水泥工業(yè)生命周期評價及其應(yīng)用

王瑞蘊，尹靖宇，李保金，方 群

（北京國建聯(lián)信認(rèn)證中心有限公司，北京 100831）

前 言

水泥作為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)原材料，目前國內(nèi)外尚無一種材料可以替代它的地位。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水泥在國民經(jīng)濟(jì)中的作用越來越大，其產(chǎn)量也日益增長。據(jù)統(tǒng)計，2015年水泥產(chǎn)量為23.48億噸；2016年我國累計水泥產(chǎn)量為24.03億噸，同比增長2.5%。中國水泥產(chǎn)量占全球水泥產(chǎn)量的60%[1]，名副其實的水泥大國。水泥行業(yè)的高產(chǎn)量同時也為環(huán)境影響帶來負(fù)面作用，其生產(chǎn)過程中能源消耗、污染物排放等相關(guān)問題同樣備受社會各界關(guān)注。為治理水泥工業(yè)污染問題，同時推進(jìn)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，近年來國家也出臺了相關(guān)政策引導(dǎo)水泥企業(yè)的生態(tài)化建設(shè)。在這些相關(guān)政策法規(guī)中，均引入了“全生命周期（life cycle）”的理念，即均考慮從原材料的生產(chǎn)、產(chǎn)品的生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置，對環(huán)境影響的技術(shù)和方法[2]。而針對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯編和評價，ISO 14040將其定義為生命周期評價（life cycle assessment，LCA）。是系統(tǒng)化、定量化分析和評價產(chǎn)品及其生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷的方法，也是辨識環(huán)境問題、優(yōu)化改進(jìn)方案、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段[3]。本文基于LCA理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)水泥工業(yè)特點分析其生產(chǎn)過程中環(huán)境影響評價及相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、生命周期評價方法簡介

產(chǎn)品生命周期理論是美國哈佛大學(xué)教授雷蒙德·弗農(nóng)（Raymond Vernon）1966年在其《產(chǎn)品周期中的國際投資與國際貿(mào)易》一文中首次提出的，1969年美國西部研究所用此理論對可口可樂公司的飲料包裝瓶進(jìn)行了從原材料開采至廢棄物最終處置的全過程的研究。之后這一理論迅速發(fā)展。國際環(huán)境毒理學(xué)學(xué)會（SETAC）、美國環(huán)保局（1993）、美國環(huán)保局（1993）、ISO（1997）分別對生命周期評價進(jìn)行了定義[4]。

LCA最終的定義被定為對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價，該定義出自ISO 14040：2006《環(huán)境管理生命周期評價原則與框架》。生命周期評價的思想要求對產(chǎn)品從原料開采直至最終報廢的整個生命周期全過程中的資源、能源投入和環(huán)境排放進(jìn)行量化分析，辨識和評價減少物料消耗及環(huán)境影響的機會。生命周期評價的主體包括四個階段，目的和范圍的確定（Goal and Scope Definition，GSD）、清單分析（Life Cycle Inventory，LCI）、影響評價（Life Cycle Impact Assessment，LCIA）以及解釋（Life Cycle Interpretation），其關(guān)系如圖1所示。

目標(biāo)與范圍的確定需要根據(jù)研究對象的地域廣度、時間跨度等多因素，確定生命周期的評價目標(biāo)，以此來界定研究對象的功能單位、系統(tǒng)邊界、生命周期環(huán)節(jié)、環(huán)境影響類型等因素。清單分析即對產(chǎn)品系統(tǒng)邊界內(nèi)和整個生命周期內(nèi)，對所有輸入與輸出物質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與整理，并通過計算得出所需要的數(shù)據(jù)清單，作為環(huán)境影響評價的分析基礎(chǔ)和依據(jù)。生命周期影響評價是對清單分析中的環(huán)境影響作定量或定性的描述和評價，進(jìn)行環(huán)境影響分析，為核心階段，主要包括：環(huán)境影響分類、特征化、歸一化和加權(quán)評價。該階段可通過軟件來實現(xiàn)，現(xiàn)階段市場主流的計算軟件包括Simapro、Gabi等。生命周期解釋根據(jù)一定的評價標(biāo)準(zhǔn)，對影響評價結(jié)果做出分析解釋，識別出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的改善機會，為達(dá)到產(chǎn)品的生態(tài)最優(yōu)化目的提出改進(jìn)建議。

就產(chǎn)品生命周期評價而言，主要具有以下特點：首先產(chǎn)品生命周期評價是面向的是產(chǎn)品系統(tǒng)，其對象是企業(yè)所生產(chǎn)的某種或者某類產(chǎn)品；其次產(chǎn)品生命周期評價是對產(chǎn)品或服務(wù)“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^程的評價，這也體現(xiàn)在生命周期評價的定義中；第三，由于生命周期評價過程中的LCIA階段是對環(huán)境影響進(jìn)行分類、特征化、歸一化的過程，因此產(chǎn)品生命周期評價也是一種系統(tǒng)性、定量化的評價方法；第四，該種評價方法充分重視了環(huán)境影響的評價方法，同時也是一個種開放性的評價體系。

