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基于MC3方法的水泥行业企业碳足迹计算

摘要

水泥是世界范围里应用最广泛的建筑材料之一。它的特性，理化性质和生产过程早已被作为研究的对象。然而现在，生产这种基本建筑材料所产生的二氧化碳仍然占世界总排放的5%，因此，现阶段对抗气候变化的战斗中，水泥必须成为一个单独的关键性因素来研究，以降低这种材料对于对气候的负面影响，本文通过目前存在最严谨的方法来评估水泥工业的可持续性发展 — 金融账户组合法（MC3）的第二个版本（V.2.0）。这个研究是基于对三个模块工厂的分析，A一个传统的完整的工厂，B研磨工厂，C一个在生产工艺中应用了最好的可应用的技术或BAT的完整工厂。目前应用最多的两种模块工厂（A和B）与另一个相同规模的工厂（C）进行比较时，后者因为BAT的应用会其二氧化碳的排量更少。最后，把每个案例的研究结果进行比较，对每个生产系统的弱点和机会进行诊断，同时把具体的改进措施应用到组成生产工序的作业链上，同时计算生产每顿水泥产生的二氧化碳的吨量，这个数据在其他的方法的使用例如LCA有很大的作用，以及MC3方法使用的反馈。

1.引言

水泥行业是最有助于应对气候变化的行业之一，在2002年大约占全球5％的二氧化碳排放是由水泥行业造成的。因此，减少水泥工业的二氧化碳排量是京都议定书为应对气候变化制定的基本目标。

在过去的30年里，通过利用新技术，水泥制造热消费量从1500 / tclinker减少到到目前的740 / tclinker，用电量则从140下降到85 JWH / tclinker。因此，二氧化碳的排放量急剧减少。

目前，水泥行业从属于WBSCD（世界企业可持续发展委员会）管理，该组织近期推出了CSI（水泥可持续发展倡议）计划，以满足可持续发展的挑战。

有一种识别不同产品的碳排放和生态标签的工具引起了人们很大的兴趣，即碳足迹和碳标签。许多不同国家的人正在研究这个工具。

在不同的方法中脱颖而出的是一种为基于流程的产品生命周期评估方法（P-LCA），这是基于一种标准，例如ISO14044而产生的，其中一个主要变体是PAS 2050，以及未来可能的标准ISO14067。这种方法在一些问题应用中极为有用，尤其是当应用到碳足迹时，以及在可比较的条件下。它有一个自下而上的焦点，当我们选择一单位的产品（例如，一袋35公斤的水泥）时，在其整个生命周期过程中（从摇篮到坟墓，并从摇篮到大门），我们可以对生产这一单位的产品所输入的能量和材料进行分析。但这些需要建立一个在某些节点截止的标准;否则产品链可以永远地循环下去。

关于碳足迹的计算方法，有许多工具，例如众所周知的碳计算可以用来计算所谓的直接（燃料），和间接(电力)碳排放量。许多这样的工具会努力满足ISO14064-1的要求。

作为第三种办法，自从2001年来，产品生命周期评估（OP-LCA）类型的方法的发展一直在西班牙进行。这是一种自上而下的碳足迹计算方法，首先在生产过程中计算组织的碳足迹，然后把碳足迹分配到产品中，这一做法可以避免一些问题。相较于前面的方法这个方法其他的一些优势在于a，它允许一个单一的方法计算组织和产品的碳足迹；b，它使用所有的金融账户作为输入数据，这意味着没有产品或工序被遗漏；c在不需要供应商合作的情况下，信息(碳足迹)流自动通过价值链 ； d，对于所有的这些分析是在相同范围里进行的，因此完全的比较是被允许的；e，这种方法的分析结果简明易懂（产品数据只需输入到电子表格），透明（所有的排放和转换因素是可见的），可被引用的；f，它所展现的组织的碳足迹和生态足迹的附加价值是已经获得的。

更进一步来讲，还有另外一种生命周期的评估的方法——基于图表和投入产出的分析方法（IO-LCA），这种方法有很多优点也有不少不足之处。亦即它高度的特种要求限制了它在学术领域的发展，而且使得它在中小企业并不适用。这种方法在那些需要计算自己碳足迹的国家和组织中并不常用。一项由 Schneider and Samaniego (2009)所做的研究结果显示，在很多国家进行过的碳足迹计算，没有一个国家的碳足迹计算方法是IO-LCA方法。而且欧盟委员会的一项包含62种不同碳足迹计算方法的研究也有相同的结论，这些算法都是基于P-LCA方法的。此外2010年11月在西班牙马德里举行的环境会议，提出了一种无论是经典的产品还是组织都适用的方法。

表一

表1列出过程方法（P-LCA）之间的主要差异，投入产出法（IO-LCA），组织法（“计算器”）和过程分析法（OP-LCA）。

本文介绍了OP-LCA方法（MC3）的三种类型的水泥设施的应用程序：（一）传统的完整工厂，我们将称之为“当前的”; （B）研磨厂和，（C）应用了最好的可用技术的完整工厂。

