景德镇青花瓷的生命周期环境影响评价

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摘要:本文应用生命周期评价方法,以最具代表性的景德镇釉下青花瓷为研究对象,对青花瓷生命周期过程――原料制备、成形加工、烧成生产、产品使用等过程进行了能耗、水耗及污染物排放清单分析,并计算评估出污染物的环境影响负荷。结果表明,青花瓷生产中气体污染物排放对环境影响最大,且主要集中在青花瓷烧成阶段。本研究为青花瓷实现清洁生产和生态设计提供了依据。

关键词:景德镇;青花瓷;生命周期;环境影响评价

1引 言

进入二十一世纪,随着我国加入WTO,我国陶瓷工业现代化面临巨大的发展机遇,同时迎来新的挑战。其中,作为传统产业的陶瓷生产要消耗大量资源p能源,并排放CO2、SO2污水和粉尘污染物,严重污染环境,大大制约着我国陶瓷工业可持续发展战略目标的实现[1]。

传统陶瓷生产的整个生命周期过程的各个阶段均会对环境造成影响。为更好地了解生产工艺和产品的环境行为,找出其生命过程中减少污染物产生的机会和潜力,需要对陶瓷生产的整个生命周期的资源消耗和环境影响进行分析评价[2-4]。生命周期环境影响评价(LCA-Life Cycle Assessment,简称LCA)就是目前国际上常用的一种对产品、生产工艺及活动对环境的负荷进行客观的评价方法,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化,来评价能量和物质利用对环境的影响,以寻求改善产品或工艺的途径[5]。

作为拥有千年陶瓷文化的景德镇,在我国陶瓷工业中有着举足轻重的地位和影响。为此,本文以最具代表性的景德镇釉下青花瓷为研究对象,利用生命周期影响评价方法,建立数学模型来表征和量化陶瓷生产过程的能源p物质的消耗p废弃物的排放,评价青花瓷生产过程对环境负荷的影响,并得到其量化的环境负荷指标。通过对这些指标进行分析,寻找改善环境、降低环境影响的技术方向,并提出相应的建议或措施,为景德镇陶瓷企业推行清洁生产,通过ISO14000认证和实现可持续发展提供技术支持。

2研究目标与范围

进行LCA评价时,首先需要根据其目标确定研究对象、评价范围和功能单位。本研究拟以最具中国特色的景德镇釉下青花瓷为研究对象,对其生产过程进行环境影响分析,寻找改善环境、降低环境影响的技术方向,以实现陶瓷的清洁生产。釉下青花瓷是指采用釉层下的花色装饰的瓷器,具有釉面晶莹润泽、白里泛青、高雅玉洁和无铅镉溶出危害等优点。青花瓷的典型生产过程主要分为原料制备、成形加工和烧成三个阶段(见图1)。

本研究根据ISO14041标准[6],结合研究目标和景德镇青花瓷普遍采用的工艺流程,确定LCA研究系统的边界范围,将范围界定在直接采用标准化的原料,不考虑原料加工、辅助材料制造等过程;坯体干燥以窑炉余热为主要热源;燃料为焦化煤气,不考虑其制备过程。青花瓷采用天然矿物原料,由于其直接来自自然界,经过漫长的演变过程,其组成及存在形式与周围环境达到了最佳的协调与稳定,以此制成的制品废弃后,与周围环境也会有较好的亲和性,不会对水系和土壤造成污染。另外,还由于青花瓷使用寿命较长,相对环境负荷小,对人体不会产生直接危害,无二次污染,因而暂不考虑其最终的废弃处置。研究系统的输入包括资源和能源等;输出为排入水、气、声和固体废物等污染物。功能单位采用1t釉下青花瓷产品。

3清单分析

根据上述边界划分,将景德镇青花瓷生产的生命周期各阶段进一步细化为相对独立的过程单元,并进行相关数据的收集与统计,从而得到景德镇青花瓷生产生命周期各阶段资源、能源消耗和污染物的排放清单,如表1所示。

数据主要来源于《日用陶瓷工业手册》,景德镇陶瓷工业设计研究院的《工厂设计技术报告》内部资料;其次为公开发表的文献资料、企业生产运行实测数据、环保部门的监测报告和相关研究的文献等[7-10]。

从表1可以看出,青花瓷生产的主要原料为瓷石、高岭土、长石和石英等硅酸盐类矿物原料,它们被称为高克拉克值材料。从宏观上看,资源地域分布广、含量丰富,因此,青花瓷的生产对资源消耗影响不大。但是,由于现阶段陶瓷原材料落后的生产方式,致使天然原料的开采、分选对环境的污染主要集中在土地、植被的破坏,水土流失、淘洗分选过程的水污染和散乱废弃的尾矿渣。因此,需要建立标准化原料专业生产基地,以实现青花瓷现代化清洁生产的基本要求。

青花瓷生命周期过程中的能源消耗主要是烧成阶段所用的液化煤气,耗用量为2500Bm3/t;生产1t青花瓷在原料、成形和烧成三个阶段分别需耗电220、200和190kW・h。

