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波特兰水泥生产的生命周期评估：将传统工艺与替代技术进行比较
Deborah N. Huntzingera,* , Thomas D. Eatmon b
a 密歇根大学土木与环境工程系，美国密歇根州安娜堡市比尔大道1351号，密歇根州48109，美国
b 阿勒格尼学院环境科学系，美国宾夕法尼亚州米德维尔市N. Main St. Box E 520 N，宾夕法尼亚州16335
关键字：水泥生产；硅酸盐水泥；环境影响；全球变暖；天然火山灰
摘 要：近年来，由于全球变暖意识的增强，对人为碳排放对全球气候影响的担忧增加。全球CO 2排放量约有5％来自水泥生产，而水泥生产是美国的第三大碳排放源。除了产生CO 2之外，水泥生产过程每年还产生数百万吨的废水泥窑粉尘（CKD），这对呼吸系统和污染健康构成了威胁。在本文中，LCA用于评估四种水泥生产工艺对环境的影响：（1）传统波特兰水泥的生产；（2）混合水泥（天然火山灰）；（3）水泥窑废粉为100％的水泥（4）使用水泥窑粉尘（CKD）隔离与工艺相关的一部分CO 2 排放量的波特兰水泥。为了减少不确定性，该手稿提出了几种水泥产品从摇篮到大门的生命周期评估。使用SimaPro 6.0软件进行的分析表明，掺合水泥可以最大程度地节省环境，然后利用CKD进行封存。发现CKD的回收与传统工艺相比几乎没有环保方面的节省。
1. 介绍
公众对全球变暖带来的威胁的意识增强，导致人们更加关注人为碳排放对全球气候的影响。当前大气中的二氧化碳（CO 2 ）水平接近380 ppm [8,29]。没有激烈的市场，技术和社会变化，到本世纪末，预计CO 2 的浓度将增加到800 ppm以上[8]。全球碳排放量的大约5％来自水泥制造。煅烧过程（从CaCO 3 中除去CO 2 形成CaO）约占排放的CO 2 的一半，而剩余的碳则来自生产过程中的能源使用[13,34]。根据国际能源机构（IEA）的温室气体研发计划[13]，水泥生产产生的全球平均碳排放量为每生产一公斤水泥0.81公斤CO2 。
世界上每个人每年平均生产约1吨混凝土[19]。因此，混凝土（即水泥）是世界上最重要的人造材料之一。由于其在世界市场上的丰富性，因此了解混凝土和水泥对环境的影响制造业变得越来越重要[19,20,35,36]。对于水泥等全球重要产品而言，环境生命周期评估（LCA）是提高我们对产品生命周期所造成的环境危害的了解的宝贵工具。另外，它允许水泥生产商通过减少不利的环境影响来优化制造过程。
2. 背景
2.1. 水泥生产和检验过程
传统的波特兰水泥主要由硅酸钙矿物质组成（表1）。原料经过采石或开采，然后转移到制造厂进行粉碎，然后磨成细粉，然后进入预热器，最后进入大型回转窑，物料的温度超过1400 o C[7]。熟料或窑炉产品被冷却，多余的热量通常被传导回预热器单元。在包装之前，将石膏添加到熟料中以调节凝固时间。最终产品是非常细的混合物（90％y 10微米），称为硅酸盐水泥[7]。图1提供了一般水泥生产的工艺流程图过程以及生产过程各个步骤中的相关投入和排放。
表格1
熟料的原料组成是硅酸盐水泥的主要成分[7]。
|
原料 |
资料来源 |
质量百分比 |
|
石灰 |
石灰石，贝壳，垩 |
60-67 |
|
二氧化硅 |
沙，粉煤灰 |
17-25 |
|
氧化铝 |
黏土，页岩，粉煤灰 |
2-8 |
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氧化铁 |
铁矿 |
0-6 |
在预热器和窑炉系统中，颗粒物控制装置用于捕获夹带在燃烧气体中的未燃烧和部分燃烧原料的细颗粒。这种收集的颗粒物称为水泥窑粉尘（CKD）。CKD的很大一部分被丢弃在垃圾填埋场中或现场储存。Van Oss和Padovani [36]估计，CKD的产生率大约占熟料产量的15 – 20％（按质量计）。美国大多数工厂每年生产的熟料在0.2到2吨之间[24,36]。一些制造工厂将全部或部分CKD回收到进入窑炉的原料线中。然而，CKD的回收利用程度取决于其组成（痕量金属和污染物）和区域碱标准（即，带有聚集体的碱二氧化硅反应（ASR）的潜力），在工厂内部和工厂之间差异很大[1,12,24 ，36]。