我们的目标是确定以这种方式计算水泥的碳足迹，并表明在不同品牌和品种的水泥之间进行比较是完全可能的，从而提供一种对P-LCA进行有效替代的方法。

2 MC3法

2.1MC3法计算工具的结构

用MC3对企业生态足迹进行测算的方法已经在很多的文章中被详细阐述了。因此在这篇文章，我们会对这种方法做一个简介，计算工具的结构通常一项包括所有消耗物料的目录。除此之外还有土地占用和废弃物统计（表二）。从金融账户获得的物料资料是要记录在册的，而记录这一数据是十分有趣的。然而这一方法只有一项数据范围是对所有的组织一致的。（在所有的方法中，这是一项非常重要的优势）另外一个有趣的点在于碳足迹和生态足迹的同时计算使用相同的投入数据。当他们被不同的方法独立计算时，这些赋予了这些指标附加的价值。表二包括了许多在经典生态足迹和被人们忽略的统计项。

表二：碳足迹的排放源。

2.2燃油足迹

燃油足迹的计算：使用焦耳作为计量单位，计量各种成吨的使用后的燃油。通过它的最低卡路里能量，根据温室气体清单报告1990-2004（2006.6），在获得焦耳消耗后。实际的碳足迹计算出来了，通过使用过燃油的排放因素。（同样是根据在西班牙的温室气体清单）。除了燃烧产生的碳排放，产品生命周期过程中使用的燃油的足迹也要计算。这来自于欧盟委员会联合研究中心（JRC）的，基于从油井到油箱的方法，不仅是二氧化碳排放包括在内，而且包括其他一些受京都议定书影响的温室气体。例如甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）.后两个排放因子收录于IPCC（2006），其产生来自于煤，生物腐殖质，天然气和含碳燃油的燃烧。至于生物柴油，生物乙醇这些欧盟使用的排放因素.基于这种方法介绍其他的直接的或逃走的二氧化碳排放是可能的。

2.3电力消耗足迹

电力足迹通过应用以下步骤来计算：（a）获得 ;（b）转换消耗的电力的单位，从KWH到GJ，转化比率为1 kW h = 3.6 MJ (1 kW h = 0.0036 GJ 或3.6 GJ/MWh),然后通过不同的发电技术的收益率。（c）计算使用燃料的吨数划分焦耳消耗通过最低的卡路里能量（d）通过应用能源的排放因子计算碳足迹，至于核能，IOR能量所提供的转换系数被使用；对金属铀和铀氧化物的转化系数分别是560,000 GJ/t 和470,000 GJ/t。

类似于以上案例，发电的生命周期所使用的燃油的足迹也是包括在内的，替代能源的足迹可以利用不同的转化过的方法计算，这些方法可以参照Domeacute;nech (2007) and Domeacute;nech等。

2.4材料足迹

计算材料的足迹，首先要把消耗的物品分配给组织的金融账户目录一个项目。（见表二），一旦数据被输入到计算工具，它会自动执行以下步骤：（a）货币单位（欧元）转化成为产品的吨数要用到外贸的统计数据表（99个关税代码），它记录了所有商品的进入和释出，并以重量和欧元的单位表示；（b）在产品生命周期内产品的吨数转化为焦耳消耗量，这一转化的中介是能量强度；能量强度的起源与被经典生态足迹方法使用的方法一致。而且全球足迹网络，这一可以在斯德哥尔摩环境研究所（SEI）中找到的数据库。一定量确定的数据被Alcorn (1998) 和IVEM (1999)收集了。而且独立的ACL完成了具体的数据。这些反映了制造最终产品所需要的能量（从摇篮到坟墓），伴随着一个持续的过程，这些也具体到了一些国家和数据收集的年份。

2.5服务和合同的足迹

计算合同和服务的足迹，这一过程包括评估生产活动带来的能量消耗单据，这是用液态燃油的吨数来计量的。这些消耗被转化为焦耳能量而且计算会持续转化为燃油足迹。在方法的第二个版本，通过考虑计算一些提供服务公司的足迹，以上这些估算被具体化了。

2.6农业和渔业的足迹

和计算材料足迹的方法一样：使用资费表转化一定量的欧元成为产品的吨数；通过能量密度转化焦耳能量吨数；和转化液体燃油排放的二氧化碳的吨数。然而，相对于无机材料，这些有机资源具有特殊性。除了能源碳足迹，他们还省略了由于农业活动和林业活动占据的空间的足迹。因此通过用吨/公顷划分他们自然活动，计算它们生态足迹是可能的。这给我们的作物的土地，牧场，森林和大海占用空间，取决于资源消耗的类型，例如，谷物，肉类，树木或鱼。一旦我们计算了这些所占据的公顷数，这些生态系统所吸收的因素可以转化为二氧化碳的排放量（如下所示）。可以说，虽然这种农业类型的资源被许多计算方法所忽略，但它可能在许多公司和组织的生态足迹计算中非常重要。特别是涉及大量的商业活动和商务旅行时。

