窑干橡木锯材的生命周期评价研究

吕赫，丁涛*，程亚飞，江宁

(1. 南京林业大学材料科学与工程学院， 南京 210037；2. 江苏星楠干燥设备有限公司， 南京 210037)

木材作为一种天然生物质材料具有可降解和可再生的优点，但不能据此就对木材的环境性能做出简单判断，木材的采伐、运输和加工都伴随着大量的物质和能量消耗，并对环境产生影响。对木材环境性能的评价应以系统性的视角，考虑从原料的获取到产品最终废弃处理的完整价值链，即按照生命周期评价(LCA)的方法来进行。LCA是对一个产品系统从自然资源的产生直至最终处理过程中所有输入、输出和潜在环境影响的汇编与评估 (GB/T 24040—2008)，是目前最为全面和科学的环境影响评价方法。

实木锯材是最基本的木材加工中间产品，对锯材的LCA研究可为实木成品的环境影响评价提供基础数据。现有LCA研究表明，实木锯材的环境影响因材种、产地、运输距离等因素的不同而有显著差异。一般而言，针叶锯材的生产能耗低于阔叶锯材，两者的能耗值可能相差一倍，密度大、初含水率高的材种和较软的干燥基准都会增加锯材的生产能耗[1-3]。地区差异会对锯材的环境属性产生显著影响，Milota等[4]的研究显示，美国东南地区针叶材生产所需能耗为5.15 GJ/m3，远高于太平洋西北地区的3.43 GJ/m3。在木材生命周期的各阶段中，干燥阶段的能耗和排放水平都较高，对于出口木材，远洋运输也是产生环境影响的一个重要环节[5-6]，与此相对应，木材采伐阶段的环境影响要相对小得多[7]。

中国是世界木材生产和消费大国，2018年国内商品材产量8 811万m3，原木和锯材进口量9 642.2万m3[8]。木材来源广泛，材种多样，但对锯材产品基于LCA的环境评价却鲜见报道，更没有系统性的研究，木材产品的基础环境数据长期缺失。近年来，随着国家对环境问题更加重视，木材企业的生产装备水平和能源供应方式都发生了显著变化，尤其是小型工业锅炉的使用受限后，木材干燥的供热方式发生变化[9]，生产装备和工艺等也随之调整，对锯材生产的能源消耗、环境排放和生产成本都产生了显著影响，需要进行量化评估。

对此，本研究以橡木锯材为典型范例，研究从木材采伐到锯材生产全过程的消耗与排放水平，分析国内干燥板材和进口干燥板材环境性能的差异，以及供热方式的变化对锯材环境性能的影响，为深入性的木质产品环境影响评价提供方法和数据借鉴。

1 研究对象

选用美国橡木(Quercusspp)锯材作为研究对象。橡木是我国主要进口硬阔叶材树种，广泛用于室内建筑材料、家具、地板等产品。美国是我国最大的橡木进口来源国，2018年美国阔叶板材对中国市场出口额近19亿美元[10]，其中橡木是美国出口中国量最大的树种，故以橡木锯材为研究对象，结论具有较高代表性。

本研究基准材选择厚度为50 mm的白橡木锯材，为常见家具材厚度，气干密度为755 kg/m3。橡木属于难干材，通常初含水率为60%左右，结合国内生产现场调研的数据并参照美国林产品实验室发表的木材干燥基准[11]，板材干燥后含水率8%，干燥周期约为40 d。该规格的橡木锯材作为此次研究的基准参数。

2 环境影响评价

2.1 目标和范围

1)目标:对窑干橡木锯材生产的物质和能量输入，以及相应的排放和产出进行量化分析，评价其环境影响，为橡木木质制品的环境影响评价提供基础数据；比较锯材生产地的不同和干燥供热方式变化对锯材环境性能的影响，为锯材价值链和生产方式的优化提供参考。

