高爐渣資源化生產(chǎn)綠色建材的環(huán)境效益評估
——基于生命周期的視角

宋小龍 楊建新 劉晶茹

(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京100085)

高爐渣資源化生產(chǎn)綠色建材的環(huán)境效益評估
——基于生命周期的視角

宋小龍 楊建新 劉晶茹

(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京100085)

高爐渣是鋼鐵廠高爐煉鐵產(chǎn)生的礦渣，具有較高的資源化價值，可用于生產(chǎn)多種綠色建材產(chǎn)品。熔融高爐渣經(jīng)水急冷后形成的粒化高爐礦渣，粉磨成礦渣微粉可作為水泥混合材和混凝土摻合料。以高爐渣資源化過程為研究對象，采用生命周期清單分析方法，并基于GaBi 4軟件平臺，對我國某建材企業(yè)綜合利用高爐渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土全過程的能源消耗、原材料消耗和溫室氣體排放進行了分析，進而從節(jié)能、降耗和碳減排三方面評估其環(huán)境效益。結(jié)果表明，與普通硅酸鹽水泥相比，礦渣硅酸鹽水泥可分別實現(xiàn)節(jié)約能源1 911 MJ/t(節(jié)能26%)，降低原材料消耗1 158 kg/t(降耗27%)，減少碳排放236 kg/t(碳減排26%);與復合硅酸鹽水泥相比，礦渣硅酸鹽水泥可實現(xiàn)節(jié)約能源352 MJ/t(節(jié)能6%)，降低原材料消耗278 kg/t(降耗8%)，減少碳排放47 kg/t(碳減排7%)。與不摻加礦粉的普通商品混凝土比較，摻礦粉的商品混凝土可實現(xiàn)節(jié)約能源97 MJ/m3(節(jié)能5%)，降低原材料消耗7 kg/m3(降耗0．3%)，減少碳排放12 kg/m3(碳減排5%)。高爐渣資源化生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土具有明顯的環(huán)境效益。

高爐渣;綠色建材;生命周期清單;環(huán)境效益

高爐渣是鋼鐵廠高爐煉鐵產(chǎn)生的礦渣，也是冶金行業(yè)產(chǎn)生量最大的一種工業(yè)固體廢物。?；郀t礦渣已廣泛用于生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥、商品混凝土、免燒磚、微晶玻璃等綠色建材產(chǎn)品。我國高爐渣綜合利用率達90%以上［1］，高爐渣資源化生產(chǎn)綠色建材及其帶來的可觀的環(huán)境效益已受到普遍關(guān)注。

關(guān)于固體廢物綜合管理過程的環(huán)境效益，已有學者分別對餐廚垃圾資源化［2］及不同處置方式［3］、電子廢物處理［4］、危險廢物處置［5］等進行了定量評價，而有關(guān)工業(yè)固體廢物綜合利用的環(huán)境效益多為定性分析［6－7］，特別是高爐渣資源化過程的環(huán)境效益評價尚未見相關(guān)研究。從環(huán)境效益的評估方法上看，現(xiàn)有研究主要可分為3大類，分別是，關(guān)注個別環(huán)境影響類型(能耗、水耗、溫室氣體排放等)的改善［8，9］;采用影子價格等將環(huán)境效益貨幣化［10－11］;利用生命周期評價方法評價環(huán)境表現(xiàn)［5，12－13］。本研究基于生命周期視角，對高爐渣資源化生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土全過程的物質(zhì)輸入輸出清單進行分析，重點關(guān)注能源消耗、原材料消耗和碳排放情況，并從節(jié)能、降耗和碳減排三方面對高爐渣資源化全生命周期的環(huán)境效益進行評估，為廢物管理決策提供定量化的數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1．1 系統(tǒng)邊界

熔融高爐渣經(jīng)水淬形成?；郀t渣，烘干后在立磨內(nèi)粉磨成高爐礦渣微粉，可作為水泥混合材和混凝土摻合料。礦渣微粉既可與水泥熟料按一定比例配比生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，也可直接部分替代普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)商品混凝土。

