基于LCA的混凝土结构排碳量分析.doc

基于LCA的混凝土结构排碳量分析朱侃唯 魏鸣宇 刘晨（同济大学土木工程系5班）摘要：随着全球变暖趋势的日益加重，全世界对于低碳、减排这个话题都予以了高度的重视。本文拟采用生命周期方法，初步估算出生产一方混凝土所带来的碳排量，并着重分析水泥生产这一排碳的主要渠道。同时，尝试分析再生混凝土对于减排的贡献，最后初步研究利用废混凝土来吸收和固化大气中的二氧化碳这一设想的可操作性。关键词：生命周期 混凝土 排碳量 再生混凝土 固碳引言：混凝土作为现如今建筑行业中应用最为广泛的材料之一，其本身有着（）等许多优点，但同时，它对于环境却也有着很大的负面影响，据相关资料显示，人类活动所排放温室气体的近10%来自水泥混凝土行业，可见在这方面我们仍然有很大的空间来实现减排。特别是随着2009年哥本哈根气候大会在丹麦首都哥本哈根的召开，使得低碳、减排这个话题得到了世界各国的高度重视。中国作为一个上升中的国家，在发展过程中势必会遭遇到快速发展与环境保护之间的矛盾，据荷兰环境评估所的研究 ，我国早在2006年二氧化碳排放量已经达到62亿t，已经超过美国(58亿t)居全球第一(摘自浅谈水泥混凝土工业低二氧化碳排放技术)，而水泥混凝土工业正是我国碳排放量的主要来源，相关资料显示，2007年全球的水泥产量达到了27.6亿t，其中我国就占50.7（同上），所以水泥混凝土工业的减排已经迫在眉睫。本文就混凝土整个生命周期为研究对象，用LCA的方法估算出一方混凝土整个生命周期的碳排量，特别是对于水泥生产这个排碳的主要渠道，本文还要对几种典型的水泥生产工艺进行比对，另外尝试研究利用废混凝土吸收和固化大气中的二氧化碳，为进一步的减排铺平道路。1. 生命周期评价（LCA）的基本内容LCA作为一种较新的环境管理工具和预防性的环境保护手段，是一种评价某一过程、产品或事件从原材料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量研究方法。LCA方法已经广泛地应用于生产、生活、社会、经济等各个领域和活动中，评价这些活动对环境造成的影响寻求改善环境的途径，在设计过程中为减少环境污染提供最佳判断。2混凝土的生命周期就混凝土而言，其生命周期可分为：原材料的开采、水泥熟料的生产、砂石等骨料的生产、混凝土的拌制、混凝土的施工与服役、建筑物的拆除。整个过程中主要的排碳来自于煤电的消耗、化学反应等方面。本文所研究的混凝土生命周期基本框架如下图：原料开采 煤电天然骨料 石灰石粘土水泥生料煅烧 粉末包装 混凝土生产使用 拆除 石膏3.一方混凝土的碳排量3.1评价体系边界条件的确定前提1：由2010年的“混凝土结构设计规范”规定：钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用400MPa 级钢筋时混凝土强度等级不应低于C25；采用500MPa 级钢筋时混凝土强度等级不应低于C30。承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C25。同时，墙的混凝土强度等级不应低于C25。另外，结合实际的考察，现在一般的民用设施通常采用C25混凝土。所以本文拟采用C25的混凝土进行碳排量计算。经过计算，C25混凝土配合比为 “水泥 ：水 ：砂 ：碎石=1 : 0.47 : 1.59 : 3.39”即生产一方混凝土需372 kg水泥、175 kg水、593 kg砂和1260kg碎石。前提2：水泥的生产采用3种典型水泥生产工艺，即立窖工艺、湿法回转窖工艺和新型干法工艺进行比对（摘自 对水泥企业生产环境负荷之浅析）前提3：拟采用5t柴油汽车运输，。水泥和混凝土原料运输距离分别假定为5km和20km。前提4：由于本文研究的对象是一方混凝土，而在施工、服役、拆除的过程中涉及的建筑设施所使用的混凝土量难以统计，无法换算出一方混凝土的碳排量；加上其中涉及改变自然生态环境、消耗自然能源的过程，不同选址结果的差异性巨大，而混凝土服役的年限也有较大差异性，所以研究很难具备代表性，所以不予考虑。关于废置的混凝土这方面，本文着重考虑利用再生混凝土实现减排。3.2水泥的生产3.2.1原材料的开采主要是电耗和柴油的消耗所产生的二氧化碳。