高炉渣资源化生产绿色建材的环境效益评估

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摘要 高炉渣是钢铁厂高炉炼铁产生的矿渣，具有较高的资源化价值，可用于生产多种绿色建材产品。熔融高炉渣经水急冷后形成的粒化高炉矿渣，粉磨成矿渣微粉可作为水泥混合材和混凝土掺合料。以高炉渣资源化过程为研究对象，采用生命周期清单分析方法，并基于GaBi 4软件平台，对我国某建材企业综合利用高炉渣生产矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土全过程的能源消耗、原材料消耗和温室气体排放进行了分析，进而从节能、降耗和碳减排三方面评估其环境效益。结果表明，与普通硅酸盐水泥相比，矿渣硅酸盐水泥可分别实现节约能源1 911 MJ/t（节能26%），降低原材料消耗1 158 kg/t（降耗27%），减少碳排放236 kg/t（碳减排26%）；与复合硅酸盐水泥相比，矿渣硅酸盐水泥可实现节约能源352 MJ/t（节能6%），降低原材料消耗278 kg/t（降耗8%），减少碳排放47 kg/t（碳减排7%）。与不掺加矿粉的普通商品混凝土比较，掺矿粉的商品混凝土可实现节约能源97 MJ/m3（节能5%），降低原材料消耗7 kg/m3（降耗0.3%），减少碳排放12 kg/m3（碳减排5%）。高炉渣资源化生产矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土具有明显的环境效益。

关键词 高炉渣；绿色建材；生命周期清单；环境效益

中图分类号 X757：X820 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2012)04-0051-05 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.04.010

高炉渣是钢铁厂高炉炼铁产生的矿渣，也是冶金行业产生量最大的一种工业固体废物。粒化高炉矿渣已广泛用于生产矿渣硅酸盐水泥、商品混凝土、免烧砖、微晶玻璃等绿色建材产品。我国高炉渣综合利用率达90%以上［1］，高炉渣资源化生产绿色建材及其带来的可观的环境效益已受到普遍关注。

关于固体废物综合管理过程的环境效益，已有学者分别对餐厨垃圾资源化［2］及不同处置方式［3］、电子废物处理［4］、危险废物处置［5］等进行了定量评价，而有关工业固体废物综合利用的环境效益多为定性分析［6-7］，特别是高炉渣资源化过程的环境效益评价尚未见相关研究。从环境效益的评估方法上看，现有研究主要可分为3大类，分别是，关注个别环境影响类型（能耗、水耗、温室气体排放等）的改善［8,9］；采用影子价格等将环境效益货币化［10-11］；利用生命周期评价方法评价环境表现［5,12-13］。本研究基于生命周期视角，对高炉渣资源化生产矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土全过程的物质输入输出清单进行分析，重点关注能源消耗、原材料消耗和碳排放情况，并从节能、降耗和碳减排三方面对高炉渣资源化全生命周期的环境效益进行评估，为废物管理决策提供定量化的数据支持。

1 研究方法

1.1 系统边界

熔融高炉渣经水淬形成粒化高炉渣，烘干后在立磨内粉磨成高炉矿渣微粉，可作为水泥混合材和混凝土掺合料。矿渣微粉既可与水泥熟料按一定比例配比生产矿渣硅酸盐水泥，也可直接部分替代普通硅酸盐水泥生产商品混凝土。

以我国某建材企业利用粒化高炉渣生产绿色建材产品为例，对高炉渣资源化过程进行分析。依据该企业典型工艺过程，将研究的系统边界确定为“从摇篮到大门”的全过程，即包括从原材料生产、能源生产、高炉渣预处理、高炉渣粉磨直至生产出矿渣硅酸盐水泥（见图1）和商品混凝土（见图2）的全部环节。其中，水泥生产所需的铁质料和钢球，以及混凝土生产使用的外加剂等，用量较少，研究中忽略其生产过程。至于运输过程，由于高炉渣来自厂区附近的钢铁企业，运输距离及其环境影响十分有限，因此不考虑高炉渣的运输过程。

图1 高炉渣资源化生产矿渣硅酸盐水泥过程系统边界

Fig.1 System boundary of BF slag recycling for slag portland cement

图2 高炉渣资源化生产商品混凝土过程系统边界

Fig.2 System boundary of BF slag recyclingfor commercial concrete

本研究分别以1 t矿渣硅酸盐水泥和1 m3商品混凝土为功能单位，重点关注高炉渣用于生产矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土全生命周期过程的能源消耗、原材料消耗和碳排放情况，并与等量的不掺加高炉渣矿粉的普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥以及普通商品混凝土的生产过程进行比较。出于对比分析的需要，本研究未考虑普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥在产品性能上的具体差别。

1.2 评价方法和工具

基于生命周期评价专业软件GaBi 4构建产品系统。采用生命周期清单分析(Life cycle inventory analysis, LCI)方法对高炉渣资源化生产建材产品过程的物耗、能耗和环境排放进行量化。