以我國某建材企業(yè)利用?；郀t渣生產(chǎn)綠色建材產(chǎn)品為例，對高爐渣資源化過程進行分析。依據(jù)該企業(yè)典型工藝過程，將研究的系統(tǒng)邊界確定為“從搖籃到大門”的全過程，即包括從原材料生產(chǎn)、能源生產(chǎn)、高爐渣預處理、高爐渣粉磨直至生產(chǎn)出礦渣硅酸鹽水泥(見圖1)和商品混凝土(見圖2)的全部環(huán)節(jié)。其中，水泥生產(chǎn)所需的鐵質(zhì)料和鋼球，以及混凝土生產(chǎn)使用的外加劑等，用量較少，研究中忽略其生產(chǎn)過程。至于運輸過程，由于高爐渣來自廠區(qū)附近的鋼鐵企業(yè)，運輸距離及其環(huán)境影響十分有限，因此不考慮高爐渣的運輸過程。

本研究分別以1 t礦渣硅酸鹽水泥和1 m3商品混凝土為功能單位，重點關(guān)注高爐渣用于生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土全生命周期過程的能源消耗、原材料消耗和碳排放情況，并與等量的不摻加高爐渣礦粉的普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥以及普通商品混凝土的生產(chǎn)過程進行比較。出于對比分析的需要，本研究未考慮普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥在產(chǎn)品性能上的具體差別。

1．2 評價方法和工具

基于生命周期評價專業(yè)軟件GaBi 4構(gòu)建產(chǎn)品系統(tǒng)。采用生命周期清單分析(Life cycle inventory analysis，LCI)方法對高爐渣資源化生產(chǎn)建材產(chǎn)品過程的物耗、能耗和環(huán)境排放進行量化。

對礦渣水泥和商品混凝土兩種綠色建材產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期的物質(zhì)輸入輸出進行分析，并選取生命周期清單中的能源消耗、原材料消耗和碳排放三項指標，與對應(yīng)的普通建材產(chǎn)品進行比較，進而從節(jié)能、降耗和碳減排三方面評估高爐渣資源化生產(chǎn)綠色建材產(chǎn)品全過程的環(huán)境效益。本研究采用節(jié)能、降耗和碳減排的相對值表征環(huán)境效益。首先計算出綠色建材產(chǎn)品相對于普通建材產(chǎn)品節(jié)能、降耗和碳減排的絕對量，再將其與普通建材產(chǎn)品相應(yīng)指標值進行對比。具體計算方法如下:

節(jié)能效益EBe=(Eo－Eg)/Eo(1)

式中:Eo為普通建材產(chǎn)品能源消耗量;Eg為綠色建材產(chǎn)品能源消耗量。能源消耗量的單位為MJ。

降耗效益EBm=(Mo－Mg)/Mo(2)

式中:Mo為普通建材產(chǎn)品原材料消耗量;Mg為綠色建材產(chǎn)品原材料消耗量。原材料消耗量的單位為kg。

碳減排效益EBg=(Go－Gg)/Go(3)

式中:Go為普通建材產(chǎn)品碳排放量;Gg為綠色建材產(chǎn)品碳排放量。碳排放量統(tǒng)計的是包括CO2在內(nèi)的全部溫室氣體，采用CML2001 Global Warming Potential(GWP 100 years)進行核算，單位為kg CO2當量(CO2-Equiv．)。

1．3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)收集是開展生命周期清單分析的重要基礎(chǔ)。清單數(shù)據(jù)的質(zhì)量和有效性在很大程度上決定了環(huán)境效益評估結(jié)果的可靠性。

生命周期清單數(shù)據(jù)來源主要包括:①某環(huán)保建材企業(yè)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù);②PE-GaBi數(shù)據(jù)庫;③本課題組開發(fā)的中國能源生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其中，礦渣硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥及商品混凝土(摻加礦粉)生產(chǎn)過程的清單數(shù)據(jù)來自案例企業(yè)目前運行中的工藝數(shù)據(jù)，普通商品混凝土(未摻加礦粉)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自企業(yè)初期的設(shè)計數(shù)據(jù)。大部分輔料生產(chǎn)數(shù)據(jù)選用PE-GaBi數(shù)據(jù)庫提供的清單數(shù)據(jù)。此外，本研究采用了部分公開發(fā)表的文獻數(shù)據(jù)作為補充。具體數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 生命周期清單數(shù)據(jù)來源Tab．1 Data sources of life cycle inventory

2 結(jié)果與分析

2．1 能源消耗

利用生命周期清單數(shù)據(jù)，分別對生產(chǎn)1 t礦渣硅酸鹽水泥(P．S．A32．5)、復合硅酸鹽水泥(P．C32．5)、普通硅酸鹽水泥(P．O42．5)以及1 m3商品混凝土(摻加礦粉)、普通商品混凝土(未摻加礦粉)過程中的能源消耗總量進行核算。

