石材固废资源化利用的碳减排效益研究

许 静，姜青苗，余丰毅， 汤营茂，庄凌峰,，罗永晋，谢伟杰，刘维丽,，钱庆荣，陈庆华

(1.福建师范大学聚合物资源绿色循环利用教育部工程研究中心，福建 福州 350007；2.福建技术师范学院经济与管理学院，福建 福清 350300)

全球石材行业每生产2.5 t石材成品，就会产生1 t石材废料浆，而加工过程中产生的废料通常采取堆放和填埋的方式处理．石材废料的堆放和填埋不仅浪费大量的土地资源，还可能导致土壤、水体和大气等污染[1]．随着全球石材行业的快速发展，中国已成为主要的石材开采和生产国家．同时，由于技术等原因限制，石材浪费量巨大，目前我国石材浪费达到数亿t以上．因此，石材固废的资源化利用成为石材行业发展的关键，同时也是推动我国生态文明建设、实现绿色循环发展和低碳发展的重要途径之一．石材固废资源化利用过程中兼具污染物减排的协同效益，无疑是实现碳达峰与碳中和的重要方式．

当前，温室气体(GHG)排放导致气候变化已成为全球关注的焦点，遏制全球变暖、削减碳排放量，已成为21世纪世界各国的共识．许多石材固废具有回收利用的价值，可进行资源化利用，部分或全部替代生产过程中所需的原材料．因此，资源化利用石材固体废弃物不仅能减少固体废弃物在堆放或处理过程中排放的CO2，还可以降低原材料利用阶段产生的碳排放，具有良好的碳减排效益．目前国内外学者对石材废弃物的研究主要侧重于资源量、资源化利用途径、温室气体排放量的研究，而对石材废弃物资源化利用的碳减排效益研究较少．通过文献资料可以发现当使用石材废料制备再生混凝土时，每立方米混凝土能达到2.50%～8.50%不等的碳减排率，利用石材固废制备再生骨料时，每吨骨料能达到28%～65%的减排率，利用石材固废制备再生水泥时，能达到46%～75%的减排率．从石材固废资源化利用角度出发，碳减排效益主要反映资源化利用技术对石材生产加工过程碳排放强度的影响，也可用碳减排率来表示，其计算公式为:

(1)

式中a表示利用天然石材生产1 t产品的碳排放量，b表示利用废弃石材生产1 t产品的碳排放量．

本文系统回顾了国内外现有的石材固废资源化利用过程中的碳减排效益研究，分析了不同石材固废资源化利用的生命周期环境影响结果数据．通过比较固废资源化利用的生命周期碳排放量，总结其资源化利用的碳减排效益，以期推动我国固体废弃物资源化利用和碳减排相关研究的开展．

1 石材固废资源化利用研究现状

我国近年工业固废排放量在40亿t以上，整体综合利用率只约为一半，每年产生接近10亿t的工业固废未能被利用处置，历年来累积堆存量超过100亿t，针对这一问题，我国确立了3R原则，即“减量化(reduce)、资源化(resource)、再利用(recycle)”的处理原则[2]．目前，废石材资源化利用主要集中在废石材中有用矿物或元素的分离与回收[3],以及废石材制备其他有用材料．石材固体废弃物中的废混凝土、废砖瓦、废石材等无机硬质组分，在回收再生利用循环过程中，经过粉碎和筛分设备进行处理后，可以获得两种类型的再生产品(再生集料和再生原料)[4]．本文研究的资源化利用技术主要为利用石材废料制备再生混凝土、再生骨料和再生水泥，并基于生命周期评价方法研究资源化利用技术的环境效益．

1.1 利用石材废料制备再生混凝土

在利用石材废料制备再生混凝土方面，Yang 等[5]认为混凝土强度等级与环境影响关系密切；肖建庄等[6]建立了生命周期下的1 m3再生混凝土碳排放量化模型，发现对比普通混凝土，再生混凝土在CO2减排上具有更优的环境价值；Tait[7]认为混凝土可以在不损失性能的情况下生产，同时显著减少其生产过程中产生的负面环境影响；高唱[8]研究发现用建筑垃圾制备再生骨料替代天然砂石骨料生产的1 m3再生混凝土全球变暖潜在影响是312 kg CO2eq，相对于原生混凝土，每生产1 m3再生混凝土全球变暖潜在影响降低了8 kg CO2eq；Nakic[9]研究结果表明，用粉煤灰替代10%水泥产生的混凝土具有与普通混凝土相同的技术特性，同时能减少9%的环境影响；Marian等[10]认为在混凝土制备过程中用粉煤灰代替25%的水泥，可以降低高达17%的全球变暖潜值；Park等[11]提出了一种利用混凝土的抗压强度来评估混凝土生产生命周期CO2排放的方法．

