中國水泥企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境負荷分析
摘要：基于生命周期理論，采用荷蘭萊頓大學環(huán)境技術(shù)中心(CML)環(huán)境影響評價方法環(huán)境影響評價方法對中國水泥生產(chǎn)的環(huán)境負荷進行了定量分析。結(jié)果表明，水泥生產(chǎn)的環(huán)境影響主要體現(xiàn)在溫室效應、不可再生能源消耗和不可再生資源消耗，其環(huán)境負荷分別占對應環(huán)境影響類型世界總負荷的2.76%、2.34%和1.39%；2006年中國水泥生產(chǎn)的環(huán)境負荷約占世界總負荷的1.28%，其中立窯生產(chǎn)工藝、濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝和新型干法生產(chǎn)工藝的環(huán)境負荷分別為0.84%、0.12%和0.32%。通過行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，用新型干法生產(chǎn)工藝取代其他落后的生產(chǎn)工藝，可使中國水泥生產(chǎn)的環(huán)境負荷降至世界總負荷的1%左右。
近20年來，中國水泥產(chǎn)量一直位居全球第一，而且增長迅速，2006年達到9.7×108 t，接近世界當年總產(chǎn)量的一半。另一方面，水泥生產(chǎn)工藝落后的問題仍然突出，統(tǒng)計表明，2006年中國立窯工藝、濕法回轉(zhuǎn)窯工藝和新型干法工藝生產(chǎn)的水泥產(chǎn)量所占比例分別為59.4%、8.1%和32.5%，新型干法工藝生產(chǎn)水泥產(chǎn)量不到總產(chǎn)量的1/3。
巨大的水泥生產(chǎn)規(guī)模和落后的生產(chǎn)工藝不僅加劇資源和能源緊張態(tài)勢，而且排放大量污染物。按照目前的消耗水平推算，35年內(nèi)已探明可供生產(chǎn)水泥的石灰石將耗竭。就能源消耗而言，統(tǒng)計表明，2005年全國水泥工業(yè)消耗能源1.0×108 t標準煤，約占全國能源總耗量的6%，而同年度水泥工業(yè)總產(chǎn)值(1.495×1011元)僅占國內(nèi)生產(chǎn)總值的1.28%[1]。在水泥生產(chǎn)過程中，排放的污染物包括廢氣、廢水和噪聲等，以廢氣為主，尤其是顆粒物，2005年排放量為4.597×106 t，約占全國工業(yè)系統(tǒng)總排放量的45%[2]。
在水泥工業(yè)資源、能源消耗大，同時產(chǎn)生大量污染物已得到充分認識的情況下，改進生產(chǎn)工藝，以降低水泥生產(chǎn)的環(huán)境負荷成為人們的共識。然而，到目前為止，對于不同工藝生產(chǎn)水泥的環(huán)境負荷，以及改進工藝可帶來的環(huán)境效益尚缺乏全面的認識。基于ISO14040：14043中介紹的生命周期評價理論[2]，采用荷蘭萊頓大學環(huán)境技術(shù)中心(CML)環(huán)境影響評價方法[3]，對3種典型水泥生產(chǎn)工藝，即立窯工藝、濕法回轉(zhuǎn)窯工藝和新型干法工藝生產(chǎn)單位產(chǎn)量水泥的環(huán)境影響進行評價，并結(jié)合水泥產(chǎn)量分布，確定中國水泥行業(yè)的總環(huán)境負荷。最后，分析通過行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低水泥生產(chǎn)環(huán)境負荷的潛力。
1 典型水泥生產(chǎn)工藝環(huán)境負荷評價
1.1 目標和范圍的確定
以l kg 42.5等級硅酸鹽水泥作為評價的功能單位，評價目標是確定不同工藝生產(chǎn)功能單位水泥的環(huán)境負荷。基于生命周期理論，評價范圍界定為水泥產(chǎn)品的廠內(nèi)生產(chǎn)過程及其周邊環(huán)境。其中，廠內(nèi)生產(chǎn)過程是指原料依次經(jīng)過預處理、生料粉磨、鍛燒、熟料磨和水泥均化等工序，最終成為水泥產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程。水泥生產(chǎn)過程的周邊環(huán)境是指外部資源和能源的投人和污染物的排放等.