相关数据：原料开采/1t：能耗电力 13.89/kWh运输/（5t/km）：柴油0.200L（上述数据参考文献：硅酸盐水泥的生命周期评价方法初探）工艺成分数量电耗（kWh)柴油（L）立窖工艺石灰石418.8348kg5.8176粘土61.9380kg0.8603石膏21.1296kg0.2935铁粉22.8036kg0.3167运输5km0.5247t0.10494湿法回转窖工艺石灰石455.3652kg6.325粘土74.0280kg1.028石膏16.5168kg0.2294铁粉9.7836kg0.1359运输5km0.5557t0.11114新型干法工艺石灰石399.4164kg5.5479石膏19.0092kg0.2640铁粉10.602kg0.1473粉煤灰36.456kg0矿渣51.1872kg0运输5km0.51570.10314（注：上述数据以代表性水泥生产厂家的资源、能源消耗和污染物排放实测数据作为评价依据。参考文献：对水泥企业生产环境负荷之浅析经调查，粉煤灰和矿渣此处认为是工业废渣，并不需要通过开采获取，所以电耗为0。）排碳量的计算：由电耗产生的碳排量计算方法：国家主管部门发布的二氧化碳排放因子介于083091千克二氧化碳 kWh，这已考虑了电厂发电效率和输变电设备及线路消耗。水泥生产企业作为终端用户可采用0302千克二氧化碳kWh这一排放因子进行电力消耗二氧化碳排放量的计算。由燃料燃烧产生的碳排量（此处主要为柴油，1L柴油为0.86kg）计算方法：根据燃油的低位发热值（柴油：42.705MJ/kg）和二氧化碳排放因子（0.0698kg二氧化碳/MJ），也可计算出相应的二氧化碳排放量。（参考于“水泥生产企业CO2排放量的计算”）所以得出生产一方混凝土，原材料开采过程中的排碳量：立窖工艺=0.302（5.8176+0.8603+0.2935+0.3167）+0.1049442.7050.06980.86=2.47 kg二氧化碳湿法回转窖工艺=0.302（6.325+1.028+0.2294+0.1359）+0.1111442.7050.06980.86=2.62 kg二氧化碳新型干法工艺=0.302（5.5479+0.2640+0.1473）+0.1031442.7050.06980.86=2.06 kg二氧化碳3.2.2水泥熟料的生产主要为电耗、煤和石灰石分解所产生的二氧化碳。生产372kg的水泥所带来的电和煤的消耗见下表：生产工艺耗煤量（kg）耗电量（kWh）立窖工艺72.651530.8760湿法回转窖工艺72.168041.3664新型干法工艺34.893635.9352（参考文献：对水泥企业生产环境负荷之浅析）由煤燃烧所产生的碳排量 计算方法：通过单位熟料综合煤耗和排放因子的乘积，由国家有关研究机构推荐的排放因子为246千克二氧化碳每千克标准煤。（参考于“水泥生产企业CO2排放量的计算”）所以，得出熟料生产过程中由煤电所产生的碳排量：立窖工艺=72.65152.46+30.8760.302=188.05 kg二氧化碳湿法回转窖工艺=72.16802.46+41.36640.302=190.03 kg二氧化碳新型干法工艺=34.89362.46+35.93520.302=96.69 kg二氧化碳生产372kg的水泥，石灰石分解所产生的二氧化碳计算：（经过调查，通常，现在使用的水泥熟料中的氧化钙含量在65%左右，所以这里我们取65%进行计算）平衡方程式：CaCO3 =CaO + CO2 即生产1kg氧化钙含量为65%的熟料，会排出0.5107 kg的二氧化碳。所以，372kg熟料产生的二氧化碳=65%（44/56）372=189.99kg最后得出，生产一方混凝土，水泥熟料生产过程中的碳排量：立窖工艺=188.05+189.99=378.04 kg二氧化碳。湿法回转窖工艺=190.03+189.99=380.02 kg二氧化碳。新型干法工艺=188.05+189.99=286.68 kg二氧化碳。3.3砂石骨料的生产以及混凝土的拌制主要为电耗、煤以及柴油的消耗所产生的二氧化碳过程成分数量电耗（kWh）柴油（L）骨料生产砂石骨料1853kg25.74混凝土拌制运输20km2.225t1.78混凝土1m2（参考文献：浅谈水泥混凝土工业低二氧化碳排放技术）所以，得到此过程中的碳排量=25.740.302+1.7842.7050.06980.86+20.302=12.94kg二氧化碳综合上述的结果，得出生产一方C25混凝土的排碳量立窖工艺=393.45 kg二氧化碳湿法回转窖工艺=395.58 kg二氧化碳新型干法工艺=301.68 kg二氧化碳结论：（1） 生产一方C25混凝土的碳排量是一个十分巨大数字，立窖和湿法工艺都要达到400kg左右，即使是新型的干法工艺，也超过了300kg。而在整个生命周期中，水泥的生产又是排碳的主要渠道，所占比重都超过90%，另外，其他环节（尤其是运输）的贡献也不容忽视。总的来说，实现减排的空间仍然十分的大。（2） 对比3种典型