中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)的生命周期評價(jià)
——以山東步長制藥有限公司為例

尹陽陽

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，全球變暖問題成為人們面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，減少溫室氣體二氧化碳的排放引起各國人民的關(guān)注，成為了緩解環(huán)境問題和氣候問題的重中之重，人們逐漸步入“低碳”時(shí)代，全球范圍內(nèi)掀起了一股強(qiáng)大的“低碳”熱潮，但是化石能源的大量使用，依舊會產(chǎn)生大量的二氧化碳，嚴(yán)重阻礙了“低碳”時(shí)代的發(fā)展[1].另一方面，我國共有中藥企業(yè)1 636家，占全球醫(yī)藥行業(yè)企業(yè)的32%，并有中藥資源12 807種，我國中藥行業(yè)每年要消耗植物類藥材70 萬t左右，每年產(chǎn)生的植物類藥渣高達(dá)66.5 萬t，這些藥渣如果不經(jīng)過處理簡單的堆放在外面，會對環(huán)境造成極大的傷害[2-4].因此，面對能源、環(huán)境和中藥渣的處理問題，部分中藥企業(yè)提出并運(yùn)用中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)，將中藥渣進(jìn)行一系列處理，最終得到高溫粗燃?xì)猓⒏邷卮秩細(xì)庥糜谥兴幧a(chǎn)過程，緩解能源不足的壓力，減少生產(chǎn)過程中火電等能源的利用造成的環(huán)境污染，也解決了中藥企業(yè)的藥渣處理難題.

為了定量的評價(jià)該中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)的全生命周期排放，本文運(yùn)用生命周期評價(jià)(Life cycle assessment, LCA)方法，利用生命周期評價(jià)軟件Simapro V8.1.1，定量的計(jì)算了中藥渣氣化循環(huán)利用的生命周期環(huán)境影響負(fù)荷，對比分析了中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)和傳統(tǒng)中藥渣填埋系統(tǒng)的排放的影響，從而說明中藥渣氣化系統(tǒng)的可行性，為中藥渣氣化循環(huán)利用的推廣奠定基礎(chǔ).

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

本文的研究對象為山東步長制藥有限公司的中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng).該系統(tǒng)以步長制藥公司的中藥渣為原料，經(jīng)過原料預(yù)處理系統(tǒng)中篩選、粉碎、機(jī)械脫水、蒸汽烘干一系列處理得到顆粒均勻的干藥渣，再經(jīng)過中藥渣氣化系統(tǒng)由氣化爐將干藥渣氣化成高溫粗燃?xì)?，最后?jīng)過燃?xì)饫孟到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫粗燃?xì)獾娜紵?本文基于山東步長制藥有限公司的日處理藥渣量250 t的中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)進(jìn)行生命周期評價(jià)，為中藥渣處理系統(tǒng)提高資源利用率、降低環(huán)境排放負(fù)荷提供理論依據(jù).

1.2 研究方法

本文運(yùn)用生命周期方法進(jìn)行分析.生命周期評價(jià)方法(LCA)最早出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)60年代末，是評價(jià)由原材料的提取、產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、使用后的回收等階段組成的產(chǎn)品全過程對環(huán)境產(chǎn)生的影響的1種方法.評價(jià)過程一般主要包括輸入和輸出2個(gè)方面的內(nèi)容，其中輸入包括生產(chǎn)、組裝、使用以及回收該產(chǎn)品所有需要的能源類型，輸出包括產(chǎn)品整個(gè)生命過程中對環(huán)境的排放.目前對LCA的定義有很多種，其中比較權(quán)威的有環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會(SETAC)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)等幾種，如ISO將LCA定義為“對一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價(jià)”[5-6].

生命周期評價(jià)可分為4個(gè)階段：目標(biāo)與范圍的確定，清單分析，影響評價(jià)和結(jié)果解釋，這4個(gè)階段相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，構(gòu)成如圖1所示的生命周期評價(jià)技術(shù)框架.

