摘 要 采用生命周期評價(LCA) 方法評價了摻不同等級不同含量粉煤灰混凝土的環(huán)境影響。研究表明,粉煤灰的摻入可以有效減少混凝土生產(chǎn)過程中的煤耗、CO2、NOX、SO2 以及廢棄物的排放,但并不能有效減少CO、CXHY 排放量。因此可認為粉煤灰混凝土是一種很好的生態(tài)材料。
關(guān)鍵詞 粉煤灰 混凝土 生命周期評價(LCA) 環(huán)境負荷
1 概述
粉煤灰是燃煤電廠中磨細煤粉在鍋爐中燃燒后從煙道排出,被收塵器收集的物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計,1992 年全世界粉煤灰及爐底灰、渣排放量為4. 59 ×108 t ,中國的排放量為9 ×1011t[1 ] 。如此多的粉煤灰如果不加以利用,不僅對環(huán)境造成破壞,而且儲存粉煤灰要占用大量的土地,花費大量的資金。其主要危害有: ①污染大氣環(huán)境:堆存及回填用的粉煤灰雖然用管道輸送,并利用沖灰水、回收水進行噴灑以防止灰塵二次飛揚,但還是對周圍大氣環(huán)境產(chǎn)生污染,特別是春、秋季節(jié),氣候干燥,降塵量增大。②水體污染:一部分沖灰水溢流外排至江河,經(jīng)監(jiān)測,外排水中懸浮物濃度較大,對江河水質(zhì)造成一定的污染。③污染土壤:堆存粉煤灰要占用土地,因雨水淋溶和滲透作用,會對地下水和土壤造成污染。④耗資大:一般要投資安裝正壓氣力輸灰系統(tǒng),將粉煤灰輸送到灰場;投資鋪設(shè)管道對灰場噴灑水;每天用卡車將灰運至灰場;配備管理人員等[2 ] 。
混凝土中摻入粉煤灰可以有效提高其物理性能和環(huán)境友好性[3 ] 。但究竟會對環(huán)境負荷產(chǎn)生哪些有利影響以及產(chǎn)生多少有利影響呢? 因此有必要對其環(huán)境影響進行評價。作為評價和解決環(huán)境問題的有效工具,LCA 方法及應(yīng)用的研究已覆蓋大多數(shù)工業(yè)社會,涉及到工業(yè)產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝的設(shè)計、評價、改善及環(huán)境政策制定等諸多方面,成為許多發(fā)達國家制定工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的首選指導(dǎo)工具[4 ] 。本文擬采用生命周期評價LCA 方法對粉煤灰混凝土的環(huán)境負荷進行評價。
2 LCA的基本概念及評價過程
2. 1 LCA 的基本概念
1990 年環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(SETAC) 將生命周期評價定義為:“生命周期評價是一種對產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝以及活動對環(huán)境的壓力進行評價的客觀過程,它是通過對能量和物質(zhì)利用以及由此造成的環(huán)境廢物排放進行辨識和量化的。其目的在于評估能量和物質(zhì)利用,以及廢物排放對環(huán)境的影響,尋求改善環(huán)境影響的機會以及如何利用這種機會。這種評價貫穿于產(chǎn)品、工藝和活動的整個生命周期,包括原材料提取與加工;產(chǎn)品制造、運輸以及銷售;產(chǎn)品的使用、再利用和維護;廢物循環(huán)和最終廢物棄置”[5 ] 。
2. 2 LCA 的技術(shù)框架及評價過程
LCA 由4 個關(guān)聯(lián)的部分組成,它們是:目標(biāo)定義和范圍界定、清單分析、影響評價和改進評價。確定目標(biāo)和范圍是LCA 研究中第一步也是最關(guān)鍵的部分。這部分由確定研究目標(biāo)、范圍,建立功能單位,建立一個保證研究質(zhì)量的程序等幾部分組成。它為研究的范圍、前提和限制性條件提供了一個前期的界定。清單分析是4 個部分中發(fā)展最完善的一個。它是對產(chǎn)品、工藝過程或活動等研究系統(tǒng)整個生命周期階段資源和能源的使用以及向環(huán)境排放廢物等進行定量的技術(shù)過程。影響評價是對清單分析中辨識出來的環(huán)境負荷的影響作技術(shù)的定量和定性的描述和評價。影響評價部分由3個步驟組成:影響分類、特征化和量化評價。改善評價主要是識別、評價和選擇減少研究系統(tǒng)環(huán)境影響或負荷的方案,確定和評價減少能量和原材料使用有關(guān)的環(huán)境影響的機會[6 ] 。
