基于SimaPro的水泥產(chǎn)品生命周期評價及“減碳”建議

楊瑞錦

（蘭州財經(jīng)大學，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

在“雙碳”目標的實現(xiàn)過程中，水泥作為工業(yè)領域的第二大碳排放來源，其生產(chǎn)過程面臨著嚴峻的減排壓力。水泥被認為是全世界用量最大的材料[1]，全球水泥工業(yè)的碳排放量占人類活動碳排放總量的7%~9%，占能耗的12%左右，特別是使用化石燃料以及在熟料生產(chǎn)中對石灰石的脫碳導致了二氧化碳的高排放[2]。雖然近年來我國在水泥領域的控碳工作已取得一定成效，但發(fā)展進程緩慢。

本文將從水泥工業(yè)的生命周期視角出發(fā)，利用生命周期評價軟件SimaPro（Version9.3.0.2），以廣西省某水泥有限公司2021 年水泥生產(chǎn)為基礎，對其進行生命周期評價，以探究其對環(huán)境造成的影響。同時，生命周期評價可以定量分析不同環(huán)境影響類型之間和不同生命周期階段之間的環(huán)境問題，有效識別出生產(chǎn)過程中碳排放較為集中的階段，從而為水泥工業(yè)降低碳排放提供合理的建議。

1 生命周期評價方法

1.1 生命周期評價的定義

根據(jù)國際標準化組織（ISO）的定義，生命周期評價（LCA）是一種用于評估產(chǎn)品、技術或服務在生命周期中潛在的環(huán)境影響和資源利用情況的工具。生命周期是從原材料的獲取，到產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，最終到廢棄物管理的全過程。LCA是一種綜合性評估，評估內(nèi)容包括對自然環(huán)境、人類健康和資源利用等各方面的影響[3]。

本文使用的是ISO14040 定義的基礎LCA 方法，基本框架分為4 個部分：目標與范圍的確定，清單分析，影響評價和結果解釋。生命周期評價流程如圖1所示。

圖1 生命周期評價流程圖

1.2 生命周期評價工具

現(xiàn)有的商業(yè)化LCA 軟件有幾十種，目前國外市場上公開出售的LCA 軟件大多數(shù)是歐洲版，以SimaPro（荷蘭）、TEAM（法國）、Gabi（德國）等軟件為主[4]。

我國于2004 年建立了較成體系的數(shù)據(jù)庫Sinaceter，該數(shù)據(jù)庫根據(jù)我國實際情況及ISO4040 技術框架建立了50000 條關于水泥、涂料、鋼鐵等建材數(shù)據(jù)記錄[5]。王洪濤等在2009 年開始研發(fā)LCA 軟件，現(xiàn)已建立中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫（CLCD）[6]，ebalance環(huán)境評價軟件以及國際首個一站式集成SaaS服務平臺WebLCA。目前國際上應用最廣泛的LCA 研究工具是SimaPro 和GaBi 軟件，國產(chǎn)LCA 軟件中常用的是e Balance。這三款軟件均基于ISO14040的LCA分析框架和流程建立計算模型。

2 水泥產(chǎn)品的生命周期環(huán)境影響評價

2.1 目標與范圍的確定

2.1.1 研究目標

本文的研究內(nèi)容主要考慮廣西省某水泥有限公司2021年水泥生產(chǎn)生命周期系統(tǒng)對環(huán)境造成的影響。研究包括生料生產(chǎn)環(huán)節(jié)、熟料生產(chǎn)環(huán)節(jié)、水泥生產(chǎn)、移動源及余熱發(fā)電。

2.1.2 研究范圍

（1）功能單元。本研究設定的功能單位是1t 熟料含量為70%的通用水泥。

（2）系統(tǒng)邊界。由于水泥產(chǎn)品的使用和維護階段幾乎不對環(huán)境產(chǎn)生影響，且循環(huán)利用和廢棄物處理具有復雜性和不確定性，數(shù)據(jù)有限，所以本研究也不做考慮。因此，本研究系統(tǒng)邊界的范圍界定為：原材料的開采和加工、能源的生產(chǎn)、水泥的制造，以及中間涉及到的運輸過程。水泥生命周期流程圖如圖2 所示。

