水泥的生命周期评价

　　1． 前言

　　自从水泥在世界上出现之后，它作为基础原材料的地位就没有动摇过，水泥工业成为了国民经济建设的支柱产业，为人类的经济建设做出了巨大贡献。然而到了20世纪90年代以后，发达国家的水泥工业重心开始向“与自然协调、为地球环境做贡献”的方向倾斜，当然也是为了适应燃料价格不断上涨的变化。欧美和日本等国大力开展了减少自然资源和能源的消耗、充分利用再循环技术消纳废弃物、处理有毒有害物、尽量做到“零”排放、不产生二次污染等研究开发工作、改变常规生产工艺、开发与废弃物利用相关的设备。一方面说明现代水泥工业的成熟，生产技术的不断发展；另一方面说明传统产业开始向生态化转型，水泥工业正在以它特殊的优势，逐步成为循环经济的重要组成部分，这可能是自新型悬浮预热器窑出现之后水泥工业的又一次革命。

　　近20年来我国水泥工业取得了惊人的发展，2005年全国水泥产量已超过10亿t， 新型干法水泥产量占总产量的比重跃升到40%以上，“十五”期间我国共建成新型干法生产线487条，并且日产4000吨水泥熟料及以上规模生产线约占新型干法线的1/3。  

　　 然而全球性的人口、资源、环境矛盾尖锐，使中国水泥工业的现代化面临严峻挑战，产业结构调整的任务更为迫切。提高自主创新能力，转变经济增长方式，发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会，走新型工业化道路等，已成为“十一五”规划的战略目标，它意味着：我们要从过度依赖资金、自然资源和环境投入，以量的扩张实现增长，转向更多依靠提高劳动者素质和技术进步，以提高效率获取经济增长。因此，为了使水泥工业可持续发展，我们越来越需要具有环境意识的设计专家，使我国水泥工业的发展，逐步纳入生态设计阶段。

　　在循环经济发展模式下，如何评价产品的环境效益，国内外已出现了几种评价方法，不同时期人们有着不同的认识，以目前水平来说，水泥生命周期评价法（LCA）已在水泥领域得到采用。本文将对水泥的LCA进行初步探讨。

　　2. 生命周期评价的基本内容

　　“生命周期评价”又称为“环境影响评价”，即一般所说的LCA，英文的全称是Life Cycle Assessment。水泥的LCA分为两个部分：一是进行水泥产品和服务寿命中的环境负荷定量分析（Inventery分析，即清单分析）；另一个是进行环境影响评价（Impact分析，即环境影响分析）。

　　这里所说的环境负荷定量分析，是指由于天然资源的消耗或容量减少以及污染物的增加（通常的或一时的）所带来的大气、水质、土壤的恶化，从而引起的的环境负荷变化；环境影响评价是指因环境负荷增加产生的天然资源枯竭、地球温室效应和臭氧层破坏等，从而给人类健康、动植物生存和生长带来的恶劣影响，表1所示为水泥的LCA说明。 

 表1  水泥LCA

　　众所周知，虽然人们的环保意识有了飞速提高，但地球的各种环境问题还是越来越突出了，如全国的工业废弃物、有毒有害废弃物和生活垃圾的大量产生和堆放；大气污染、水污染越来越严重、日趋紧张的化石能源（石油、煤炭）和水资源、温室气体的大量排放和天气异常变化、天然矿物的品位降低和逐步枯竭等问题。当我们探讨水泥工业与环境问题的关系时，不能只注意一部分工艺过程的技术创新和新设备的开发，而应该全盘考虑产品的生命周期，如配料、设计、使用以及废弃或再利用的各个环节，这就是我们研究LCA的目的。

　　当我们循环利用废弃物时，虽然可以减轻环境负荷，但一定要注意不产生二次污染，因此对环境和产品进行监测和检测、制定有害元素和重金属元素限值的标准，都是非常重要的工作。

　　3. 水泥的生命周期评价

　　水泥是典型的基础原材料，一般它以混凝土的形式服务于人类，称之为水泥基材料的种类也在增加。我国硅酸盐水泥的产量约占水泥总产量的98％，特种水泥虽有60多个品种，但较常用的也就20多种。因此我们考虑水泥的LCA将以硅酸盐水泥为主。

　　近20年来水泥生产技术有了飞快进步，新型干法水泥的烧成热耗，世界先进水平已达到2700KJ/kgCl ，与理论热耗2200KJ/kgCl的差值越来越小，虽然水泥工作者仍在不断努力从工艺与设备角度探索降低热耗的途径，但进一步降低传统生产方式的热耗已感到进展缓慢，发达国家的一些公司已开始在水泥生命周期分析与新型胶凝材料开发方面迈出了步伐，严酷的环境形势要求人们改变传统的思维模式，首先进行思想上的创新，因此世界水泥界出现了利用废弃物的热潮、开发新品种水泥和新型胶凝材料、对水泥进行改性……，并且深入探索循环经济与水泥工业的关系。

　　“减量化、再利用、再循环”是循环经济的重要理念，我国倡导的建立节约型社会，要与自然环境相和谐，是使我国经济可持续发展的基本指导思想。因此，水泥行业、建材行业以及其他有关行业都应积极开展循环利用废弃物的工作，水泥工业由于有其独特消纳废弃物的特点，故必能在循环经济中发挥作用。

　　水泥工业实现废弃物资源化，主要体现在两个方面，即从原料和能源两方面利用废弃物，一是将工业废弃物用作水泥原料或混合材，如用粉煤灰、高炉矿渣等工业废渣取代天然原料，从而可以减少石灰石用量，减轻环境负荷；二是将可燃废弃物用作燃料，减少化石类资源的消耗，如生活垃圾和其他工业部门难以处理的无机和有机废料，都可用作水泥回转窑的替代燃料。像矿渣等某些传统的工业废渣，因为得到了有效再利用，有时也可以叫作“资源”。表2 