圖1 生命周期評價的階段

二、LCA的應(yīng)用

鑒于LCA全生命周期的思想和框架，通過成原材料的采集直到產(chǎn)品廢棄后的處置的全過程分析，可以識別對環(huán)境影響最大的生產(chǎn)過程，并且可以對比評估不同工藝流程的資源效益，降低產(chǎn)品生產(chǎn)過程的成本，同時最大限度減少對環(huán)境的影響。是一種評價產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝在整個生命周期中所造成環(huán)境影響的方法，成為一種重要的產(chǎn)品環(huán)境特性確認(rèn)手段和企業(yè)環(huán)境管理的支持工具。

在應(yīng)用領(lǐng)域，LCA方法在政府層面、企業(yè)層面均有應(yīng)用。環(huán)境問題日益突出，政府在制定環(huán)境政策、財稅補貼方案制度以及制定政策依據(jù)方面均有采納生命周期評價，此外，還開發(fā)系列生態(tài)標(biāo)志以及制定相關(guān)制度。針對企業(yè)而言，利用生命周期評價進(jìn)行產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計、技術(shù)改進(jìn)等綜合考慮成本、質(zhì)量和環(huán)境等方面。

1．LCA在國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外對于生命周期評價理論體系研究較為成熟，因此對其應(yīng)用更加廣泛。在企業(yè)層面的應(yīng)用主要基于產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計理念，較多的大企業(yè)非常重視對產(chǎn)品的環(huán)境標(biāo)志的標(biāo)識工作，引進(jìn)LCA為產(chǎn)品授予“綠色”標(biāo)簽即產(chǎn)品的環(huán)境標(biāo)志來提供量化依據(jù)，如瑞典的“產(chǎn)品生態(tài)項目”、北歐的“環(huán)境友好產(chǎn)品開發(fā)計劃”、荷蘭的“生態(tài)設(shè)計計劃”和“生態(tài)指數(shù)計劃”等均將LCA納入企業(yè)的深層次發(fā)展規(guī)劃中。

在政府層面，國外運用LCA理論來引導(dǎo)制定相關(guān)的政策法規(guī)，如：將LCA應(yīng)用于面向產(chǎn)品的綠色采購政策來引導(dǎo)市民的消費方向；廢棄物的處置管理方面，幫助選擇最佳方案。

2．LCA在國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)于1998年～2003年間等同轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24040系列標(biāo)志著我國LCA的研究應(yīng)用上升到國家標(biāo)準(zhǔn)層面，也意味著我國對生命周期影響評價的逐步重視?？v使我國LCA的應(yīng)用研究較晚，尚未形成系統(tǒng)成熟的統(tǒng)一評價體系，但是隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的進(jìn)步、國家環(huán)境政策執(zhí)行力度的加強以及企業(yè)環(huán)境意識的進(jìn)一步提高，生命周期評價與政策制定、企業(yè)生產(chǎn)理念息息相關(guān)。

目前，LCA的應(yīng)用涉及到很多行業(yè)，如建筑材料、高分子材料、石化產(chǎn)品等領(lǐng)域，較多的研究者通過對產(chǎn)品全生命周期分析和研究，提出了更為優(yōu)化、對環(huán)境更為友好的工藝改進(jìn)措施、原材料替代措施等方案。在企業(yè)層面主要的應(yīng)用方式有兩種：基于LCA的產(chǎn)品生命周期報告和基于LCA的產(chǎn)品生命周期改進(jìn)?；贚CA的產(chǎn)品生命周期報告主要包括III型環(huán)境聲明（EPD）、生態(tài)檔案報告以及產(chǎn)品環(huán)境足跡等，如表1所示[5]。基于LCA的產(chǎn)品生命周期改進(jìn)主要包括生態(tài)設(shè)計、清潔生產(chǎn)、綠色采購與供應(yīng)鏈管理等。

表1 LCA的應(yīng)用及說明

3．III型環(huán)境聲明（EPD）

國內(nèi)外對生命周期評價為基礎(chǔ)的產(chǎn)品聲明的需求不斷增長，并日益受到各國的重視，如產(chǎn)品的環(huán)境聲明等。產(chǎn)品環(huán)境聲明分為I型、II型和III型，其中III型環(huán)境聲明（Environmental Product Declaration，以下簡稱EPD）。EPD從本質(zhì)上來說是由ISO14025所規(guī)定的III型環(huán)境標(biāo)志，是一份經(jīng)第三方核實和驗證的產(chǎn)品質(zhì)量（或者服務(wù)質(zhì)量）與環(huán)境表現(xiàn)雙優(yōu)的數(shù)據(jù)表達(dá)，是生命周期評價LCA的一種表現(xiàn)形式/語言。目前有瑞典、丹麥、韓國、日本等國均開展了EPD工作。其應(yīng)用較為廣泛，尤其在建筑領(lǐng)域，隨著國內(nèi)外綠色建筑、建材的評價標(biāo)準(zhǔn)（如LEED、三星綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)等）及其認(rèn)證市場規(guī)模的日益擴大，作為上述認(rèn)證的加分項，建筑領(lǐng)域的EPD認(rèn)證逐漸得到國內(nèi)建筑及建材企業(yè)的重視。

