稻殼灰水泥砂漿環(huán)境影響評價(jià)

邢珊珊，董 莪，劉杰勝，余媛媛，左 潔

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

稻殼灰水泥砂漿環(huán)境影響評價(jià)

邢珊珊，董 莪，劉杰勝，余媛媛，左 潔

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

采用生命周期評價(jià)方法，對普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿的生產(chǎn)和使用階段對環(huán)境的影響負(fù)荷進(jìn)行分析。結(jié)果表明，稻殼灰水泥砂漿中稻殼灰取代部分水泥，水泥的用量減少，石灰石消耗值A(chǔ)DP也隨之減少，同時(shí)，稻殼灰作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物再次被使用，所需的能源消耗相對于水泥較低。

生命周期評價(jià)方法；稻殼灰水泥砂漿；能源消耗

1 引言

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物的稻殼，焚燒后變成稻殼灰，本文中筆者所用稻殼灰是稻殼經(jīng)立式高溫爐煅燒制備。稻殼灰中含有90%左右的二氧化硅，低溫煅燒的稻殼灰中二氧化硅為無定形態(tài)。以往的研究結(jié)果表明[1-7]，稻殼灰對水泥和混凝土的性能起到明顯改善的作用。

生命周期評價(jià)(Life Circle Assessment)，簡稱LCA，是一種對環(huán)境問題進(jìn)行評價(jià)、分析及解決的評價(jià)方法，當(dāng)下在全球范圍內(nèi)廣泛用于評估材料的環(huán)境影響[8]，并且是IS014000的標(biāo)準(zhǔn)系列之一。LCA的技術(shù)框架涵蓋目標(biāo)和范圍的確定、編目分析、影響評價(jià)和改造評價(jià)4個(gè)階段[9-10]。

依據(jù)LCA方法，筆者從原材料的開采及使用過程的消耗量及污染物排放兩個(gè)角度對稻殼灰水泥砂漿的環(huán)境影響進(jìn)行評估，明確稻殼灰水泥砂漿生命周期環(huán)境負(fù)荷，為稻殼灰水泥砂漿的經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

2 LCA研究方法

LCA方法包含以下四個(gè)階段。(1)確定目標(biāo)范圍：確定評價(jià)對象、原因和結(jié)果的輸入輸出方式。(2)編目分析LCI：對研究對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分類、整理和量化。(3)影響評價(jià)IA：評價(jià)各種環(huán)境影響對自然環(huán)境造成的總體嚴(yán)重程度。(4)改造評價(jià):確定各個(gè)階段研究對象對環(huán)境產(chǎn)生的影響，作出結(jié)論，并給出改進(jìn)措施。

筆者主要研究了ADP(不可再生資源消耗)、EDP(能源消耗)、GWP(溫室效應(yīng))、AP(酸化效應(yīng))、HCA(人體健康損害)、NP(富營養(yǎng)化)和POCP(光化學(xué)煙霧)這七種環(huán)境影響類型[11]。文中所用數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場及背景數(shù)據(jù)，前者經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研獲得，后者以國內(nèi)外公開數(shù)據(jù)庫為依據(jù)選取[12-14]。

3 稻殼灰水泥砂漿LCA評價(jià)

3.1 目標(biāo)的確定

應(yīng)用LCA方法，對比分析普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿在生命周期中不同階段的環(huán)境負(fù)荷因素。

3.2 確定目標(biāo)范圍

研究對象：普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿，二者28天齡期強(qiáng)度接近。

評價(jià)周期：水泥的生產(chǎn)制造和水泥砂漿的配制階段。

評價(jià)功能單位：1 m3的水泥砂漿。

施工設(shè)備及配套設(shè)施的環(huán)境影響不考慮。

3.3 編目分析

3.3.1 水泥生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷

編目分析擬采用公用系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)[15](對普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿進(jìn)行對比)見表1和表2，以1 m3砂漿為功能單位對水泥砂漿進(jìn)行LCA匯總計(jì)算。