2)范围：完整LCA包括了一个产品从“摇篮到坟墓”所有阶段。对于木材而言，包括森林经营、木材采伐、制材、干燥、成品加工、产品销售/使用直至废弃处理(图1)。由于美国阔叶林都是天然林，树木生长过程中的人工干预较少[12]，因而森林经营阶段的环境影响可忽略不计。橡木锯材的用途广泛，不同终端产品的环境影响各不相同，本次研究的目的在于通过对锯材环境属性进行量化评估，为木质制品环境影响的评价提供基础数据，研究只讨论经干燥后得到的锯材，不考虑木质制品的加工、使用和最终处理。

图1 窑干橡木锯材LCA系统边界示意图Fig. 1 System boundary for the LCA of kiln-dried oak lumber

对于在国内生产的橡木锯材，其制材和干燥环节的系统边界如图2和图3所示。图3中左侧为外购水蒸气供能的系统边界，右侧为工厂内部生物质锅炉供能的系统边界。二者的差异体现于以生物质锅炉为热源时，锅炉和喷淋塔会消耗额外的电能，制材过程中产生的木废料可以进行循环利用用作燃料，消除了外界的蒸汽输入。

图2 国内制材工段的系统边界示意图Fig. 2 System boundary for domestic lumber manufacturing

图3 国内不同热源的制材及干燥工段系统边界对比图Fig. 3 System boundary for domestic manufacturing and drying process with different heat sources

在生命周期各阶段中存在一些影响较小可以忽略不计的工段，根据LCA标准(ISO 14040—2006)可以通过设定一个阈值，将物质、能量或对重要环境性能影响较小的工段排除不进行分析，只保留重要的工段。本研究将阈值设定为环境影响值的1.4%，在此阈值标准下锯材的全部生产工段都可以保留，同时忽略对结果影响过小的部分。系统中用于产生水蒸气的水、用于调湿处理的水蒸气、喷淋塔用水以及最终排出的废水的环境影响均在阈值以下，因此忽略不计。

3)功能单位：功能单位是一个量化产品性能的参考单元，所有的能耗计算和分析都要以功能单元作为参考基准。参照已有的林产品LCA研究，本次研究的参考单元为1 m3干燥木材[12-14]。

4)分配：分配是指将产品系统中的输入和输出流划分到所研究的产品系统或多个其他产品的系统中去(ISO 14040—2006)。根据生产调研的结果，原木制材过程中所得锯材占比70%，木废料占比30%。根据质量分配原则按此比例对制材的输出数据进行分配[12]，即70%的输出分配给锯材、30%的输出分配给木废料。

2.2 清单分析

清单分析是对一个产品生命周期各阶段的物质和能量的输入和输出进行量化的过程，通过与功能单元的关联，计算环境负荷因子最终形成生产过程单位产量环境影响数据清单[15]。

2.2.1 数据收集

橡木产地选择美国产量最多的密苏里州，采伐后的原木经2 791 km的公路运输至美国加州的长滩港，再从长滩港经约9 215 km的海洋运输至我国的上海港。以此为基准数据，代入Eco-invent数据库和USLCI数据库进行木材采伐和运输阶段的物质、能量的输入和输出清单。Eco-invent是由瑞士Eco-invent中心开发的商业数据库，涵盖了欧洲以及世界多国7 000多种产品的单元过程和汇总过程数据集。USLCI由美国国家再生能源实验室和其合作伙伴开发，主要包含了美国本土950多个单元过程数据及390个汇总过程数据集，涵盖常用的材料生产、能源生产、运输等过程。国内生产的橡木锯材制材和干燥环节的清单数据通过现场调研获得，调研地点为张家港和靖江港木材加工企业，所有调研数据均与理论计算值进行对照评估。窑干橡木锯材生命周期各阶段数据来源汇总见表1。

表1 窑干橡木锯材生命周期各阶段数据来源Table 1 Data sources for different life cycle stages of kiln-dried oak lumber

