基于物质流分析的再生水泥环境负荷研究

基于物质流分析的再生水泥环境负荷研究

钢铁工业和水泥工业作为经济发展的支柱和支柱，具有高资源消耗、高能源消耗和高污染排放等特点。由于工业和贸易的关注，环境协调重建越来越受到重视。另一方面,钢铁工业固废含有大量可回收的金属和石灰石等原生矿物,再生利用潜能大、价值高,其成分与制备水泥的基料相似,可替代水泥工业的部分生产原料。因此,钢铁工业固废资源化再生利用于水泥生产中可以节约资源投入,是城市推进循环经济、实现可持续发展的重要切入点。“十二五”工作目标继续以推动废物资源化领域研究成果向产业化方向转化为主题,这就要求产业化阶段关注层面不仅仅停留在废物消纳量,更要升级到关注其降耗、节能、减排的贡献强度。这是因为以废物替代部分生产原料的资源循环利用一方面减少了资源使用量和废物处理量,从而减少对自然生态系统的干扰和破坏。另一方面,废物再循环因生产原料中引入废物也非常有可能增加某些环境干扰,导致二次污染。因此,废物再循环是否能如人们所期望的有效降低生产的环境负荷必须依靠科学研究结果进行论证。然而,现行工业固废资源化研究领域与成果中,缺失科学、系统、权威的废物资源化降耗、节能、减排的量化分析与评价结果。生命周期评价理论和方法是一种环境协调性评价的工具,被广泛应用于产品在生产、使用、循环利用、最终处置等阶段的物耗、能耗和环境影响分析,鲜见在固体废物资源化中引入生命周期评价的研究成果。本文以钢铁工业固废生产再生水泥(钢铁工业固废作为水泥生产替代原料生产出的水泥产品)为例,利用物质流分析方法对原生水泥与再生水泥生产过程中的物质代谢和环境负荷进行定量评价,在固体废物资源化中引入LCA,对资源化利用过程进行监督,旨在揭示废物资源化综合利用过程中对降耗与减排的贡献及其对发展循环经济具有的重大现实意义,更为废物管理的可持续性提供有力工具与参考价值。1研究范围和方法1.1水泥工业排放本文主要考察生产工艺相似条件下,原生水泥的制造与再生水泥生产过程中的物质流量变化以及环境排放差异。目前,我国水泥生产中存在立窑和新型干法窑两种主要工艺。据国家发展改革委员会公布的《水泥工业产业发展政策》,2010年我国新型干法窑水泥所占比例为70%。分析我国近几年的水泥产品,95%是通用水泥,特种水泥只占5%,所以本文以单位通用水泥为研究对象。综上,本研究仅限于采用新型干法窑工艺下生产原生水泥与再生水泥的过程内,分别以生产1t原生水泥和1t再生水泥为功能单位比较物质消耗和环境排放情况。研究的地理范围为山东地区,系统边界是水泥生产所涉及到的全部直接过程,所有关于原料开采、加工、能源生产以及生产设备、运输、销售和使用阶段等辅助环节的资源、能源消耗和环境排放均暂不考虑。1.2环境分析的发展方向物质流分析(MaterialFlowAnalysis,简称MFA)是针对社会经济系统的物质投入与产出进行量化分析,以便找出经济系统中物质流动与环境问题之间的关联,从而为解决这些问题提供定量的研究依据。它的基本观点是人类活动所产生的环境影响很大程度上取决于进入经济系统的自然资源和物质的数量与质量,以及从经济系统排入自然环境的废物质的数量和质量。前者对自然环境产生扰动,引起环境功能退化;后者则引起环境污染。目前,物质流分析在国家与区域系统层次上主要侧重研究整个国家或区域经济社会系统的物质通量;而在部门或产业层次上研究得很少,多数是将部门或产业层次与产品层次的物质流分析相结合,沿产品链对物能代谢与环境影响状况进行研究;在企业或产品层次上的研究多与生命周期评价方法相结合,针对产品全生命过程各个环节的物耗、能耗以及环境影响进行定量描述与分析评价,很少用于固体废物资源化生产再生产品过程中资源消耗与环境影响的定性分析与定量评价。