崔素萍，李 琛

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124)

水泥LCA研究與應(yīng)用進(jìn)展

崔素萍，李 琛

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124)

以水泥材料及其生產(chǎn)過程為研究對(duì)象，開展水泥生產(chǎn)過程生命周期分析(CLCA)理論與技術(shù)應(yīng)用研究，解決水泥生產(chǎn)全過程資源、能源消耗與綜合利用、廢物排放等環(huán)境負(fù)荷定量分析的難題，突破系統(tǒng)分析軟件等實(shí)用技術(shù)，建立了水泥材料生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和異構(gòu)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)出水泥生命周期分析和水泥基材料生態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件工具，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷辨識(shí)改進(jìn)、低環(huán)境負(fù)荷的硅酸鹽－硫鋁酸鹽－輔助膠凝材料復(fù)合體系水泥基灌漿材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

水泥;生命周期評(píng)價(jià);環(huán)境負(fù)荷;制備工藝

1 前言

生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment/LCA)的理論與技術(shù)方法［1］，是國(guó)際通用的評(píng)價(jià)產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化方法，所有與產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)有關(guān)的活動(dòng)，都可從LCA中得到環(huán)境負(fù)荷信息。水泥生產(chǎn)過程的生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)水泥從搖籃到墳?zāi)谷芷谠u(píng)價(jià)中的一個(gè)重要階段，即從原料開采到產(chǎn)品出廠的生產(chǎn)過程，進(jìn)行定量環(huán)境負(fù)荷分析，指導(dǎo)生產(chǎn)過程的節(jié)能減排改進(jìn)。

2 水泥生命周期分析理論與技術(shù)體系

2.1 水泥生產(chǎn)工藝及LCA評(píng)價(jià)程序

水泥生產(chǎn)過程主要包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個(gè)工序，水泥生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的負(fù)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(shù)框架，確定水泥生產(chǎn)過程生命周期分析按圖1程序進(jìn)行。

圖1 水泥生產(chǎn)過程環(huán)境負(fù)荷分析程序Fig.1 The analysis environmental load of cement manufacturing

2.1.1 目標(biāo)與范圍界定

研究目標(biāo):生產(chǎn)過程環(huán)境熱點(diǎn)的辨識(shí)、工藝改進(jìn)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(chǎn)過程環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)的系統(tǒng)邊界確定為包括生料制備(包括原料開采和運(yùn)輸在內(nèi))、熟料煅燒(包括能源生產(chǎn)和運(yùn)輸在內(nèi))、水泥粉磨等主要工序。

數(shù)據(jù)質(zhì)量:采集數(shù)據(jù)來自水泥企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，保證準(zhǔn)確、一致和可再現(xiàn)性。

2.1.2 清單分析

結(jié)合水泥生產(chǎn)過程特點(diǎn)，確定水泥生產(chǎn)生命周期環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(píng)價(jià)

影響類型、類型參數(shù)和特征化模型的確定:根據(jù)水泥生產(chǎn)特點(diǎn)，選擇不可再生資源消耗、溫室效應(yīng)、環(huán)境酸化、人體健康損害、光化學(xué)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(chǔ)評(píng)價(jià)方法，但對(duì)于其中的資源耗竭特征化模型需要進(jìn)行本土化修正。

化石燃料的耗竭應(yīng)被定義為能源儲(chǔ)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(chǔ)量;ε表示化石能源的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù);Drref和Rref分別表示參考資源的年開采量和儲(chǔ)量?；剂系牟蓛?chǔ)量及資源耗竭特征化因子的計(jì)算結(jié)果列于表2。原煤、石油和天然氣的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)分別為:0.7143 kgce/kg，1.428 6 kgce/kg和1.330 0 kgce/kg。與水泥有關(guān)的非金屬礦產(chǎn)資源的耗竭特征化因子［2］的計(jì)算結(jié)果列于表3。

表1 水泥生產(chǎn)環(huán)境類型和類型參數(shù)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(guān)的非金屬礦產(chǎn)資源的耗竭特征化因子Table 3 Characterization factors for the depletion of nonmetals

