利用生命周期評價法評價農(nóng)作物秸稈人造板的環(huán)境特性

李曉平，周定國，于艷春

（1.西南林學(xué)院 木質(zhì)科學(xué)與裝飾工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.南京林業(yè)大學(xué) 木材工業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

中國是一個森林資源嚴(yán)重缺乏的國家［1］。利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板是緩解中國木材資源供應(yīng)不足的可行途徑。開發(fā)秸稈人造板的研究受到了政府、科研機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位和科研工作者的重視和關(guān)注［2］，目前，在中國已建成稻麥草秸稈板生產(chǎn)線 40萬m3·a－1［3］。人們了解得比較多的就是在某些農(nóng)作物秸稈人造板生產(chǎn)中使用異氰酸酯膠黏劑，該板材在使用過程中是環(huán)保的，但還沒有一個對農(nóng)作物秸稈的整體環(huán)境特性進(jìn)行綜合評價的體系。筆者首次利用生命周期評價法（LCA，life cycle assessment）對農(nóng)作物秸稈的環(huán)境特性進(jìn)行定性評價，并與木質(zhì)人造板的環(huán)境特性進(jìn)行比較，以分析利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板對環(huán)境造成的影響和相對木質(zhì)人造板的環(huán)境特性存在的優(yōu)勢和不足。

1 生命周期評價法的內(nèi)涵和應(yīng)用現(xiàn)狀

生命周期評價法是研究從原材料獲得到生產(chǎn)、使用和報廢處置等整個產(chǎn)品生命期對所可能涉及的環(huán)境潛在影響的方法，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代末70年代初的美國。1997年，ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)在《環(huán)境管理-生命周期評價-原則與框架》中規(guī)定，生命周期評價法分析必須包括目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、影響評價和改善評價等4個相關(guān)的步聚［4－5］。

目前，生命周期評價法作為一種環(huán)境管理工具已普遍被用于評價建筑材料、包裝材料、金屬材料、燃料、紡織材料和水環(huán)境等的環(huán)境特性研究和管理［6－12］。但將生命周期評價法用于木質(zhì)材料（包括人造板和木材）方面的研究還較少，目前只能查閱到少量的文獻(xiàn)資料。Takuyuki等［13］利用生命周期評價法對森林砍伐剩余物用作能源的碳平衡和能源平衡進(jìn)行了研究。孫啟祥［14］從生命周期的角度分析了木材的環(huán)境友好性。薛擁軍等［15］以中密度纖維板為研究對象，采用生命周期評價法，分析了中國現(xiàn)階段中纖板生產(chǎn)和使用過程的資源利用、能源消耗、污染物的產(chǎn)生和廢棄物的利用等因素對環(huán)境的影響。而對農(nóng)作物秸稈人造板進(jìn)行全生命周期評價的研究現(xiàn)在還沒有。

2 對秸稈人造板的環(huán)境特性進(jìn)行評價

2.1 目標(biāo)與研究范圍確定

主要對農(nóng)作物秸稈人造板在生產(chǎn)和使用過程中可能對環(huán)境造成的影響進(jìn)行分析評價。通過生命周期清單分析來識別和評價秸稈人造板在整個生命周期中存在的主要環(huán)境影響。該板材的整個生命周期主要包括生產(chǎn)線建設(shè)、生產(chǎn)加工、銷售（包括包裝與運(yùn)輸）、使用和廢棄后處理等5個主要階段，其中每一階段包括不同的工藝過程，如生產(chǎn)加工主要包括原料收購、原料單元加工、篩選和干燥、施膠、鋪裝和預(yù)壓、熱壓成型、冷卻、調(diào)質(zhì)處理和砂光處理等9個工藝過程。確定了生命周期后，再確定系統(tǒng)邊界，標(biāo)注系統(tǒng)的輸入和輸出，其生命周期系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 秸稈人造板生命周期系統(tǒng)Figure 1 The life cycle of the crop stalks based board