本文基于生命周期評價(jià)軟件Simapro V8.1.1，選取以終結(jié)點(diǎn)(面向損害)為基礎(chǔ)的Eco-indicator 99分析方法進(jìn)行環(huán)境影響分析.其中環(huán)境包括3個(gè)方面：①資源(Resource)，指的是目前為滿足將來提取礦產(chǎn)和化石資源所需要的剩余能源，包括土地的使用；②人類健康(Human Health)，指的是由于環(huán)境問題引起的各種疾病以及非正常死亡而減少的人類壽命，如臭氧層破壞、溫室效應(yīng)等；③生態(tài)系統(tǒng)(Eco-system)，指的是對自然界的生物多樣性的損害，包括酸雨、富營養(yǎng)化等損害.Eco-indicator99分析方法將產(chǎn)品的清單數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照一定的環(huán)境機(jī)制，按類劃分到各個(gè)環(huán)境問題類中，主要的環(huán)境問題包括致癌物、輻射、酸化/富營養(yǎng)化、土地占用、礦物開采等，再將上述各類環(huán)境問題做歸一化處理，最終歸結(jié)到對資源、人類健康、生態(tài)系統(tǒng)的損害[7-9].歸一化因子采用Eco-indicator 99(I)+ Version 2.10方法中的默認(rèn)缺省因子，權(quán)重系數(shù)參照方法Europe EI 99 I/A.

2 中藥渣氣化系統(tǒng)生命周期評價(jià)

2.1 研究目的和范圍的確定

定量的分析中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)在整個(gè)生命周期中帶來的環(huán)境影響，并與傳統(tǒng)的中藥渣填埋系統(tǒng)的環(huán)境影響進(jìn)行對比，從而表明中藥渣氣化循環(huán)利用的優(yōu)點(diǎn)，為中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)的推廣提供依據(jù).

文中以中藥渣氣化系統(tǒng)一天的處理量——250 t中藥渣所產(chǎn)生的環(huán)境影響為功能單位.在滿足研究需要的同時(shí)，對系統(tǒng)邊界進(jìn)行部分假設(shè)和簡化處理，具體如圖2所示.中藥渣氣化生命周期主要包括3個(gè)階段：原料預(yù)處理階段，包括篩選、粉碎、機(jī)械脫水、蒸汽烘干等工藝；中藥渣氣化階段，包括干藥渣的存儲和氣化等工藝；燃?xì)饫秒A段，即燃?xì)獾娜紵霉に嘯10-12].本文重點(diǎn)為日處理藥渣量250 t的整個(gè)過程中對環(huán)境造成的影響，忽略工廠基礎(chǔ)建設(shè)和所有機(jī)械設(shè)備制造的能耗和排放.

2.2 清單分析

本文的清單數(shù)據(jù)主要來自于山東省步長制藥公司，并輔以Simapro數(shù)據(jù)庫和相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)參考，具有一定的準(zhǔn)確性.在中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)的清單數(shù)據(jù)收集過程中，要把清單數(shù)據(jù)與中藥渣預(yù)處理、中藥渣氣化、燃?xì)饫?個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合在一起，清單數(shù)據(jù)詳見表1.

在原料預(yù)處理系統(tǒng)部分，輸入包括中藥渣、電力、運(yùn)輸、烘干用熱，其中中藥渣為250 t含水量高、顆粒大小不一的濕中藥渣，電力為液壓機(jī)、粉碎機(jī)等相關(guān)設(shè)備的總電能消耗，由于控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖然在整個(gè)中藥渣氣化循環(huán)利用全生命周期中均應(yīng)用，但在中藥渣預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)用較多，因此在生命周期評價(jià)時(shí)將控制系統(tǒng)和視屏監(jiān)控系統(tǒng)的電力消耗合并入中藥渣預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，運(yùn)輸為250 t中藥渣由中藥渣產(chǎn)生地通過貨車運(yùn)輸0.4 km，運(yùn)至預(yù)處理的廠房的過程中的消耗，由運(yùn)輸重量250 t與運(yùn)輸距離0.4 km計(jì)算得出生命周期評價(jià)中需要輸入的運(yùn)輸?shù)臄?shù)值為100 tkm，烘干用熱為燃?xì)饫孟到y(tǒng)產(chǎn)生的用于預(yù)處理過程中，藥渣烘干的熱量值；輸出包括廢水和干藥渣，其中廢水為濕中藥渣擠壓脫水產(chǎn)生的廢棄物，為183 t，由管道直接運(yùn)輸?shù)轿鬯幚韽S進(jìn)行處理排放，干藥渣67 t為原料預(yù)處理系統(tǒng)的最終產(chǎn)物.