2. 3 粉煤灰混凝土系統(tǒng)環(huán)境負荷的分配方法
在現(xiàn)代混凝土工程中,混合材料已成為配置高性能必不可少的第6 組分[7 ] 。在混凝土中摻入粉煤灰配置混凝土屬于開環(huán)再循環(huán)過程,其中的粉煤灰,一方面屬于發(fā)電廠產(chǎn)品系統(tǒng)的廢棄物,另一方面又是混凝土生產(chǎn)過程的原材料,這就導(dǎo)致在對其進行環(huán)境評價時存在著較為復(fù)雜的分配問題[8 ] 。本文采用文獻[9 ]所提出的分配方法,用混凝土的協(xié)同特征參量Cm 作為系統(tǒng)環(huán)境負荷的分配系數(shù)。首先將因摻入粉煤灰而導(dǎo)致的混凝土系統(tǒng)環(huán)境負荷的減少(用EBr 表示) 用對等分配法在發(fā)電廠產(chǎn)品系統(tǒng)( EBrf ) 和混凝土系統(tǒng)( EBrc) 之間進行分配,即EBrf = EBrc = EBr ×50 %,再考慮粉煤灰質(zhì)量對環(huán)境負荷的影響,即EBrf = EBr ×50 % ×Cm , E2Brc = EBr ×50 % ×(2 - Cm) = EBr - EBrf 。顯然, 若Cm > 1 ,
表明混凝土中摻入粉煤灰后綜合性能有所改善,因此分配給發(fā)電廠產(chǎn)品系統(tǒng)的環(huán)境負荷應(yīng)較小(粉煤灰利用價值較高) ;反之若Cm < 1 ,則表明摻入粉煤灰后,對混凝土的綜合性能將產(chǎn)生不利影響,因此分配給發(fā)電廠產(chǎn)品系統(tǒng)的環(huán)境負荷應(yīng)較大[9 ] 。不同等級和不同摻入含量的粉煤灰Cm 值如表1 所示。
3 粉煤灰混凝土LCA評價
3. 1 目標(biāo)和范圍定義
研究對象為摻加不同等級不同含量的粉煤灰混凝土,其生產(chǎn)工藝如圖1 所示。每噸水泥消耗: 石灰石1. 3 t ,黏土0. 3 t ,石膏50 kg ;以1m3 C30 混凝土為功能單位。采用5 t
3. 2 粉煤灰混凝土的清單分析
由于所有的工業(yè)系統(tǒng)幾乎都包含有燃料開采、電力生產(chǎn)、運輸?shù)拳h(huán)節(jié),可將其稱為公用系統(tǒng)[10 ] 。公用系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫是LCA 評價的基本要求。粉煤灰混凝土LCA 評價的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的處理和收集。清單分析主要是確定有關(guān)子系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)。公用系統(tǒng)及水泥生產(chǎn)過程的環(huán)境數(shù)據(jù)見表3 和表4。集料及混凝土生產(chǎn)分別耗電約13. 75 (kW·h) / m3和2 (kW·h) / m3 ,其他污染暫不考慮。利用表3 和表4 的數(shù)據(jù)對1 功能單位(1 m3) 的混凝土進行了LCA 匯總計算,其中表5 為未考慮環(huán)境負荷分配時粉煤灰混凝土LCA 數(shù)據(jù)匯總,表6 為粉煤灰混凝土系統(tǒng)環(huán)境負荷的減少,表7 為考慮環(huán)境負荷后粉煤灰混凝土LCA 數(shù)據(jù)匯總。
各試驗樣品各項環(huán)境指標(biāo)減少的百分率如表8。
3. 3 粉煤灰混凝土環(huán)境影響評價
3. 3. 1 在混凝土中摻加粉煤灰有利于改善其環(huán)境負荷