表1 公用系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表[15]

生產(chǎn)過程能源消耗CO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg廢棄物/kg電力/kwh標(biāo)煤0．424kg，0．0124GJ0．9384．0E-57．2E-55．1E-31．1E-30．1023運(yùn)輸/(5t/km)柴油0．2L，0．00714GJ0．6732．0E-31．1E-34．7E-31．4E-4—原煤/1t電力13．89kwh——————

表2 水泥生產(chǎn)制造階段環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表[15]

生產(chǎn)過程能源消耗電力/kwh煤耗/kgCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg廢棄物/kg原料開采/1t13．89———————水泥制造/1t123．3204．48851．15E-22．73E-21．5330．35440水泥砂漿配制/m32———————

依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不考慮工業(yè)廢渣再生利用，1 t水泥的資源消耗為：黏土0.3 t，石灰石1.3 t，石膏50 kg[14]。為簡化運(yùn)算過程，假設(shè)施工中由5 t柴油車開展運(yùn)輸工作，水泥運(yùn)輸5 km，砂漿生產(chǎn)原料運(yùn)輸30 km。施工設(shè)備及配套設(shè)施的環(huán)境影響不予考慮。

3.3.2 水泥砂漿配制過程的環(huán)境負(fù)荷

水泥及砂漿生產(chǎn)及制造過程環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 1 t水泥生產(chǎn)過程中的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)

過程消耗資源電耗/Kwh煤耗/kg柴油/LCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg廢棄物/kg不可再生資源/kg原料開采石灰石1．3t18．06—————————黏土0．3t4．17—————————石膏50kg0．69—————————運(yùn)輸5km——0．330．1113．30E-31．82E-37．76E-32．24E-4——水泥制造水泥1t123．30204．48851．15E-22．73E-21．53E+03．45E-1401650運(yùn)輸30km——1．20．40381．20E-26．60E-32．82E-28．16E-4——1t水泥總計(jì)146．22204．41．53885．522．68E-23．57E-21．57E+03．46E-1401650

表4 水泥砂漿制造過程中的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)

消耗資源電耗/Kwh煤耗/kg柴油/LCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg粉塵廢物/kg不可再生資源/kg砂1t13．89————————1000水泥1t146．22204．401．53885．512．68E-23．57E-21．57E+03．46E-1401650稻殼灰1t78．23109．350．82473．751．43E-21．91E-28．39E-11．85E-121883砂漿制造2．00—————————

水泥砂漿在制備過程中引起的環(huán)境負(fù)荷因素主要包括原材料的開發(fā)和配制過程，其他環(huán)境負(fù)荷不予考慮。砂、水泥等原材料生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷統(tǒng)一采用表2中的數(shù)據(jù)。

3.3.3 稻殼灰水泥砂漿LCA評價(jià)分析

根據(jù)表3和表5的數(shù)據(jù)，對普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿進(jìn)行評價(jià)分析，即編目分析階段(LCI)，其計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 1立方米水泥砂漿配合比 /kg

表6 水泥砂漿LCI數(shù)據(jù)匯總

生產(chǎn)過程及消耗電耗/kwh煤耗/kg柴油/LCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg粉塵廢物/kg不可再生資源/kg普通水泥砂漿C?67798．99138．381．04599．491．81E-22．42E-21．062．34E-127．081117．05S?135418．81000000001354運(yùn)輸300．0002．277．632．27E-21．25E-25．3E-21．54E-300制造2．00000000000總計(jì)119．80138．383．31607．124．08E-23．67E-21．122．36E-127．082471．05稻殼灰水泥砂漿C?62391．10127．349．53E-1551．671．67E-22．22E-29．78E-12．16E-124．921027．95S?135418．81000000001354A?544．225．904．43E-225．587．72E-41．03E-34．53E-29．99E-31．1347．68運(yùn)輸30002．277．632．27E-21．25E-25．30E-21．54E-300制造2000000000總計(jì)116．13133．253．27584．894．02E-23．58E-21．082．27E-126．052429．63

