以煤矸石和粉煤灰為混合材的水泥生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

李正澤，李剛，郭曉潞，劉卓霖，佘安明

煤矸石和粉煤灰是煤礦開采、火力發(fā)電等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，2021年，我國(guó)煤矸石產(chǎn)量達(dá)7.43 億噸[1]，粉煤灰產(chǎn)量達(dá)7.90 億噸[2]。若這些工業(yè)廢棄物不加處理直接排放或廢棄，不僅會(huì)侵占土地、污染環(huán)境，還會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)。煤矸石和粉煤灰中含有豐富的硅、鋁、鈣、鐵等元素[1-2]，將煤矸石和粉煤灰作為水泥生產(chǎn)替代原料，是目前應(yīng)用比較廣泛的資源化處理方法。采用此方法進(jìn)行資源化處理，可以促進(jìn)煤矸石和粉煤灰中有用元素的重新利用，將其中的有害物質(zhì)（如重金屬等）固化在水泥中，同時(shí)也可以降低整個(gè)水泥生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的不良影響。

LCA（Life Cycle Assessment）生命周期評(píng)價(jià)方法是針對(duì)某產(chǎn)品的生產(chǎn)過程開展全生命周期研究的一種系統(tǒng)方法[3]，是對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估的方法，包括目標(biāo)與范圍的確定（Goal and Scope Definition，GSD）、生命周期清單分析（Life Cycle Inventory，LCI）、生命周期影響評(píng)價(jià)（Life Cycle Impact Assessment，LCIA）和生命周期解釋（Life Cycle Interpretation）四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的步驟[3]。LCA可以輔助確定產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)流程的潛在環(huán)境影響，評(píng)估生產(chǎn)流程的環(huán)境性能，從而獲得合適的改善方案，LCA四步驟示意如圖1所示。

本文將利用LCA方法，研究煤矸石和粉煤灰作為混合材對(duì)水泥生產(chǎn)環(huán)境的影響，通過設(shè)計(jì)兩組LCA 方案，對(duì)比兩組目標(biāo)產(chǎn)品的環(huán)境影響異同，為水泥工業(yè)利用煤矸石和粉煤灰作替代原料，制訂節(jié)能減排計(jì)劃提供部分理論依據(jù)。

1 LCA 研究目標(biāo)與范圍的確定

選取1t 廣州某水泥廠生產(chǎn)的以煤矸石和粉煤灰作為混合材的P·O42.5R水泥和1t該水泥廠生產(chǎn)的不使用混合材的P·Ⅱ42.5R水泥作為功能單元。

LCA 研究范圍的確定大多遵循“從搖籃到大門”[4]的原則，水泥生產(chǎn)過程的LCA研究的范圍是從原料開采到水泥成品生產(chǎn)的整個(gè)工藝過程。該水泥廠在P·O42.5R 水泥粉磨過程中，煤矸石和粉煤灰不經(jīng)煅燒，直接作為替代原料加入，摻量分別為3.34%和3.32%；P·Ⅱ42.5R水泥在粉磨過程中不使用煤矸石和粉煤灰。按照LCA原理，根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝流程，分別構(gòu)建P·O42.5R 水泥和P·Ⅱ水泥LCA研究系統(tǒng)邊界，如圖2所示。

圖2 LCA研究系統(tǒng)邊界

2 生命周期清單分析

按照LCA原理，生命周期清單分析是整理匯總在系統(tǒng)邊界內(nèi)的所有輸入物和輸出物[5]。生命周期清單數(shù)據(jù)分為背景數(shù)據(jù)和實(shí)景數(shù)據(jù)，背景數(shù)據(jù)是指原料開采、能源生產(chǎn)等基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)，可引自公共數(shù)據(jù)庫；實(shí)景數(shù)據(jù)是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過調(diào)研獲得的原料及能源的消耗、污染物的排放等原始數(shù)據(jù)或由原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到的核算數(shù)據(jù)[6]。本次LCA研究采用的生料、煤粉及熟料生產(chǎn)過程和水泥最終粉磨過程中的數(shù)據(jù)，為水泥廠調(diào)研的實(shí)景數(shù)據(jù)，電力及其他除廢料外的原材料采集過程數(shù)據(jù)引用自中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫CLCD，為背景數(shù)據(jù)。

2.1 輸入物清單

輸入物清單需整理匯總在整個(gè)水泥生產(chǎn)過程中所消耗的原材料及能源清單，所有數(shù)據(jù)保留小數(shù)點(diǎn)后兩位。根據(jù)該水泥廠提供的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)1t P·O42.5R 水泥和1t P·Ⅱ42.5R 水泥所需要的原材料和能耗清單如表1所示。

表1 水泥粉磨所需原材料和能耗清單

該水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R 水泥和P·Ⅱ42.5R水泥，除了最終的粉磨過程中加入的物料種類不同外，其他工藝過程，如生料粉磨、熟料生產(chǎn)等加入的物料種類均一致。生產(chǎn)1t 生料和1t 熟料所需要的原材料及能耗清單分別如表2、表3 所示。其中，1.12kg 原煤粉磨制得1kg 煤粉的同時(shí)，將消耗0.05kW·h的電量。

