以煤矸石和粉煤灰为混合材的水泥生命周期环境影响评价

李正泽，李刚，郭晓潞，刘卓霖，佘安明

煤矸石和粉煤灰是煤矿开采、火力发电等生产过程中产生的工业废弃物，2021年，我国煤矸石产量达7.43 亿吨[1]，粉煤灰产量达7.90 亿吨[2]。若这些工业废弃物不加处理直接排放或废弃，不仅会侵占土地、污染环境，还会造成巨大的资源浪费。煤矸石和粉煤灰中含有丰富的硅、铝、钙、铁等元素[1-2]，将煤矸石和粉煤灰作为水泥生产替代原料，是目前应用比较广泛的资源化处理方法。采用此方法进行资源化处理，可以促进煤矸石和粉煤灰中有用元素的重新利用，将其中的有害物质（如重金属等）固化在水泥中，同时也可以降低整个水泥生产过程对环境的不良影响。

LCA（Life Cycle Assessment）生命周期评价方法是针对某产品的生产过程开展全生命周期研究的一种系统方法[3]，是对目标产品生产过程中带来的环境影响进行评估的方法，包括目标与范围的确定（Goal and Scope Definition，GSD）、生命周期清单分析（Life Cycle Inventory，LCI）、生命周期影响评价（Life Cycle Impact Assessment，LCIA）和生命周期解释（Life Cycle Interpretation）四个相互关联的步骤[3]。LCA可以辅助确定产品整个生产流程的潜在环境影响，评估生产流程的环境性能，从而获得合适的改善方案，LCA四步骤示意如图1所示。

本文将利用LCA方法，研究煤矸石和粉煤灰作为混合材对水泥生产环境的影响，通过设计两组LCA 方案，对比两组目标产品的环境影响异同，为水泥工业利用煤矸石和粉煤灰作替代原料，制订节能减排计划提供部分理论依据。

1 LCA 研究目标与范围的确定

选取1t 广州某水泥厂生产的以煤矸石和粉煤灰作为混合材的P·O42.5R水泥和1t该水泥厂生产的不使用混合材的P·Ⅱ42.5R水泥作为功能单元。

LCA 研究范围的确定大多遵循“从摇篮到大门”[4]的原则，水泥生产过程的LCA研究的范围是从原料开采到水泥成品生产的整个工艺过程。该水泥厂在P·O42.5R 水泥粉磨过程中，煤矸石和粉煤灰不经煅烧，直接作为替代原料加入，掺量分别为3.34%和3.32%；P·Ⅱ42.5R水泥在粉磨过程中不使用煤矸石和粉煤灰。按照LCA原理，根据水泥生产工艺流程，分别构建P·O42.5R 水泥和P·Ⅱ水泥LCA研究系统边界，如图2所示。

图2 LCA研究系统边界

2 生命周期清单分析

按照LCA原理，生命周期清单分析是整理汇总在系统边界内的所有输入物和输出物[5]。生命周期清单数据分为背景数据和实景数据，背景数据是指原料开采、能源生产等基础清单数据，可引自公共数据库；实景数据是在实际生产过程中，通过调研获得的原料及能源的消耗、污染物的排放等原始数据或由原始数据计算得到的核算数据[6]。本次LCA研究采用的生料、煤粉及熟料生产过程和水泥最终粉磨过程中的数据，为水泥厂调研的实景数据，电力及其他除废料外的原材料采集过程数据引用自中国生命周期核心数据库CLCD，为背景数据。

2.1 输入物清单

输入物清单需整理汇总在整个水泥生产过程中所消耗的原材料及能源清单，所有数据保留小数点后两位。根据该水泥厂提供的数据，生产1t P·O42.5R 水泥和1t P·Ⅱ42.5R 水泥所需要的原材料和能耗清单如表1所示。

表1 水泥粉磨所需原材料和能耗清单

该水泥厂生产的P·O42.5R 水泥和P·Ⅱ42.5R水泥，除了最终的粉磨过程中加入的物料种类不同外，其他工艺过程，如生料粉磨、熟料生产等加入的物料种类均一致。生产1t 生料和1t 熟料所需要的原材料及能耗清单分别如表2、表3 所示。其中，1.12kg 原煤粉磨制得1kg 煤粉的同时，将消耗0.05kW·h的电量。