对矿渣水泥和商品混凝土两种绿色建材产品生产全生命周期的物质输入输出进行分析，并选取生命周期清单中的能源消耗、原材料消耗和碳排放三项指标，与对应的普通建材产品进行比较，进而从节能、降耗和碳减排三方面评估高炉渣资源化生产绿色建材产品全过程的环境效益。本研究采用节能、降耗和碳减排的相对值表征环境效益。首先计算出绿色建材产品相对于普通建材产品节能、降耗和碳减排的绝对量，再将其与普通建材产品相应指标值进行对比。具体计算方法如下：

节能效益EBe=(Eo-Eg)/Eo(1)

式中：Eo为普通建材产品能源消耗量；Eg为绿色建材产品能源消耗量。能源消耗量的单位为MJ。

降耗效益EBm=(Mo-Mg)/Mo(2)

式中：Mo为普通建材产品原材料消耗量；Mg为绿色建材产品原材料消耗量。原材料消耗量的单位为kg。

碳减排效益EBg=(Go-Gg)/Go(3)

式中：Go为普通建材产品碳排放量；Gg为绿色建材产品碳排放量。碳排放量统计的是包括CO2在内的全部温室气体，采用CML2001 Global Warming Potential (GWP 100 years)进行核算，单位为kg CO2当量（CO2Equiv.）。

1.3 数据来源

数据收集是开展生命周期清单分析的重要基础。清单数据的质量和有效性在很大程度上决定了环境效益评估结果的可靠性。

生命周期清单数据来源主要包括：①某环保建材企业实际生产数据；②PEGaBi数据库；③本课题组开发的中国能源生产基础数据库。其中，矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥及商品混凝土（掺加矿粉）生产过程的清单数据来自案例企业目前运行中的工艺数据，普通商品混凝土（未掺加矿粉）生产数据来自企业初期的设计数据。大部分辅料生产数据选用PEGaBi数据库提供的清单数据。此外，本研究采用了部分公开发表的文献数据作为补充。具体数据来源见表1。

表1 生命周期清单数据来源

Tab.1 Data sources of life cycle inventory

2 结果与分析

2.1 能源消耗

利用生命周期清单数据，分别对生产1 t矿渣硅酸盐水泥（P.S.A32.5）、复合硅酸盐水泥（P.C32.5）、普通硅酸盐水泥（P.O42.5）以及1 m3商品混凝土（掺加矿粉）、普通商品混凝土（未掺加矿粉）过程中的能源消耗总量进行核算。

图3显示了生产1 t水泥产品的能源消耗情况。普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥的能耗量依次为7 461.9 MJ、5 903.0 MJ和5 551.1 MJ。矿渣硅酸盐水泥的能耗值最低，究其原因在于，高炉矿渣微粉部分替代水泥熟料，降低了单位水泥产品的熟料消耗量，而熟料的煅烧是水泥生产中的主要能源消耗环节。

图3 水泥生产过程的能源与原材料消耗

Fig.3 Energy and raw material consumption from the production of cement

图4显示了生产1 m3商品混凝土的能源消耗情况。商品混凝土（掺加矿粉）与普通商品混凝土（未掺加矿粉）能耗量分别是1 944.1 MJ和2 040.8 MJ。结果显示，商品混凝土（掺加矿粉）生产过程的能耗值略低于普通商品混凝土（未掺加矿粉）生产过程，由于前者掺加的矿粉的量不大，因此能耗下降幅度并不显著。

2.2 原材料消耗

废物资源化可直接减少生产建材产品所需的原材料。从图3不难看出，矿渣硅酸盐水泥消耗的原材料明显低于复合硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，依次为3 128.0 kg/t，

图4 商品混凝土生产过程的能源与原材料消耗

Fig.4 Energy and raw material consumption from the production of commercial concrete

3 406.0 kg/t和4 286.3 kg/t。与普通商品混凝土（未掺加矿粉）相比，掺矿粉的商品混凝土的原材料的消耗量也有所下降，即从2 058.8 kg/t降低到2 052.1 kg/t（见图4）。

2.3 碳排放

本文核算的碳排放主要为建材产品生产工艺过程本身的直接排放，同时也包括原料、燃料等生产及使用过程中的间接排放。采用高炉矿渣微粉替代水泥熟料可有效减少温室气体尤其是CO2的排放，因此，比较碳排放强度可反映高炉渣资源化的碳减排效益。

图5和图6所示为3种水泥产品和2种商品混凝土产品生产过程的碳排放情况。生产1 t普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥的温室气体排放值依次为894.6 kg CO2当量，706.3 kg CO2当量和659.1 kg CO2当量；生产1 m3普通商品混凝土（未掺加矿粉）与商品混凝土（掺加矿粉）的温室气体排放值为244.1 kg CO2当量和231.7 kg CO2当量。结果表明，利用高炉矿渣微粉生产的绿色建材产品的碳排放强度有明显下降。