2.1.4 評(píng)價(jià)結(jié)果解釋

評(píng)價(jià)結(jié)果解釋是根據(jù)目的和范圍要求對(duì)清單分析結(jié)果進(jìn)行歸納形成結(jié)論和建議。

2.2 多工序的環(huán)境負(fù)荷累積模型與評(píng)價(jià)方法

水泥生產(chǎn)過程的環(huán)境行為可表示為:EP=f(Er，Ee，Eg，El，Es)，式中:EP表示環(huán)境行為，E表示環(huán)境因子，下標(biāo)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(chǎn)工藝包括多個(gè)連續(xù)的工序過程。根據(jù)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(huán)境因子累積模型:

水泥生產(chǎn)LCA評(píng)價(jià)的主要目的之一，是比較不同產(chǎn)品或不同工藝間的環(huán)境行為。為了表達(dá)產(chǎn)品或工藝的EP值比率，提出了綜合相對(duì)環(huán)境指數(shù)IREI(Integrated Relative Environmental Index):

式中:ωi為環(huán)境因子的權(quán)重系數(shù);E表示環(huán)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(biāo)1、2表示進(jìn)行比較的2個(gè)生產(chǎn)工藝或工序產(chǎn)品，選擇其一作為參照標(biāo)準(zhǔn)。

該方法可以將水泥生產(chǎn)工序和產(chǎn)品或生產(chǎn)流程中將各影響因素進(jìn)行歸類比較，解決了不同工序之間環(huán)境負(fù)荷的分配難題以及產(chǎn)品或工藝過程環(huán)境負(fù)荷定量評(píng)價(jià)的難題。

2.3 水泥生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程對(duì)照法與中國(guó)水泥工業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)體系

針對(duì)水泥LCA中功能單位的確定與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及評(píng)價(jià)結(jié)果解釋等難題，提出了水泥生產(chǎn)生命周期分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程對(duì)照法，采用計(jì)算工藝改進(jìn)潛力指數(shù)，應(yīng)用于辨識(shí)環(huán)境改善最佳方案。

水泥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程對(duì)照法:將水泥實(shí)際生產(chǎn)過程B=(b1，b2，…，bn)的各項(xiàng)環(huán)境負(fù)荷值與其標(biāo)準(zhǔn)化流程Sm=(sm1，sm2，…，smn)中相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行定量分析與比較。eBi和eSi分別為實(shí)際工藝B和標(biāo)準(zhǔn)流程S的第i分項(xiàng)環(huán)境負(fù)荷，其比值(eBi/eSi)表征了實(shí)際工藝向標(biāo)準(zhǔn)流程接近的相對(duì)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(huán)境負(fù)荷項(xiàng)影響排序，得到其對(duì)生產(chǎn)過程整體環(huán)境協(xié)調(diào)性的相對(duì)影響程度，從而區(qū)分出主要改進(jìn)目標(biāo)、次要改進(jìn)目標(biāo)及一般性目標(biāo)。

建立了水泥工業(yè)清潔生產(chǎn)LCA技術(shù)評(píng)價(jià)的技術(shù)路線和工作程序，通過集成上述水泥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程對(duì)照法和資源耗竭特征化模型，構(gòu)建了包括資源消耗、能源消耗、污染物排放、產(chǎn)品品質(zhì)、管理水平5項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)，40項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的水泥工業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)體系［3－4］。提出了匯集專家評(píng)價(jià)、指數(shù)法和模糊關(guān)系矩陣的綜合評(píng)價(jià)法，將定量評(píng)價(jià)與定性分析有機(jī)結(jié)合，建立了對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行評(píng)審的對(duì)比依據(jù)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)值。以此為基礎(chǔ)，制定形成了《水泥行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(試行)》(國(guó)家發(fā)改委2007年發(fā)布)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)要求》、建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》。