1.2 利用石材废料制备再生骨料

针对石材废料制备再生骨料进行文献检索，发现大部分研究只关注利用再生骨料制备透水砖的工艺参数和透水砖性能，较少关注制备过程中的环境影响．王卓等[12]利用再生骨料制备烧结透水砖，得出适宜的工艺参数、烧成温度和抗压强度；陈连发等[13]利用建筑垃圾铁板砂制备透水砖，抗压强度达25 MPa，张良[14]利用建筑垃圾为骨料制备建筑垃圾透水路面砖；冷玲倻等[15]利用废弃混凝土作为骨料制作透水砖，采用正交设计试验方法确定配比．之后，Flower 等[16]研究发现水泥生产是混凝土产生CO2排放的主要来源，占CO2排放总量的74%～81%，混凝土中CO2排放的下一个主要来源是粗骨料，占CO2排放总量的13%～20%．因此，科学家开始关注再生骨料带来的环境影响．Hossain等[17]发现用回收的建筑拆除废弃物和废玻璃生产再生骨料可以实现可观的净环境效益；李志明等[18]发现，相比于天然石材破碎重铺，利用废旧水泥混凝土再生石材，每t产品温室气体排放减少了4.46 kg CO2eq；Rahman等[19]研究表明，开采1 t天然骨料的CO2排放量约为3.31 kg，而用建筑拆除废弃物再生1 t骨料的CO2排放量约为2.36 kg，约减少了29%的排放量；Estanqueiro等[20]对混凝土生产中使用的天然和再生粗骨料进行生命周期评估比较，其结果表明再生粗骨料可以比天然骨料产生更高的环境效益；Marinkovi 等[21]对再生骨料混凝土和天然骨料混凝土进行环境评价比较，介绍了以天然砂砾、天然碎石为原料的混凝土和再生混凝土的生命周期评价结果．

1.3 利用石材废料制备再生水泥

根据文献资料，王波[22]研究表明：与直接填埋相比，每吨建筑废弃物资源化利用温室气体排放大约可以减少610.86 kg CO2eq；Medina等[23]探讨了含有花岗岩淤泥的水泥的能量性能和量热行为；2017年Ren 等[24]探讨了用工业固体废物替代传统原料生产硫铝酸盐熟料的可行性；Zulcão等[25]发现观赏石废料可用作水泥部分替代，且在高替代水平(超过50%)下具有令人满意的环境效益；Sanchez等[26]的研究结果显示大理石废渣替代石灰石制备1 kg水泥的CO2排放量为0.85 kg，与普通硅酸盐水泥相比，减少了约34%CO2排放量；宋晓玲等[27]认为使用固体废弃物替代传统原料生产水泥具有更低的环境影响；沈燕等[28]研究发现，利用废渣制备硫铝酸盐水泥具有一定可行性，不仅可以降低水泥生产成本，而且有利于水泥的低碳生产．

上述再生混凝土、再生骨料、再生水泥的资源化利用技术见表1．

表1 石材固废资源化利用技术Tab.1 Resource utilization technology for solid waste stone waste

上述各种资源化利用技术，其产品的生命周期全过程均能产生环境效益，不仅能改善传统固废处置方式带来的土地占用和环境污染，还能减少原材料开采和运输过程的能耗与排放，是实现固废的无害化和资源化处置，绿色循环发展和低碳发展的重要途径之一．

2 生命周期评价方法的碳排放核算体系

2.1 碳排放核算国际标准

ISO14060系列标准是特别针对温室气体管理所制定，ISO14064-1[29]对组织层面温室气体排放的量化与监测进行了规范，确定了温室气体排放的边界、排放阈值；而ISO14064-2[30]对项目层面温室气体排放的量化与监测进行了规范，不仅确定了温室气体排放的边界、排放阈值，还对具体的减排措施、项目以及规划提出了要求．据童庆蒙等[31]研究表明，温室气体议定书(GHG Protocol)2001是产品碳足迹国际标准ISO14067规范的重要参考来源之一,得到了中国等发展中国家的认可．

2.2 生命周期碳排放核算方法

碳排放核算是量化碳排放变化趋势、研究碳排放影响因素和设计减排路径的基础．碳排放核算方法是碳排放研究中的一个基本问题，也是对碳排放进行定量分析并确定排放主体承担相应社会责任的重要基础[32]．近年来，学者从不同的角度对碳排放核算方法进行分析和探讨，比较而言，从全生命周期视角 (life cycle assessment，LCA) 进行的碳排放研究受到了更多的关注．一方面，这一视角的研究更有利于让人们了解碳排放的源头及全过程；另一方面，有利于人们在实践中对碳排放进行系统性和综合性的治理．目前，国际上公认的碳排放核算方法有3种，分别是物料衡算法、实测法和碳排放因子法．国内对于全生命周期碳排放核算的研究主要集中在碳排放程度比较高的几大行业，包括建筑业、煤化工业和交通运输业等[33]．