2.7水足迹

水足迹的计算是分为饮用水和非饮用水，分为几个不同的类别，其允许采用独立的纠正举措。水足迹被推定有两种类型：一种是能量足迹，由于获得和分配水资源。（例如抽水）；另一种涉及土地使用（森林，水的初级生产者）。这些服务的能量消耗高达0.65 kW h/，这一数据是根据政府的能源管理目录获得的(IDAE, 1989)。

2.8由于土地占用的足迹

因为土地占用和吸收二氧化碳的生物生产空间造成的碳足迹，可以通过以下方法计算，转化所占生态系统的吸收因素的公顷数转化为二氧化碳：（a）森林的吸收因素估算为大约1吨二氧化碳/公顷/年（El Bouazzaoui等2007）；（b）农业吸收率为1.98吨二氧化碳/公顷/年（0.54吨二氧化碳/公顷/年），在不区别有机作物和普通作物情况下。（ECCP, 2004）；（c）牧场的吸收率大约为0.23吨二氧化碳/公顷/年或0.84吨二氧化碳/公顷/年（Flanagan等, 2002, Soussana等, 2004 和Syker 和 Verma, 2001）。

（d）海洋被假设为每年会吸收碳，全世界海洋的平均吸收率为0.55molC//年（在不区别地域的情况下）这相当于0.242吨CO2 /公顷/年(Bode, 2008, 和IPCC 2007), Sabine 等2004)。

MC3方法还包括计数器足迹或自然资本（环境“信用”），这是组织可以用到表面区域（森林，草原，海洋等）这将允许足迹或环境的“借记”来进行补偿。考虑到MC3碳足迹也可以用生态足迹的角度来表示，我们用相同的方法替代瓦克纳格尔和里斯的原来的方法（1996）：（a）一种等价因子的应用，使不同类型的空间可以进行累计计算（相对于所有的生物生产区域的平均全球产量，代表了一个生物生产区域的平均潜在全球产量）和（b）产量因子的应用，这是一个相对于全球生产力当地的生产力因子；例如如果我们的森林的生产力类似于全球平均森林生产力，产量因子将是1，而如果我们的地方生产力是世界范围的两倍，那么这个因素将是2。

2.9废弃物和排放物的足迹

废弃物和排放物的足迹能够被计算多亏了奥维耶多大学的化学工程与环境技术部的合作。(Marantilde;oacute;n等, 2008) 和一个“模版”最终处理厂，以及一个“模版”处理站，它们使用这种方式计算碳足迹。

3. 水泥行业的企业生态足迹的计算

3.1模版工厂的描述

这项研究伴随三个基本的模块：模块A属于传统的完整工厂，模块B是指研磨工厂和模块C，一个接受了最好的技术改造的完整工厂。

为了使研究更加具有可比性，所有的工厂有一个相同的产量即1000000吨/年。下面详述的是每个工厂操作步骤的简要说明。

3.1.1案例A-“现有的完整工厂”

原材料（石头）的采购和运输到工厂

磨削和为粗水泥准备

预热和烧制粗水泥

熟料冷却

研磨和搅拌添加剂

收集，包装和运输

将粗水泥研磨并干燥后，所得成品是一种粉末，它是80％的石灰，19％粘土和1％的含铁物质。水分是大约8％。接下来，它要经历四步旋流器。在这一步，热量从气体向粗水泥转移; 残余的水分被干燥; 构成粘土的水干燥了;脱碳也开始了。

这一步之后，粗产物被放入900℃的旋转窑来进行脱碳，融合和熟料化反应的完成。所使用的燃料是焦炭，这使窑内部的温度到接近2000℃。新烧制的熟料在窑的温度大约在1500℃时离开。然后被放到篦冷机，在这里熟料会由于空气交换冷却到100℃。从旋流器和窑里的气体在排放到大气中去之前要经过过滤。

最终，水泥与添加剂在管状球磨机里混合研磨直到达到大致微米的粒度。然后将产物包装和储存，直到它被发货。

以下类型的水泥都以这种方式获得的：（a）强度等级为CEM I52.5 R的水泥，含90/95％的熟料，石膏和一些石灰石;（b）强度等级为 CEM II/A-V 42.5R含 75% 熟料，强度为CEM II/A-L 42.5R含熟料82% 和CEM II/A-M (L.V.) 42.5R 含77%熟料。其通常使用的添加剂包括如石灰石，飞灰，以及因为在西班牙这些材料的稀缺性，在极少数情况下会用天然火山灰；（c）强度等级为CEM II/ B-L32.5N含70％熟料，CEM II/ B-M（L.V.）32.5N含65％的熟料和CEM IV / A（V）32.5N含60％熟料的水泥，其中包括来自西班牙，法国和意大利的高

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