貨車公路運輸,如表1所示。

表1 原料的運輸詳情Table 1 Transportation details of raw materials

分析得出兩種水泥的生命周期清單(life cycle inventory, LCI)結果,如表2所示。

表2 水泥的生命周期清單Table 2 LCI of cement

1.3 環境影響評價

在水泥的生產中,碳排放與能耗是其主要的環境影響,對應研究選取GWP與PED兩種環境影響指標,并選取其他幾種常見環境影響指標:酸化效應(acidification potential, AP)、富營養化效應(eutrophication potential, EP)、顆粒物形成效應(particulate matter formation potential, PMFP)、光化學煙霧形成效應(photochemical ozone formation potential, POFP),作補充分析,如表3所示。

表3 研究選取的環境影響類型Table 3 Categories of environmental impact selected in research

根據eFootprint軟件中的生命周期影響評價模型,選取不同環境影響指標的特征化因子,如表4所示。量化環境影響的計算公式如式(4)所示。

(4)

式中:EIi為第i種環境影響的特征化結果,Qj為第j種物質的消耗量/排放量,EFj為第j種物質的特征化因子,n為生命周期清單中的物質種類的總數。

計算生產兩種水泥的環境影響,結果如表5、6所示。

表5 硅酸鹽水泥生產的環境影響Table 5 Environmental impact of Portland cement production

表6 礦渣-硫鋁酸鹽水泥生產的環境影響Table 6 Environmental impact of slag-calcium sulfoaluminate cement production

2 結果與討論

2.1 環境影響貢獻與來源

兩種水泥生產中各過程對不同環境影響的貢獻如圖2所示。在硅酸鹽水泥原料開采、生料制備、熟料煅燒等生產過程中,熟料煅燒對GWP的貢獻最高,約占90%,由于該過程石灰石分解產生大量碳排放,且煤炭燃燒也會產生一定碳排放;對于PED,原料開采過程占比約70%,由于此過程開采煤炭作為熟料煅燒的熱源,且開采過程的機電設備以電能、化石能源為動力,造成較高的能源消耗;對于AP,除原料運輸外,其余四個生產單元過程的貢獻較高且占比相近,造成該環境影響的主要原因是電能消耗所對應的燃煤發電與煤炭燃燒排放的NOX與SO2;EP主要來自原料開采過程(約50%),原因是該過程使用機電設備消耗電能,發電產生較高的NOX排放;PMFP主要來自原料運輸外的生產過程,主要來源為各過程生產環節產生的粉塵污染;POFP主要來自原料開采過程,占比達72%,原因為消耗電能對應造成的NO2與SO2排放。

圖2 水泥的環境影響貢獻分析Fig.2 Analysis of environmental impact contribution of cement

由圖2(b)可見,礦渣-硫鋁酸鹽水泥的各生產過程對GWP、PED、EP和POFP的貢獻情況與硅酸鹽水泥相似,其中,GWP的77%來自熟料煅燒,PED的68%來自原料開采。而兩種水泥的AP與PMFP來源則具有明顯區別,這是由于礦渣-硫鋁酸鹽水泥的生產中使用礦渣作為混合材,礦渣的產生及粉磨(即礦渣的綜合利用)造成的環境影響被納入到原料開采過程,按照經濟價值分配方法,通過分配其上游產業——高爐煉鐵工業得到,而高爐煉鐵過程中焦炭燃燒會產生大量SO2,且鐵礦石中的硫在高溫冶煉過程中也會轉變為SO2,產生AP。因此,原料開采過程對礦渣-硫鋁酸鹽水泥的AP貢獻較高,占比52%;同樣由于礦渣在LCA中的分配算法,高爐煉鐵產生的煙塵排放被分配到礦渣-硫鋁酸鹽水泥的原料開采過程,使該過程的PMFP占比達到66%,而硅酸鹽水泥該過程的PMFP僅占比25%。