2.3 生命周期碳排放核算方法的应用

近年来，由于城市化进程加快，我国建筑业蓬勃发展，由此带来的碳排放得到了学术界的关注．李静等[34]研究了基于全生命周期的建筑工程碳排放计算模型，将建筑全生命周期的碳排放活动归结为能源、建筑材料、机械的碳排放．Zhang等[35]采用自下而上的基于过程的分析方法，对中国30个地区2004—2013年建筑行业碳排放进行了核算；Moussavi 等[36]利用碳排放因子法对15种不同结构系统设计的建筑物在不同生命周期阶段产生的碳排放进行了计算；蔡伟光等[37]基于排放因子法和能源平衡表建立了建筑能耗拆分模型，并对全国2000—2017年建筑碳排放量进行了计算和分析．煤炭燃烧是CO2排放的主要来源，因此许多研究集中在煤化工业的碳排放．武娟妮等[38]对新型煤化工业的生命周期碳排放趋势进行了研究，分析了从煤炭生产到产品消费整个产业链的碳排放现状和趋势；王悦等[39]对风电产业的全生命周期碳排放进行了分析，将碳排放过程划分为风电设备制造业和风力发电业2个阶段；崔亚蕾等[40]将煤制天然气的全生命周期分为5个阶段，分别是煤炭开采、煤炭运输、 煤制天然气生产、管道运输和终端消费．由于交通运输行业的快速发展，其能源消费总量提升较快，导致其碳排放量上升较快，引起了学术界的关注．陈进杰等[41]根据生命周期理论，将高速铁路生命周期划分为建材生产阶段、施工建设阶段、运营维护阶段和报废拆除处置4个阶段．孙涵洁[42]将电动汽车生命周期排放过程划分为电动汽车制造过程、使用过程和回收过程3个阶段．

全生命周期碳排放核算方法是基于一般性的碳排放核算方法，是对一般性理论的进一步延伸，突出对碳排放全过程的跟踪、综合评价及估算．它不仅是一种核算方法，更是一种诊断方法，通过比较分析，能够有效发现一个企业或一个行业碳排放价值链中主要的排放点，从而为碳排放的治理提供直接的依据，因而具有广泛的实践应用价值．

3 石材固废资源化利用的碳排放量

3.1 再生混凝土的全球变暖影响

根据查阅文献，制备再生混凝土所产生的环境影响如表2所示．肖建庄等[6]研究发现，随着再生粗骨料取代率的提高，1 m3混凝土立方体抗压强度为30 N·mm-2的再生混凝土生命周期碳排放量逐渐降低，当取代率为100%时，每立方米混凝土的碳排放量为301.4 kg，与天然骨料混凝土相比降低了约20 kg；根据Tait等[7]的计算，发现每立方米粉煤灰混凝土和高炉矿渣混凝土分别减少了32%和62%的CO2排放；高唱[8]通过计算未采用废弃物生产混凝土时与采用废弃物生产混凝土时的混凝土制品的生命周期环境影响，发现在保证混凝土的性能一致，采用废弃混凝土生产时，其全球变暖潜值降低8 kg CO2eq；根据Nakic[9]的研究，与原生混凝土相比，制备每立方米污水污泥灰混凝土全球变暖潜值减少了20 kg CO2eq；Marian等[10]研究发现，每立方米只含有天然骨料水泥的混凝土碳排放量在323～332 kg CO2eq之间，而通过用粉煤灰代替25%的水泥，碳排放值可以降低高达17%．

从表2可以发现，在再生混凝土的产品生产和废弃物处置全生命周期过程均产生了环境效益，使CO2排放降低．这是由于原生混凝土的生产会产生大量导致温室效应的气体，如生产过程中的化石燃料的燃烧和原材料运输过程的柴油燃烧会产生大量CO2排放；并且再生混凝土使用再生骨料生产，很大程度上减少了石材固体废弃物填埋、堆积等环节对大气造成的污染．

3.2 再生骨料的全球变暖影响

再生骨料的环境影响如表3所示．Hossain 等[17]研究发现，利用碎石生产1 t天然粗骨料的全球变暖潜值为32 kg CO2eq，而用建筑材料废料生产1 t再生粗骨料的全球变暖潜值为11 kg CO2eq，比天然粗骨料减少了约65%的碳排放；据李志明等[18]的研究，开采1 t原生骨料的CO2排放量为4.09 kg，而利用废旧混凝土再生1 t骨料的CO2排放量为1.71 kg，比原生骨料减少了约52%的CO2排放；Rahman等[19]的研究表明，开采1 t天然骨料的CO2排放量约为3.31 kg，而用建筑拆除废弃物再生1 t骨料的CO2排放量约为2.36 kg，约减少了29%的排放量．

