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建筑用岩棉生产的生命周期评价及节能减排分析

发布时间:2019/11/9 17:52:16浏览量:

为了量化建筑用岩棉生产过程的环境影响,对我国典型岩棉制品生产开展了从“摇篮到大门”全生命周期评价。编制了岩棉生产的生命周期清单,计算了资源消耗、温室效应、酸化、光化学氧化、富营养化和人体毒性6种环境影响,并进行了归一化与贡献分析。结果显示:资源消耗和温室效应对环境的影响最为显著,分别占总环境影响值的45,4%和20.3%:成纤集棉阶段和原材料生产及运输阶段是造成环境影响的主要阶段,分别占总环境影响值的49%和29%。针对生命周期评价结果,提出了针对性的节能减排方案,使得环境影响值由2.64x10113yr减少为2.35x10‘13yr。

2012年我国建筑总运行能耗为6.90亿tee,占当年全国能源消耗总量的19.1%,而围护结构热损失占建筑物总热损失的60%-70%r21。因此,建筑外墙围护结构节能技术的改进,对于建筑节能具有重要意义。岩棉及其制品具有良好的绝热、防火性能,是目前A级建筑保温材料的主要选择。岩棉外墙外保温技术在欧洲比较成熟,应用广泛,市场占有率仅次于发聚苯乙烯(EPs)外墙外保温系统13]。在我国,根据建筑材料行业统计数据,2010年岩棉矿渣棉产量为118.4l万t,2011年产量为148.0l万t,增长率为25%。可以预见,随着我国建筑节能标准和建筑防火标准的不断提高,建筑用岩棉制品市场将不断扩大,技术水平也将不断提高。

命周期评价(Lifecycleassessment,LCA)是一种对产品、生产工艺及服务全生命周期的环境负荷和资源消耗进行评估的方法或工具。建筑材料是LCA应用的主要领域之一,定量评价建筑材料在全生命周期的能源、资源消耗以及废弃物排放所造成的环境影响是实现建筑节能的起点。

棉制品生产过程系统边界.jpg

近年来,国内外学者针对建筑用岩棉开展了一系列LCA研究。Sehmidt等以岩棉、纸制棉、亚麻棉作为建筑屋顶保温材料进行研究,得出在生命周期中岩棉消耗了最低的一次能源,同时对人体潜在健康威胁最小。Tingley等基于生命周期理论,对比分析了以EPS、酚醛泡沫、矿棉板作为建筑外墙保温系统时对环境所造成的影响。马丽萍等开展了我国典型建筑保温材料生命周期评价研究,对比分析了奥门金沙js、硬泡聚氨酯板、聚苯板的生命周期环境影响,得出奥门金沙js影响最小。肖君等基于LCA理论与方法对聚苯乙烯挤塑板和奥门金沙js在生产、使用、拆除3个阶段的能源、资源消耗进行了对比研究。总的来看,现有岩棉LcA研究存在两方面的不足:一是我国本土化数据较少,用于LCA案例研究的数据多数来源于国外数据库,导致分析结果与我国岩棉生产实际偏差较大:二是对岩棉生产过程没有开展详细的清单分析,难以识别产生环境影响的关键生产过程及污染物来源,涉及的环境影响类型较少。

本文以我国某典型岩棉厂为例,基于IZA方法开展建筑外墙外保温用岩棉制品生产过程的环境影响评价研究,编制岩棉制品生产各个阶段的生命周期清单,计算各类环境影响指标,以期为我国岩棉制品生产过程lEA数据库的建立提供数据支撑。

1岩棉生命周期评价

1.1研究目的

利用SimaPr08.O生命周期评价App,以建筑外墙外保温用岩棉制品为研究对象,根据其在我国的生产与应用现状,研究产品的各个生产过程中的资源、能源消耗及环境排放,计算其生产过程中的环境负荷,从而识别岩棉制品在生产过程中对环境造成影响较大环节,寻找改善岩棉制品清洁、节能生产的途径和方法,推动岩棉产业的健康发展。功能单位定义为1kg岩棉制品,产品性能符合GB/r259r75—20lO《建筑外墙外保温用岩棉制品》要求。