注：表中單位質(zhì)量為kg，距離為km。

3.4 環(huán)境影響分析與評價(jià)

(1)分類： 本文影響評價(jià)主要從資源或能源消耗、生態(tài)平衡、環(huán)境安全及人體健康等方面來進(jìn)行分析評價(jià)。

(2)特征化： 以國際上使用的當(dāng)量模型作為特征模型建模，以當(dāng)量系數(shù)的形式對LCI數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總[16]。表7為常見污染物的具體環(huán)境影響當(dāng)量數(shù)數(shù)據(jù)。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化： 將各種環(huán)境影響指標(biāo)統(tǒng)一處理，從而方便數(shù)據(jù)的比較和分析，擬采取環(huán)境污染相對指數(shù)來表示，即一種環(huán)境污染當(dāng)量數(shù)與相應(yīng)環(huán)境污染總當(dāng)量數(shù)的比值[15]，計(jì)算公式如下：

(1)

表8給出了環(huán)境影響的具體世界污染當(dāng)量總數(shù)，表中的世界污染總當(dāng)量數(shù)表示在一年內(nèi)，全球能耗及污染物排放總量。

表7 常見污染物的環(huán)境影響當(dāng)量數(shù)[16]

環(huán)境影響EDP(能量值)/(MJ/kg)GWP(1kgCO2)/(kg/kg)AP(1kgSO2)/(kg/kg)HCA(1kg人體)/(kg/kg)NP(1kgPO43+)/(kg/kg)POCP(1kg乙烯)/(kg/kg)CO———0．012——CO2—1————SO2——11．2——NOx—3．200．70．780．013—煙塵———0．062——粉塵———0．063——CxHy—————0．398標(biāo)煤29．308—————

表8 環(huán)境影響的世界污染當(dāng)量總數(shù)[15]

環(huán)境影響單位世界污染總當(dāng)量HCAkg1012/年908ADPkg1012/年120EDPGJ109/年235GWPkg1012/年37．7NPkg109/年74．8POCPkg109/年3．74APkg109/年286

結(jié)合表6、表7和表8，按公式1可以計(jì)算出普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿的各種環(huán)境影響當(dāng)量指標(biāo)及相對指標(biāo)，具體結(jié)果見表9。

(4)相對權(quán)重： 采用層次分析方法，對水泥砂漿的功能性進(jìn)行權(quán)重分析。綜合考慮水泥砂漿生產(chǎn)使用過程中各種指標(biāo)的影響，確定水泥砂漿各種環(huán)境指標(biāo)的重要性標(biāo)度，詳見表10。

表9 水泥砂漿環(huán)境影響當(dāng)量數(shù)及相對指數(shù)

環(huán)境影響分類相關(guān)污染物參照物普通水泥砂漿稻殼灰水泥砂漿當(dāng)量指標(biāo)/kg相對指標(biāo)/10-12y當(dāng)量指標(biāo)/kg相對指標(biāo)/10-12yADP石灰石消耗1kg石灰石2471．0520．592429．6320．25EDP能源消耗1GJ3．3314．172．9112．38GWPCO21kgCO2965．5225．61930．4924．68APSO2、NOx1kgSO21．023．579．83E-13．44HCACO、NOx、SO2、粉塵1kg人體2．863．15E-032．763．04E-3NPNOx1kgPO43+1．46E-021．95E-011．40E-021．88E-01POCPCxHy1kg乙烯1．46E-023．911．42E-023．81

表10 水泥砂漿環(huán)境指標(biāo)的重要性標(biāo)度匯總表

類別ADPEDPGWPAPHCANPPOCPADP1237565EDP1/2124535GWP1/31/215323AP1/71/41/511/31/61/3HCA1/51/51/3311/21NP1/61/31/26212POCP1/51/51/3311/21