表3 再生骨料生命周期的全球变暖影响结果Tab.3 Global warming impact results on the life cycle of recycled aggregate

表3表明，使用石材废料制备再生骨料以替代天然骨料时，能显著降低CO2的排放量．这是由于天然骨料开采过程中排放大量的CO2，天然骨料运输过程中的柴油燃烧也产生CO2，因此利用石材废料制备再生骨料不仅能节约天然资源，还能减少CO2排放．

3.3 再生水泥的全球变暖影响

再生水泥的环境影响如表4所示．在水泥制造过程中(挖掘、破碎、研磨、烧结、制造和运输)，有84%以上的CO2排放产生在烧结过程中．Sanchez等[26]计算了普通硅酸盐水泥(OPC)和再生水泥在烧结过程中的CO2排放，并进行比较分析，结果显示与天然水泥相比生产再生水泥的碳排放量的减少高达54%(从每克水泥90 g-CO2到每克水泥48.1 g-CO2)；据宋晓玲等[27]的研究，每吨全工业固废制备水泥的CO2排放量为146 kg水泥，而每吨普通水泥的CO2排放量为597 kg；Zulcão等[25]研究发现，当观赏石废料被用作水泥的替代品时，GWP可以减少高达8%．

表4 再生水泥生命周期的全球变暖影响结果Tab.4 Global warming impact results on the life cycle of recycled cement

从表4可以发现，利用废料制备水泥可以大幅度减少水泥生产过程的CO2排放量，这是由于天然水泥生产过程中，熟料煅烧过程会排放大量CO2，而固废制备水泥，可以通过使用固废替代熟料，从而减少煅烧过程的排放．

3.4 石材固废资源化利用的碳减排效益

针对表1的石材固废资源化利用方案，根据3.1-3.3的各类石材资源化利用环境影响结果，汇总石材固废资源化利用的环境影响减少量和碳减排率数据，如表5所示．

表5 石材固废资源化利用的碳减排效益Tab.5 Carbon emission reduction benefits of resource utilization of stone waste

从表5可以看出，无论何种资源化利用技术，其产品生产和废弃物处置的全生命周期中均产生环境效益．对于再生混凝土、再生水泥、废渣制备水泥及水泥基建材，其CO2减排率在2%～75%不等，其中大多数资源化利用技术减排率集中在20%～40%，这充分说明石材固废的资源化利用对实现碳中和碳达峰目标具有重要意义．

4 结论

在碳达峰与碳中和目标下，石材快速发展的背景下，石材固废的产生量逐年增长．目前，对于石材固体废弃物的常规处理是将其转运至废料场堆积或填埋．然而石材固体废弃物在自然条件下降解困难，专门的废料场不但占用了土地资源，且易造成二次污染．因此，石材固废资源化利用的减污降碳的重要性凸显[43]．本文根据阅读文献及总结数据，得出以下结论．

(1)目前，国内外石材废弃物的研究主要侧重于资源量、资源化利用途径、温室气体排放量的研究，而对于其资源化利用的碳减排效益研究较少，故采用生命周期评价方法计算石材固废资源化利用的碳排放量，以此研究其碳减排效益具有重要意义．

(2)石材固废回收利用不仅可以避免天然石材开采过程中的电力消耗和原材料运输过程的柴油燃烧，还可以减少固体废弃物填埋所带来的土地占用，从而降低石材固废再生利用生命周期过程的温室气体排放，有助于实现碳排放强度下降．

(3)石材固废资源化利用具有良好的环境效益，利用石材废料再生混凝土的CO2减排率在2.5%～62%不等，在再生骨料的过程中CO2减排率在28%～65%之间，而再生水泥的CO2减排率为45%～75%，诸多研究表明无论何种固废资源化利用方式均能减少CO2排放．

综上所述，在石材固废资源化利用方案中，将废石材加工制备成再生骨料和再生水泥均具有较高的碳减排效益，这是由于当利用废石料替代水泥中的熟料时，可以减少熟料煅烧过程中的CO2排放，从而减少了水泥生产过程中的碳排放量．可见，石材固体废弃物资源化利用是推动我国生态文明建设、实现绿色循环发展和碳减排的有效途径之一．然而，目前的生命周期碳排放核算均是以固定量的产品为功能单位进行环境影响评估，而由于不同资源化利用方案的废弃石材添加量有所不同，故无法评估何为最优方案．今后的研究可将废石材的添加量作为功能单位进行环境影响评估，从而评判何种资源化利用方式可达到最高的碳减排效益．同时，对于废弃石材资源化利用的影响评估不能只局限于碳减排效益，要兼顾经济社会效益及工艺的可行性．