1.2研究范围

本文针对岩棉原材料生产运输、混合熔制、成纤集棉、固化成型、最后切割包装过程进行研究,系统边界如图1所示。

我国典型岩棉制品的生产流程如下:按照一定的配比将玄武岩、白云石、焦炭、矿渣混合称重,然后投入冲天炉中,经1400-1550°C的高温熔融成混合的熔体。熔体进入离心机,在离心力作用下牵伸成纤维,同时将一定量的粘结剂(酚醛树脂)均匀喷洒在纤维表面,接着集棉机将附着粘结剂的纤维进行收集,经过摆锤打褶后成为一定厚度的棉毡。棉毡进入固化炉加压定型,鼓入由天然气燃烧所产生的热风,使粘结剂固化,从而形成具有一定厚度和强度的连续奥门金沙js。从固化炉中出来的岩棉经过冷却、切割包装成为不同尺寸的奥门金沙js或岩棉带,最后打包入库。岩棉销售、使用以及维护、废弃过程则不包扩在本文的研究范围内。

棉制品生产过程清单.jpg

1.3清单分析

基于我国典型岩棉制品的生产工艺,主要原料消耗为玄武岩、白云石、矿渣、焦炭、粘结剂(酚醛树脂)、冷却水和工业纯氧。能源消耗为电能和焦炭、天然气。以上数据以某岩棉厂全年记录的数据为主要参考指标,折算为生产lkg岩棉制品的平均数值。

岩棉制品生产中,混合熔制过程冲天炉所产生粉尘、NOx,、S02污染物处理后符合GB9078--1996《工业炉窑大气污染物排放标准》和GB16297--1996《大气污染物综合排放标准》要求。由于焦炭不完全燃烧产生的C0经过废气焚烧后全部变成CO2,故无C0排放。成纤集棉和固化成型过程产生的带有粘结剂的短棉纤维粉尘、游离酚、游离醛,经过捕尘处理后符合GB16297--1996要求。冲天炉、离心机分别自带冷却水循环系统,无废水排放。捕集带冲洗网板,带有酚醛树脂的废水经过处理后符合GB8978--1996((污水综合排放标准》要求。从冲天炉收集的渣球及集棉过程收集的废料,重新进入冲天炉进行回收利用。C02排放主要来源于焦炭和天然气燃烧,本文基于联合国政府问气候变化专门委员会(IPcC)110J提供的燃料碳排放系数和我国各种燃料的热值,计算出适合我国的能源C02排放系数,焦炭为3.14kgCO2/kg,天然气为2.09kgC02/kg。C02排放量可由焦炭和天然气消耗量乘以相应的排放系数计算得到。

生命周期清单中,玄武岩、白云石以及辅助原料酚醛树脂等数据来源于Ecoinvent3.0数据库,电力 ?lI、焦炭和天然气1121数据来源我国本土数据。矿渣作为原料,实现了工业废渣的再利用,因此不考虑其生产过程的环境负荷,只考虑其运输过程的环境负荷。运输过程中的数据基于企业所提供原材料所在地与岩棉厂之间距离计算得到,运输工具采用净载重为40t的载重卡车,运输距离为400km,运输过程的清单采用杨建新等的研究结果。

1.4影响评价

影响评价的目的是根据生命周期清单分析的结果识别和评价产品潜在环境影响的大小。本文采用生命周期评价AppSimaPr08.0进行计算,评价模型CML2001Dec一07。