表3 生產(chǎn)1t熟料所需原材料和能耗清單

2.2 輸出物清單

輸出物清單需要匯總分析在整個(gè)水泥生產(chǎn)過程中可能會(huì)排放的所有溫室氣體和污染物。該水泥廠P·O42.5R 水泥和P·Ⅱ42.5R 水泥的生產(chǎn)均可分為原料開采、煤粉粉磨、生料粉磨、熟料燒成和水泥粉磨等流程。其中，熟料燒成污染物的排放量占比最高，主要有CO、CO2、SO2、NOX、甲烷、NMVOC（非甲烷揮發(fā)性有機(jī)化合物）和可吸入顆粒物（PM10）等。煤粉粉磨、生料粉磨、水泥粉磨直接排放的污染物主要為可吸入顆粒物（PM10）。除廢料外的各種原料開采及發(fā)電過程中的污染物排放數(shù)據(jù)，均采用中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫CLCD所提供的數(shù)據(jù)。除了上述氣體和污染物外，其他污染氣體、廢水、固體廢棄物等在水泥生產(chǎn)過程中排放量較小，本次LCA研究中不作考慮。

3 生命周期影響評(píng)價(jià)

生命周期影響評(píng)價(jià)是根據(jù)生命周期清單分析匯總的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期所帶來的環(huán)境影響進(jìn)行分類和特征化[3]。在進(jìn)行水泥生產(chǎn)LCA 分析時(shí)，通常采用CML2001 分類方法[7-9]，此方法是荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境研究中心在2001 年所發(fā)表的一種基于傳統(tǒng)生命周期清單分析特征及標(biāo)準(zhǔn)化的方法。本次水泥生產(chǎn)LCA 研究選擇六種常用的環(huán)境影響類型指標(biāo)，通過計(jì)算，分別得出生產(chǎn)1t P·O42.5R水泥和1t P·Ⅱ42.5R水泥的六種環(huán)境影響類型指標(biāo)參數(shù)，如表4、表5所示。

表5 兩組研究對(duì)象的六種環(huán)境影響類型指標(biāo)參數(shù)及變化率*

4 生命周期解釋

GWP：氣候變化，主要和CO2、CH4等溫室氣體的排放量有關(guān)，排放量越多，GWP值越大。由表5可知，生產(chǎn)1t P·O42.5R水泥的GWP值為850.13，生產(chǎn)1t P·Ⅱ42.5R水泥的GWP值為929.34，GWP值降幅為8.52%。

ADP：非生物資源消耗，主要包括大氣、水、土壤、礦產(chǎn)等自然資源，消耗非生物資源越多，ADP值越大。由表5 可知，生產(chǎn)1t P·O42.5R 水泥的ADP值為1.88×10-4，生產(chǎn)1t P·Ⅱ42.5R水泥的ADP值為2.07×10-4，ADP值降幅為9.18%。

AP：酸化，主要與SO2和NOX等氣體的排放量有關(guān)，排放量越多，AP值越大。由表5 可知，生產(chǎn)1t P·O42.5R水泥的AP值為1.50，生產(chǎn)1t P·Ⅱ42.5R水泥的AP值為1.65，AP值降幅為9.09%。

EP：富營(yíng)養(yǎng)化，主要受NH3和NOX等含氮?dú)怏w排放量影響，排放量越多，EP值越大。由表5可知，生產(chǎn)1t P·O42.5R水泥的EP值為2.00×10-1，生產(chǎn)1t P·Ⅱ42.5R 水泥的EP值為2.19×10-1，EP值降幅為8.68%。

RI：可吸入無機(jī)物，主要和可吸入顆粒物PM10，PM2.5和CO等有關(guān)。由表5可知，生產(chǎn)1t P·O 42.5R水泥的RI值為3.90×10-1，生產(chǎn)1t P·Ⅱ42.5R水泥的RI值為4.28×10-1，RI值降幅為8.88%。

POFP：光化學(xué)臭氧合成，主要和NOX等氣體有關(guān)。由表5可知，生產(chǎn)1t P·O42.5R水泥的POFP值為1.66×10-1，生產(chǎn)1t P·Ⅱ42.5R 水泥的POFP值為1.81×10-1，POFP值降幅為8.29%。

綜上所述，生產(chǎn)1t 煤矸石摻量3.34%、粉煤灰摻量3.32%的P·O42.5R 水泥，其各項(xiàng)環(huán)境影響類型指標(biāo)相比生產(chǎn)1t不摻加煤矸石和粉煤灰的P·Ⅱ42.5R 水泥，普遍降低了8%～9%，各項(xiàng)指標(biāo)的降幅差距不大。這可能是由于摻加煤矸石和粉煤灰可以減少水泥熟料的用量，而水泥熟料生產(chǎn)是整個(gè)水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生環(huán)境影響最大的環(huán)節(jié)，因此，在水泥生產(chǎn)中摻加煤矸石和粉煤灰，減少熟料用量，可以顯著降低整個(gè)水泥生產(chǎn)過程的環(huán)境影響。

5 結(jié)語

通過對(duì)廣州某水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R水泥和P·Ⅱ42.5R 水泥分別進(jìn)行LCA 分析和對(duì)比可知，在水泥生產(chǎn)中加入3.34%的煤矸石和3.32%的粉煤灰，對(duì)六項(xiàng)環(huán)境影響類型指標(biāo)均有降低作用，GWP、ADP、AP、EP、RI和POFP分別降低8.52%、9.18%、9.09%、8.68%、8.88% 和8.29%。因此，將煤矸石和粉煤灰應(yīng)用于水泥生產(chǎn)中，不僅可以協(xié)同處置廢棄物，還可以降低水泥生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境造成的影響。