由表5 可知,相對于未摻粉煤灰的混凝土而言,當(dāng)分別摻入50 % Ⅰ級,30 %Ⅱ級,10 % Ⅲ級的粉煤灰可使混凝土生產(chǎn)過程的煤耗分別減少56. 12 %、48. 02 %、32. 14 % , CO2 排放量分別減少58. 29 %、41. 07 %、20. 17 % , SO2 排放量減少35. 72 %、25 %、14. 29 % , NOX排放量分別減少42. 8 %、24.28 %、12. 86 % , 廢棄物排放量減少44. 67 %、33. 36 %、19. 78 % ,CO、CXHY 排放量減少不多。但對于摻量相同而等級不同的粉煤灰如C2 和C4 ,C3 ,C5 和C6 , 各環(huán)境數(shù)據(jù)卻相同或很接近, 顯然這是不合理的。通過采用環(huán)境協(xié)調(diào)系數(shù)Cm 來分配兩系統(tǒng)的環(huán)境負荷后由表8 可看出, 粉煤灰混凝土生命周期中的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)發(fā)生了變化, 當(dāng)分別摻入50 % Ⅰ級, 30 % Ⅱ級, 10 % Ⅲ級可使混凝土生產(chǎn)過程的煤耗分別減少33. 67 %、26. 89 %、20. 09 % , CO2排放量減少34. 97 %、22. 96 %、12. 61 % , SO2分別減少34. 29 %、13. 93 %、8. 93 % ,NOX 排放量減少25. 71 %、13. 57 %、8. 07 % ,廢棄物排放量也得到了減少,若考慮摻入粉煤灰后減少的廢棄物在兩系統(tǒng)間亦進行分配,則對于混凝土系統(tǒng)而言其廢棄物甚至達到了負值。
3. 3. 2 提高粉煤灰的含量有利于降低粉煤灰混凝土的環(huán)境負荷圖2 為以C1 ,C4 ,C5 為例的摻加同等級不同量粉煤灰的混凝土各環(huán)境指標(biāo)的減少率。
由圖2 可看出,當(dāng)摻入相同等級的粉煤灰時,摻量越大,對應(yīng)的混凝土各環(huán)境指標(biāo)減少得越多,例如C1 ,C4 和C5 ;C2和C6。這說明摻量越大對減少混凝土系統(tǒng)的環(huán)境負荷越有利,但當(dāng)摻量越大時,混凝土綜合性能如混凝土的強度,耐久性以及可再生循環(huán)性均越差,其對水泥性能的影響有待深入研究。
3. 3. 3 提高粉煤灰等級有利于降低粉煤灰混凝土的環(huán)境負荷圖3 為以C2 ,C4 為例的摻加同量不同等級粉煤灰的混凝土各環(huán)境指標(biāo)的減少率。
由圖3 可看出,當(dāng)摻量相同時,摻入的粉煤灰質(zhì)量等級越高,對應(yīng)的混凝土各環(huán)境指標(biāo)減少得越多,同時從水泥性能方面來看混凝土的強度、耐久性以及可再生循環(huán)性均比較好,因此若考慮混凝土的再生利用對環(huán)境負荷的影響,此時的環(huán)境負荷實際上應(yīng)該更小。
3. 4 生命周期改善分析
由上述分析可知,對于確定的混凝土系統(tǒng),摻粉煤灰的協(xié)同特征參量Cm 是一定的,從表7 可看出,為減少環(huán)境負荷,混凝土系統(tǒng)希望發(fā)電廠能提供高等級的粉煤灰,以便在盡可能滿足混凝土性能要求的基礎(chǔ)上,提高粉煤灰的摻量,減少環(huán)境負荷。同時,對于發(fā)電廠而言,提高粉煤灰的品質(zhì),
不僅經(jīng)濟上有利,而且也可以減少自身的環(huán)境負荷。因此發(fā)電廠應(yīng)實現(xiàn)粉煤灰的資源化收集與處理,如通過技術(shù)改造盡可能地提高煤灰的燃燒效率,以減少粉煤灰的燒失量;對原灰進行粉磨處理,提高粉煤灰的質(zhì)量等級等。
4 結(jié)論
(1) 運用生命周期全程評價方法,從考察粉煤灰混凝土整體生產(chǎn)行為與環(huán)境的相互作用中評價、分析和解決環(huán)境問題,對水泥工業(yè)新品種、新工藝和新設(shè)備的研究和開發(fā),改善環(huán)境等方面均具有重要的意義。
(2) 粉煤灰混凝土是一種很好的環(huán)境材料,通過摻加一定等級一定份量的粉煤灰可以有效減少混凝土生產(chǎn)過程中煤耗、CO2 、SO2 、NOX 的排放以及廢棄物的產(chǎn)生量,但并不能有效地減少CO、CXHY 的排放量。因此可認為粉煤灰混凝土是一種很好的環(huán)境材料。
(3) 在對粉煤灰混凝土進行LCA 評價過程中要考慮到粉煤灰混凝土產(chǎn)品的環(huán)境負荷在發(fā)電廠系統(tǒng)和混凝土產(chǎn)品系統(tǒng)間的分配問題,否則就會得出不合理的結(jié)論。
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作者簡介 王超,1969 年生,男,湖南湘潭人,西南交通大學(xué)碩士研究生,主要從事環(huán)境管理與規(guī)劃研究。
