中国水泥企业生产环境负荷分析
摘要：基于生命周期理论，采用荷兰莱顿大学环境技术中心(CML)环境影响评价方法环境影响评价方法对中国水泥生产的环境负荷进行了定量分析。结果表明，水泥生产的环境影响主要体现在温室效应、不可再生能源消耗和不可再生资源消耗，其环境负荷分别占对应环境影响类型世界总负荷的2.76%、2.34%和1.39%；2006年中国水泥生产的环境负荷约占世界总负荷的1.28%，其中立窑生产工艺、湿法回转窑生产工艺和新型干法生产工艺的环境负荷分别为0.84%、0.12%和0.32%。通过行业结构调整，用新型干法生产工艺取代其他落后的生产工艺，可使中国水泥生产的环境负荷降至世界总负荷的1%左右。
近20年来，中国水泥产量一直位居全球第一，而且增长迅速，2006年达到9.7×108 t，接近世界当年总产量的一半。另一方面，水泥生产工艺落后的问题仍然突出，统计表明，2006年中国立窑工艺、湿法回转窑工艺和新型干法工艺生产的水泥产量所占比例分别为59.4%、8.1%和32.5%，新型干法工艺生产水泥产量不到总产量的1/3。
巨大的水泥生产规模和落后的生产工艺不仅加剧资源和能源紧张态势，而且排放大量污染物。按照目前的消耗水平推算，35年内已探明可供生产水泥的石灰石将耗竭。就能源消耗而言，统计表明，2005年全国水泥工业消耗能源1.0×108 t标准煤，约占全国能源总耗量的6%，而同年度水泥工业总产值(1.495×1011元)仅占国内生产总值的1.28%[1]。在水泥生产过程中，排放的污染物包括废气、废水和噪声等，以废气为主，尤其是颗粒物，2005年排放量为4.597×106 t，约占全国工业系统总排放量的45%[2]。
在水泥工业资源、能源消耗大，同时产生大量污染物已得到充分认识的情况下，改进生产工艺，以降低水泥生产的环境负荷成为人们的共识。然而，到目前为止，对于不同工艺生产水泥的环境负荷，以及改进工艺可带来的环境效益尚缺乏全面的认识。基于ISO14040：14043中介绍的生命周期评价理论[2]，采用荷兰莱顿大学环境技术中心(CML)环境影响评价方法[3]，对3种典型水泥生产工艺，即立窑工艺、湿法回转窑工艺和新型干法工艺生产单位产量水泥的环境影响进行评价，并结合水泥产量分布，确定中国水泥行业的总环境负荷。最后，分析通过行业结构调整，降低水泥生产环境负荷的潜力。
1 典型水泥生产工艺环境负荷评价
1.1 目标和范围的确定
以l kg 42.5等级硅酸盐水泥作为评价的功能单位，评价目标是确定不同工艺生产功能单位水泥的环境负荷。基于生命周期理论，评价范围界定为水泥产品的厂内生产过程及其周边环境。其中，厂内生产过程是指原料依次经过预处理、生料粉磨、锻烧、熟料磨和水泥均化等工序，最终成为水泥产品的生产全过程。水泥生产过程的周边环境是指外部资源和能源的投人和污染物的排放等.
1.2 原料、能源消耗和污染物排放清单
本研究以代表性水泥生产厂家的资源、能源消耗和污染物排放实测数据作为评价依据[4]。根据水泥生产工艺和污染物排放特点，考虑的原料组分包括石灰石、石膏、粘土和铁粉等.在干法生产工艺中，除这些组分外，还包括掺入粉煤灰和矿渣等工业废渣。能源消耗包括各生产工序的电耗和煤耗，污染物则包括颗粒物、SO2、NOx和CO2等。在比较不同水泥生产工艺的环境影响时，未考虑不可再生资源和颗粒物排放造成的环境影响，及污染物对人体健康的影响[5]。实际上，不可再生资源消耗和颗粒物排放，及污染物对人体健康的影响作为水泥生产的主要环境影响因素，对于水泥生产环境负荷的贡献不可忽视[6]。
根据上述评价范围和数据确定方法，可得到典型水泥生产工艺的资源、能源消耗和污染物排放数据见表1。
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表1 典型水泥生产工艺资源、能源消耗和污染物排放量
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1.3 环境影响评价
环境影响评价的目的是对资源、能源消耗和污染物排放进行定性和定量化描述，最终获得具有可比性的数据.本研究采用荷兰莱顿大学提出的CML环境影响评价方法，即把资源、能源消耗和污染物排放造成的影响分配给各环境影响类别；不同影响类别的相对重要性根据定性和定量相结合的方法确定；然后，采用层次分析法(AHP)确定不同影响类别的权重系数，继而计算出环境负荷[7]。
1.3.1 分类和特征描述
对于水泥生产来说，主要影响类别包括不可再生资源消耗(ADF)、不可再生能源消耗(EDP)，温室效应(GWP)、人类健康损害(HT)、环境酸化(AP)和营养化作用(NP)等。水泥生产原料石灰石、石膏、铁粉等的环境影响体现在不可再生资源消耗上，煤耗的环境影响则为不可再生能源；污染物的环境影响因种类不同而异，这些物质的影响类别和环境影响当量数（可理解为相对参照物的环境影响）见表2。
表2 水泥生产的环境影响当量数 kg/kg
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表2中EDP、GWP、AP、NP和HT的参照物分别为l kg标准煤发热量。不可再生资源(石灰石、石膏和铁粉)消耗则由Jeroen等提出的公式，即式(1)和(2)确定[8]，其中参考资源为原油，开采量和储量数据取自统计值[9]。
ADP=ADF×m （1）
ADF＝DR/R2×R2ref/DRref （2）
式中：ADP为不可再生资源的环境负荷值，kg；m为功能单位产品相应资源的消耗量，kg；DR为相应资源的年开采量，kg；R为相应资源的矿产储量，kg；DRref为参考资源的年开采量，kg；Rref为参考资源的矿产储量，kg。