一个年产能50万m3的国产制材线配备6台电机功率为37 kW的跑车带锯机、2台电机功率为15 kW的卧式带锯机和10台电机功率为15 kW的框锯机，根据调研工厂每天8 h的工作时长可计算出电能的消耗量。干燥过程中橡木由初含水率60%干燥至终含水率8%，干燥窑容积为150 m3，窑体金属铝外板厚0.8 mm，内板厚1.2 mm，隔热纤维层厚100 mm，碎石、煤渣和混凝土厚度各为100 mm，窑内干燥温度为60 ℃，窑内配有7个功率为3 kW的风机。以外购水蒸气为热源干燥时，所消耗的热能分别经过调研和理论计算[16-17]两种方法获得以确保数据的准确性，调研得知每天每窑需要消耗压力约为14 kg/m2的水蒸气2.5～3.0 t，根据汽化潜热可计算出干燥所需的热量。其他相关数据的来源见表2。

表2 国内制材和干燥工段的数据来源Table 2 Data sources of domestic lumber manufacturing and drying process

2.2.2 输入、输出清单

当以外购蒸汽为热源时，经理论计算得知干燥1 m3橡木锯材需要消耗热量3.61×106kJ(表3)，现场调研所获得的热能消耗为3.46×106kJ。Simpson等[19]研究结果显示，干燥50 mm厚的1 m3橡木由50%的含水率干燥至7%需要消耗热能2.88×106kJ。经比对上述的调研数据、理论计算数据和其他学者相关的研究数据，可知三者数值相近。

表3 以外购蒸汽为热源的窑干橡木锯材生产过程的输入、输出清单Table 3 The input and output inventory for the manufacturing process of kiln-dried oak lumber with purchased steam as heat source

经调研得知，喷淋塔净化效率为95%，每生产1 m3锯材所产生的木废料中有430 kg可循环利用作为锅炉的燃料。设锅炉的热效率为70%[20]，可得以生物质锅炉为热源时的清单数据(表4)。对比表3和表4可知，生物质锅炉为热源时，由于锅炉和喷淋塔的使用，生产过程的热能和电能消耗相比较外购水蒸气为热源都有所增加，干燥所消耗的热能增加了0.74×106kJ(20.5%)，电能增加了51.42 kWh(35.0%)。但由于生产过程木废料的资源化利用，系统输出的木废料量下降了92.7%。

表4 生物质锅炉为热源的窑干橡木锯材生产过程的输入、输出清单Table 4 The input and output inventory for the manufacturing process of kiln-dried oak lumber with on-site biomass boiler as heat source

2.3 影响评价

影响评价是指评价清单分析阶段的消耗和排放数据对产品生命周期各部分环境影响的贡献，并总结各影响因素对环境影响的排序。

2.3.1 评价方法

本次研究选择了SimaPro 8.0.1软件中的Eco-indicator99作为评价方法，是一种面向“终点”的损害取向评价理论。它将产品清单分析的数据按照一定的环境机制划分为各种环境问题，并将各种环境问题对人体健康、生态系统和资源损害按一定权重进行归一化[21]。选择它的原因是其应用最成熟，使用也较为广泛，且影响类别全面，相关的木制品LCA研究也应用了此方法[22]。

