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窑干橡木锯材的生命周期评价研究

2021-06-09推荐论文

  摘要:为全面评估窑干锯材的环境属性,分析能源供应方式变化对锯材生产的能源消耗和环境排放的影响,采用生命周期评价的方法,对橡木从木材采伐、运输、制材到干燥各阶段的物质和能耗进行采集和计算,并应用SimaPro软件进行环境影响评价。结果表明:窑干橡木锯材制备各阶段的环境影响由大到小依次为海洋运输、干燥、内陆运输、木材采伐和制材,橡木锯材的环境影响主要体现在呼吸性无机物的排放和化石燃料消耗等方面。经对比研究发现,生物质锅炉和外购水蒸气两种热源对橡木锯材的环境性能影响差别不大,生产企业的生物质锅炉具有保留应用价值。由于制材和干燥工艺的不同以及运输质量上的差异,原产于美国的橡木锯材产生的环境影响显著小于国内生产的橡木锯材,就环境性能而言,直接从海外进口板材优于进口原木后在国内进行锯材加工。上述研究结果可为国内木材加工企业的清洁生产提供参考,并为我国木材产品生命周期评价体系的建立提供基础性研究成果。

  关键词:生命周期评价;橡木;锯材;木材干燥;环境性能;SimaPro

木材加工

  木材作为一种天然生物质材料具有可降解和可再生的优点,但不能据此就对木材的环境性能做出简单判断,木材的采伐、运输和加工都伴随着大量的物质和能量消耗,并对环境产生影响。对木材环境性能的评价应以系统性的视角,考虑从原料的获取到产品最终废弃处理的完整价值链,即按照生命周期评价(LCA)的方法来进行。

  LCA是对一个产品系统从自然资源的产生直至最终处理过程中所有输入、输出和潜在环境影响的汇编与评估(GB/T24040—2008),是目前最为全面和科学的环境影响评价方法。实木锯材是最基本的木材加工中间产品,对锯材的LCA研究可为实木成品的环境影响评价提供基础数据。现有LCA研究表明,实木锯材的环境影响因材种、产地、运输距离等因素的不同而有显著差异。一般而言,针叶锯材的生产能耗低于阔叶锯材,两者的能耗值可能相差一倍,密度大、初含水率高的材种和较软的干燥基准都会增加锯材的生产能耗[1-3]。

  地区差异会对锯材的环境属性产生显著影响,Milota等[4]的研究显示,美国东南地区针叶材生产所需能耗为5.15GJ/m3,远高于太平洋西北地区的3.43GJ/m3。在木材生命周期的各阶段中,干燥阶段的能耗和排放水平都较高,对于出口木材,远洋运输也是产生环境影响的一个重要环节[5-6],与此相对应,木材采伐阶段的环境影响要相对小得多[7]。中国是世界木材生产和消费大国,2018年国内商品材产量8811万m3,原木和锯材进口量9642.2万m3[8]。

  木材来源广泛,材种多样,但对锯材产品基于LCA的环境评价却鲜见报道,更没有系统性的研究,木材产品的基础环境数据长期缺失。近年来,随着国家对环境问题更加重视,木材企业的生产装备水平和能源供应方式都发生了显著变化,尤其是小型工业锅炉的使用受限后,木材干燥的供热方式发生变化[9],生产装备和工艺等也随之调整,对锯材生产的能源消耗、环境排放和生产成本都产生了显著影响,需要进行量化评估。对此,本研究以橡木锯材为典型范例,研究从木材采伐到锯材生产全过程的消耗与排放水平,分析国内干燥板材和进口干燥板材环境性能的差异,以及供热方式的变化对锯材环境性能的影响,为深入性的木质产品环境影响评价提供方法和数据借鉴。

