生命周期視角下巖棉板的研究

隨著建筑節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。巖棉板因其具備優質的保溫、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)方法是系統化地定量描述產品生命周期中各種資源、能源消耗和環境排放并評價其環境影響的方法。它作為一種重要的環境管理工具被納入ISO14000環境管理系列標準中,并成為ISO14000系列標準中其他各類環境管理工具的方法基礎,現已廣泛應用于產品的生態設計、清潔生產技術評價與研發、環境標志與聲明、環境政策制定等諸多領域。此外,在當前國內外綠色建筑評價中,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,目前國內尚未見相關報道。研究基于LCA方法,對典型巖棉板生產的生命周期環境影響進行了計算、分析與評價,旨在闡明我國巖棉板生命周期環境負荷的基本情況,以期為本地化巖棉板LCA數據庫的建立及低碳建筑生命周期環境負荷評價提供數據支持。1評價結果及建議依據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、產品系統邊界及功能單位等。2)清單分析。根據目標與范圍定義,確定產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、廢棄物排放等數據,并進行整理與編目。3)影響評價。將清單數據進行定量化評價。4)結果解釋。提供LCA研究結果并進行分析,得出結論、解釋存在的不足并提出建議。產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,產品包裝材料生產,及其中涉及的運輸;2)產品生產過程,包括產品制造,及對該階段排放污染物的處理過程等;3)下游過程,包括產品銷售、使用、廢棄回收過程。研究將上游過程和下游過程統稱為“背景過程”,將產品生產過程稱為“現場過程”。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品生產過程,即從“搖籃”到“大門”。研究中,巖棉板作為建筑物的上游產品,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境影響類型。現場數據主要通過國內典型企業實地調研獲得,背景數據主要來源于國際國內公開數據庫。利用四川大學開發的eBalance生命周期分析軟件對所收集的清單數據進行計算處理,從而獲得巖棉板功能單位產品的各類環境影響指標值。2標準巖棉板產品的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品進行生命周期評價,以期為我國本地化巖棉板LCA數據庫的建立及低碳建筑生命周期環境負荷評價提供基礎數據。21功能對象的確定綜合考慮巖棉板生產現場數據的一般統計規則,及與建筑物評價的匹配性與協調性等因素,研究選取1kg巖棉板作為功能單位。3帶模板系統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,其系統邊界范圍包括:1)巖棉板的生產制造過程;2)原材料(玄武巖、石灰石、高爐礦渣、粘接劑酚醛樹脂等)生產所涉及的生命周期階段;3)電力、能源(如柴油)的生產;4)原材料運輸過程。其系統邊界詳見圖2。4巖棉板原料運輸和物流管理(1)研究中系統邊界包含原材料、能源生產階段和巖棉板生產階段兩部分。巖棉板的后續使用及廢棄等階段未納入其中。(2)目前巖棉板的生產工藝主要有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。考慮到工藝選擇的典型性與代表性,研究采用擺錘法生產巖棉板。(3)巖棉板生產階段的現場數據及原材料運輸數據來源于對國內兩家典型企業A、B的調研結果,所調研巖棉板的酸度系數為1.6,容重為150kg/m3。(4)綜合考慮國內政策關注的重點,并兼顧中國清單數據的可獲得性、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固廢綜合利用,研究中不考慮與其相關的環境影響。2.2清單分析2.2.1巖棉板生產co的污染源治理通過對我國典型巖棉板生產企業A、B開展深入調研,獲取了巖棉板生產現場的單位產品原材料消耗、能源消耗及其運輸數據。關于巖棉板生產過程中由于燃料燃燒而產生的CO2采用理論計算方法。根據2006年IPCC國家溫室氣體清單指南,焦炭、柴油的碳排放系數分別為107000kg/TJ和74100kg/TJ,進一步基于各企業巖棉板生產階段的焦炭與柴油使用量,并進行轉化計算,獲得各企業單位巖棉板生產CO2現場排放數據。總結A、B企業單位產品生產原材料、能源消耗及CO2排放清單,詳見表1。2.2.2背景數據背景數據來源于國際國內公開數據庫,詳見表2。鑒于國內有關基礎數據庫的缺乏,研究中對玄武巖、白云石、酚醛樹脂采用歐洲數據庫予以代替。2.3a企業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企業的計算結果分別如表3和表4所示。由表3和表4可以看出:1)對于A、B企業而言,其各自的三類環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企業較B企業大,這與其各自的原材料使用結構及數量大小是相對應的。3)就溫室效應和能源消耗影響而言,A企業均小于B企業。其中B企業的能源消耗是A企業的1.07倍,溫室效應影響是A企業的1.13倍。4)綜合來看,A、B企業之間的數據具有較好的可比性。此外,還就巖棉板各個生命周期過程對三類環境影響指標的貢獻比例進行了梳理、計算,獲得A企業的計算結果如表5和圖3所示,B企業的計算結果如表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>柴油生產>焦炭生產>運輸>電力生產>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>酚醛樹脂生產>電力生產>柴油生產>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>電力生產>酚醛樹脂生產>焦炭生產>柴油生產>運輸>玄武巖開采>白云石開采。2)對于B企業而言,其生命周期各過程對三類環境影響的貢獻比例與A企業基本一致。3)綜合來看,酚醛樹脂生產及能源生產(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,在基礎數據無法獲取的情況下,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企業在國內巖棉板行業中的典型性與代表性,且兩者之間的數據具備較好的可比性,研究中對兩組數據進行了算術平均,以近似代表我國巖棉板產品生命周期環境負荷的平均水平。通過計算,獲得我國生產功能單位巖棉板產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巖棉板磺酸鹽系統生物固結效果a.運用生命周期評價方法對我國典型巖棉板的環境負荷現狀進行分析,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.對于我國巖棉板產品而言,酚醛樹脂生產及能源生產(包括焦炭、電力、柴油)是對其生命周期環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,改善巖棉板整體環境表現的關鍵在于提高