根据EPA [30,32,33]，CKD有潜在危险浪费，部分是由于其腐蚀性，以及其潜在的皮肤，眼睛和呼吸道刺激性。此外，来自原材料和燃料的污染物往往集中在CKD中[36]。与CKD相关的环境和健康风险都可以通过称为矿物碳酸化的过程与CO 2 反应而降低。如在其他工业废物的碳化中所观察到的，通过稳定废物（降低pH），将CKD中的碳隔离可能会带来额外的好处，从而降低健康风险并产生有害的渗滤液（例如，参见参考文献[14,3,6]）。由于CKD与制成品（水泥）的成分接近，因此在填埋场处置CKD意味着潜在收入的损失。
通过使用补充胶结材料，例如粉煤灰，矿渣和天然火山灰（例如稻壳灰和火山灰），可以减少生产一定量水泥所需的熟料数量。将这些材料添加到混凝土中，不仅减少了垃圾填埋的材料数量（在工业副产品的情况下），而且减少了每生产一吨水泥所需的熟料数量。因此，水泥替代品可以减少对环境的影响并减少建筑的材料成本。天然火山灰的使用可以为承包商每袋水泥节省多达25％的费用（如果水泥是现场混合的和混凝土混合的话），这可以为建设新的基础设施提供经济利益[21]。在菲律宾等发展中国家，以前的研究已经将天然火山灰与社会经济和工业指标进行了映射[10]，火山灰（混合）水泥可能是可持续发展的重要技术。根据Dodson [5]，Lippiatt和Ahmad [19]Mihelcic[21]等所做的工作，并对Helmuth [11]中进行了总结，某些掺合水泥（例如利用工业或天然火山灰的掺合水泥）的强度，耐久性和寿命在25-60％的替代范围内与传统的普通波特兰水泥相当。随着替代程度的增加（硅酸盐水泥的火山灰），混合水泥与传统水泥的强度和耐久性特性出现差异。
2.2.生命周期评估
生命周期评估（LCA）是一种评估方法，用于评估从 “ 摇篮到环境 ” 的技术对环境的影响严重，并且可以在产品和过程上执行。LCA有几个好处，包括评估系统的材料和能源效率，识别操作之间的污染转移以及提供改进基准的能力[27,23]。水泥的生产涉及大量原材料，能源和热量的消耗。水泥生产还导致大量固体废物和气体排放的释放。制造过程非常复杂，涉及大量材料（具有不同的材料特性），热加工技术（例如干窑和干窑，预热，再循环[35,36]）和燃料源（例如煤，燃料油） ，天然气，轮胎，危险废物，石油焦；请参见参考文献[35,36]。因此，库存分析和完整的LCA可能非常复杂。波特兰水泥协会（PCA）对绝缘泡沫混凝土模板和砌块等产品进行了生命周期评估，将混凝土模板与传统木结构建筑中使用的材料相关的环境影响进行了比较[25]。尽管这些类型的分析在比较不同的建筑材料（例如混凝土模板与木框架）时可能有用，但它们并不能提供减少水泥制造本身对环境的影响的信息。Lippiatt和Ahmad[19]使用环境和经济可持续性建筑（BEES）方法对混凝土进行了环境和经济生命周期综合评估。在他们的分析中，他们检查了五（5）种不同混凝土产品（100％波特兰水泥，20％石灰石水泥，拉法基硅粉，拉法基NewChem（50％）和35％粉煤灰水泥）的环境生命周期和经济绩效数据. .他们进行分析的功能单元是一块混凝土板，其厚度要能形成25英尺跨度且抗压强度为21 MPa（寿命 frac14; 50年）。他们的结果表明，虽然所检验的石灰石混合混凝土可能更环保以质量计，需要更多的混合石灰石水泥才能制成等效强度的平板。石灰石掺混物质量要求的提高导致整体性能得分与传统或普通波特兰水泥混凝土相同。所检查的其他混合混凝土具有与普通混凝土相同的强度特性，因此在环境和经济方面的得分均高于传统混凝土产品。在另一项研究中，Masanet等人。[20]通过比较制造，使用和报废阶段的估计温室气体总排放量与同等数量的汽车的年运行量，检查了水泥和混凝土制造的生命周期排放量。他们的结果表明，水泥生产（与混凝土的整个生命周期相比）造成了最重大的环境负担和温室气体排放。他们的研究还表明，结合使用废燃料，混合水泥以及实施改进的节能技术，可以将水泥生产中的温室气体排放量减少多达11％（在加利福尼亚州）。与Lippiatt和Ahmad [19]的研究不同，Masanet等人。[20]估计，在硅酸盐水泥中添加石灰石（在混凝土生产过程中）可以减少高达4％的温室气体排放。