    表2  水泥工业可用作燃料的固体废弃物

是水泥工业可用作燃料的固体废弃物，表3  是水泥工业可用作水泥原料、混合材的工业废渣或废弃物。

　　另一方面，国际水泥界正在开发发热量低、流动性高的优良水泥和各种功能水泥，应用这些水泥能减少和控制建筑结构物的缺陷，延长建筑物的使用寿命，当生产这种水泥时能耗可能有所增加，但从水泥的生命周期分析看，将对人类环境的改善更有意义。图1所示为水泥产品的生命周期示意图，图中的原料、燃料包括着替代的原料和燃料。 

表3  水泥工业可用作水泥原料、混合材的工业废渣或废弃物 

 图1水泥产品的生命周期示意图  

　　4.   我国水泥工业的环境分析

　　根据近年来国内各种相关资料报导，若以PO42.5水泥为考虑基准，综合归纳得出的我国水泥工业的环境数据如下，显然这些数据没有得到有效的确认，只供读者参考。

　　（1） 与水泥工业有关的天然资源与能源

　　2000年底全国探明保有储量石灰石约560亿t，硅质原料储量约47亿t，天然石膏储量约640万t，2002年底全国煤炭经济可采资源量约1300亿t。

　　（2）水泥工业的资源能源消耗

　　设定年产8亿t水泥熟料和10亿t水泥、水泥熟料煤耗130kg标煤/t熟料、水泥综合电耗125kwh/t水泥， 则年需石灰石约10亿t，粘土 2亿t（当不用其它原料代替粘土时），砂岩0.48亿，铁粉0.12亿t，石膏 0.05亿t，用水总量13亿t(重复利用率约65%)， 电力 1250亿Kwh， 煤炭1.04亿t标煤。

　　（3）有害气体、污染物和温室气体排放量 

　　 我国水泥工业2004年约产生二氧化硫（SO2） 100万t，烟尘 46万t，粉尘 520万t，温室气体CO2计算估计约8亿t。

　　（4）水泥工业用作混合材的废渣和天然资源

　　2004年共计使用约2.43亿t，其中矿渣0.85亿t、粉煤灰0.24亿t。

　　5．我国水泥工业的资源综合利用及LCA分析

　　我国每年工业废渣约有10亿t，生活垃圾约有2亿t，每年还会以一定的比例增加。我国采用工业固体废物作为水泥混合材有很长的研究开发和应用的历史，取得了显著的经济效益和社会效益。我国现行水泥标准规定普通水泥中混合材允许掺量为6%～15%，但复合水泥的混合材掺量最高可达50%，矿渣水泥可达70%，火山灰水泥可达50%，粉煤灰水泥可达40%。使用比水泥更细的混合材（如细磨矿渣）可以提高掺量而不降低水泥强度。测定水泥中的混合材实际掺加量的方法还在研究开发中。我国在利用工业固体废物代替粘土方面，也有成熟的经验，替代率最高可达100%，但粘土、铁粉等在水泥原料配料中最多只占20%（硅酸盐水泥）。

　　用回转窑焚烧可燃废弃物将是我国水泥工业向着环保产业方向发展的重点。欧美、日本等发达国家在利用可燃废弃物作为替代燃料方面已达到一定规模水平，燃料替代率最高已达到70%～80%，一般水平为10%～30%。我国刚开始这方面的工作，国家鼓励政策和社会配套设施还需完善。从技术的角度来看，涉及到专用处理设备（破碎、分选、计量、输送、燃烧器等）的开发及环保监测、重金属元素限值标准的制定等。我国废弃物在水泥工业中的应用具有极其广阔的前景。如将废弃物在水泥工业应用的比例由现在的25%（主要用作混合材）提高到40%以上，将会取得巨大的经济效益和社会效益。

　　水泥工业使用废弃物，间接或直接的减少了石灰石用量，因此也减少了CO2的排放量。水泥工业的余热发电也在降低环境负荷方面起着很好的作用，一方面降低了能耗，另一方面间接的减少了CO2排放量。

　　水泥工业在日本被称为静脉产业是很形象的说明水泥工业对自然环境的贡献。最近，在难于废弃物处理的高难技术方面和废弃物的前处理技术方面都有了很大进展，然而还缺乏定量的数据进行说明，也不能定量的估计对环境负荷的影响。目前，用LCA评价上述技术是最有效的方法，并正在开发对环境负荷进行综合评价的方法（LCA综合分析法），可以预计今后LCA分析法将会得到更积极的发展，从产品质量、性能和减少环境负荷几方面看，来确定采用什么样的废弃物或副产品，以及选择再循环的技术可能是必要的步骤。此时应注意的是，处理废弃物时，不应成为因能耗的增加而抵制采用废弃物的理由，相反应积极促进再利用技术的发展，这才是对LCA的正确理解。 

　　6．结言

　　LCA是环境影响评价方法，它在水泥生态设计中占有很重要的位置，对于单位功能相同的两种产品，比较它们在生命周期过程中对环境的影响，并且选择减少环境负荷的产品，这就是LCA在水泥生态设计中的应用。调整高消耗、高污染的粗放型发展模式，代之以人与自然和谐发展的可持续发展模式，提高水泥工业活动中资源能源的利用效率，降低生产和制造过程对环境的负担，是我们在21世纪的任务。

　　参考资料
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　　2 左铁镛.加速发展循环经济构建节约型社会. 中国建材.2005，(10)：10-11
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