3 水泥等基礎(chǔ)材料生命周期分析數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

LCA從原料提取、制造、運(yùn)輸、銷售、使用、再利用與維護(hù)、及其廢物循環(huán)到最終處置，涉及產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的資源輸入、能源消耗、環(huán)境排放等數(shù)據(jù)，并將環(huán)境排放等實(shí)物量轉(zhuǎn)換為環(huán)境影響類別(溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)、生態(tài)毒性、資源耗竭等)進(jìn)行計(jì)算，需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。通過解決工藝、應(yīng)用、環(huán)境等領(lǐng)域大量異構(gòu)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用技術(shù)難題，建成了水泥等基礎(chǔ)材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，集成中國(guó)典型材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)十余萬(wàn)條［5－7］。

3.1 水泥等基礎(chǔ)材料生命周期分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

建立了水泥生產(chǎn)資源能源消耗及污染物排放流程清單、行業(yè)平均水平及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集表等。數(shù)據(jù)庫(kù)為基于Windows Advance Server和MSQL Server企業(yè)版、面向互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，主要包括初級(jí)能源清單、電力清單、能源產(chǎn)品清單、交通運(yùn)輸清單等公用系統(tǒng)基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)，建筑材料、鋼鐵材料、高分子材料、有色金屬材料環(huán)境負(fù)荷清單等典型材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)集，提供國(guó)內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)體系數(shù)據(jù)信息的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括本地化物質(zhì)環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)的特征化因子、損害評(píng)價(jià)類型、標(biāo)準(zhǔn)化因子和權(quán)重因子在內(nèi)的材料生命周期分析方法數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 具有訪問、查詢與分析功能的水泥等基礎(chǔ)材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)集成技術(shù)

針對(duì)水泥生產(chǎn)生命周期分析所面臨的海量數(shù)據(jù)的處理、不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的集成等技術(shù)難題，建立了技術(shù)領(lǐng)域與環(huán)境領(lǐng)域的集成數(shù)據(jù)模型、提出了生命周期清單分析計(jì)算的物質(zhì)流分配方法、設(shè)計(jì)了面向多層次應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)了具有數(shù)據(jù)采集、信息檢索基本功能和工序間的能量流分析、能量流時(shí)間序列分析和節(jié)能減排潛力分析等擴(kuò)展功能的水泥生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)計(jì)環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)以Microsoft SQL 2008為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，采用ASP.NET技術(shù)開發(fā)數(shù)據(jù)查詢，用戶在訪問許可授權(quán)模式下，通過Web瀏覽器與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行安全聯(lián)接，從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢相關(guān)核心數(shù)據(jù)。開發(fā)出具有企業(yè)信息、物料消耗和能量消耗等流程清單、排放數(shù)據(jù)的檢索與分析，以及在線數(shù)據(jù)采集等功能的建筑材料生命周期清單網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用于企業(yè)的物料和能量消耗、污染物排放、資源能源利用效率、綜合環(huán)境負(fù)荷分析與管理，用于企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排潛力分析和節(jié)能減排改進(jìn)效果評(píng)價(jià)，以及行業(yè)管理。

4 水泥生命周期分析系統(tǒng)及典型生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷分析改進(jìn)

4.1 水泥等基礎(chǔ)材料生命周期分析系統(tǒng)

針對(duì)不同材料進(jìn)行LCA分析和材料設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)，集成了適合各類材料、產(chǎn)品和服務(wù)的生命周期分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)中心數(shù)據(jù)的本地化數(shù)據(jù)、本地化LCA分析方法和中文界面。系統(tǒng)分為3大功能模塊:LCA實(shí)例、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理;LCA實(shí)例包括功能單元、流程建模、平衡計(jì)算和評(píng)估分析4個(gè)子模塊;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括單位、物質(zhì)流、形態(tài)和方法體系4個(gè)子模塊。

生命周期分析系統(tǒng)通過對(duì)用戶錄入的物質(zhì)流數(shù)據(jù)，按特定的形態(tài)將其展示在各個(gè)功能單元中，系統(tǒng)采取流程模型的方式把相關(guān)的功能單元組織在一起，實(shí)現(xiàn)以圖形界面的方式顯示物質(zhì)流的輸入輸出過程，并記錄下所有輸入輸出流的數(shù)量關(guān)系及換算系數(shù)，最后，對(duì)每個(gè)流程模型進(jìn)行平衡計(jì)算和估計(jì)分析，輸出有價(jià)值的數(shù)據(jù)，為實(shí)施工程提供可靠的決策參考依據(jù)。