生命周期评价LCA(LifeCycleAssessment)是通过定量化研究能量和物质利用及废物的环境排放来评估一种产品、工序或生产活动所造成环境负载的技术,主要用于评价能源资源利用和废物排放的影响以及评价环境改善的方法。早期LCA研究主要采用能源分析方法,主要用于指导企业产品的开发和管理的决策支持工具。如今,LCA己发展成为一种产品环境特征分析和决策工具,不仅应用于技术科学和自然科学,而且也广泛应用于社会科学、经济科学、管理科学和国际关系学等领域,被认为是一种全新的、21世纪最具潜力的、适应可持续发展战略要求的环境管理工具。然而,对固体废物资源化而言,LCA还是一个尚未接触和有待发展的方法。为促进资源的循环利用和可持续经济发展,在固体废物资源化中引入LCA方法非常必要。2数据收集和计算方法2.1年生产品占全国的1/3%山东省水泥工业在全国占有重要地位,连续十几年处于全国第1位,每年水泥产品占全国的11%～13%,成为名副其实的水泥大省。因此,本文数据主要来自山东省代表平均生产水平的典型水泥企业的生产数据及地方环保部门监测数据。2.2校正材料和混合材料原生水泥生产过程中直接投入的物质包括石灰石、粘土、铁质校正材料、石膏和混合材料等;再生水泥生产过程中直接投入的物质包括石灰石、粘土、铁质校正材料、石膏、混合材料和钢铁工业固废等。2.3煤耗及水泥供热水泥生产过程消耗的能源主要是煤和电。煤主要消耗在水泥烧成阶段的供热环节;电力主要来自火力发电。单位水泥生产总能耗是煤耗与电耗的标准煤单位之和。煤耗按照低位发热值转换成标准煤耗量,电的折标煤按等价值。折算标准煤相关系数计算见公式(1)和公式(2)。2.4co排放量的计算水泥行业对环境的影响主要表现在对大气环境的污染。其中,粉尘和烟尘是主要的大气污染物,此外,还包括二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)和氮氧化物(NOx)。环保部门监测数据只有粉尘、烟尘、SO2和NOx;CO2排放量一般不做检测,根据其产生来源,按公式(3)～(6)推理计算获得。水泥生产过程中释放出的CO2主要产生于燃煤及水泥生产原料石灰石的分解。式中:E为水泥生产过程中CO2排放量(kg);E1为燃煤过程中CO2排放量(kg);E2为水泥生产原料石灰石分解产生的CO2排放量(kg)。E2可根据碳酸钙分解平衡方程式(5)计算,假设1kg石灰石中CaO含量按50%计算,得出CO2排放量估算公式为(6)。3结果与分析3.1再生水泥的物能代谢特性根据研究目的和水泥生产过程的具体情况,选择山东省代表平均生产水平的典型水泥企业进行实际调研和数据收集,进而计算出原生水泥和再生水泥各项物能代谢相对于功能单位水泥产量的比例系数(表1)。研究结果表明,生产1t原生水泥需要的直接物质投入是1.637t;消耗原煤0.086t,消耗电力0.067t。利用钢铁工业固废制造功能单位再生水泥,可减少资源投入0.16t;减少能源消耗0.036t;环境排放SO2减排0.0002t;粉尘减排0.001t;烟尘减排0.00012t;NOx减排0.00034t;CO2减排0.231t。3.2环境分析与结果解释3.2.1环境影响类别水泥工业对环境的污染主要表现在大气环境污染。主要因子是粉尘、烟尘、CO2、SO2和NOx。根据水泥生产过程中环境负荷的自身特点,将其产生的环境影响分为以下5种类型:不可再生资源消耗(ADP)、温室效应(GWP)、环境酸化(AP)、人体健康损害(HT)和光化学烟雾(POCP)。环境影响类别划分的目的在于对数据进行整理,将其中各环境负荷项目的损害尽可能地归入已确定的各个环境影响类别。