1.3.2 标准化
为了比较不同环境影响类别的作用程度，必须将各环境影响类别转化为同一标准下的量化数据，可用各环境影响类别的环境负荷当量数与世界环境负荷的总当量数(见表3)之比值表示为环境污染相对指数(见表4)。
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表3 世界环境负荷总当量1) kg/a
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注：1)环境负荷总当量数指全世界在l年内消耗的资源、能源总量和污染物排放总量。
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表4 水泥工艺环境污染相对指数
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1.3.3 影响评价
经过标准化后的各种环境影响类别在量纲和参照标准上取得了一致，理论上已可以进行相加求和，从而定量确定环境负荷。然而，由于各环境影响类别间的重要性存在差异，因此还需获得各环境影响类别的相对权重。本研究采用层次分析法来完成这一任务，其原理是根据实验数据和专家意见确定各环境影响类别的相对重要性(见表5)，继而得出权重系数(见表6)。
表5 水泥生产的环境影响类别重要性标度
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表6 环境影响类别的权重系数
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利用表6环境影响类别的权重系数，对环境负荷相对指数进行加权求和，可得出立窑工艺、湿法回转窑工艺和干法工艺的生产功能单位水泥所造成的环境负荷占全世界每年总环境负荷的比值分别为1.45×10-14、1.55×10-14和1.03×10-4。
2 中国水泥生产环境负荷
2.1 现阶段中国水泥生产环境负荷
根据上述典型水泥生产工艺的环境污染相对指数、生产功能单位水泥造成的环境负荷和水泥产量，可得到中国现阶段典型工艺水泥生产所造成的环境负荷占世界总环境负荷的比例（见表7）和不同环境影响类别和全行业环境负荷占世界对应环境影响类别和总环境负荷的比例（见表8）。
表7 2006年中国分工艺水泥生产环境负荷
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表8 2006年中国水泥生产总环境负荷
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从表8表明，2006年中国水泥生产ADF、EDP、GWP、AP、NP和HT环境负荷分别占世界对应环境影响类别总环境负荷的1.39%、2.34%、2.76%、0.78%、0.43%和0.51%，GWP、EDP和ADF对环境的影响最大，控制水泥生产造成的CO2排放，以及资源和能源消耗应该作为中国水泥工艺改进的主要目标。从表8还可看出，中国水泥行业的环境负荷约占世界总环境负荷的1.28%。
2.2 降低中国水泥工业环境负荷潜力分析
从表4表明，干法工艺水泥生产的环境影响远低于立窑工艺和湿法工艺。考虑到现阶段先进的干法工艺产量在中国水泥总产量中所占比重还较低，仅为32.5%。因此通过行业结构调整，用干法工艺替代其他工艺，是降低中国水泥生产环境负荷的有效途径。假定2006年中国水泥皆采用干法工艺生产，类比计算表明，可使全行业环境负荷降为1%左右，比现行行业结构模式的环境负荷降低22.5%。
3 结 论
（1）2006年中国立窑工艺、湿法工艺和新型干法工艺生产功能单位水泥的环境负荷占世界总环境负荷的比值分别是1.45×10-14、1.55×10-14和1.03×10-4。
（2）中国水泥生产的环境负荷主要因温室气体排放、不可再生能源消耗和不可再生资源消耗引起，分别占对应环境影响类别世界总环境负荷的2.76%，2.34%和1.39%.
（3）2006年中国水泥行业的环境负荷占世界总环境负荷的1.28%，其中，立窑工艺、湿法工艺和新型干法工艺分别为0.84%、0.12%和0.32%。若以新型干法工艺替代其他工艺，则可使中国水泥生产造成的环境负荷占世界总环境负荷的比值降至1%左右。
参考文献
[1] 国家统计局.中国统计年鉴(2006)[M].北京:中国统计出版社，2006.
[2] 黄少文,吴波英.我国水泥工业的资源与环境问题及其对策[J].新世纪水泥导报，2007(S1)：37.
[3] 黄之初,张登峰,谢丹.利用水泥窑焚烧垃圾时有害物质的生成条件与控制[J].水泥工程，2006(5)：4.
[4] 袁文献,何宏涛,毛志伟.水泥工业处置城市生活垃圾的环境友好性[J].水泥，2006(5)：5.
[5] 刘湘欣,文海初.使用水泥窑处理城市生活垃圾的探讨[J].中国建材装备，2005(3)：47-50.
[6] 吴承杰.发展循环经济是水泥工业的主旋律[J]中国水泥，2006(3)：13.
[7] 朱雪梅，刘建国，黄启飞，等.固体废物水泥窑共处置技术应用及存在问题[J].中国水泥，2006(4)：45-49.
[8] 姜丽杰,孙胜龙,张晓红.利用水泥回转窑处理危险废物[J].长春师范学院学报，2005(11)：69-74.
[9] 朱桂珍.利用水泥回转窑焚烧处置危险废物的评价研究[J].环境保护，2000(3)：45.
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