2.2 秸稈人造板的清單分析

根據(jù)生命周期清單分析的思想，對秸稈人造板和木質(zhì)人造板的生命周期各階段與環(huán)境影響有關(guān)的信息進(jìn)行收集和分析，得到清單（表1）；由于人造板的種類較多，板種不同會對環(huán)境造成不同的影響，具體的生命周期也不同。這是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為了將復(fù)雜問題進(jìn)行簡化，筆者只列出了人造板生命周期中的定性清單?；旧现伙@示出了人造板生產(chǎn)過程中能量、物質(zhì)的輸入流和輸出流，而對于人造板各個環(huán)節(jié)的能量、物質(zhì)輸入流和輸出流有待進(jìn)一步研究和探討。通過這個清單可以了解利用木材和農(nóng)作物秸稈制造人造板對環(huán)境可造成的負(fù)面影響，并分析利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板相對于利用木質(zhì)材料生產(chǎn)人造板有可能產(chǎn)生的積極因素和負(fù)面影響。

2.3 影響評價

從表1可得，在人造板生產(chǎn)的各個階段都會對環(huán)境造成不同的影響。下面將具體分析在人造板的整個生命周期中各項資源的投入和造成的影響狀況，比較各項資源投入在秸稈人造板和木質(zhì)人造板生產(chǎn)過程中的差異性和優(yōu)劣性。資源投入包括土地、鋼材、混凝土、玻璃、纖維材料、化工材料、化石能源、人力、電力和水資源等。

2.3.1 土地投入 在人造板的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線的建設(shè)和纖維原料的生產(chǎn)都需要占用土地資源。農(nóng)作物秸稈人造板與木質(zhì)人造板不同之處在于，農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物的廢棄物，可以認(rèn)為農(nóng)作物秸稈人造板只有在生產(chǎn)線建設(shè)時才會占用土地，而木質(zhì)人造板在原料生產(chǎn)即木材生長時和廠房建設(shè)時都會占用土地。利用 “農(nóng)民-經(jīng)紀(jì)人-企業(yè)”三位一體的原料收集模式，可以很好地解決農(nóng)作物秸稈結(jié)構(gòu)蓬松，堆積密度小，季節(jié)性等問題。一方面，相對木質(zhì)人造板，在農(nóng)作物秸稈人造板生產(chǎn)時就需要較大的原料堆場；另一方面，利用2 hm2農(nóng)地生產(chǎn)的稻麥草來制造的人造板就相當(dāng)于1 hm2林地生產(chǎn)的木材制造的人造板數(shù)量，而利用1 hm2農(nóng)地蓖麻Ricinus communis稈生產(chǎn)的人造板就相當(dāng)于1 hm2林地生產(chǎn)的木材制造的人造板數(shù)量。可見，盡管利用農(nóng)作物生產(chǎn)人造板需要較大的原料堆場，但同時也可以節(jié)約數(shù)量相當(dāng)可觀的林地面積即減少了植樹造林所需要的土地面積。利用667 hm2農(nóng)地的農(nóng)作物秸稈，就可以節(jié)約林地面積即土地面積333～667 hm2，相對而言農(nóng)作物秸稈人造板在生產(chǎn)線建設(shè)期間占用的土地面積可以忽略不計。

2.3.2 鋼材、混凝土、玻璃 人造板生產(chǎn)中所需要的鋼材主要集中在廠房建設(shè)、設(shè)備制造方面；而所需要的混凝土和玻璃主要集中于人造板的廠房建設(shè)階段；制造這些材料需要消耗能量，并向外界排放二氧化碳和二氧化硫等空氣污染物。但廠房的建造和人造板設(shè)備的制造（在生產(chǎn)線規(guī)模在一定的范圍內(nèi)時），主要取決于生產(chǎn)線的產(chǎn)量大小，設(shè)計者的實際經(jīng)驗和水平，而與原料種類關(guān)系不明顯。鑒于中國目前的人造板生產(chǎn)現(xiàn)狀，可以認(rèn)為，農(nóng)作物秸稈人造板和木質(zhì)人造板在鋼材、混凝土和玻璃等材料的消耗上沒有明顯差異。

