摘 要 采用生命周期评价(LCA) 方法评价了掺不同等级不同含量粉煤灰混凝土的环境影响。研究表明,粉煤灰的掺入可以有效减少混凝土生产过程中的煤耗、CO2、NOX、SO2 以及废弃物的排放,但并不能有效减少CO、CXHY 排放量。因此可认为粉煤灰混凝土是一种很好的生态材料。
关键词 粉煤灰 混凝土 生命周期评价(LCA) 环境负荷
1 概述
粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出,被收尘器收集的物质。据统计,1992 年全世界粉煤灰及炉底灰、渣排放量为4. 59 ×108 t ,中国的排放量为9 ×1011t[1 ] 。如此多的粉煤灰如果不加以利用,不仅对环境造成破坏,而且储存粉煤灰要占用大量的土地,花费大量的资金。其主要危害有: ①污染大气环境:堆存及回填用的粉煤灰虽然用管道输送,并利用冲灰水、回收水进行喷洒以防止灰尘二次飞扬,但还是对周围大气环境产生污染,特别是春、秋季节,气候干燥,降尘量增大。②水体污染:一部分冲灰水溢流外排至江河,经监测,外排水中悬浮物浓度较大,对江河水质造成一定的污染。③污染土壤:堆存粉煤灰要占用土地,因雨水淋溶和渗透作用,会对地下水和土壤造成污染。④耗资大:一般要投资安装正压气力输灰系统,将粉煤灰输送到灰场;投资铺设管道对灰场喷洒水;每天用卡车将灰运至灰场;配备管理人员等[2 ] 。
混凝土中掺入粉煤灰可以有效提高其物理性能和环境友好性[3 ] 。但究竟会对环境负荷产生哪些有利影响以及产生多少有利影响呢? 因此有必要对其环境影响进行评价。作为评价和解决环境问题的有效工具,LCA 方法及应用的研究已覆盖大多数工业社会,涉及到工业产品及生产工艺的设计、评价、改善及环境政策制定等诸多方面,成为许多发达国家制定工业发展战略的首选指导工具[4 ] 。本文拟采用生命周期评价LCA 方法对粉煤灰混凝土的环境负荷进行评价。
2 LCA的基本概念及评价过程
2. 1 LCA 的基本概念
1990 年环境毒理学与化学学会(SETAC) 将生命周期评价定义为:“生命周期评价是一种对产品、生产工艺以及活动对环境的压力进行评价的客观过程,它是通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和量化的。其目的在于评估能量和物质利用,以及废物排放对环境的影响,寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。这种评价贯穿于产品、工艺和活动的整个生命周期,包括原材料提取与加工;产品制造、运输以及销售;产品的使用、再利用和维护;废物循环和最终废物弃置”[5 ] 。
2. 2 LCA 的技术框架及评价过程
LCA 由4 个关联的部分组成,它们是:目标定义和范围界定、清单分析、影响评价和改进评价。确定目标和范围是LCA 研究中第一步也是最关键的部分。这部分由确定研究目标、范围,建立功能单位,建立一个保证研究质量的程序等几部分组成。它为研究的范围、前提和限制性条件提供了一个前期的界定。清单分析是4 个部分中发展最完善的一个。它是对产品、工艺过程或活动等研究系统整个生命周期阶段资源和能源的使用以及向环境排放废物等进行定量的技术过程。影响评价是对清单分析中辨识出来的环境负荷的影响作技术的定量和定性的描述和评价。影响评价部分由3个步骤组成:影响分类、特征化和量化评价。改善评价主要是识别、评价和选择减少研究系统环境影响或负荷的方案,确定和评价减少能量和原材料使用有关的环境影响的机会[6 ] 。
2. 3 粉煤灰混凝土系统环境负荷的分配方法
在现代混凝土工程中,混合材料已成为配置高性能必不可少的第6 组分[7 ] 。在混凝土中掺入粉煤灰配置混凝土属于开环再循环过程,其中的粉煤灰,一方面属于发电厂产品系统的废弃物,另一方面又是混凝土生产过程的原材料,这就导致在对其进行环境评价时存在着较为复杂的分配问题[8 ] 。本文采用文献[9 ]所提出的分配方法,用混凝土的协同特征参量Cm 作为系统环境负荷的分配系数。首先将因掺入粉煤灰而导致的混凝土系统环境负荷的减少(用EBr 表示) 用对等分配法在发电厂产品系统( EBrf ) 和混凝土系统( EBrc) 之间进行分配,即EBrf = EBrc = EBr ×50 %,再考虑粉煤灰质量对环境负荷的影响,即EBrf = EBr ×50 % ×Cm , E2Brc = EBr ×50 % ×(2 - Cm) = EBr - EBrf 。显然, 若Cm > 1 ,
表明混凝土中掺入粉煤灰后综合性能有所改善,因此分配给发电厂产品系统的环境负荷应较小(粉煤灰利用价值较高) ;反之若Cm < 1 ,则表明掺入粉煤灰后,对混凝土的综合性能将产生不利影响,因此分配给发电厂产品系统的环境负荷应较大[9 ] 。不同等级和不同掺入含量的粉煤灰Cm 值如表1 所示。
3 粉煤灰混凝土LCA评价
3. 1 目标和范围定义
研究对象为掺加不同等级不同含量的粉煤灰混凝土,其生产工艺如图1 所示。每吨水泥消耗: 石灰石1. 3 t ,黏土0. 3 t ,石膏50 kg ;以1m3 C30 混凝土为功能单位。采用5 t