2.2 敏感性分析

敏感性分析是確定環境影響評價可行性的重要方法,通過敏感性分析可找出清單中影響最大的因素[16]。反復性是LCA工作的固有特征,完善的LCA需根據由敏感性分析所判定的數據重要性來決定數據的取舍,從而對所界定的初始系統邊界進行驗證并加以調整,將數據處理限制在被判定為對LCA研究目的具有重要性的輸入輸出數據范圍內。根據LCI結果,設置輸入數據的變化率在±20%,對GWP和PED兩種環境影響展開敏感性分析,如圖3、4所示。

圖4 礦渣-硫鋁酸鹽水泥的敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of slag-calcium sulfoaluminate cement

礦渣-硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥生產的敏感性分析結果顯示:對GWP影響最大的因素均為石灰石的用量,對于礦渣-硫鋁酸鹽水泥,當石灰石用量改變20%時,GWP變化幅度達7.7%,而對于硅酸鹽水泥,該值可達12%;GWP的次要影響因素均為煤炭的用量,不同于硅酸鹽水泥,由于礦渣-硫鋁酸鹽水泥中礦渣對水泥熟料的替代,其熟料煅燒的石灰石用量明顯減少,使得煤炭用量與石灰石用量在礦渣-硫鋁酸鹽水泥GWP的影響程度上十分接近,有效降低了水泥生產中石灰石分解造成的溫室效應占比;對PED影響最大的因素均為煤炭的用量,當其用量的變化率為20%時,礦渣-硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥的PED變化幅度分別為10.7%與13.4%,在生產條件相近時,這反映出生產礦渣-硫鋁酸鹽水泥時煤炭的用量相對較低,具有一定的節能潛力。

依據上述分析,降低水泥生產的碳排放,即減少LCA結果中的GWP值,最有效的途徑是在不影響使用性能的前提下,盡可能地降低石灰石的用量,主要方法有:①降低水泥熟料中的鈣含量,提高熟料中低鈣礦物(例如硅酸二鈣)比例;②使用天然硅酸鈣礦物或各類氧化鈣、硅酸鈣固廢(如電石渣、冶金渣、尾礦等[17])替代石灰石作為水泥生產原料;③在水泥生產中使用粉煤灰、礦渣、冶金渣等工業固廢進一步替代水泥熟料,減少熟料占比以降低石灰石用量。通過工藝革新提高窯爐的煅燒效率,使用替代燃料以減少熟料煅燒的煤炭用量,也可以有效降低熟料煅燒過程產生的碳排放。此外,新興的碳捕集碳封存技術可捕獲水泥生產過程中產生的二氧化碳,并采取多種措施加以儲存后投入新的生產過程加以利用,避免將二氧化碳直接排放到大氣中,例如Galusnyak等[18]通過熱集成模擬分析方法預測顯示,將碳捕集碳封存技術運用到水泥生產中可減碳70%,但由于此技術還不成熟,目前尚未在水泥工業中大規模應用。而生產能耗的降低,即LCA結果中PED值的減小,需著眼于能源用量與能源結構,可通過改善水泥熟料的煅燒工藝或使用替代燃料、新能源,以減少煅燒的煤炭用量,也可以通過調整電力結構,減少燃煤發電的電網占比,推廣風電、水電、核電等清潔能源,減少初級能源消耗。

2.3 碳減排效應分析

兩種水泥的環境影響結果對比如圖5所示。礦渣-硫鋁酸鹽水泥的碳排放指標GWP較硅酸鹽水泥顯著降低,約為硅酸鹽水泥的一半;而礦渣-硫鋁酸鹽的能耗指標PED較硅酸鹽水泥減少約12%。對于AP、EP、PMFP和POFP,礦渣-硫鋁酸鹽水泥均略高于硅酸鹽水泥,主要原因是在LCA計算中,礦渣粉按照經濟價值原則分配到了上游高爐煉鐵工業產生的SO2、煙塵及NOX等環境排放,這些排放物對上述四類環境影響貢獻較大。綜上,礦渣-硫鋁酸鹽水泥的碳減排效應顯著、節能效應良好,但AP、EP、PMFP、POFP四類環境影響略高于硅酸鹽水泥。此外,本LCA研究中的硅酸鹽水泥和礦渣-硫鋁酸鹽水泥的強度等級為42.5,設定的礦渣-硫鋁酸鹽水泥的礦渣摻量為30%,在硫鋁酸鹽水泥體系中該摻量較高,會使其產生小幅度的強度損失[8],因而本研究中礦渣-硫鋁酸鹽水泥的力學性能略遜于硅酸鹽水泥。