2.3.3 纖維原料 纖維原料是人造板生產(chǎn)的主要原料，包括農(nóng)作物秸稈和木質(zhì)材料。農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物的廢棄物，由于人們生活水平的提高，目前農(nóng)民通常將農(nóng)作物秸稈就地焚燒，焚燒1 t的農(nóng)作物秸稈就可向大氣中排放二氧化碳1.6 t，吸收氧氣1.2 t［14］，同時還產(chǎn)生粉塵和煙塵等污染物，既污染環(huán)境又影響交通。如果利用這1 t的農(nóng)作物秸稈來生產(chǎn)人造板，就可以儲存二氧化碳1.6 t，同時節(jié)約氧氣1.2 t。與此同時，如果這1 t的農(nóng)作物秸稈是稻麥草，則可以節(jié)約林地0.067 hm2，如果是蓖麻稈則可以節(jié)約林地 0.093 hm2。0.067 hm2林地可以吸收二氧化碳 1.06 t·a－1，釋放氧氣 0.8 t·a－1?？梢?，利用1 t的農(nóng)作物秸稈來制造人造板，可以減少空氣中二氧化碳2.66～3.08 t，增加氧氣2.00～2.32 t，也就相當(dāng)于增加造林0.017～0.193 hm2?？梢?，利用農(nóng)作物秸稈來生產(chǎn)人造板在減少溫室效應(yīng)，保護(hù)生態(tài)方面具有非常積極的作用。但是，在人造板的生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生邊角料、粉塵等固體廢棄物，既浪費(fèi)了資源、增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本又造成了環(huán)境污染。

2.3.4 化工原料 化工原料主要來源于人造板所使用的膠黏劑方面。目前，農(nóng)作物秸稈人造板與木質(zhì)人造板差異最大的地方在于：農(nóng)作物秸稈人造板使用異氰酸酯或脲醛樹脂膠黏劑，因農(nóng)作物秸稈種類和秸稈人造板板種的不同而不同；木質(zhì)人造板主要使用脲醛樹脂膠黏劑。由于膠黏劑不同，導(dǎo)致了有機(jī)揮發(fā)物的差異；異氰酸酯膠黏劑的揮發(fā)物為異氰酸酯，劇毒，可對操作工人的身體造成嚴(yán)重?fù)p害，但在產(chǎn)品的使用過程中為綠色產(chǎn)品，不對人體造成任何傷害。而脲醛樹脂膠的主要揮發(fā)物為甲醛，在板材的生產(chǎn)和使用過程中都會不斷地?fù)]發(fā)出來，對人體健康造成不利影響。

2.3.5 化石能源消耗 包括石油、天然氣和煤，主要集中在原料運(yùn)輸、產(chǎn)品生產(chǎn)和運(yùn)輸階段。隨著能源的消耗也伴隨著空氣污染物（二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物），熱污染和固體污染物（灰渣、煙塵）的排放。石油資源的消耗主要集中于原料、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品的運(yùn)輸方面，原料運(yùn)輸主要取決于原料的運(yùn)輸半徑，生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品運(yùn)輸主要取決于生產(chǎn)線廠址的選擇、經(jīng)營者的水平和人造板的需求狀況?？梢哉J(rèn)為農(nóng)作物秸稈人造板和木質(zhì)人造板的生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)陌霃绞窍嗤摹Ｔ谑拖牡牟町惙矫?，主要取決于原料的運(yùn)輸半徑。農(nóng)作物秸稈雖然結(jié)構(gòu)蓬松，但分布較普遍，比如一條年產(chǎn)5萬m3的稻草人造板生產(chǎn)線，在稻草資源豐富地區(qū)的收購半徑只需要30～50 km即可，而一條年產(chǎn)10萬m3的木質(zhì)中密度纖維板生產(chǎn)線的的原料運(yùn)輸距離可達(dá)100 km［15］?？梢姡谠线\(yùn)輸半徑上木質(zhì)人造