运输和报废过程的改进对水泥和混凝土生产过程的总体温室气体排放影响较小（合计少于2％）。尽管已经进行了几项生命周期评估研究，为了检查不同混凝土产品的性能（例如，参见参考文献[19,20]），这些产品的寿命，性能和强度在很大程度上取决于其应用和最终用途。由于强度要求（早期和晚期），凝固和固化时间以及混凝土应用（例如体积要求，钢筋要求）的范围很广，因此在不同混凝土产品之间进行比较LCA比较困难，并且将这些结果外推到各种应用程序类型是有限的。因此，为了减少不确定性，本研究提出了几种水泥产品从摇篮到大门的生命周期评估。由于水泥生产是混凝土生产中能耗和排放最密集的过程，因此这种缩小范围的分析是合理的。
该研究的目的是通过检查以下四个产品/过程来确定大约1吨水泥的生产对环境的影响，尤其是全球变暖的潜力：
(1) 传统波特兰水泥；
(2) 混合水泥（天然火山灰，粉煤灰）；
(3) 使用废物中的固存（CKD）回收与过程有关的排放的一部分的波特兰水泥；和
(4) CKD循环回窑时的硅酸盐水泥。
3.方法
本研究中使用的LCA方法遵循国际标准组织（ISO）14040 [17]概述的阶段，以及Allen和Shonnard [2]，Owens [23]，Curran[4]和Hunt等描述的阶段。等[15]。本研究中应用的LCA的四个主要阶段包括：
(1) 确定评估范围和界限；
(2) 选择产出和投入清单；
(3) 评估清单中汇编的环境影响数据；
(4) 结果解释和改进建议。
图1.水泥制造过程的流程图
显示了能量和热量的消耗或投入，以及气体和颗粒物的排放（改编自参考文献[31]）。请注意，在预热和窑炉阶段的排放物既包括逃逸排放物，也包括水泥窑粉尘或受控设备捕获的那些颗粒物。
3.1. 研究范围
该项目的范围集中在原材料的获取，加工和产品制造阶段（图1）。所检查的每种产品都有一个生命周期，从原材料提取到成品的包装和运输开始。完整的生命周期评估还包括产品的使用和处置阶段。但是，由于上述四种产品具有相对相等的使用和处置影响，因此在本研究中未检查LCA的这些阶段。
这项研究的总体范围包括图1和2概述的阶段。1 – 3。几个处理阶段已合并在一起，以简化库存元素的分析和计算（请参阅第3.2节）。本研究中的分析功能单元是生产相当于20袋（每袋重100磅）的通用I类波特兰水泥。200袋大约是一吨混凝土，这是方便的数量，通常用于报告能源和材料消耗以及排放。
3.2. 生命周期清单
美国水泥制造业每年生产大约79,500 kMt熟料。生产0.95吨熟料或1.0吨成品水泥平均需要1.58吨原材料（制造过程的材料流程图请参见图2）。非燃料原料消耗可分为5个主要成分，这些主要成分可提供：（1）氧化钙，（2）氧化铝，（3）二氧化硅，（4）氧化亚铁和（5）硫酸钙[35,36 ]。在该评估中，假定图2中概述的原材料和相应数量为窑料提供了必要的化学平衡。图1-3和表2显示了材料获取，加工和制造步骤以及相关的生命周期清单（LCI）数据
图2.水泥生产过程中比较LCA的范围。虚线表示所检查系统的边界。
图3.生产1吨传统波特兰水泥的材料流程图（改编自Rundman [28]）。
表2
传统水泥生产过程中的能源和排放清单元素。能量输入和排放分为三个主要处理步骤。
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资料编号：[245743]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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单位 |
输入或排放 |
|
|
粉碎，研磨混合能源（电力） |
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|
煤 |
j |
0.224 |
|
燃油 |
j |
0.048 |
|
天然气 |
j |
0.048 |
|
排放物 |
||
|
颗粒物 |
磅 |
0.011 |
|
预热窑能量（热量） |
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