EPD作為由第三方機構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格評審、檢測和評估的一類環(huán)境標(biāo)志，其評價標(biāo)準(zhǔn)的一致性不容忽視，為此各國從事EPD相關(guān)工作的機構(gòu)（如瑞典環(huán)科院、UL認(rèn)證公司、建造與環(huán)境材料研究所——IBU等）陸續(xù)開展了一系列規(guī)則的開發(fā)，這些規(guī)則在ISO14025、溫室氣體議定書產(chǎn)品生命周期計量和報告標(biāo)準(zhǔn)、以及PAS2050補充規(guī)則中被定義為產(chǎn)品種類規(guī)則（Product Category Rule，以下簡稱PCR）。產(chǎn)品類別涵蓋了建筑、能源、紡織、機械、電子、材料（玻璃、金屬、木材等）、汽車整車及零部件等。其中受到市場需求的影響，建筑相關(guān)產(chǎn)品尤為受到重視。目前，國內(nèi)制定了浮法玻璃、鋼鐵產(chǎn)品和建材產(chǎn)品的PCR操作規(guī)程，其中符合我國國情的建筑領(lǐng)域建材產(chǎn)品的PCR包括水泥、預(yù)拌混凝土、預(yù)拌砂漿、衛(wèi)生陶瓷、陶瓷磚（板）等標(biāo)準(zhǔn)由國建聯(lián)信認(rèn)證中心執(zhí)筆編制。

三、水泥工業(yè)生命周期評價

在水泥工業(yè)的應(yīng)用中，國內(nèi)外均有大量利用生命周期理論研究對其生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響評價進(jìn)行對比分析，包括對資源、能源消耗及污染物排放等進(jìn)行統(tǒng)計分析，并通過改變生產(chǎn)工藝、原材料種類、替代原料的使用，填補了水泥生命周期評價研究相關(guān)理論和方法的一些空白，為中國混合型水泥的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持，推動水泥行業(yè)和建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

在生命周期分析目的明確后，需要確定評價范圍、邊界，以及重要的環(huán)境影響類別，具體到水泥生產(chǎn)過程，評價范圍主要包括生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個工序，如圖2所示。邊界確定為從原料獲得到產(chǎn)品出廠前的整個過程，涉及到的資源、能源消耗和污染物排放見表2。

根據(jù)表2水泥生產(chǎn)特點，與其資源消耗、能源消耗、污染物排放相關(guān)的必要影響類型，主要包括資源耗竭（RD）、氣候變化（CC）、化石能源耗竭（FD）、顆粒物形成（PMF）、人體毒性（HT）以及酸化（TA），如表3所示。

圖2 水泥生命周期評價的系統(tǒng)邊界

表2 水泥生產(chǎn)生命周期環(huán)境影響種類

表3 水泥生產(chǎn)環(huán)境影響特征化類型及單位

通過環(huán)境影響類型參數(shù)特征化計算，得到水泥生產(chǎn)的各類環(huán)境影響潛力值，最終分析得出水泥生產(chǎn)流程環(huán)境影響由大到小順序依次為氣候變化、化石能源耗竭、酸化、人體健毒性[6]。經(jīng)分析水泥制備各工段的環(huán)境影響大小依次為熟料煅燒階段＞水泥粉磨制成＞運輸階段＞礦石原料開采＞生料粉磨制備。其環(huán)境影響主要環(huán)節(jié)為熟料煅燒階段和水泥粉磨階段。因此，應(yīng)著重考慮水泥煅燒過程中排放的大量污染氣體，粉磨中消耗的大量電力和產(chǎn)生的大量粉塵污染，以及運輸過程中非甲烷系碳?xì)浠衔锏呐欧?，以減少水泥生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響[7]。同時采取相應(yīng)工藝改變方式來改善環(huán)境影響，如采用工業(yè)廢渣替代原材料、預(yù)熱分解系統(tǒng)和余熱發(fā)電改進(jìn)等。

四、結(jié) 論

LCA作為一種系統(tǒng)化、定量化分析和評價產(chǎn)品及其生產(chǎn)流程綜合環(huán)境負(fù)荷的方法，成為辨識環(huán)境問題、優(yōu)化改進(jìn)方案、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。利用生命周期評價方法和理論，針對具體的產(chǎn)品和流程，建立基于LCA的環(huán)境影響計算和分析方法，能夠為環(huán)境熱點辨識提供依據(jù)。同時通過分析特定產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中其資源能源輸入、污染物排放，可以得出產(chǎn)品制備過程中各工段的環(huán)境影響排序，為優(yōu)化產(chǎn)品工藝、改善生產(chǎn)方式來減小產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響，推進(jìn)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型做出貢獻(xiàn)。

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