板并不占有優(yōu)勢。天然氣和煤的消耗主要集中于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，包括原料的制備、干燥和熱壓等工藝，在一定的條件下對于能源的消耗主要取決于人造板的制造工藝和經(jīng)營者的管理水平，受原料種類的影響不大，可認(rèn)為農(nóng)作物秸稈人造板與木質(zhì)人造板在消耗煤和天然氣方面差異不明顯。另外，石油、天然氣和煤的燃燒會造成灰渣和煙塵等固體污染物，但由于農(nóng)作物秸稈人造板和木質(zhì)人造板對這些材料的消耗無明顯差異，可認(rèn)為由該材料的使用造成的環(huán)境污染也不明顯。

表1 人造板生命周期清單的定性分析Table 1 Qualitative analysis of life cycle listing on the man-made board

2.3.6 人力 在人造板的生產(chǎn)線建設(shè)、原料收集、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售以及產(chǎn)品的后處理等各個階段均有投入。由于農(nóng)作物秸稈的季節(jié)性和堆積密度小等特點(diǎn)，相對于木質(zhì)人造板，單位產(chǎn)品消耗的人力資源較大。但結(jié)合中國的人力資源現(xiàn)狀，人力資源消耗大更利于解決中國的人口就業(yè)問題，所以在此方面利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板并不會產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.3.7 電力 分布于人造板的生產(chǎn)線建設(shè)和產(chǎn)品生產(chǎn)階段。在生產(chǎn)線建設(shè)階段，主要取決于外部環(huán)境，包括場地選擇、工人的操作熟練程度和管理者的水平，與原料種類的關(guān)系不大，可認(rèn)為農(nóng)作物秸稈與木質(zhì)人造板消耗的電能是相同的。在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，消耗電能的環(huán)節(jié)常因板種的不同而不同，而農(nóng)作物秸稈相對木質(zhì)材料而言，質(zhì)地較軟，結(jié)構(gòu)蓬松，更易于進(jìn)行切削、熱磨和干燥等，與木質(zhì)人造板相比不存在明顯的劣勢。

2.3.8 水資源 水資源的消耗同樣會因板種的不同而產(chǎn)生差異，在刨花板生產(chǎn)過程中主要集中于膠黏劑的生產(chǎn)階段，而在中密度纖維板的生產(chǎn)過程中主要集中于纖維制備和膠黏劑制造2個階段，而與原料的種類沒有多大關(guān)系，可以認(rèn)為，農(nóng)作物秸稈人造板與木質(zhì)人造板所消耗的水資源是相同的，而水污染的形成也取決于水資源的消耗和人造板的板種。

由上可見，鑒于中國的人造板生產(chǎn)現(xiàn)狀，利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板相對木質(zhì)人造板在保護(hù)土地資源、固碳和保護(hù)森林資源方面都具有明顯的優(yōu)勢，而在鋼材、混凝土、玻璃、化石能源、人力、電力和水資源等消耗方面和木質(zhì)人造板無明顯差異。但是，隨著中國人造板工業(yè)的發(fā)展，人造板生產(chǎn)線的增加，木質(zhì)人造板的規(guī)模效益將越來越明顯，農(nóng)作物秸稈人造板則由于受到原料制約，其生產(chǎn)規(guī)模不能太大，屆時農(nóng)作物秸稈人造板的環(huán)保效益將不明顯，為了充分發(fā)揮農(nóng)作物秸稈的環(huán)保效益，加快農(nóng)作物秸稈人造板的工業(yè)化發(fā)展速度，提出如下的改善評價。

2.4 改善評價

2.4.1 加快生產(chǎn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程 提高設(shè)備的循環(huán)利用率，延長設(shè)備的使用壽命，比如某些完好的零件在舊的機(jī)器報廢后，不經(jīng)過任何加工就可與新的設(shè)備重新組裝，以減少鋼材用量。