圖3顯示了生產(chǎn)1 t水泥產(chǎn)品的能源消耗情況。普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥的能耗量依次為 7 461．9 MJ、5 903．0 MJ和 5 551．1 MJ。礦渣硅酸鹽水泥的能耗值最低，究其原因在于，高爐礦渣微粉部分替代水泥熟料，降低了單位水泥產(chǎn)品的熟料消耗量，而熟料的煅燒是水泥生產(chǎn)中的主要能源消耗環(huán)節(jié)。

圖3 水泥生產(chǎn)過程的能源與原材料消耗Fig．3 Energy and raw material consumption from the production of cement

圖4顯示了生產(chǎn)1 m3商品混凝土的能源消耗情況。商品混凝土(摻加礦粉)與普通商品混凝土(未摻加礦粉)能耗量分別是1 944．1 MJ和2 040．8 MJ。結(jié)果顯示，商品混凝土(摻加礦粉)生產(chǎn)過程的能耗值略低于普通商品混凝土(未摻加礦粉)生產(chǎn)過程，由于前者摻加的礦粉的量不大，因此能耗下降幅度并不顯著。

2．2 原材料消耗

圖4 商品混凝土生產(chǎn)過程的能源與原材料消耗Fig．4 Energy and raw material consumption from the production of commercial concrete

廢物資源化可直接減少生產(chǎn)建材產(chǎn)品所需的原材料。從圖3不難看出，礦渣硅酸鹽水泥消耗的原材料明顯低于復合硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，依次為3 128．0 kg/t，3 406．0 kg/t和4 286．3 kg/t。與普通商品混凝土(未摻加礦粉)相比，摻礦粉的商品混凝土的原材料的消耗量也有所下降，即從 2 058．8 kg/t降低到 2 052．1 kg/t(見圖 4)。

2．3 碳排放

本文核算的碳排放主要為建材產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程本身的直接排放，同時也包括原料、燃料等生產(chǎn)及使用過程中的間接排放。采用高爐礦渣微粉替代水泥熟料可有效減少溫室氣體尤其是CO2的排放，因此，比較碳排放強度可反映高爐渣資源化的碳減排效益。

圖5和圖6所示為3種水泥產(chǎn)品和2種商品混凝土產(chǎn)品生產(chǎn)過程的碳排放情況。生產(chǎn)1 t普通硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥的溫室氣體排放值依次為 894．6 kg CO2當量，706．3 kg CO2當量和 659．1 kg CO2當量;生產(chǎn)1 m3普通商品混凝土(未摻加礦粉)與商品混凝土(摻加礦粉)的溫室氣體排放值為244．1 kg CO2當量和231．7 kg CO2當量。結(jié)果表明，利用高爐礦渣微粉生產(chǎn)的綠色建材產(chǎn)品的碳排放強度有明顯下降。

2．4 環(huán)境效益

生命周期清單分析的結(jié)果均顯示，摻加高爐礦渣微粉能有效降低建材生產(chǎn)過程中的能耗、物耗和碳排放強度。

表2和表3分別是綠色建材產(chǎn)品相對于普通建材產(chǎn)品節(jié)能、降耗和碳減排的絕對量及其環(huán)境效益。其中，以普通硅酸鹽水泥P．O42．5和復合硅酸鹽水泥P．C32．5為對照，對利用高爐渣生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥P．S．A32．5的環(huán)境效益進行表征;以普通商品混凝土(未摻加礦粉)為對照，核算摻加高爐礦渣微粉的商品混凝土的環(huán)境效益。

表2 綠色建材相對于普通建材節(jié)能、降耗和碳排放的絕對量Tab．2 Absolute amounts of energy saving，raw materials reduction and GHG emissions mitigation of green building materials compared with common building materials

表3 高爐渣資源化生產(chǎn)綠色建材的環(huán)境效益Tab．3 Environmental benefits of BF slag recycling for green building materials