表3 生产1t熟料所需原材料和能耗清单

2.2 输出物清单

输出物清单需要汇总分析在整个水泥生产过程中可能会排放的所有温室气体和污染物。该水泥厂P·O42.5R 水泥和P·Ⅱ42.5R 水泥的生产均可分为原料开采、煤粉粉磨、生料粉磨、熟料烧成和水泥粉磨等流程。其中，熟料烧成污染物的排放量占比最高，主要有CO、CO2、SO2、NOX、甲烷、NMVOC（非甲烷挥发性有机化合物）和可吸入颗粒物（PM10）等。煤粉粉磨、生料粉磨、水泥粉磨直接排放的污染物主要为可吸入颗粒物（PM10）。除废料外的各种原料开采及发电过程中的污染物排放数据，均采用中国生命周期核心数据库CLCD所提供的数据。除了上述气体和污染物外，其他污染气体、废水、固体废弃物等在水泥生产过程中排放量较小，本次LCA研究中不作考虑。

3 生命周期影响评价

生命周期影响评价是根据生命周期清单分析汇总的输入数据和输出数据，对产品的整个生命周期所带来的环境影响进行分类和特征化[3]。在进行水泥生产LCA 分析时，通常采用CML2001 分类方法[7-9]，此方法是荷兰莱顿大学环境研究中心在2001 年所发表的一种基于传统生命周期清单分析特征及标准化的方法。本次水泥生产LCA 研究选择六种常用的环境影响类型指标，通过计算，分别得出生产1t P·O42.5R水泥和1t P·Ⅱ42.5R水泥的六种环境影响类型指标参数，如表4、表5所示。

表5 两组研究对象的六种环境影响类型指标参数及变化率*

4 生命周期解释

GWP：气候变化，主要和CO2、CH4等温室气体的排放量有关，排放量越多，GWP值越大。由表5可知，生产1t P·O42.5R水泥的GWP值为850.13，生产1t P·Ⅱ42.5R水泥的GWP值为929.34，GWP值降幅为8.52%。

ADP：非生物资源消耗，主要包括大气、水、土壤、矿产等自然资源，消耗非生物资源越多，ADP值越大。由表5 可知，生产1t P·O42.5R 水泥的ADP值为1.88×10-4，生产1t P·Ⅱ42.5R水泥的ADP值为2.07×10-4，ADP值降幅为9.18%。

AP：酸化，主要与SO2和NOX等气体的排放量有关，排放量越多，AP值越大。由表5 可知，生产1t P·O42.5R水泥的AP值为1.50，生产1t P·Ⅱ42.5R水泥的AP值为1.65，AP值降幅为9.09%。

EP：富营养化，主要受NH3和NOX等含氮气体排放量影响，排放量越多，EP值越大。由表5可知，生产1t P·O42.5R水泥的EP值为2.00×10-1，生产1t P·Ⅱ42.5R 水泥的EP值为2.19×10-1，EP值降幅为8.68%。

RI：可吸入无机物，主要和可吸入颗粒物PM10，PM2.5和CO等有关。由表5可知，生产1t P·O 42.5R水泥的RI值为3.90×10-1，生产1t P·Ⅱ42.5R水泥的RI值为4.28×10-1，RI值降幅为8.88%。

POFP：光化学臭氧合成，主要和NOX等气体有关。由表5可知，生产1t P·O42.5R水泥的POFP值为1.66×10-1，生产1t P·Ⅱ42.5R 水泥的POFP值为1.81×10-1，POFP值降幅为8.29%。

综上所述，生产1t 煤矸石掺量3.34%、粉煤灰掺量3.32%的P·O42.5R 水泥，其各项环境影响类型指标相比生产1t不掺加煤矸石和粉煤灰的P·Ⅱ42.5R 水泥，普遍降低了8%～9%，各项指标的降幅差距不大。这可能是由于掺加煤矸石和粉煤灰可以减少水泥熟料的用量，而水泥熟料生产是整个水泥生产过程中产生环境影响最大的环节，因此，在水泥生产中掺加煤矸石和粉煤灰，减少熟料用量，可以显著降低整个水泥生产过程的环境影响。

5 结语

通过对广州某水泥厂生产的P·O42.5R水泥和P·Ⅱ42.5R 水泥分别进行LCA 分析和对比可知，在水泥生产中加入3.34%的煤矸石和3.32%的粉煤灰，对六项环境影响类型指标均有降低作用，GWP、ADP、AP、EP、RI和POFP分别降低8.52%、9.18%、9.09%、8.68%、8.88% 和8.29%。因此，将煤矸石和粉煤灰应用于水泥生产中，不仅可以协同处置废弃物，还可以降低水泥生产过程中对环境造成的影响。