生命周期視角下巖棉板的研究

生命周期視角下巖棉板的研究

隨著建筑節(jié)能政策的全面實施和綠色建筑和低碳建筑概念的日益普及，建筑建筑材料的應用取得了很大進展。巖棉板因其具備優(yōu)質(zhì)的保溫、防火等性能而成為保溫材料界的耀眼明星,備受建筑業(yè)重視。尤其是在被稱為“史上最嚴消防令”的65號文下達之后,各地建筑市場對A級保溫材料的需求越來越迫切,極大地推動了巖棉板在建筑物中應用的步伐。因此,巖棉板對于發(fā)展低碳建筑及其防火安全具有不容忽視的地位。生命周期評價(LifeCycleAssessment,以下簡稱LCA)方法是系統(tǒng)化地定量描述產(chǎn)品生命周期中各種資源、能源消耗和環(huán)境排放并評價其環(huán)境影響的方法。它作為一種重要的環(huán)境管理工具被納入ISO14000環(huán)境管理系列標準中,并成為ISO14000系列標準中其他各類環(huán)境管理工具的方法基礎,現(xiàn)已廣泛應用于產(chǎn)品的生態(tài)設計、清潔生產(chǎn)技術評價與研發(fā)、環(huán)境標志與聲明、環(huán)境政策制定等諸多領域。此外,在當前國內(nèi)外綠色建筑評價中,也越來越多地將建筑材料LCA分析納入考量范疇。因此,巖棉板作為一種重要的建筑保溫材料,對其開展LCA分析意義顯著。對于巖棉板的生命周期評價,目前國內(nèi)尚未見相關報道。研究基于LCA方法,對典型巖棉板生產(chǎn)的生命周期環(huán)境影響進行了計算、分析與評價,旨在闡明我國巖棉板生命周期環(huán)境負荷的基本情況,以期為本地化巖棉板LCA數(shù)據(jù)庫的建立及低碳建筑生命周期環(huán)境負荷評價提供數(shù)據(jù)支持。1評價結(jié)果及建議依據(jù)ISO14040系列標準,LCA的技術框架由以下4個部分組成:1)目標與范圍的定義。具體包括確定LCA實施目標、產(chǎn)品系統(tǒng)邊界及功能單位等。2)清單分析。根據(jù)目標與范圍定義,確定產(chǎn)品生命周期各個階段每一個單元流程中材料與能源的消耗、廢棄物排放等數(shù)據(jù),并進行整理與編目。3)影響評價。將清單數(shù)據(jù)進行定量化評價。4)結(jié)果解釋。提供LCA研究結(jié)果并進行分析,得出結(jié)論、解釋存在的不足并提出建議。產(chǎn)品的生命周期概括而言應包括三部分:1)上游過程,包括資源、能源、原材料開采與生產(chǎn),產(chǎn)品包裝材料生產(chǎn),及其中涉及的運輸;2)產(chǎn)品生產(chǎn)過程,包括產(chǎn)品制造,及對該階段排放污染物的處理過程等;3)下游過程,包括產(chǎn)品銷售、使用、廢棄回收過程。研究將上游過程和下游過程統(tǒng)稱為“背景過程”,將產(chǎn)品生產(chǎn)過程稱為“現(xiàn)場過程”。對于非終端消費品,其生命周期評價模型一般只包含上游過程和產(chǎn)品生產(chǎn)過程,即從“搖籃”到“大門”。研究中,巖棉板作為建筑物的上游產(chǎn)品,其生命周期模型采用“從搖籃到大門”。研究著重考慮不可再生資源消耗、能源消耗和溫室效應三類環(huán)境影響類型?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)主要通過國內(nèi)典型企業(yè)實地調(diào)研獲得,背景數(shù)據(jù)主要來源于國際國內(nèi)公開數(shù)據(jù)庫。利用四川大學開發(fā)的eBalance生命周期分析軟件對所收集的清單數(shù)據(jù)進行計算處理,從而獲得巖棉板功能單位產(chǎn)品的各類環(huán)境影響指標值。