2.3.2 外购蒸汽为热源的窑干锯材的环境影响

窑干橡木锯材最为显著的环境影响类别是呼吸性无机物和化石燃料，加权后总得分均为25.50(图4)，均占总环境影响的40.79%，二者共计占比高达81.58%。呼吸性无机物的环境影响主要由运输和干燥工段所引起，在运输过程中87.47%的呼吸性无机物影响来自燃料燃烧后所产生的NOx。而干燥工段影响较为显著的原因是，当以电厂外购水蒸气作为热源时，电厂所提供的水蒸气多数是由燃煤锅炉产生的，燃煤锅炉的使用会向大气中排放大量的SO2、NOx和颗粒物。对化石燃料资源的影响主要来自海洋运输和铁路运输，占比分别达到60%和23.92%。运输方面影响颇为显著的原因是，进行铁路和海洋运输时火车及货轮主要以燃油、天然气和煤作为燃料，因此消耗了大量的化石燃料。剩余的其他影响类别仅占总环境影响的18.42%，体现在酸化/富营养化、气候变暖、致癌物等方面。2018年美国环境保护署将木材定义为碳中性材料，即森林被砍伐后使得部分“碳”转移到林产品中，林产品最终被废弃燃烧，从而产生一定的碳排放，进而被新种植的树木吸收，从而达到碳平衡，因而其气候变暖的影响值自然很低[23]。土地利用影响值很低的原因是，森林经营没有被计入研究范围，即树木生长所占用的土地被排除在外。

图4 1 m3窑干橡木锯材的环境影响Fig. 4 Environmental impacts of 1 m3 kiln-dried oak lumber

从各加工工段来看，环境影响由大到小依次为海洋运输、干燥、铁路运输、木材采伐和制材(图5)。其中海洋运输和铁路运输均在化石燃料消耗和呼吸性无机物排放方面产生了显著影响，化石燃料分别占海洋运输和铁路运输总体影响的49.76%和51.09%，其次是呼吸性无机物分别占海洋运输和铁路运输总体影响的38.05%和36.85%。干燥所造成的环境影响类别最广泛，对呼吸性无机物、气候变暖、化石燃料和致癌物等环境类别均有影响，其中最显著的呼吸性无机物占比为48.12%。而木材采伐和制材的环境影响因素较为单一，木材采伐工段中59.18%的环境影响来自化石燃料的消耗，制材工段中呼吸性无机物的排放占比则高达76.01%。

图5 生命周期各阶段对窑干橡木锯材环境影响的贡献Fig. 5 Contribution of each life cycle stage to the environmental impacts of kiln-dried oak lumber

图5的数据表明，以原木进口到国内，在国内完成制材和干燥的橡木板材，其主要环境影响来自远洋运输和干燥环节。海洋运输的超长距离极大改变了木材的环境属性，并使得化石燃料和呼吸性无机物成为锯材的主要环境影响类别。木材干燥一直以来都是木材加工过程中的主要能耗环节，对于橡木这样的难干阔叶材，由于干燥周期较长，其产生的环境影响尤为显著，干燥过程对能源的消耗进一步加大了化石燃料和呼吸性无机物两类环境影响的影响值。

2.3.3 不同热源的窑干锯材的环境影响比较

外购水蒸气为热源和生物质锅炉为热源对锯材环境性能的影响水平相似，外购水蒸气为热源所产生的环境总负荷(62.51)要稍大于生物质锅炉为热源(60.27)。如图6所示，在致癌物、呼吸性有机物的排放、气候变暖、臭氧层损耗、酸化/富营养化和化石燃料消耗方面，外购水蒸气为热源产生的环境影响均大于生物质锅炉为热源，其余的环境影响方面则是外购水蒸气为热源更具有优势。两者在呼吸性有机物和呼吸性无机物的排放、酸化/富营养化和化石燃料消耗方面差距不大，分值相差在10%以内，而气候变暖、辐射和矿物质资源消耗方面相差较大，超过了30%。造成这一现象的原因是，电厂提供的水蒸气多数是由燃煤锅炉产生的，燃煤供热会消耗大量化石燃料并产生NOx和颗粒物等污染物，而生物质锅炉主要以厂内制材加工后所剩余的木废料为燃料，木废料则循环利用于干燥工段中，因此产生了相应的正向环境影响，这在气候变暖指标中体现得最为明显。

图6 不同热源橡木窑干锯材的各类环境影响对比Fig. 6 Comparison of each environmental impact of kiln-dried oak lumber generated by different heat sources