青花瓷生命周期中的废弃物主要分为废气、废水和固体废弃物。废气排放中排放量最大的是CO2,为2404.8kg/t,其次是NOx(3.86kg/t)和SO2(2.28kg/t)。烟尘(0.41kg/t)、粉尘(0.780kg/t)和CO(0.013kg/t),它们主要来源于青花瓷的烧成阶段。

青花瓷生命周期中产生的水体污染物主要集中在原料制备和坯体成形两个阶段,生产每吨青花瓷的废水排放量为18t,其中,最大的污染物是悬浮物SS(88820g/t),其它依次为:COD(881.630 g/t)、BOD5 (193.557 g/t)、NO3- (22.633g/t)、石油类(22.576 g/t)、氟化物(11.425 g/t)。

青花瓷生产过程中产生的固体废物主要是废棚板、匣、废石膏和废品等,尽管数量较大,但基本都可回收再用。

青花瓷生产在原料加工与烧成阶段会产生一定的噪声。另外,由于青花瓷采用的是釉层下的花色装饰,因此无铅镉溶出危害。

4环境影响评价模型

按照国际标准化组织的ISO14040的框架[10],影响评价模型建立包括三个步骤:分类、标准化和加权评估。青花瓷生产的环境影响类型可分为全球变暖效应、酸化、富营养化、烟灰尘和固体废弃物五种。

为了进一步确定和分析生产过程的环境影响及对生命周期各阶段的主要贡献,对青花瓷生产各过程的环境影响因子按如下公式进行归类计算,得到各类环境影响潜值,并列于表2中。

EP(j)=P(j)i=[Q(j)i×EF(j)i] (1)

其中:

EP(j)――产品系统对第j种潜在环境影响的贡献;

P(j)――第i种排放物质对第j种潜在环境影响的贡献;

Q(j)i――对环境产生第j种影响的第i种物质的排放量;

EF(j)i――第i 种排放物对第j 种潜在环境影响的当量因子。

当量因子的确定因不同的环境影响类型而不同,通常以某种物质为参考,计算其他物质的相对大小。如对全球变暖采用CO2,酸化则采用SO2等。

对以上所计算的各类环境影响潜值,采用其相应的标准化基准进行标准化,从而比较其相对大小,详见表2。但是,经标准化后两种不同类型环境影响潜值数值大小相同,并不意味着两者的潜在环境影响同样严重。因而需要对影响类型的严重性进行排序,即赋予不同影响类型不同权重后,才能进行比较[11]。为此,采用根据“目标距离”法确定的权重进行加权评估,结果见表2。

5生命周期解释

从表2中不难看出,在青花瓷生产中各环境影响类型的贡献率有很大差异,它们的相对贡献见图2。结果表明,在青花瓷生命周期内相关的环境影响主要为固体废物,但是,固废基本都可回收再利用,因此,实际对环境的影响负荷并不大。其次是全球变暖、酸化和富营养化,同时对工业烟尘和粉尘的影响也不容忽视。

结合清单数据结果,发现在全球变暖、酸化和富营养化三种环境影响中主要的干扰因子分别为CO2、SO2和NOx,它们主要来自于青花瓷烧成过程中的气体污染排放物,这也正是青花瓷生产中要求使用清洁气体燃料的缘故。为此,目前在景德镇政府的组织下,青花瓷生产不断采用新技术,改变燃料结构(由燃煤改成燃气),使该市的环境污染状况有了明显的改善。此外,还需对引起大气污染的工业窑炉进行技术改造,选择节能型设备,采用先进的燃烧技术和烟尘处理技术,提高燃烧效率,减少CO2、SO2和NOx污染物排放。另外,由于陶瓷生产废水主要来自原料制备过程,其中悬浮物SS 显著偏高,因此,需要设立陶瓷废水处理设施,做到废水的回收再利用,实现废水的零排放。

参考文献

[1] 郭建晖,加入WTO对中国陶瓷经济发展的影响与对策[J].江西社会科学,2003,10:217-219.

[2] 夏光华,廖润华,王群等.陶瓷材料与环境协调发展[J].中国陶瓷工业.2003,3:53-55.

[3] Caterian Rinaldi,Alberto Fregni,Carlo Palmonari.Methodology for life cycle assessment of ceramicfloor and wall tiles-applications in BATdefinition for ceramic tiles industry[J].Tile&brick international,2002,6:394-396.

[4] C.Palmonari,G.Timellini.The environmentalimpactof the ceramic tile industry.New approachestothemanagement in Europe[J].Journal oftheAustralasian ceramic Society,2000:23-33.

[5] A.A.Burgess,D.J.Brennan.Application of lifecycle assessment to chemical processes[J].Chemical Engineering Science,2001,2.

[6] GB/T.24040-1999,ISO14040.环境管理-生命周期评价-原则与框架.

[7] 杨物华.陶瓷工厂设计参考[M].南京:南京大学出版社,1993.

[8] 黄浪欢.陶瓷窑炉NOX的污染与防治[J].中国陶瓷,2000,6:23-25.

[9] 夏光华,廖润华,程锦崇等.日用陶瓷的清洁生产与生周期评价[J].中国陶瓷工业,2004,11(4):28-31.

[10] GB/T.24042-2002,ISO14042.环境管理-生命周期影响评价.

[11] 杨建新,徐成,王如松.产品生命周期评价方法及应用[J].北京:气象出版社,2002.