  1研究对象

  选用美国橡木(Quercusspp)锯材作为研究对象。橡木是我国主要进口硬阔叶材树种,广泛用于室内建筑材料、家具、地板等产品。美国是我国最大的橡木进口来源国,2018年美国阔叶板材对中国市场出口额近19亿美元[10],其中橡木是美国出口中国量最大的树种,以橡木锯材为研究对象数据,结论具有较高代表性。本研究基准材选择厚度为50mm的白橡木锯材,为常见家具材厚度,气干密度为755kg/m3。橡木属于难干材,通常初含水率为60%左右,结合国内生产现场调研的数据并参照美国林产品实验室发表的木材干燥基准[11],板材干燥后含水率8%,干燥周期约为40d。该规格的橡木锯材作为此次研究的基准参数。

  2环境影响评价

  2.1目标和范围

  1)目标:对窑干橡木锯材生产的物质和能量输入,以及相应的排放和产出进行量化分析,评价其环境影响,为橡木木质制品的环境影响评价提供基础数据;比较锯材生产地的不同和干燥供热方式变化对锯材环境性能的影响,为锯材价值链和生产方式的优化提供数据参考。

  2)范围:完整LCA包括了一个产品从“摇篮到坟墓”所有阶段。对于木材而言,包括森林经营、木材采伐、制材、干燥、成品加工、产品销售/使用直至废弃处理。由于美国阔叶林都是天然林,树木生长过程中的人工干预较少[12],因而森林经营阶段的环境影响可忽略不计。

  橡木锯材的用途广泛,不同终端产品的环境影响各不相同,本次研究的目的在于通过对锯材环境属性进行量化评估,为木质制品环境影响的评价提供基础数据,研究只讨论经干燥后得到的锯材,不考虑木质制品的加工、使用和最终处理。对于在国内生产的橡木锯材,其制材和干燥环节的系统边界。二者的差异体现于以生物质锅炉为热源时,锅炉和喷淋塔会消耗额外的电能,制材过程中产生的木废料可以进行循环利用用作燃料,消除了外界的蒸汽输入。

  在生命周期各阶段中存在一些影响较小可以忽略不计的工段,根据LCA标准(ISO14040—2006)可以通过设定一个阈值,将物质、能量或对重要环境性能影响较小的工段排除不进行分析,只保留重要的工段。本研究将阈值设定为环境影响值的1.4%,在此阈值标准下锯材的全部生产工段都可以保留,同时忽略对结果影响过小的部分。系统中用于产生水蒸气的水、用于调湿处理的水蒸汽、喷淋塔用水以及最终排出的废水的环境影响均在阈值以下,因此忽略不计。

  2.2清单分析

  清单分析是对一个产品生命周期各阶段的物质和能量的输入和输出进行量化的过程,通过与功能单元的关联,计算环境负荷因子最终形成生产过程单位产量环境影响数据清单[15]。

  2.2.1数据收集

  橡木产地选择美国产量最多的密苏里州,采伐后的原木大约经2791km的公路运输至美国加州的长滩港,再从长滩港经约9215km的海洋运输至我国的上海港。以此为基准数据,代入Eco⁃invent数据库和USLCI数据库进行木材采伐和运输阶段的物质、能量的输入和输出清单。Eco⁃invent是由瑞士Eco⁃invent中心开发的商业数据库,涵盖了欧洲以及世界多国7000多种产品的单元过程和汇总过程数据集。

  2.3影响评价

  影响评价是指评价清单分析阶段的消耗和排放数据对产品生命周期各部分环境影响的贡献,并总结各影响因素对环境影响的排序。

  2.3.1评价方法

  本次研究选择了SimaPro8.0.1软件中的Eco⁃indicator99作为评价方法,是一种面向“终点”的损害取向评价方法理论。它将产品清单分析的数据按照一定的环境机制划分为各种环境问题,并将各种环境问题对人体健康、生态系统和资源损害按一 定权重进行归一化[21]。选择它的原因是其应用最成熟,使用也较为广泛,且影响类别全面,相关的木制品LCA研究也应用了此方法[22]。

  2.3.2外购蒸汽为热源的窑干锯材的环境影响

  窑干橡木锯材最为显著的环境影响类别是呼吸性无机物和化石燃料,加权后总得分均为25.50,均占总环境影响的40.79%,二者共计占比高达81.58%。呼吸性无机物的环境影响主要由运输和干燥工段所引起,在运输过程中87.47%的呼吸性无机物影响来自于燃料燃烧后所产生的NOx。