因此可得矩陣方程：

=λω

首先，計(jì)算特征向量ω，根據(jù)方根法求解，計(jì)算各行元素的幾何平均值，并歸一：

其次，為判斷以上特征向量是否為合理的權(quán)重分配，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax。

此處n指矩陣的階數(shù)，n=7，因此平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I=1.36。

一致性指標(biāo)：

計(jì)算一致性比例：

因此，可以確定相對權(quán)重，詳見表11。

最后，計(jì)算各種環(huán)境影響強(qiáng)度值：

Q=α·β

(2)

式中：Q—環(huán)境影響強(qiáng)度值；

α—環(huán)境影響指標(biāo)相對權(quán)重系數(shù)；

β—環(huán)境影響因素的相對指標(biāo)。

計(jì)算結(jié)果整理為表12。在水泥生產(chǎn)和水泥砂漿的使用過程中，石灰石消耗ADP、電耗EDP、煤耗GWP、油耗POCP四項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)的環(huán)境影響強(qiáng)度相對顯著，其余指標(biāo)強(qiáng)度較小。七類環(huán)境影響指標(biāo)的環(huán)境影響結(jié)果程度顯示，稻殼灰水泥砂漿ADP值7.369 9是普通水泥砂漿的98.3%；EDP值2.922 4是普通水泥砂漿的87.3%；GWP值3.800 9是普通水泥砂漿的96.4%。分析可知：稻殼灰的摻量越大，水泥砂漿生產(chǎn)制備過程中水泥的用量越少，石灰石消耗值A(chǔ)DP也隨之減少。同時(shí)，稻殼灰作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物再次使用，所需的能源消耗比水泥低，對減少水泥砂漿系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)廢棄物系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷越有利。

表11 七類環(huán)境影響指標(biāo)相對權(quán)重系數(shù)

環(huán)境影響分類ADPEDPGWPAPHCANPPOCP權(quán)重系數(shù)0．3640．2360．1540．0290．0600．0980．060

表12 七類環(huán)境影響指標(biāo)的環(huán)境影響強(qiáng)度

環(huán)境影響分類ADPEDPGWPAPHCANPPOCP綜合/y-12普通水泥砂漿7．49553．34423．94400．10340．00020．01910．234315．1407稻殼灰水泥砂漿7．36992．92243．80090．09970．00020．01840．228614．4400

4 結(jié)論

采用LCA方法對普通水泥砂漿和稻殼灰水泥砂漿的環(huán)境影響負(fù)荷進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：(1)石灰石消耗、電耗、煤耗和油耗四項(xiàng)指標(biāo)值較大，影響比較明顯，其他幾項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)強(qiáng)度較小。(2)稻殼灰水泥砂漿ADP值7.369 9，是普通水泥砂漿的98.3%；EDP值2.922 4，是普通水泥砂漿的87.3%；GWP值3.800 9，是普通水泥砂漿的96.4%。(3)稻殼灰水泥砂漿中用稻殼灰取代部分水泥，水泥的用量減少，石灰石消耗值A(chǔ)DP也隨之減少。

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Environmental impact assessment of rice husk ash cement

XINGShan-shan，DONGE，LIUJie-sheng，YUYuan-yuan，ZUOJie

(School of Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

In this paper, the life cycle assessment method is used to analyze the environmental impact load of ordinary cement mortar and rice husk ash cement mortar during the production and use phase. The research results showed that with the replacement of some cement in rice husk ash mortar, cement dosage decreased, and the consumption of limestone ADP decreased, too. At the same time, rice husk ash was used for waste recycling of agricultural production, and the energy consumption was lower than that of cement.

life cycle assessment method; rice husk ash cement mortar; energy consumption

2016-12-10.

邢珊珊(1994-)，女，碩士研究生，E-mail:2427213669qq.com.

劉杰勝(1980-)，男，副教授，E-mail:ljs628@163.com.

2095-7386(2017)01-0061-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.013

TU 522

A