1.2 原料、能源消耗和污染物排放清單
本研究以代表性水泥生產(chǎn)廠家的資源、能源消耗和污染物排放實測數(shù)據(jù)作為評價依據(jù)[4]。根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝和污染物排放特點，考慮的原料組分包括石灰石、石膏、粘土和鐵粉等.在干法生產(chǎn)工藝中，除這些組分外，還包括摻入粉煤灰和礦渣等工業(yè)廢渣。能源消耗包括各生產(chǎn)工序的電耗和煤耗，污染物則包括顆粒物、SO2、NOx和CO2等。在比較不同水泥生產(chǎn)工藝的環(huán)境影響時，未考慮不可再生資源和顆粒物排放造成的環(huán)境影響，及污染物對人體健康的影響[5]。實際上，不可再生資源消耗和顆粒物排放，及污染物對人體健康的影響作為水泥生產(chǎn)的主要環(huán)境影響因素，對于水泥生產(chǎn)環(huán)境負荷的貢獻不可忽視[6]。
根據(jù)上述評價范圍和數(shù)據(jù)確定方法，可得到典型水泥生產(chǎn)工藝的資源、能源消耗和污染物排放數(shù)據(jù)見表1。
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表1 典型水泥生產(chǎn)工藝資源、能源消耗和污染物排放量
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1.3 環(huán)境影響評價
環(huán)境影響評價的目的是對資源、能源消耗和污染物排放進行定性和定量化描述，最終獲得具有可比性的數(shù)據(jù).本研究采用荷蘭萊頓大學提出的CML環(huán)境影響評價方法，即把資源、能源消耗和污染物排放造成的影響分配給各環(huán)境影響類別；不同影響類別的相對重要性根據(jù)定性和定量相結(jié)合的方法確定；然后，采用層次分析法(AHP)確定不同影響類別的權(quán)重系數(shù)，繼而計算出環(huán)境負荷[7]。
1.3.1 分類和特征描述
對于水泥生產(chǎn)來說，主要影響類別包括不可再生資源消耗(ADF)、不可再生能源消耗(EDP)，溫室效應(GWP)、人類健康損害(HT)、環(huán)境酸化(AP)和營養(yǎng)化作用(NP)等。水泥生產(chǎn)原料石灰石、石膏、鐵粉等的環(huán)境影響體現(xiàn)在不可再生資源消耗上，煤耗的環(huán)境影響則為不可再生能源；污染物的環(huán)境影響因種類不同而異，這些物質(zhì)的影響類別和環(huán)境影響當量數(shù)（可理解為相對參照物的環(huán)境影響）見表2。
表2 水泥生產(chǎn)的環(huán)境影響當量數(shù) kg/kg
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表2中EDP、GWP、AP、NP和HT的參照物分別為l kg標準煤發(fā)熱量。不可再生資源(石灰石、石膏和鐵粉)消耗則由Jeroen等提出的公式，即式(1)和(2)確定[8]，其中參考資源為原油，開采量和儲量數(shù)據(jù)取自統(tǒng)計值[9]。
ADP=ADF×m （1）
ADF＝DR/R2×R2ref/DRref （2）
式中：ADP為不可再生資源的環(huán)境負荷值，kg；m為功能單位產(chǎn)品相應資源的消耗量，kg；DR為相應資源的年開采量，kg；R為相應資源的礦產(chǎn)儲量，kg；DRref為參考資源的年開采量，kg；Rref為參考資源的礦產(chǎn)儲量，kg。
1.3.2 標準化
為了比較不同環(huán)境影響類別的作用程度，必須將各環(huán)境影響類別轉(zhuǎn)化為同一標準下的量化數(shù)據(jù)，可用各環(huán)境影響類別的環(huán)境負荷當量數(shù)與世界環(huán)境負荷的總當量數(shù)(見表3)之比值表示為環(huán)境污染相對指數(shù)(見表4)。
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表3 世界環(huán)境負荷總當量1) kg/a
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注：1)環(huán)境負荷總當量數(shù)指全世界在l年內(nèi)消耗的資源、能源總量和污染物排放總量。
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表4 水泥工藝環(huán)境污染相對指數(shù)
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1.3.3 影響評價