在岩棉制品生产的各个阶段,成纤集棉阶段造成的环境影响最为显著,占岩棉制品生产总环境影响值的49%;其次为原材料生产及运输阶段,在环境影响中所占的比例为29%;随后是混合熔制阶段所占的比例为13.1%;固化成型和切割包装2个阶段造成的环境影响总和不足10%,相对于岩棉制品生产前3个阶段所占比例比较小。成纤集棉阶段产生的环境影响主要类型为AD和HT,主要原因是在成纤集棉过程中要使用离心机、集棉机、摆锤设备等能耗较高的生产设备,耗费了占整个生产过程中41.5%的电力,而电力的生产过程引起的非可再生资源消耗对AD影响较大。HT值比较高的原因是,成纤集棉阶段酚醛树脂作为粘结剂被使用,生产酚醛树脂要消耗对人体有毒的异丙苯等有机物,同时排放醛、酚等对人体健康有损害的物质,从而使HT的值比较高。原材料生产及运输阶段对环境产生影响的主要来源是AD,原因是在此阶段需要消耗大量玄武岩、白云石、焦炭等矿藏资源。混合熔制阶段的GW值比较高则是主要来源于焦炭在冲天炉中燃烧,产生大量的CO2。

岩棉制品生产过程中,6种环境影响类型的大小为AD>Gw>HrI'>POC>A>E。AD的环境负荷主要来源于原材料生产及运输阶段和成纤集棉阶段,所占的比例分别为45.5%和42.75%;GW的环境负荷来源当中混合熔制阶段和成纤集棉阶段占绝大部分,比例分别为49.25%、29.48%;AD的环境负荷主要阶段是成纤集棉阶段,达到了92.7%:造成A最大阶段的是成纤集棉,原因是:在此阶段消耗量了大量的电力,而我国电力的生产大量是靠化石燃料的燃烧所产生的,因此会对环境造成一定的酸化效应。E和POC数量比较大的阶段同样是成纤集棉阶段,具体原因与A分析结果一致。

岩棉制品生产过程的节能减排方案

基于上述LCA分析结果,识别出成纤集棉过程的电力消耗、原材料生产及运输过程的矿产资源消耗、混合熔制过程的焦炭消耗是产生环境影响的土要环节。因此,从生产工艺角度,提出以下节能减排方案:

(1)优化冲天炉结构,设置烟气热回收装置,提高风温度,平均生产1t岩棉制品可回收冲大炉废弃能量中的60%-70%;

(2)针对成纤集棉工序选择节能型设各风机、电机、泵,约可降低能耗20%;

(3)成纤集棉过程捕集带排放的废气经过高除尘器进行处理,降低排放浓度90%。

方案改进前后混合熔制阶段和成纤集棉阶段的环境影响归一化结果见表5。

混合熔制阶段和成纤集棉阶段环境影响值.jpg

由表5可知,通过上述节能减排措施,混合熔制阶段GW减少了24.6%,A减少了4.8%,HT减少了8.7%;成纤集棉阶段AD减少了2.5%,GW减少了4。4%,A减少了93%,I-IT减少了1.3%,其它环境影响同样有相应的削减。此外,从环境影响归一化结果来看,方案改进前岩棉制品生产的总的环境影响为2.64x10-13yr,改进后为2.35x10-13yr,降低比例为10.98%,取得了积极的效果。

1.运用LCA方法定量分析了岩棉制品生产的全过程对环境造成的影响,生产lkg岩棉制品的AD、GW、A、POC、E、8T分别为:1.20x10-13yr、5.36x10-14yr、2.52Exl0-14yr、2.77x10-144yr、5.03x10-15yr和3.29x10-14yr,AD、GW、HT是岩棉制品生产对环境影响的主要因素。

2.岩棉制品生产的4个阶段中,成纤集棉和原材料生产及运输阶段对环境的影响最为明显,分别占总环境影响值的49%和29%。成纤集棉阶段耗费了大量的电能,同时排放甲醛、酚类、粉尘等有毒有害物质,对环境造成极大的影响;原材料生产及运输阶段需要消耗大量的矿产资源,AD值较高,使环境影响值较高。

3.为达到节能减排的目的,基于岩棉企业的生产特点,采取了降低生产能耗的生产工艺,工艺实施后岩棉制品生产的环境影响由2.64×10。13yr下降为2.35x10出yr,降低比例为10.98%。

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