3. 2 粉煤灰混凝土的清单分析
由于所有的工业系统几乎都包含有燃料开采、电力生产、运输等环节,可将其称为公用系统[10 ] 。公用系统环境数据库是LCA 评价的基本要求。粉煤灰混凝土LCA 评价的关键在于数据的处理和收集。清单分析主要是确定有关子系统的环境数据。公用系统及水泥生产过程的环境数据见表3 和表4。集料及混凝土生产分别耗电约13. 75 (kW·h) / m3和2 (kW·h) / m3 ,其他污染暂不考虑。利用表3 和表4 的数据对1 功能单位(1 m3) 的混凝土进行了LCA 汇总计算,其中表5 为未考虑环境负荷分配时粉煤灰混凝土LCA 数据汇总,表6 为粉煤灰混凝土系统环境负荷的减少,表7 为考虑环境负荷后粉煤灰混凝土LCA 数据汇总。
各试验样品各项环境指标减少的百分率如表8。
3. 3 粉煤灰混凝土环境影响评价
3. 3. 1 在混凝土中掺加粉煤灰有利于改善其环境负荷
由表5 可知,相对于未掺粉煤灰的混凝土而言,当分别掺入50 % Ⅰ级,30 %Ⅱ级,10 % Ⅲ级的粉煤灰可使混凝土生产过程的煤耗分别减少56. 12 %、48. 02 %、32. 14 % , CO2 排放量分别减少58. 29 %、41. 07 %、20. 17 % , SO2 排放量减少35. 72 %、25 %、14. 29 % , NOX排放量分别减少42. 8 %、24.28 %、12. 86 % , 废弃物排放量减少44. 67 %、33. 36 %、19. 78 % ,CO、CXHY 排放量减少不多。但对于掺量相同而等级不同的粉煤灰如C2 和C4 ,C3 ,C5 和C6 , 各环境数据却相同或很接近, 显然这是不合理的。通过采用环境协调系数Cm 来分配两系统的环境负荷后由表8 可看出, 粉煤灰混凝土生命周期中的环境负荷数据发生了变化, 当分别掺入50 % Ⅰ级, 30 % Ⅱ级, 10 % Ⅲ级可使混凝土生产过程的煤耗分别减少33. 67 %、26. 89 %、20. 09 % , CO2排放量减少34. 97 %、22. 96 %、12. 61 % , SO2分别减少34. 29 %、13. 93 %、8. 93 % ,NOX 排放量减少25. 71 %、13. 57 %、8. 07 % ,废弃物排放量也得到了减少,若考虑掺入粉煤灰后减少的废弃物在两系统间亦进行分配,则对于混凝土系统而言其废弃物甚至达到了负值。
3. 3. 2 提高粉煤灰的含量有利于降低粉煤灰混凝土的环境负荷图2 为以C1 ,C4 ,C5 为例的掺加同等级不同量粉煤灰的混凝土各环境指标的减少率。
由图2 可看出,当掺入相同等级的粉煤灰时,掺量越大,对应的混凝土各环境指标减少得越多,例如C1 ,C4 和C5 ;C2和C6。这说明掺量越大对减少混凝土系统的环境负荷越有利,但当掺量越大时,混凝土综合性能如混凝土的强度,耐久性以及可再生循环性均越差,其对水泥性能的影响有待深入研究。
3. 3. 3 提高粉煤灰等级有利于降低粉煤灰混凝土的环境负荷图3 为以C2 ,C4 为例的掺加同量不同等级粉煤灰的混凝土各环境指标的减少率。
由图3 可看出,当掺量相同时,掺入的粉煤灰质量等级越高,对应的混凝土各环境指标减少得越多,同时从水泥性能方面来看混凝土的强度、耐久性以及可再生循环性均比较好,因此若考虑混凝土的再生利用对环境负荷的影响,此时的环境负荷实际上应该更小。
3. 4 生命周期改善分析
由上述分析可知,对于确定的混凝土系统,掺粉煤灰的协同特征参量Cm 是一定的,从表7 可看出,为减少环境负荷,混凝土系统希望发电厂能提供高等级的粉煤灰,以便在尽可能满足混凝土性能要求的基础上,提高粉煤灰的掺量,减少环境负荷。同时,对于发电厂而言,提高粉煤灰的品质,
不仅经济上有利,而且也可以减少自身的环境负荷。因此发电厂应实现粉煤灰的资源化收集与处理,如通过技术改造尽可能地提高煤灰的燃烧效率,以减少粉煤灰的烧失量;对原灰进行粉磨处理,提高粉煤灰的质量等级等。
4 结论
(1) 运用生命周期全程评价方法,从考察粉煤灰混凝土整体生产行为与环境的相互作用中评价、分析和解决环境问题,对水泥工业新品种、新工艺和新设备的研究和开发,改善环境等方面均具有重要的意义。
(2) 粉煤灰混凝土是一种很好的环境材料,通过掺加一定等级一定份量的粉煤灰可以有效减少混凝土生产过程中煤耗、CO2 、SO2 、NOX 的排放以及废弃物的产生量,但并不能有效地减少CO、CXHY 的排放量。因此可认为粉煤灰混凝土是一种很好的环境材料。
(3) 在对粉煤灰混凝土进行LCA 评价过程中要考虑到粉煤灰混凝土产品的环境负荷在发电厂系统和混凝土产品系统间的分配问题,否则就会得出不合理的结论。
参考文献
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作者简介 王超,1969 年生,男,湖南湘潭人,西南交通大学硕士研究生,主要从事环境管理与规划研究。