4.2 典型水泥生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷辨識(shí)與節(jié)能減排改進(jìn)

4.2.1 水泥生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷分析

以北京琉璃河水泥廠新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)為例，進(jìn)行生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷分析。琉璃河水泥廠的主要產(chǎn)品是普通硅酸鹽水泥，計(jì)算中確定1 kg 42.5普通硅酸鹽水泥所具有的性能為1個(gè)功能單位。研究范圍包括原料開采、原料預(yù)均化、生料粉磨、生料均化、熟料煅燒、煤粉制備、水泥粉磨7個(gè)主要生產(chǎn)工序，并且考慮了與水泥生產(chǎn)相關(guān)的原料開采、電力生產(chǎn)和煤炭生產(chǎn)過程產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷。研究數(shù)據(jù)包括技術(shù)改造前的2004年和改造后的2006～2007年。單位水泥產(chǎn)品生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷特征化結(jié)果見表4。

表4 2004年單位水泥生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷表Table 4 Environmental load of cement manufacturing in 2004

4.2.2 環(huán)境負(fù)荷重點(diǎn)工序辨識(shí)及改造方案建議

熟料煅燒工序環(huán)境負(fù)荷最大，其環(huán)境負(fù)荷主要表現(xiàn)在不可再生資源消耗、溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)方面。造成熟料煅燒階段環(huán)境負(fù)荷嚴(yán)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(huán)境負(fù)荷主要表現(xiàn)為溫室效應(yīng)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(chǎn)需要燃煤，因此環(huán)境負(fù)荷的表現(xiàn)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(yīng)。該工序環(huán)境負(fù)荷產(chǎn)生的主要原因是礦山開采能耗。

提出如下節(jié)能改造方案建議:①利用工業(yè)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?qū)Σ豢稍偕Y源消耗和溫室效應(yīng)的環(huán)境影響;②提高系統(tǒng)熱效率，減少熱損失所導(dǎo)致的燃料消耗帶來的不可再生資源消耗和溫室效應(yīng)的環(huán)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(fā)電技術(shù)等);③改進(jìn)礦山開采技術(shù)、采用生料和水泥節(jié)能粉磨工藝，降低生產(chǎn)過程電力消耗。

4.2.3 技術(shù)改造方案實(shí)施案例

通過對(duì)鋼渣組成、結(jié)構(gòu)和性能的系統(tǒng)分析，確定了鋼渣用于水泥生料技術(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過研究初期2005年的5 000 t。

通過運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)熱工標(biāo)定結(jié)合計(jì)算機(jī)對(duì)窯系統(tǒng)反求工程計(jì)算，得到系統(tǒng)的分離效率、分解量分布、燃燒量分布等結(jié)果，從系統(tǒng)工程的角度對(duì)琉璃河水泥廠2 500 t/d熟料生產(chǎn)線的預(yù)熱器、分解爐和冷卻機(jī)各個(gè)單元系統(tǒng)及其相互間的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過對(duì)琉璃河水泥廠TSD預(yù)分解窯系統(tǒng)進(jìn)行反求計(jì)算和分析得知，各級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速相對(duì)較高，出口風(fēng)速很低，系統(tǒng)的預(yù)熱器尤其是一級(jí)筒的分離效率不夠理想，系統(tǒng)飛灰量大，出預(yù)熱器廢氣溫度過高，這是系統(tǒng)燒成熱耗偏高的重要原因，也是影響了系統(tǒng)熱效率發(fā)揮和能耗降低的主要問題。