和分散式的燃煤锅炉供热相比，集中供热锅炉的效率更高，排气处理设施更加完备，有利于降低能源供给的环境影响。但是生物质锅炉的原料来自生产废弃物，是对废弃物的资源化利用，由于燃料成分为有机物，其燃烧排放特征也有异于燃煤锅炉，因而其环境性能与相同规模的燃煤锅炉存在显著差异。本次研究的结果表明，采用生物质锅炉供热，锯材的总体环境性能的影响与集中供热相当，表明生物质锅炉具有保留应用的价值。

2.3.4 国内外窑干橡木锯材的环境影响比较

由于橡木同时以原木和锯材两种形式进口到国内，本研究也比较了国内干燥锯材和海外干燥锯材在环境性能上的差异。海外干燥锯材的制材和干燥数据取自USLCI数据库。分析表明，橡木国内锯材所产生的环境影响(62.60)远大于橡木海外锯材(27.60)。从图7可见，在环境影响类别方面，橡木国内锯材的致癌物、呼吸性有机物和呼吸性无机物的排放、气候变暖、酸化/富营养化和化石燃料消耗这些环境影响均显著大于海外锯材，两者相差超过1倍。两者环境影响得分相差较大的原因是海外的制材生产线以及干燥工艺和国内具有差异，其干燥工艺和装备水平较为成熟，能耗控制较好。另外在运输方面，原木的运输质量显著大于运输干燥后板材的质量，而呼吸性无机物的排放、化石燃料消耗和气候变暖都受运输和干燥工段的影响较大，因此在这3个环境影响方面海外的锯材也具有明显的优势，这也印证了上述研究中所提到的运输确实对橡木锯材的环境性能产生了不小的影响。

注：橡木国内锯材是指原木从海外运输至国内港口，在国内锯场内制造成板材；橡木海外锯材是指海外锯切后的板材干燥后直接销往国内。图7 橡木国内锯材和橡木海外锯材的各类环境影响对比Fig. 7 Comparison of each environmental impact between domestic and US-produced oak lumber

国内外窑干橡木锯材的环境影响差异表明，从提高环境友好性的角度，直接进口板材优于进口原木后在国内进行锯材加工。

3 结论与讨论

1)国内窑干橡木锯材在生命周期各阶段的环境影响从大到小依次为海洋运输、干燥、铁路运输、木材采伐和制材。国内外窑干橡木锯材所带来的环境影响主要体现在化石燃料消耗和呼吸性无机物排放这两种环境问题上，两者共占据总环境影响的81.58%。就环境影响贡献最大的运输而言，由于橡木为进口材导致其运输距离过长，造成了较为显著的环境影响，若想削弱这部分的影响可以增加清洁能源的使用。在木材干燥方面，若能缩短干燥周期，也可有效地减轻环境负担，可将木材在窑干之前先进行预干燥或大气干燥，以缩短干燥周期，减少能耗降低环境损害。

2)在干燥热源的研究表明，以木废料作为燃料的生物质锅炉与电厂外购水蒸气为热源所产生的环境影响相差不大。主要环境影响方面，二者在呼吸性有机物的排放和化石燃料消耗之间的差距较小，分值相差在10%以内，而在气候变暖方面相差较大，分值相差超过30%。生物质锅炉是对加工产生木废料的资源化利用，这部分可产生正向的环境影响，因而其环境性能与相同规模的燃煤锅炉存在显著差异，因此生物质锅炉具有保留应用价值。

3)对比研究发现，由于国外制材生产方式与国内的不同，以及运输时原木的运输质量显著大于运输干燥后板材的质量，使得国内锯材消耗了更多的化石燃料资源。在这些因素的影响下，橡木海外锯材的环境性能在呼吸性无机物排放、化石燃料消耗和气候变暖方面要显著优于橡木国内锯材，致使两者最终的总体环境性能相差几乎1倍。就环境性能而言，直接进口板材优于进口原木后在国内进行锯材加工，可见我国的制材生产线、干燥加工的原料和能源利用效率与国外发达国家相比还有较大的提升空间。