在中藥渣氣化系統(tǒng)中，輸入包括干藥渣、電力、石英砂、空氣、水蒸氣，其中67 t干藥渣為中藥渣氣化系統(tǒng)的原料，電力為氣化爐等設(shè)備消耗的總電能，石英砂、空氣、水蒸氣均為催化劑，保證中藥渣氣化進(jìn)程的穩(wěn)定推進(jìn)；輸出包括粗燃?xì)?、半焦、焦油、甲烷、灰渣，其中粗燃?xì)鉃橹兴幵鼩饣到y(tǒng)的最終產(chǎn)物，半焦、焦油、甲烷、灰渣都為廢棄物，半焦和灰渣作為廢物流進(jìn)行處理，焦油和甲烷排放至水體或空氣中.

在燃?xì)饫孟到y(tǒng)中，輸入包括粗燃?xì)夂碗娏?，粗燃?xì)鉃闅饣到y(tǒng)的產(chǎn)物，用作燃?xì)饫孟到y(tǒng)的原料，電力為蒸汽鍋爐等設(shè)備的總能耗；輸出包括烘干用熱和生產(chǎn)用熱，烘干用熱占總熱量輸出的33%，用于原料預(yù)處理系統(tǒng)中濕中藥渣的烘干工藝，以降低藥渣含水量，生產(chǎn)用熱作為中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)的最終產(chǎn)物，用于其他生產(chǎn)活動，例如可應(yīng)用于本制藥公司的中藥生產(chǎn)過程.

表1 中藥渣細(xì)化循環(huán)利用系統(tǒng)生命周期評價(jià)的清單數(shù)據(jù)

2.3 影響評價(jià)及結(jié)果解釋

2.3.1 特征化

特征化是對影響評價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一單位換算，并在一種影響類型內(nèi)對換算結(jié)果進(jìn)行合并，用來判定環(huán)境影響的絕對大小.利用Simapro軟件計(jì)算250 t中藥渣處理及利用過程的生命周期特征化結(jié)果，如表2所示.

由上表可知，中藥渣氣化循環(huán)利用的整個(gè)生命周期中，在生態(tài)毒性、酸化/富營養(yǎng)化和礦物開采3個(gè)方面對環(huán)境的影響較大，其中在酸化/富營養(yǎng)化方面對環(huán)境的絕對影響最大，達(dá)到2.62×102PDF×m2yr，而在輻射、臭氧層消耗、致癌物和大氣有機(jī)污染等方面對環(huán)境的影響較小.

2.3.2 損害評價(jià)

損害評價(jià)是指整個(gè)生命周期過程在人類健康、生態(tài)質(zhì)量、資源消耗3個(gè)方面對環(huán)境產(chǎn)生的影響的絕對大小.利用Simapro軟件計(jì)算250 t中藥渣處理及利用過程的生命周期損害評價(jià)結(jié)果，如表3所示.

表2 250 t中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)與填埋系統(tǒng)生命周期特征化結(jié)果

表3 250 t中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)與填埋系統(tǒng)生命周期損害評價(jià)結(jié)果

由上表可知，中藥渣氣化循環(huán)利用的整個(gè)生命周期中，對生態(tài)質(zhì)量方面的影響數(shù)值明顯較大 ，達(dá)到2.78×102PDF×m2yr，而對人類健康的影響數(shù)值最小，僅為2.58 DALY.

2.3.3 環(huán)境負(fù)荷單一值

環(huán)境負(fù)荷單一值是指當(dāng)不同環(huán)境干擾或環(huán)境問題之間存在利益權(quán)衡時(shí)，利用價(jià)值選擇和主觀因素對各個(gè)影響類型的相對重要性排序，將不同影響類型的參數(shù)結(jié)果合并成單一指數(shù).利用Simapro軟件計(jì)算250 t 中藥渣的環(huán)境負(fù)荷單一值，如表4所示.

表4 250 t中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)與填埋系統(tǒng)生命周期環(huán)境負(fù)荷單一值

由上表可得，中藥渣氣化循環(huán)利用的整個(gè)生命周期的環(huán)境影響負(fù)荷為1.68×103Pt；對人類健康方面造成的環(huán)境影響負(fù)荷明顯較大，達(dá)到1.65×103Pt；相比較來說，在生態(tài)質(zhì)量方面的環(huán)境影響負(fù)荷較小，僅為1.99×101Pt；而在資源消耗方面的環(huán)境影響負(fù)荷只有1.48Pt，可以忽略不計(jì).