為了優(yōu)化系統(tǒng)，在操作方面采取了:①合理分配窯內(nèi)通風(fēng)和三次風(fēng)的比例。兩者的分配是通過入分解爐三次風(fēng)閘板開度來進(jìn)行;②進(jìn)行篦冷機(jī)的合理操作。當(dāng)篦床上料層較厚時(shí)，應(yīng)加快篦床運(yùn)行速度，開大高壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)門，使進(jìn)入冷卻機(jī)的高溫熟料始終處于松動(dòng)狀態(tài)。并適當(dāng)關(guān)小中壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)門，以減少冷卻機(jī)的廢氣量;③窯頭煤與窯尾煤的比例。實(shí)踐證明，根據(jù)不同的產(chǎn)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(duì)水泥生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷分析基礎(chǔ)上，針對(duì)琉璃河水泥廠窯頭窯尾廢氣熱量損失較大的問題，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施了余熱發(fā)電改造，在琉璃河水泥廠2 500 t/d水泥窯生產(chǎn)線上，建成一條裝機(jī)6 MW發(fā)電機(jī)組的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了成功運(yùn)行。

計(jì)算出技術(shù)改造后單位功能水泥生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷清單、技術(shù)改造后水泥生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷影響，如表5所示。

表5 技術(shù)改造后2007年水泥生產(chǎn)過程的環(huán)境負(fù)荷Table 5 Environmental load of cement manufacturing in 2007 after technology improvement

4.3 指導(dǎo)水泥窯處置廢物技術(shù)研究與應(yīng)用

對(duì)處理廢棄物、部分代替水泥原燃料等不同情況的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)比較，水泥生產(chǎn)的總體環(huán)境負(fù)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(huán)境負(fù)荷較前兩種有所降低。指導(dǎo)了利用水泥窯焚燒處置廢棄物技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了年處理危險(xiǎn)廢物10 000 t/a、處置城市污泥16萬(wàn)t/a的目標(biāo)。

采用前述標(biāo)準(zhǔn)流程對(duì)照法、生命周期綜合環(huán)境負(fù)荷分析系統(tǒng)，分析北京地區(qū)和我國(guó)典型水泥企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷狀況，比較了不同規(guī)模、不同生產(chǎn)工藝水泥生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷;結(jié)合物質(zhì)流分析方法，解析北京地區(qū)水泥生產(chǎn)與應(yīng)用的環(huán)境負(fù)荷狀況，分析全國(guó)水泥行業(yè)環(huán)境負(fù)荷，應(yīng)用于水泥行業(yè)環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)與節(jié)能減排改進(jìn)。分析結(jié)果表明，全國(guó)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(chǎn)量18.7億t計(jì)算，如果將所有水泥生產(chǎn)的綜合能耗降至最低，可實(shí)現(xiàn)5 600萬(wàn)t標(biāo)煤/a的節(jié)能量;采用各種減排技術(shù)每年可減排CO2量1億t以上。

5 水泥基材料生態(tài)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與應(yīng)用

基于生態(tài)設(shè)計(jì)思想、采用全生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)方法，對(duì)水泥基材料綜合性能(使用性能、環(huán)境性能和成本)進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算硅酸鹽水泥熟料、硫鋁酸鹽水泥熟料單位功能環(huán)境負(fù)荷，根據(jù)工程使用要求，從生產(chǎn)成本和潛在環(huán)境影響的定量化評(píng)估出發(fā)，設(shè)計(jì)成本低、環(huán)境影響小、使用性能好的復(fù)合體系水泥基膠凝材料組成配比，以多相多組分復(fù)合實(shí)現(xiàn)低環(huán)境負(fù)荷。

5.1 綜合價(jià)值指標(biāo)判據(jù)與復(fù)合體系水泥生態(tài)設(shè)計(jì)軟件

提出了以性能/環(huán)境負(fù)荷比值作為水泥環(huán)境性能優(yōu)劣的判據(jù)，其判別依據(jù)為由成本、性能和環(huán)境影響三者形成的綜合價(jià)值指標(biāo):P/IC，其中P(Performance)為性能、C(Cost)為成本，I(Impact)為環(huán)境影響，綜合價(jià)值指標(biāo)的意義在于用較小的成本、較低的環(huán)境負(fù)荷獲得盡可能高的效能。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)水泥基膠凝材料多元復(fù)合的特點(diǎn)，建立了復(fù)合體系生態(tài)化設(shè)計(jì)理論，采用生命周期方法的指標(biāo)體系(CML、ECO-Indicator)數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算模型，結(jié)合我國(guó)水泥生產(chǎn)的實(shí)際情況與性能、環(huán)境影響和成本綜合考慮，開發(fā)出了“復(fù)合水泥生態(tài)設(shè)計(jì)軟件”。圖2所示為復(fù)合水泥綜合價(jià)值評(píng)估流程。