根据上述类型的选择及水泥生产中能源、资源、废物排放的具体类型,环境负荷项目具体分类结果如表2所示。由表2可知,SO2和NOx同时涉及多项环境影响类别,这就需要考虑并联和串联下分配因子的计算。根据环境影响类别各自的作用机理,SO2既能造成酸化效应,也能对人体健康造成危害。但SO2在造成酸化的过程中会被氧化发生化学性质的变化,不会继续对人体健康造成影响。因此,SO2对酸化和人体健康的影响是并联关系,按各取其半分配,分配因子均为0.5。NOx可以同时对酸化和光化学烟雾2种环境影响类型产生影响,不必将其在2种影响类型中再次分配,属于串联关系;同时这两者又与人体健康损害形成并联关系,NOx在3种类型的分配因子为0.5。3.2.2国内耗竭性特征化因子的初步筛选特征化主要考虑的问题是谁对影响有贡献。为对所确定的环境影响类型各项数据进行量化分析,使数据之间具有可比性,必须对数据进行特征化处理。根据狄向华关于我国耗竭性特征化因子研究结果并结合3.2.1分配因子,得到水泥生产生命周期特征化因子,如表3所示。根据表1数据和表3特征化因子,可以获得水泥生产生命周期特征化结果(表4)。需要注意的是,表1显示的是原煤代谢系数以标煤为单位,而表3列出的是原煤的特征化因子,所以进行特征化计算时应根据公式(1)先进行数据转换处理。3.2.3各类别环境协调性的研究归一化的目的是确定不同影响类型的贡献大小,即确定权重以便得到一个数字化的可供比较的单一指标。经过归一化后的各种环境影响类别在量纲和参照标准上保持了一致,在理论上可以进行相加求和,从而确定整体环境协调性。不可再生资源消耗采用狄向华计算的我国归一化基准值,环境排放的归一化基准采用全球范围内各个影响类型的环境排放总量,如表5所示。根据表5,归一化结果如表6所示。将表6单位功能原生水泥和再生水泥的归一化结果用柱状图(图1)表示,可以看出两者的环境负荷差异。3.2.4环境效应的影响从表6可以明显看出,在整个水泥生产的生命周期中,单位功能原生水泥生产过程中各种环境影响类别的环境负荷都高于单位功能再生水泥生产时的环境负荷。其中,不可再生资源消耗相差1.86E-16;温室效应相差5.9E-15;酸化效应相差7.4E-16;人体健康损害相差2.47E-17;光化学烟雾相差7.5E-17;总体环境负荷差值为6.93E-15。这说明替代原料的生产工艺可以明显的降低水泥生产的总体环境负荷。同时,归一化结果还显示了水泥生产生命周期中的各环境负荷相对于全球范围内环境负荷的比例关系。图1显示,温室效应的相对影响最重,酸化效应次之,第三是不可再生资源消耗,光化学烟雾和人体健康损害在水泥生产过程中的影响都相对较小。从表6可以看出,水泥生产过程中,单位功能原生水泥的温室效应相对于世界CO2排放总量的比例是1.70E-14,是不可再生资源消耗的36倍,是酸化效应的6倍,人类健康损害的219倍,光化学烟雾的53倍。在单位功能再生水泥生产过程中,温室效应对世界环境的影响也是影响最重的类型,相对于世界CO2排放总量的比例是1.11E-14,是不可再生资源消耗的39倍,是酸化效应影响的6倍,人类健康损害的209倍,光化学烟雾的45倍。4环境负荷的测定方法综上所述,在整个水泥生产的生命周期中CO2排放量急需控制。由CO2产生机理可知,其主要来源之一是水泥生产中石灰石的分解,所以减少熟料的用量是控制CO2排放量的主要途径。因此钢铁工业固废替代部分石灰石生产水泥是减小水泥生产环境负荷的重要途径。在固体废物资源化过程中引入LCA工具,可以将生产过程中产生的环境影响负荷定量化,识别产生环境影响的关键原因,有效促进废物的资源化和再利用,从而在一定程