2.4 环境效益

生命周期清单分析的结果均显示，掺加高炉矿渣微粉能有效降低建材生产过程中的能耗、物耗和碳排放强度。

图5 水泥生产过程的碳排放比较

Fig.5 GHG emissions from the production of cement

图6 商品混凝土生产过程的碳排放比较

Fig.6 GHG emissions from the production of commercial concrete

表2和表3分别是绿色建材产品相对于普通建材产品节能、降耗和碳减排的绝对量及其环境效益。其中，以普通硅酸盐水泥P.O42.5和复合硅酸盐水泥P.C32.5为对照，对利用高炉渣生产的矿渣硅酸盐水泥P.S.A32.5的环境效益进行表征；以普通商品混凝土（未掺加矿粉）为对照，核算掺加高炉矿渣微粉的商品混凝土的环境效益。

表2 绿色建材相对于普通建材节能、降耗和碳排放的绝对量

Tab.2 Absolute amounts of energy saving, raw materials

reduction and GHG emissions mitigation of green building materials compared with common building materials

表3 高炉渣资源化生产绿色建材的环境效益

Tab.3 Environmental benefits of BF slag recycling for green building materials

结果表明，高炉渣资源化生产的矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土均具有明显的环境正效益。与普通硅酸盐水泥P.O42.5相比，矿渣硅酸盐水泥P.S.A32.5可分别实现节约能源1 911 MJ/t（节能26%），降低原材料消耗1 158 kg/t（降耗27%），减少碳排放236 kg/t（碳减排26%）；与复合硅酸盐水泥P.C32.5相比，矿渣硅酸盐水泥P.S.A32.5可实现节约能源352 MJ/t（节能6%），降低原材料消耗278 kg/t（降耗8%），减少碳排放47 kg/t（碳减排7%）。与普通商品混凝土（未掺加矿粉）比较，掺加矿粉的商品混凝土可实现节约能源97 MJ/m3（节能5%），降低原材料消耗7 kg/m3（降耗0.3%），减少碳排放12 kg/m3（碳减排5%）。

从高炉渣生产矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土这两种不同资源化途径来看，前者掺加的高炉矿渣微粉比例较高，因此核算得到的节能、降耗和碳减排幅度高于后者。但这并不意味着高炉渣用于生产矿渣水泥的环境表现优于生产商品混凝土，因为本节核算的环境效益只是针对绿色建材产品与对应的同类普通建材产品的比较，且研究对象分别是1 t水泥产品和1 m3商品混凝土。若要比较高炉渣不同资源化途径的环境表现，需要以一定量的高炉渣作为功能单位，对其不同资源化过程开展生命周期评价。

3 结 论

生命周期清单分析结果显示，相对于传统建材产品，高炉渣资源化生产绿色建材：矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土，可直接减少资源消耗和和温室气体排放。与普通硅酸盐水泥P.O42.5和复合硅酸盐水泥P.C32.5相比，利用高炉渣生产的矿渣硅酸盐水泥P.S.A32.5可分别实现节能26%和6%，降耗27%和8%，碳减排26%和7%。与普通商品混凝土（未掺加矿粉）比较，掺加高炉矿渣微粉生产的商品混凝土可实现节能5%，降耗0.3%，碳减排5%。

高炉渣资源化过程表现出显著的环境效益。利用高炉渣生产矿渣硅酸盐水泥和商品混凝土是合理可行、环境友好的综合利用方式。

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Environmental Benefits Assessment of Blast Furnace Slag Recycling for

Green Building Materials Based on LCA

SONG Xiaolong YANG Jianxin LIU Jingru

（Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Ecoenvironmental Sciences,

Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China）

Abstract

Blast furnace (BF) slag from iron smelting process, has great recycling potential for producing green building materials. It can be used as cement or concrete admixture in the form of slag powder which is produced in the processing of water quenching and granulating. The recycling processes of BF slag were focused in this study. Based on life cycle inventory (LCI) analysis and GaBi 4 software, resources consumption and greenhouse gas(GHG) emissions of slag portland cement and commercial concrete production processes using BF slag were analysed in a building materials factory, and then environmental benefits from the recycling of BF slag were assessed in terms of energy saving, reduction of raw material consumption and mitigation of GHG emissions. Compared with ordinary portland cement, slag portland cement can save energy 1 911 MJ/t (decreased by 26%), reduce raw material consumption 1 158 kg/t (decreased by 27%) and mitigate GHG emissions 236 kg/t (decreased by 26%). Meanwhile, those results for slag portland cement were 352 MJ/t (decreased by 6%), 278 kg/t (decreased by 8%) and 47 kg/t (decreased by 7%), respectively, in contrast to composite portland cement. Likewise, commercial concrete (with slag powder) can save energy 97 MJ/m3 (decreased by 5%), reduce raw material consumption 7 kg/m3 (decreased by 0.3%) and mitigate GHG emissions 12 kg/m3 (decreased by 5%), compared with common commercial concrete (without slag powder). The results showed that the recycling of BF slag for slag portland cement and commercial concrete have obvious positive environmental benefits.

Key words blast furnace slag; green building materials; life cycle inventory; environmental benefits