5.2 設(shè)計(jì)研制了硅酸鹽-硫鋁酸鹽復(fù)合體系水泥基灌漿材料

采用前述計(jì)算的中國(guó)本土特征化因子，計(jì)算出硅酸鹽水泥熟料、硫鋁酸鹽水泥熟料、礦渣、粉煤灰的環(huán)境影響值和不同組成復(fù)合體系水泥基材料的環(huán)境影響值。計(jì)算了復(fù)合體系水泥的性能與環(huán)境影響比值，分析比較單位環(huán)境影響使用性能，給出復(fù)合體系水泥基材料的綜合價(jià)值指標(biāo)P/IC，依照生態(tài)設(shè)計(jì)綜合價(jià)值指標(biāo)最大化原則確定優(yōu)化的配比。圖3為設(shè)計(jì)流程。

圖2 復(fù)合水泥綜合價(jià)值評(píng)估Fig.2 The comprehensive valuation for composite cement

設(shè)計(jì)的硅酸鹽－硫鋁酸鹽復(fù)合體系水泥基材料(優(yōu)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(fù)合水泥)，單位環(huán)境負(fù)荷的使用性能比硅酸鹽水泥提高10倍以上(表6)。

復(fù)合體系水泥新產(chǎn)品應(yīng)用于北京地鐵4號(hào)、10號(hào)線和京廣鐵路線等工程，解決了國(guó)家重點(diǎn)工程難題，成功實(shí)現(xiàn)了不同水泥體系間性能的互補(bǔ)和優(yōu)勢(shì)疊加效果，同時(shí)保證了低環(huán)境負(fù)荷。

圖3 復(fù)合水泥設(shè)計(jì)流程Fig.3 The flow of designing composite cement

表6 復(fù)合水泥的綜合性能測(cè)試結(jié)果Table 6 The testing results of comprehensive performance for composite cement

6 結(jié)語(yǔ)

水泥對(duì)資源、能源的依賴和對(duì)環(huán)境的污染，使其長(zhǎng)期位居節(jié)能減排重點(diǎn)行業(yè)。我國(guó)水泥工業(yè)經(jīng)歷了索取資源的經(jīng)驗(yàn)型、高效節(jié)能的集約型發(fā)展階段，開始進(jìn)入以環(huán)境友好為特征的生態(tài)型發(fā)展階段。以基于熱力學(xué)的水泥熱工理論為指導(dǎo)，解決了資源、能源有效利用的評(píng)價(jià)問題，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)由經(jīng)驗(yàn)型向集約型的轉(zhuǎn)變。生態(tài)型階段以環(huán)境友好為特征，涉及產(chǎn)品、流程、工序、設(shè)備等多層次的資源和能源消耗、環(huán)境污染、生產(chǎn)管理與質(zhì)量控制等多個(gè)因素，需要建立水泥生產(chǎn)綜合環(huán)境負(fù)荷定量分析和評(píng)價(jià)的新理論和新方法，指導(dǎo)水泥工業(yè)向生態(tài)型發(fā)展。生命周期評(píng)價(jià)方法，不僅可以定量計(jì)算出資源、能源等單項(xiàng)環(huán)境負(fù)荷變化情況，還可以從大系統(tǒng)的角度定量計(jì)算出包括資源、能源消耗與污染排放在內(nèi)的綜合環(huán)境負(fù)荷變化結(jié)果，避免了孤立研究資源、能源及污染排放的弊病，能夠科學(xué)地系統(tǒng)地指導(dǎo)生產(chǎn)過程節(jié)能減排綜合改造，引領(lǐng)水泥產(chǎn)業(yè)升級(jí)和行業(yè)技術(shù)進(jìn)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(dǎo)師