  而干燥工段影响较为显著的原因是,当以电厂外购水蒸气作为热源时,电厂所提供的水蒸气多数是由燃煤锅炉产生的,燃煤锅炉的使用会向大气中排放大量的SO2、NOx和颗粒物。对化石燃料资源的影响主要来自海洋运输和铁路运输,占比分别达到60%和23.92%。运输方面影响颇为显著的原因是,进行铁路和海洋运输时火车及货轮主要以燃油、天然气和煤作为燃料,因此消耗了大量的化石燃料。

  木材工业论文投稿刊物:中国木材是木材待业综合性刊物。报道木材行业经济体制改革的成就,研究改革中出现的理论与实际问题,推进现代科学管理方法在木材待业的应用。

  3结论与讨论

  1)国内窑干橡木锯材在生命周期各阶段的环境影响从大到小依次为海洋运输、干燥、铁路运输、木材采伐和制材。国内外窑干橡木锯材所带来的环境影响主要体现在化石燃料消耗和呼吸性无机物排放这两种环境问题上,二者共占据总环境影响的81.58%。就环境影响贡献最大的运输而言,由于橡木为进口材导致其运输距离过长,造成了较为显著的环境影响,若想削弱这部分的影响可以增加清洁能源的使用。在木材干燥方面,若能缩短干燥周期,也可有效地减轻环境负担,可将木材在窑干之前先进行预干燥或大气干燥,以缩短干燥周期,减少能耗降低环境损害。

  2)在干燥热源的研究表明,以木废料作为燃料的生物质锅炉与电厂外购水蒸气为热源所产生的环境影响相差不大。主要环境影响方面,二者在呼吸性有机物的排放和化石燃料消耗之间的差距较小,分值相差在10%以内,而在气候变暖方面相差较大,分值相差超过30%。生物质锅炉是对加工产生木废料的资源化利用,这部分可产生正向的环境影响,因而其环境性能与相同规模的燃煤锅炉存在显著差异,因此生物质锅炉具有保留应用价值。

  3)对比研究发现,由于国外制材生产方式与国内的不同,以及运输时原木的运输质量显著大于运输干燥后板材的质量,使得国内锯材消耗了更多的化石燃料资源。在这些因素的影响下,橡木海外锯材的环境性能在呼吸性无机物排放、化石燃料消耗和气候变暖方面要显著优于橡木国内锯材,致使两者最终的总体环境性能相差几乎一倍。就环境性能而言,直接进口板材优于进口原木后在国内进行锯材加工,可见我国的制材生产线、干燥加工的原料和能源利用效率与国外发达国家相比还有较大的提升空间。

  参考文献(References):

  [1]BERGMANRD,BOWESA.Life⁃cycleinventoryofmanufactur⁃inghardwoodlumberinsoutheasternUS[J].WoodandFiberSci⁃ence,2012,44(1):71-84.

  [2]ANANIASRA,ULLOAJ,ELUSTONDODM,etal.Energyconsumptioninindustrialdryingofradiatapine[J].DryingTech⁃nology,2012,30(7):774-779.DOI:10.1080/07373937.2012.663029.

  [3]PUETTMANNME,BERGMANR,HUBBARDS,etal.Cradle⁃to⁃gatelife⁃cycleinventoryofUSwoodproductsproduction:corrimphaseIandphaseIIproducts[J].WoodandFiberSci⁃ence,2010,42:15-28.DOI:10.1093/treephys/tpp122.

  [4]MILOTAM,PUETTMANNME.Life⁃cycleassessmentforthecradle⁃to⁃gateproductionofsoftwoodlumberinthePacificnorth⁃westandsoutheastregions[J].ForestProductsJournal,2017,67(5/6):331-342.DOI:10.13073/fpj-d-16-00062.

  [5]严平,曹伟武,钱尚源,等.木材干燥窑风机回转可调控引导送风系统[J].木材工业,2008,22(1):40-42.DOI:10.19455/j.mcgy.2008.01.013.

  作者:吕赫1,丁涛1∗,程亚飞1,江宁2

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