經(jīng)過標準化后的各種環(huán)境影響類別在量綱和參照標準上取得了一致，理論上已可以進行相加求和，從而定量確定環(huán)境負荷。然而，由于各環(huán)境影響類別間的重要性存在差異，因此還需獲得各環(huán)境影響類別的相對權(quán)重。本研究采用層次分析法來完成這一任務，其原理是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和專家意見確定各環(huán)境影響類別的相對重要性(見表5)，繼而得出權(quán)重系數(shù)(見表6)。
表5 水泥生產(chǎn)的環(huán)境影響類別重要性標度
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表6 環(huán)境影響類別的權(quán)重系數(shù)
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利用表6環(huán)境影響類別的權(quán)重系數(shù)，對環(huán)境負荷相對指數(shù)進行加權(quán)求和，可得出立窯工藝、濕法回轉(zhuǎn)窯工藝和干法工藝的生產(chǎn)功能單位水泥所造成的環(huán)境負荷占全世界每年總環(huán)境負荷的比值分別為1.45×10-14、1.55×10-14和1.03×10-4。
2 中國水泥生產(chǎn)環(huán)境負荷
2.1 現(xiàn)階段中國水泥生產(chǎn)環(huán)境負荷
根據(jù)上述典型水泥生產(chǎn)工藝的環(huán)境污染相對指數(shù)、生產(chǎn)功能單位水泥造成的環(huán)境負荷和水泥產(chǎn)量，可得到中國現(xiàn)階段典型工藝水泥生產(chǎn)所造成的環(huán)境負荷占世界總環(huán)境負荷的比例（見表7）和不同環(huán)境影響類別和全行業(yè)環(huán)境負荷占世界對應環(huán)境影響類別和總環(huán)境負荷的比例（見表8）。
表7 2006年中國分工藝水泥生產(chǎn)環(huán)境負荷
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表8 2006年中國水泥生產(chǎn)總環(huán)境負荷
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從表8表明，2006年中國水泥生產(chǎn)ADF、EDP、GWP、AP、NP和HT環(huán)境負荷分別占世界對應環(huán)境影響類別總環(huán)境負荷的1.39%、2.34%、2.76%、0.78%、0.43%和0.51%，GWP、EDP和ADF對環(huán)境的影響最大，控制水泥生產(chǎn)造成的CO2排放，以及資源和能源消耗應該作為中國水泥工藝改進的主要目標。從表8還可看出，中國水泥行業(yè)的環(huán)境負荷約占世界總環(huán)境負荷的1.28%。
2.2 降低中國水泥工業(yè)環(huán)境負荷潛力分析
從表4表明，干法工藝水泥生產(chǎn)的環(huán)境影響遠低于立窯工藝和濕法工藝？紤]到現(xiàn)階段先進的干法工藝產(chǎn)量在中國水泥總產(chǎn)量中所占比重還較低，僅為32.5%。因此通過行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，用干法工藝替代其他工藝，是降低中國水泥生產(chǎn)環(huán)境負荷的有效途徑。假定2006年中國水泥皆采用干法工藝生產(chǎn)，類比計算表明，可使全行業(yè)環(huán)境負荷降為1%左右，比現(xiàn)行行業(yè)結(jié)構(gòu)模式的環(huán)境負荷降低22.5%。
3 結(jié) 論
（1）2006年中國立窯工藝、濕法工藝和新型干法工藝生產(chǎn)功能單位水泥的環(huán)境負荷占世界總環(huán)境負荷的比值分別是1.45×10-14、1.55×10-14和1.03×10-4。
（2）中國水泥生產(chǎn)的環(huán)境負荷主要因溫室氣體排放、不可再生能源消耗和不可再生資源消耗引起，分別占對應環(huán)境影響類別世界總環(huán)境負荷的2.76%，2.34%和1.39%.
（3）2006年中國水泥行業(yè)的環(huán)境負荷占世界總環(huán)境負荷的1.28%，其中，立窯工藝、濕法工藝和新型干法工藝分別為0.84%、0.12%和0.32%。若以新型干法工藝替代其他工藝，則可使中國水泥生產(chǎn)造成的環(huán)境負荷占世界總環(huán)境負荷的比值降至1%左右。
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