圖5 兩種水泥的環境影響對比Fig.5 Comparison of environmental impact of two types of cement

2.4 應用前景分析

由上述分析可知,水泥生產時的碳排放主要來源于熟料煅燒過程。礦渣-硫鋁酸鹽水泥使用礦渣替代水泥熟料,本文設定的LCA計算中這一替代比例為30%,而研究顯示,礦渣在硅酸鹽水泥中的摻加比例最高可至70%。未來通過進一步的配比設計與優化,若能在保證一定性能的前提下,將硫鋁酸鹽水泥中礦渣的添加比例提高到70%,在本文LCA研究的基礎上推算,礦渣-硫鋁酸鹽水泥的生產碳排放還能夠降低43%,同時表明該水泥具有巨大的碳減排潛力。

從材料性能角度,礦渣在硫鋁酸鹽水泥水化過程中主要起到火山灰效應和稀釋效應,影響水泥的力學性能[19]。前者在礦渣摻量較低時起主導作用,對水泥的強度產生積極影響,而當礦渣替代率較高時,由于硫鋁酸鹽水泥熟料中的硅酸三鈣/二鈣比硅酸鹽水泥熟料少,其水化產生的氫氧化鈣也相應較少,體系中的氫氧化鈣不足以提供適宜的堿性環境,可能對礦渣的火山灰活性產生不利影響[20],導致硫鋁酸鹽水泥的強度下降,這也是限制礦渣-硫鋁酸鹽水泥中礦渣摻量進一步提升的主要因素。因此,實現礦渣-硫鋁酸鹽水泥的規?；瘧?核心問題是如何解決高礦渣摻量下其力學性能的不足,這一問題的解決需要從熟料、石膏、礦渣復合體系的水化過程出發,進行材料設計的優化。目前對于這一問題的研究仍處于探索階段,有待深入與完善。

3 結 論

1)對兩種水泥的生產進行了生命周期評價。結果顯示:在礦渣-硫鋁酸鹽水泥的生產中,熟料煅燒對GWP的貢獻最高,主要由于熟料煅燒過程石灰石的分解與煤炭的燃燒;對于PED,原料開采過程的貢獻占比最高,主要由于原料開采過程需開采大量煤炭造成初能源消耗。本研究利用經濟價值分配方法,將高爐煉鐵工業的環境影響分配到礦渣粉中,因此,礦渣-硫鋁酸鹽水泥原料生產過程的AP和PMFP占比顯著高于硅酸鹽水泥。

2)敏感性分析結果表明:在GWP中,影響最大的是石灰石和煤炭用量,在保證水泥使用性能的同時降低石灰石用量、使用替代燃料等是減少GWP的有效方法,而新興的碳捕集碳封存技術也具有良好的減碳潛力;PED的主要來源是煤炭與電力,改善熟料的煅燒工藝,使用替代燃料,推廣風電、水電、核能等清潔能源則是減少PED的有效途徑。

3)與硅酸鹽水泥相比,礦渣-硫鋁酸鹽水泥的GWP有顯著降低, PED也有所降低。雖然礦渣-硫鋁酸鹽水泥的AP、EP、PMFP、POFP四類環境影響略高于硅酸鹽水泥,但其具有顯著的碳減排效應與良好的節能潛力。提高礦渣摻量可進一步提高該水泥的碳減排效應,但需要通過合理的配比設計保證高礦渣摻量下的使用性能,這一問題值得深入研究。