3 中藥渣氣化系統(tǒng)與傳統(tǒng)中藥渣填埋系統(tǒng)環(huán)境影響對比

本文基于Simapro V8.1.1也建立了傳統(tǒng)中藥渣填埋系統(tǒng)的生命周期過程，衡量傳統(tǒng)中藥渣填埋方式對環(huán)境的影響.在傳統(tǒng)中藥渣填埋系統(tǒng)的全生命周期中，運(yùn)輸中藥渣質(zhì)量為250 t，運(yùn)輸距離為1 km，貨車運(yùn)輸?shù)哪芎暮团欧胖苯诱{(diào)用Simapro數(shù)據(jù)庫中的transport數(shù)據(jù)，且數(shù)值為250 tkm.然后將得到的結(jié)果與中藥渣氣化系統(tǒng)進(jìn)行對比，比較兩種中藥渣處理方式對環(huán)境的影響.

3.1 特征化結(jié)果對比

由表2可知，中藥渣氣化和中藥渣填埋在生態(tài)毒性、酸化/富營養(yǎng)化、土地占用和礦物開采4個(gè)方面均對環(huán)境影響較大，其中在酸化/富營養(yǎng)化方面對環(huán)境產(chǎn)生的絕對影響相差不大，但在生態(tài)毒性、土地占用、礦物開采3個(gè)方面，2種處理方式對環(huán)境產(chǎn)生的絕對影響差距較大，中藥渣氣化處理方式比中藥渣填埋具有明顯優(yōu)勢.主要原因歸結(jié)為2個(gè)方面：一方面中藥渣氣化處理方式將中藥渣循環(huán)利用，減少了固體廢物和有害物質(zhì)的排放；另一方面中藥渣填埋方式將大量中藥渣直接填埋，導(dǎo)致大量的土地占用，影響了礦物的開采，并且中藥渣在自然環(huán)境中腐化，產(chǎn)生的大量有害物質(zhì)不容忽視.

3.2 損害評價(jià)結(jié)果對比

由表3可知，2種中藥渣處理方式在人類健康方面的影響均較小，而在生態(tài)質(zhì)量和資源消耗兩個(gè)方面的影響均較大，并且2種處理方式在生態(tài)質(zhì)量方面對環(huán)境的影響相差不大.但是，在資源消耗方面，中藥渣氣化處理方式比中藥渣填埋處理方式具有明顯優(yōu)勢，這主要是由于中藥渣氣化處理方式將中藥渣氣化循環(huán)利用，減少了其他種類能源和資源的消耗.

3.3 環(huán)境負(fù)荷單一值對比

2種處理方式的環(huán)境負(fù)荷單一值對比結(jié)果如表4所示.由表可知，中藥渣氣化系統(tǒng)生命周期的環(huán)境負(fù)荷單一值為1.68×103Pt，明顯低于中藥渣填埋系統(tǒng)的生命周期的環(huán)境負(fù)荷單一值2.47×103Pt，差距主要表現(xiàn)在人類健康和資源消耗方面，其中主要的影響因素是人類健康.在人類健康方面，中藥渣氣化系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷單一值為1.65×103Pt，比中藥渣填埋的環(huán)境負(fù)荷單一值小6.4×102Pt.在資源消耗方面，2種處理方式的差別也很大，中藥渣填埋的環(huán)境負(fù)荷單一值大約是中藥渣氣化的環(huán)境負(fù)荷單一值的100倍.其原因可歸納為兩方面：一方面，中藥渣填埋后，會在自然條件下腐化，散發(fā)怪異的氣味，滋生病菌、微生物、蟲蟻等，對人類健康和生態(tài)質(zhì)量都有不可忽視的影響；另一方面，中藥渣氣化系統(tǒng)將中藥渣循環(huán)利用，減少了其他資源、能源的消耗.

4 結(jié)語

本文以山東步長制藥有限公司為例，建立了中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)和中藥渣填埋系統(tǒng)的生命周期評價(jià)，并將兩個(gè)系統(tǒng)的生命周期評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明相較于中藥渣填埋系統(tǒng)，中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，尤其是在資源消耗方面.本文這一結(jié)果為中藥渣氣化循環(huán)利用系統(tǒng)的使用和推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).