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1、水泥生产中以减少CO2排放为主的LCA评价摘要：摘 要 二氧化碳等气体产生的 “温室效应”，造成气候变暖和海平面上升，已对人类、生态系统、农业、水资源等造成并将继续产生不利的影响。研究低排放水泥和综合降低水泥生产中碳排放技术是水泥工业可持续发展的重要课题。本文对水泥工业碳排放的来源进行了分析，利用LCA对水泥产中的碳排放量进行了评估，对排放的计算范围和方法进行了研究和定量化探讨，并对各种减排方法效果进行了分析比较。关键词：关键词 水泥生产； 二氧化碳排放； LCA评价我国是世界上水泥产量第一大国，2010年产量达到18.68亿t，伴随水泥工业生产需要消耗大量的石灰石、燃煤及电能，因此水泥工业是
2、典型的碳排放大户，每烧制1 t水泥熟料大约要排放1t CO2。据统计，水泥生产过程的CO2排放约占全国CO2排放总量的18%-22%。与电力、钢铁等重工业部门相比，水泥工业温室气体排放的一个显著特点是其不仅要排放燃料燃烧产生的CO2，更为突出的是其还要排放主要原料成分碳酸盐分解所产生的大量CO2。由于碳排放对环境具有严重的破坏作用，因此，国家已将节能减排作为可持续发展的重大战略措施进行推进。生命周期评价（LCA）是一种可用于定量评价材料环境协调性的方法，通过对材料整个生命过程的系统研究，着重处理其对环境影响起决定作用的因素，最终实现材料使用性能和环境协调性的和谐统一。本文试图借助LCA理论重点
3、探讨水泥生产过程对环境影响突出的碳排放问题，对其进行最优环境适应性评估，并结合具体生产工艺方法阐明水泥生产过程中CO2减排的相应途径。一、LCA生命周期评价的主要概念1LCA概述。根据国际标准化组织（ISO）和国际环境毒理学与化学学会(SETAC)的解释，生命周期评价（Life Cycle Assessment 简写 LCA)是一种对产品、工艺或活动的客观评价过程，从原材料采集到产品生产、运输、销售、使用、回用和最终处置的全寿命周期阶段中的环境影响程度的认证。通过识别、量化产品整个生命周期的能流、物流及污染物排放，评价其对环境的潜在影响，并通过分析研究，寻求改善环境的机会的过程和方法。其主要优
4、势在于可以量化一个系统的原料与能源效率，确定污染影响在操作过程中的转移，并据此提出提升建议。LCA侧重研究系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的环境影响。国际环境毒理学与化学学会(SETAC)将生命周期评价分为4个相互影响和互为关联的部分，如图1所示。图1SETAC生命周期评价体系表征LCA标准方法的国际标准群（ISO14040:1997、ISO14041:1998、ISO14042:1999和ISO14043: 2000）框架则进一步细化了LCA评价方法的步骤，使开展生命周期评价研究与实践应用更具可操作性。如图2 所示。相对于传统的末端治理方式，LCA最大的特点就是从预防的角度对产品的整
5、个生产过程进行适时控制，即从产品设计之初，到生产实践的每个环节，通过强化管理和技术进步，全程实施节能减排。因此，LCA模式是现代企业可持续发展的正确生产方式。 图2 ISO14040生命周期评价体系2 LCA评估的总体方法。LCA 分析主要包括研究目标和范围的确定，清单分析，影响评价，释义与改进分析。2.1目标与范围确定。目标即清楚地说明开展具体LCA的原因和预计获得的结果方向，研究结果的可能应用领域。研究范围的确定应包括定义所研究的系统，确定系统边界，数据要求，假设，局限性及原始数据的质量要求等。2.2 数据清单分析。数据清单分析为数据的收集和对系统进行定量的计算程序。包括研究对象在整个生命
6、周期内能量、资源使用量和对象系统向空气、水、土壤的排放，经客观量化形成随后进行释义的客观数据基础。2.3影响评估。影响评估是指应用LCA数据清单定量分析评估对象潜在的环境影响。由于对环境影响评价的方法和科学基准体系正处于快速发展中。因而，所选择的评估方法应有良好的透明度，以保证所使用的假设得到清晰的描述和报告。2.4 释义与改进分析。释义是将之前研究所得结果，与研究目的、范围综合分析得出结论和建议的过程。通过释义和改进分析，系统评估在产品、工艺等环节在整个生命周期内对原材料、能源及环境影响的消减可能，确定定量和定性的改进措施。二、水泥工业中CO2排放的LCA分析根据上述LCA评估的相应步骤，结
7、合水泥生产中产生和排放CO2的具体情况，进行相应的分析探讨：首先，确定和量化与水泥生产相关的CO2排放；其次，分析CO2排放所造成的环境负荷影响；最后，辨析和评估相应的改善环境的机会。具体来讲，即对生产中直接排放的CO2范围界定后，选择合适的量化研究方法，对水泥生产工艺及设备、原料消费结构、产品结构、燃料消耗、电力消耗等方面综合考虑，得到相应的评估结论和计算公式，最终提出改善水泥生产环境表现的时机与途径。1水泥生产工艺中CO2排放的主要来源。水泥生产及使用的系统内部流程如图1所示：图1 水泥生产及使用系统内部流程图水泥生产过程中CO2的来源有如下几类：1.1燃料部分：主要有两种类型：其一是化石