圖2 水泥產(chǎn)品的研究范圍和系統(tǒng)邊界

2.2 清單分析

水泥生產(chǎn)消耗的主要原料有石灰石、黏土或砂巖、鐵礦石或硫酸渣、石膏，以及一些工業(yè)廢棄物，如礦渣和粉煤灰。實際評價過程中，由于數(shù)據(jù)庫中不存在某些原料，因此選用相近的物質(zhì)進行替代。其中，骨料用

2.3 影響評價（LCIA）

ISO、SEATC和EPA都傾向于把生命周期影響評價視為一個“三步走”的模型，即分類、特征化和標準化。國際標準ISO14042《生命周期影響評價》中認為，特征化是必須要求的，而標準化是根據(jù)研究目的可選擇的內(nèi)容。由于標準化具有很強的主觀性，在水泥生命周期評價過程中，為了保證評價結果的客觀性，忽略掉標準化步驟。

（1）分類是將清單中的輸入和輸出數(shù)據(jù)分成不同的環(huán)境影響類型。影響類型是根據(jù)生命周期評價的范圍來確定的。二氧化碳的排放對環(huán)境的影響有三大類，即人類健康、生態(tài)系統(tǒng)健康和資源消耗。

（2）特征化是根據(jù)環(huán)境影響類型，對數(shù)據(jù)進行分類和定量化分析處理，并將得到的分析結果轉化為相應的環(huán)境影響類型的過程。Sand 代替，低硅砂巖用Silica sand 代替，鐵尾泥用Iron ore、crude ore 代替，銅渣用Copper 代替，高硅砂巖用Silica sand 代替，采礦廢石用Gravel 代替，有色金屬灰渣用Granulated blast furnace slag 代替，鐵合金爐渣用Basic oxygen furnace slag 代替。每噸水泥產(chǎn)品的生命周期清單如表1所示。

表1 水泥產(chǎn)品生命周期清單

2.3.1 分類

目前，國際上沒有統(tǒng)一的環(huán)境影響類型分類方法。SETAC 于1999 年提出的Eco-indicator99 分類評估方案至今仍被大部分LCA 研究所采用。Eco-indicator99 的單位是Pt，它是一個無量綱的基準量，由當?shù)鼐用窨側丝谌コ援數(shù)乜偟沫h(huán)境負荷再乘以1000 得到[7]。該方案包含人類健康（human health）、生態(tài)系統(tǒng)健康（ecosystems）和資源消耗（resources）3大類。

為了更準確地評估水泥生命周期的污染物排放對環(huán)境的影響，本文選取ReCiPe 2016 環(huán)境影響評估方法，并用該方法分析了全生命周期排放的污染物對于環(huán)境的18 種影響。該方法主要包括兩種：Midpoint 方法和Endpoint 方法，兩種方法是互補的關系，Endpoint方法與環(huán)境流關聯(lián)性較好，但Midpoint 方法的確定性更好[8]。ReCiPe 2016 Midpoint 評價方法是按照IPCC第五次報告的全球變暖潛值計算方法，折算CO?當量。18 種影響分別為：平流層臭氧消耗、電離輻射、臭氧形成（人類健康）、細顆粒物的形成、臭氧形成（陸地生態(tài)系統(tǒng)）、土地酸化、淡水富營養(yǎng)化、海洋酸化、土地生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、人類致癌毒性、人類非致癌毒性、礦產(chǎn)資源耗竭、耗水量、土地使用、全球變暖和化石資源耗竭。

2.3.2 特征化

特征化的結果是反映環(huán)境影響絕對量大小的參數(shù)。假設每一種影響類型的總值為100%，通過每一個生命周期階段在每個影響類型中所占的比例可知每個階段對每種影響類型的貢獻率的相對大小。利用生命周期評價（LCA）軟件SimaPro 計算得出1t 水泥產(chǎn)品的生命周期特征化結果，Midpoint方法下的特征化結果如表2所示，各階段特征化結果如表3所示。