2標準巖棉板產(chǎn)品的lca評估2.1目標和范圍定義1目標定義目標定義對我國典型巖棉板產(chǎn)品進行生命周期評價,以期為我國本地化巖棉板LCA數(shù)據(jù)庫的建立及低碳建筑生命周期環(huán)境負荷評價提供基礎數(shù)據(jù)。21功能對象的確定綜合考慮巖棉板生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計規(guī)則,及與建筑物評價的匹配性與協(xié)調(diào)性等因素,研究選取1kg巖棉板作為功能單位。3帶模板系統(tǒng)的巖棉板制造巖棉板是由玄武巖及其他天然礦石為原料經(jīng)高溫熔融后通過離心力或高壓氣體噴吹成纖維,加入適量熱固性樹脂膠粘劑后,經(jīng)壓形、加熱聚合或干燥制成的具有較高機械強度的板材。其生產(chǎn)工藝如圖1所示。研究采用“從搖籃到大門”的生命周期評價模型,其系統(tǒng)邊界范圍包括:1)巖棉板的生產(chǎn)制造過程;2)原材料(玄武巖、石灰石、高爐礦渣、粘接劑酚醛樹脂等)生產(chǎn)所涉及的生命周期階段;3)電力、能源(如柴油)的生產(chǎn);4)原材料運輸過程。其系統(tǒng)邊界詳見圖2。4巖棉板原料運輸和物流管理(1)研究中系統(tǒng)邊界包含原材料、能源生產(chǎn)階段和巖棉板生產(chǎn)階段兩部分。巖棉板的后續(xù)使用及廢棄等階段未納入其中。(2)目前巖棉板的生產(chǎn)工藝主要有3種:擺錘法、沉降法和三維法。其中擺錘法是最主要的工藝,三維法多見于新建企業(yè)?？紤]到工藝選擇的典型性與代表性,研究采用擺錘法生產(chǎn)巖棉板。(3)巖棉板生產(chǎn)階段的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及原材料運輸數(shù)據(jù)來源于對國內(nèi)兩家典型企業(yè)A、B的調(diào)研結(jié)果,所調(diào)研巖棉板的酸度系數(shù)為1.6,容重為150kg/m3。(4)綜合考慮國內(nèi)政策關注的重點,并兼顧中國清單數(shù)據(jù)的可獲得性、特征化模型的適用性等多重因素,研究選取當前社會最為關注的不可再生資源消耗、能源消耗和溫室效應三類環(huán)境影響類型,并對其進行特征化表征。鑒于高爐礦渣屬于工業(yè)固廢綜合利用,研究中不考慮與其相關的環(huán)境影響。2.2清單分析2.2.1巖棉板生產(chǎn)co的污染源治理通過對我國典型巖棉板生產(chǎn)企業(yè)A、B開展深入調(diào)研,獲取了巖棉板生產(chǎn)現(xiàn)場的單位產(chǎn)品原材料消耗、能源消耗及其運輸數(shù)據(jù)。關于巖棉板生產(chǎn)過程中由于燃料燃燒而產(chǎn)生的CO2采用理論計算方法。根據(jù)2006年IPCC國家溫室氣體清單指南,焦炭、柴油的碳排放系數(shù)分別為107000kg/TJ和74100kg/TJ,進一步基于各企業(yè)巖棉板生產(chǎn)階段的焦炭與柴油使用量,并進行轉(zhuǎn)化計算,獲得各企業(yè)單位巖棉板生產(chǎn)CO2現(xiàn)場排放數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)A、B企業(yè)單位產(chǎn)品生產(chǎn)原材料、能源消耗及CO2排放清單,詳見表1。2.2.2背景數(shù)據(jù)背景數(shù)據(jù)來源于國際國內(nèi)公開數(shù)據(jù)庫,詳見表2。鑒于國內(nèi)有關基礎數(shù)據(jù)庫的缺乏,研究中對玄武巖、白云石、酚醛樹脂采用歐洲數(shù)據(jù)庫予以代替。