8、燃料，包括煤、焦碳、燃油和天然气等；其二是可替代燃料(简称AF)，主要来源于有关废弃物。1.2 原料部分：亦有两种类型：其一是原料煅烧时排放的CO2，主要为原料中碳酸盐(如碳酸钙和碳酸镁)分解释放的CO2；其二是原料中有机碳排放的CO2，总有机碳(简称TOC)含量随原料类型而变化，约为0.1-0.3(干基)，相当于每t熟料排放l0kg CO2，约占熟料烧成过程中CO2排放量的1。1.3 其它部分：为非烧成过程排放的CO2。主要包括热处理设备(如烘干机)、自备发电、交通工具、室内供热等使用的燃料。另外，设备运转也会间接造成CO2的排放。水泥生产过程中不同项目的CO2排放系数如表2.1所示。从相关
9、CO2排放系数情况可知，水泥生产过程CO2的排放总体上是由熟料的煅烧过程所决定的。表2.1 水泥生产过程中CO2排放系数项目CO2排放系数燃料的燃烧0.2627原料中碳酸盐的分解0.5893原料中有机碳的燃烧0.0134其他0.13462熟料煅烧过程与CO2排放相关的LCA分析。由于水泥生产系统十分复杂，且工艺过程中CO2排放源很多，但起决定影响的环节则是熟料的煅烧工艺过程。故以下重点针对不同水泥窑型结构及其不同生产规模两个方面加以探讨。2.1不同规模预分解窑的CO2排放分析。不同规模预分解窑的CO2排放情况分别见表2.2和图2.3。表2.2不同规模预分解窑的CO2排放比较名称700900(t
10、d)10001800(td)2000-4500(td)5000-8000(td)10000(td)烧成热耗(kJkg)37623636340032002970烧成用煤（t/tCli)0.1640.1610.1480.1390.129CO2排放(ttCli)03900383035203310307图2.3不同规模预分解窑的CO2排放比较由表2.2和图2.3的结果分析，说明不同规模预分解窑的CO2排放量差异也比较明显。分析其具体的原因主要在于，随着窑系统规格增大，由于规模效应，其单位面积、单位容积的熟料产量增加，会使相应的单位能耗指标降低，诸如系统表面散热损失等更小；同时，窑系统规格越小，其运行稳
11、定性越差，较高的事故率亦会导致相应的能耗指标增大，从而使总的CO2排放量的相应增加。 2.3 水泥生产过程CO2排放的环境影响变化分析.采取CO2产生的温室效应量化方法对水泥生产过程造成的环境影响变化进行分析。对于CO2产生不同程度的温室效应以温室效应系数来表征，可用如下公式量化计算。，其中：温室效应系数，KgCO2，第i种物质所占有的量，Kg，第i种物质的温室效应指数，KgCO2如前所述，虽然熟料煅烧过程是CO2排放的主要环节，但是水泥才是最终的产品，而且不同水泥品种还会对CO2排放产生明显的影响。研究表明，每t硅酸盐水泥和复合水泥生命周期的温室效应系数分别为1.45t和1.21t，表明通过
12、开发复合水泥技术能显著降低CO2的不利影响。3. 辨析和评估改善水泥生产碳排放的可行性由上述LCA研究可知，水泥的生产过程是一个消耗大量资源、能源，产生严重环境负荷的过程。根据材料的环境协调性评价方法（MLCA），在水泥生产过程中我们应重点对CO2引起的环境问题进行全面考量，从预防角度尽量减少其造成的环境负担。具体而言，可以采取的措施主要为：首先，优先选用先进的煅烧工艺和适宜的生产规模，大幅提高燃料利用效率，降低熟料烧成和水泥制备能耗，使CO2排放量大幅减少；其次，加强水泥原料资源的开发，进一步加大可替代钙质原料的利用率，减少石灰石的消耗；同时进一步加强铝酸盐、硫铝酸盐等低钙型水泥体系的研发，
13、以减少CO2的产生；此外，还可结合不同的使用功能和环境，加强诸如碱激发水泥、石膏矿渣水泥、活性氧化镁水泥等非烧结型水泥品种，也是减少CO2排放的有效途径。三、结语通过以上LCA评价探讨，针对水泥生产过程碳排放的环境影响问题可以明确认识到：（1）LCA方法是对产品系统在整个寿命周期中的（能量和物质的）输入输出和潜在的环境影响的汇总和评估。利用这一方法，可对水泥生产中CO2排放对环境的影响做出定性和定量的分析评价，确定其关键的影响环节。（2）通过LCA分析评估，充分表明选用先进的煅烧工艺和适宜的生产规模，开发新的水泥原料资源以及新的水泥产品体系，是水泥生产减少CO2排放，降低温室效应以改善其对环境不利的影响主要途径。（3）由LCA评估所得的结论对促进我国水泥工业节能减排和技术进步及可持续发展具有明显的实用价值。参考文献【1】王天民，生态环境材料天津大学出版社200212【2】肖定全，王洪涛等关于环境协调性评估若干问题的思考兰州大学学报1996，32：22【3】蒋尔忠，崔源声面向可持续发展的水泥工业化学工业出版社2004(2)：4【4】朱松丽水泥行业的温室气体排放及减排措施浅析中国能源2000(7)：12-16 【5】何宏涛，袁文献水泥生产中减排二氧化碳措施和效果分析中国水泥2005，(3)：4749