結(jié)果表明，高爐渣資源化生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土均具有明顯的環(huán)境正效益。與普通硅酸鹽水泥P．O42．5 相比，礦渣硅酸鹽水泥 P．S．A32．5 可分別實現(xiàn)節(jié)約能源1 911 MJ/t(節(jié)能26%)，降低原材料消耗1 158 kg/t(降耗27%)，減少碳排放236 kg/t(碳減排26%);與復合硅酸鹽水泥 P．C32．5 相比，礦渣硅酸鹽水泥 P．S．A32．5可實現(xiàn)節(jié)約能源352 MJ/t(節(jié)能6%)，降低原材料消耗278 kg/t(降耗8%)，減少碳排放47 kg/t(碳減排7%)。與普通商品混凝土(未摻加礦粉)比較，摻加礦粉的商品混凝土可實現(xiàn)節(jié)約能源97 MJ/m3(節(jié)能5%)，降低原材料消耗7 kg/m3(降耗0．3%)，減少碳排放12 kg/m3(碳減排5%)。

從高爐渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土這兩種不同資源化途徑來看，前者摻加的高爐礦渣微粉比例較高，因此核算得到的節(jié)能、降耗和碳減排幅度高于后者。但這并不意味著高爐渣用于生產(chǎn)礦渣水泥的環(huán)境表現(xiàn)優(yōu)于生產(chǎn)商品混凝土，因為本節(jié)核算的環(huán)境效益只是針對綠色建材產(chǎn)品與對應(yīng)的同類普通建材產(chǎn)品的比較，且研究對象分別是1 t水泥產(chǎn)品和1 m3商品混凝土。若要比較高爐渣不同資源化途徑的環(huán)境表現(xiàn)，需要以一定量的高爐渣作為功能單位，對其不同資源化過程開展生命周期評價。

3 結(jié)論

生命周期清單分析結(jié)果顯示，相對于傳統(tǒng)建材產(chǎn)品，高爐渣資源化生產(chǎn)綠色建材:礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土，可直接減少資源消耗和和溫室氣體排放。與普通硅酸鹽水泥 P．O42．5和復合硅酸鹽水泥 P．C32．5相比，利用高爐渣生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥P．S．A32．5可分別實現(xiàn)節(jié)能26%和6%，降耗27%和8%，碳減排26%和7%。與普通商品混凝土(未摻加礦粉)比較，摻加高爐礦渣微粉生產(chǎn)的商品混凝土可實現(xiàn)節(jié)能5%，降耗0．3%，碳減排5%。

高爐渣資源化過程表現(xiàn)出顯著的環(huán)境效益。利用高爐渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥和商品混凝土是合理可行、環(huán)境友好的綜合利用方式。

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Environmental Benefits Assessment of Blast Furnace Slag Recycling for Green Building Materials Based on LCA

SONG Xiao-long YANG Jian-xin LIU Jing-ru
(Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China)

Blast furnace(BF)slag from iron smelting process，has great recycling potential for producing green building materials．It can be used as cement or concrete admixture in the form of slag powder which is produced in the processing of water quenching and granulating．The recycling processes of BF slag were focused in this study．Based on life cycle inventory(LCI)analysis and GaBi 4 software，resources consumption and greenhouse gas(GHG)emissions of slag portland cement and commercial concrete production processes using BF slag were analysed in a building materials factory，and then environmental benefits from the recycling of BF slag were assessed in terms of energy saving，reduction of raw material consumption and mitigation of GHG emissions．Compared with ordinary portland cement，slag portland cement can save energy 1 911 MJ/t(decreased by 26%)，reduce raw material consumption 1 158 kg/t(decreased by 27%)and mitigate GHG emissions 236 kg/t(decreased by 26%)．Meanwhile，those results for slag portland cement were 352 MJ/t(decreased by 6%)，278 kg/t(decreased by 8%)and 47 kg/t(decreased by 7%)，respectively，in contrast to composite portland cement．Likewise，commercial concrete(with slag powder)can save energy 97 MJ/m3(decreased by 5%)，reduce raw material consumption 7 kg/m3(decreased by 0．3%)and mitigate GHG emissions 12 kg/m3(decreased by 5%)，compared with common commercial concrete(without slag powder)．The results showed that the recycling of BF slag for slag portland cement and commercial concrete have obvious positive environmental benefits．

blast furnace slag;green building materials;life cycle inventory;environmental benefits

X757:X820

A

1002－2104(2012)04－0051－05

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．04．010

2011－12－08

宋小龍，博士生，主要研究方向為產(chǎn)業(yè)生態(tài)與廢物管理。

楊建新，博士，研究員，博導，主要研究方向為產(chǎn)業(yè)生態(tài)學、環(huán)境經(jīng)濟與環(huán)境管理學。

國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項“典型工業(yè)行業(yè)固體廢物生命周期管理技術(shù)研究”(編號:200809025)。

(編輯:常 勇)