2.3a企業(yè)的主要減少巖棉板周期各過程能源消耗、提高燃燒效率的情況,a利用eBalance生命周期分析軟件,對功能單位巖棉板產(chǎn)品進行生命周期評價,并對其不可再生資源消耗(CADP)、能源消耗(PED)和溫室效應(GWP)影響進行特征化表征,獲得A、B企業(yè)的計算結(jié)果分別如表3和表4所示。由表3和表4可以看出:1)對于A、B企業(yè)而言,其各自的三類環(huán)境影響的重要性大小排序是一致的,即CADP>GWP>PED。2)就不可再生資源消耗影響而言,A企業(yè)較B企業(yè)大,這與其各自的原材料使用結(jié)構及數(shù)量大小是相對應的。3)就溫室效應和能源消耗影響而言,A企業(yè)均小于B企業(yè)。其中B企業(yè)的能源消耗是A企業(yè)的1.07倍,溫室效應影響是A企業(yè)的1.13倍。4)綜合來看,A、B企業(yè)之間的數(shù)據(jù)具有較好的可比性。此外,還就巖棉板各個生命周期過程對三類環(huán)境影響指標的貢獻比例進行了梳理、計算,獲得A企業(yè)的計算結(jié)果如表5和圖3所示,B企業(yè)的計算結(jié)果如表6和圖4所示。從表5、表6、圖3和圖4中可以看出:1)對于A企業(yè)而言,其生命周期各過程對不可再生資源消耗影響的貢獻大小排序為:酚醛樹脂生產(chǎn)>柴油生產(chǎn)>焦炭生產(chǎn)>運輸>電力生產(chǎn)>玄武巖開采>白云石開采。各過程對能源消耗影響的貢獻大小排序為:焦炭生產(chǎn)>酚醛樹脂生產(chǎn)>電力生產(chǎn)>柴油生產(chǎn)>運輸>玄武巖開采>白云石開采。各過程對溫室效應影響的貢獻大小排序為:巖棉板生產(chǎn)>電力生產(chǎn)>酚醛樹脂生產(chǎn)>焦炭生產(chǎn)>柴油生產(chǎn)>運輸>玄武巖開采>白云石開采。2)對于B企業(yè)而言,其生命周期各過程對三類環(huán)境影響的貢獻比例與A企業(yè)基本一致。3)綜合來看,酚醛樹脂生產(chǎn)及能源生產(chǎn)(包括焦炭、電力、柴油)是較為重要的生命周期階段,而原材料(包括玄武巖、白云石)開采階段的影響較小。因此,在基礎數(shù)據(jù)無法獲取的情況下,可將玄武巖和白云石開采過程予以忽略。此外,巖棉板生產(chǎn)是溫室效應影響最嚴重的階段,其所占比例高達50%以上。因此,減少巖棉板生產(chǎn)過程中的能源消耗、提高能源燃燒效率,以及運用先進的燃燒技術是實施巖棉板減碳行動的關鍵所在。鑒于A、B企業(yè)在國內(nèi)巖棉板行業(yè)中的典型性與代表性,且兩者之間的數(shù)據(jù)具備較好的可比性,研究中對兩組數(shù)據(jù)進行了算術平均,以近似代表我國巖棉板產(chǎn)品生命周期環(huán)境負荷的平均水平。通過計算,獲得我國生產(chǎn)功能單位巖棉板產(chǎn)品所涉及的不可再生資源消耗影響潛值為14.44kgCoal-R當量/kg板,能源消耗潛值為1.29kgce當量/kg板,溫室效應潛值為2.53kgCO2當量/kg板。3巖棉板磺酸鹽系統(tǒng)生物固結(jié)效果a.運用生命周期評價方法對我國典型巖棉板的環(huán)境負荷現(xiàn)狀進行分析,并利用eBalance軟件進行了計算,獲得我國典型巖棉板功能單位產(chǎn)品的不可再生資源消耗、能源消耗和溫室效應影響指標分別為:14.44kgCoal-R當量/kg板、1.29kgce當量/kg板、2.53kgCO2當量/kg板。b.對于我國巖棉板產(chǎn)品而言,酚醛樹脂生產(chǎn)及能源生產(chǎn)(包括焦炭、電力、柴油)是對其生命周期環(huán)境影響較為重要的階段,而原材料(包括玄武巖、白云石)開采階段的影響相對較小。因此,改善巖棉板整體環(huán)境表現(xiàn)的關鍵在于提高