表2 Midpoint方法下1t水泥產(chǎn)品生命周期特征化結果（單位：%）

表3 1t水泥產(chǎn)品生命周期各階段特征化結果

2.4 結果解釋

從表2 的結果可以看出，水泥生命周期環(huán)境影響類別排序為：礦產(chǎn)資源耗竭>土地生態(tài)毒性>人類非致癌毒性>海洋生態(tài)毒性>淡水生態(tài)毒性>耗水量>淡水富營養(yǎng)化>土地酸化>土地使用>人類致癌毒性>海洋酸化>細顆粒物的形成>電離輻射>全球變暖>平流層臭氧消耗>化石資源耗竭>臭氧形成（陸地生態(tài)系統(tǒng)）>臭氧形成（人類健康）。生料中的石灰?guī)r煅燒是形成臭氧的主要原因，而臭氧的形成危害人體健康及陸地生態(tài)系統(tǒng)。對土地使用的影響中富銅材料占比最大，約為76.75%，其次是沙子和硅砂。對礦產(chǎn)資源耗竭的影響中富銅材料占比最大，約為96.99%，其次是鐵礦石。煙煤對化石資源耗竭的影響最大，占比約為63.83%，其次是富銅材料。在所有原材料及能源消耗中，富銅材料對所有類別的影響都較為顯著，而碎石、粒狀高爐礦渣、堿性氧爐渣、頁巖、電力、柴油及石膏對所有類別的影響都較為微弱。

由表2 可知，1t 水泥產(chǎn)品生命周期中，對總體環(huán)境影響貢獻最大的階段是生料生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其次是熟料燒成環(huán)節(jié)，分別占總影響的70.39%和29.27%。而在整個生命周期中，各生產(chǎn)階段對損害類型資源消耗的環(huán)境負荷最為顯著，其次是人類健康和生態(tài)系統(tǒng)健康，且對二者的影響可以忽略不計。

3 水泥生產(chǎn)過程的節(jié)能減碳建議

通過上述研究可以得出，水泥生產(chǎn)過程中的碳排放集中在生料生產(chǎn)環(huán)節(jié)和熟料燒成環(huán)節(jié)，因此可以利用以下3種方式促進水泥生產(chǎn)過程的減碳。

（1）利用工業(yè)固體廢棄物替代水泥原料。水泥生產(chǎn)的主要原料為石灰石，而鋼鐵、火力發(fā)電等生產(chǎn)企業(yè)每年排放大量的鋼渣、礦渣、電石渣和粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物的有效化學成分與水泥熟料較為接近，因此可以替代石灰石作為水泥生產(chǎn)用的原料。

（2）應用新型低碳膠凝材料，由于該材料不含高鈣礦物硅酸三鈣（C3S），因此減碳效果顯著。如我國自主研發(fā)的低碳水泥品種硫鋁酸鹽水泥（R·SAC）和高貝利特水泥（HBC），二氧化碳排放相比普通硅酸鹽水泥降低了25%~35%。

（3）采用生物質(zhì)燃料替代技術。替代燃料的來源包括農(nóng)作物秸稈、稻殼、棉花、高粱、林木、生活垃圾等，生物質(zhì)替代燃料技術不僅能夠幫助水泥熟料規(guī)模化生產(chǎn)，還能實現(xiàn)秸稈的無害化處置和循環(huán)利用，達到了節(jié)能減排的效果。

4 結束語

根據(jù)LCA 的基本原理及實施步驟，可以利用LCA分析軟件SimaPro 研究水泥產(chǎn)品生產(chǎn)過程的環(huán)境影響情況，分析主要環(huán)境影響環(huán)節(jié)，改善生產(chǎn)過程及產(chǎn)品的綠色性能，從而提升產(chǎn)品的整體環(huán)保特性，同時也可以進一步節(jié)約成本，縮短水泥產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。本研究也存在一些不足之處，由于原始數(shù)據(jù)缺乏完整性，直接影響了生命周期評價結果的準確性，使得評價結果與實際情況存在一定差異。