2.4.2 提高廠址的選擇水平，企業(yè)的管理水平和經(jīng)營水平 首先，在建設(shè)農(nóng)作物秸稈人造板生產(chǎn)線時，要充分調(diào)查當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物秸稈資源狀況、人造板需求狀況和交通狀況，以盡可能減少原料、產(chǎn)品的運(yùn)輸半徑，減少對石油資源的消耗，并根據(jù)農(nóng)作物秸稈的資源狀況和人造板的生產(chǎn)規(guī)模，計算出原料的最佳收購半徑。其次，充分利用和借助科研工作者的力量，研究和確定出農(nóng)作物秸稈人造板的最佳生產(chǎn)工藝，以減少對能源的消耗和由此帶來的環(huán)境污染。最后，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，實現(xiàn)滿負(fù)荷生產(chǎn)和無故障運(yùn)行，可以進(jìn)一步減少人造板生產(chǎn)過程中所需要的熱能和電力。

2.4.3 充分進(jìn)行廢物再利用 首先，利用人造板生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體粉塵、固體廢棄物和邊角料來做燃料，以提供生產(chǎn)時所需要的熱能，既可減少固體廢棄物造成的環(huán)境污染，又可減少對天然氣和煤的消耗，燃燒剩下的灰渣還可作為鉀肥還田，以減少秸稈使用對土地肥力造成的影響。此外，利用秸稈廢料作燃料還可減少二氧化硫氣體的排放，因為秸稈材料中的含硫量比標(biāo)準(zhǔn)煤的少得多［16］，僅為標(biāo)準(zhǔn)煤的3.6%；而由秸稈材料燃燒排放的二氧化碳又可以被農(nóng)作物秸稈所吸收，是一個碳平衡過程，不會增加環(huán)境負(fù)荷；還可減少煤燃燒所產(chǎn)生的灰渣造成的環(huán)境污染。其次，充分利用生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢熱，采用循環(huán)水或循環(huán)蒸汽形式，以盡可能減少生產(chǎn)過程中向空氣中排放的廢熱，并節(jié)約能源，減少水消耗和水污染。

2.4.4 提高經(jīng)營者的環(huán)保意識 首先，在人造板的生產(chǎn)過程中采取合理的措施，以控制人造板生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生的粉塵、有機(jī)揮發(fā)物和噪音污染，營造一個真正的綠色、無污染的生產(chǎn)環(huán)境，以保證工人的身心健康。其次，利用游離甲醛含量低的膠黏劑或者不含甲醛的膠黏劑（比如異氰酸酯膠黏劑）進(jìn)行制板，對利用脲醛樹脂制造的板材進(jìn)行后處理或者將板材進(jìn)行密封處理以減小板材在使用過程中的游離甲醛釋放對人體造成的傷害。最后，呼吁廣大消費(fèi)者在產(chǎn)品的壽命期結(jié)束后，盡量不要采取燃燒的方式進(jìn)行處理，可采用掩埋或交由相關(guān)部門進(jìn)行集中掩埋、制造燃料、粉碎還田或二次利用的方式進(jìn)行處理，以減少農(nóng)作物秸稈人造板的后處理對環(huán)境和農(nóng)作物秸稈使用對土地肥力造成的負(fù)面影響。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段，利用農(nóng)作物秸稈制造人造板與利用木質(zhì)材料制造人造板相比，可產(chǎn)生明顯的生態(tài)效益：利用0.067 hm2農(nóng)地的農(nóng)作物秸稈就可使333～667 hm2的土地免于造林，同時也可保護(hù)333～667 hm2的林地不被砍伐；還可起到固碳的作用。利用0.067 hm2農(nóng)地的農(nóng)作物秸稈來生產(chǎn)人造板就相當(dāng)于增加了0.167～0.194 hm2的林地對二氧化碳的吸收和對氧氣排放。

為了使利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)的人造板能夠適應(yīng)人造板工業(yè)的發(fā)展要求和更加綠色環(huán)保，筆者建議，利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板應(yīng)加快人造板生產(chǎn)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化，提高廠址的選擇水平、企業(yè)的管理水平、經(jīng)營水平和環(huán)保意識，并充分進(jìn)行廢物再利用，以盡可能減少農(nóng)作物秸稈人造板生產(chǎn)過程中消耗的鋼材、化石能源、電力和水資源等，并減小因能源消耗而產(chǎn)生的環(huán)境污染、人體傷害和對土地肥力造成的影響。

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