工業(yè)廢氣再利用的碳減排潛力分析

都基峻，田剛，譚玉玲，龍紅艷，張凡，石應(yīng)杰

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

全球氣候變化是21 世紀(jì)人類共同面臨的重大挑戰(zhàn)，削減人為CO2排放量是大勢(shì)所趨。隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，能源、資源短缺及環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，要想實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，必須走低消耗、低排放、高效益、高產(chǎn)出的新型工業(yè)化道路［1］。

那開(kāi)花的東西叫沙蔥。沙蔥，是一種像蔥不是蔥、像韭菜不是韭菜的沙生植物。別名蒙古韭菜。它細(xì)細(xì)的，有圓珠筆芯那么粗，筷子那么長(zhǎng)。新鮮的沙蔥帶白霜，幾乎沒(méi)有蔥白。長(zhǎng)在沙地里，割一茬，長(zhǎng)一茬，一年能割四五茬。

Research on Developing Tourism Products of Travel for Study in Higher Vocational Colleges ________________________________WANG Zhanlong,JU Hong,ZHANG Guocheng 97

中國(guó)政府一直高度重視應(yīng)對(duì)氣候變化工作，早在1994年就制定了《中國(guó)21 世紀(jì)議程》，將“控制溫室氣體排放”作為重要任務(wù)。2009年中國(guó)政府確定了“到2020年單位GDP 的CO2排放比2005年下降40% ～45%”的減排目標(biāo)，并將該目標(biāo)“作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃”［2］，在“十二五”規(guī)劃綱要中進(jìn)一步明確提出，在今后5年中要實(shí)現(xiàn)“單位GDP 的CO2排放降低17%”的減排目標(biāo)［3］。

1 工業(yè)廢氣與碳排放的相關(guān)性

近10年來(lái)中國(guó)不斷加大廢氣治理力度，脫硫、脫硝等廢氣治理設(shè)施逐漸普及，全國(guó)二氧化硫和氮氧化物排放量先后開(kāi)始下降［4］，但工業(yè)廢氣排放量和碳排放量卻在不斷增加。碳排放的根源在于化石能源的使用，限于中國(guó)的能源供給結(jié)構(gòu)，大規(guī)模替代化石能源在短期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)，而CO2捕集和儲(chǔ)存技術(shù)由于能耗很高［5］，尚難以推廣應(yīng)用，因此CO2的減排主要依靠提高能源使用效率［6］，其中降低工業(yè)廢氣排放量是一個(gè)重要的卻往往被忽視的手段。工業(yè)廢氣按照性質(zhì)不同可以分為燃燒煙氣和工藝廢氣兩大部分，對(duì)于燃燒煙氣來(lái)說(shuō)，排煙的熱損失是工業(yè)鍋爐或窯爐熱損失中最大的部分，因此減少燃燒煙氣排放量，就可以有效減少設(shè)備熱損失，達(dá)到節(jié)能減排的效果;對(duì)于工藝廢氣來(lái)說(shuō)，除了熱損失因素外，減少?gòu)U氣排放量還意味著提高設(shè)備密閉性或廢氣的收集效率，而降低廢氣排放量還可以有效地降低廢氣的治理費(fèi)用和能耗，進(jìn)一步減少了碳排放。

圖1 顯示中國(guó)碳排放量和工業(yè)廢氣排放量的逐年變化。其中，工業(yè)廢氣排放量數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》［7］，碳排放量數(shù)據(jù)參考相關(guān)學(xué)者的研究資料［8］。

圖1 中國(guó)碳排放量和工業(yè)廢氣排放量的逐年變化Fig.1 The change of carbon emission and industrial waste gas emission with year

由圖1 可知，中國(guó)的碳排放量與工業(yè)廢氣排放量具有很高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.987，因此降低廢氣排放量對(duì)于實(shí)現(xiàn)既定的節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。

2 工業(yè)廢氣再利用理念與指標(biāo)

自從進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，如何高效地利用能源，成為工業(yè)領(lǐng)域受人關(guān)注的問(wèn)題，并為此開(kāi)發(fā)出了“省煤器”、“余熱鍋爐”等廢氣余熱再利用設(shè)備。但是這些工藝設(shè)備的出發(fā)點(diǎn)只停留在節(jié)省能源和獲取經(jīng)濟(jì)利益上，并非是為了廢氣排放量和污染物的減排。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)工業(yè)實(shí)現(xiàn)了前所未有的高速發(fā)展，與2000年相比，2010年工業(yè)廢氣排放量和碳排放量分別增長(zhǎng)了2.76 和1.42 倍，廢氣排放量的快速增長(zhǎng)抵消了廢氣治理的成果，大氣污染問(wèn)題不但沒(méi)有緩解，反而呈加重的趨勢(shì)。嚴(yán)峻的污染形勢(shì)迫使人們反思現(xiàn)行的大氣污染治理，對(duì)此，部分學(xué)者開(kāi)始關(guān)注削減廢氣排放量的問(wèn)題，提出開(kāi)展工業(yè)廢氣再利用的理論研究與實(shí)踐應(yīng)用。

工業(yè)廢氣再利用是將生產(chǎn)設(shè)備排放的廢氣回收用于生產(chǎn)過(guò)程，再次利用其余熱、余壓或者所含可燃組分的熱值，而不是直接或者僅經(jīng)凈化處理后排放到環(huán)境中。通常工業(yè)廢氣的再利用分為循環(huán)利用和階梯利用2 種:循環(huán)利用是指回用于產(chǎn)生廢氣的生產(chǎn)過(guò)程本身(圖2(a));而階梯利用是指回用于其他生產(chǎn)設(shè)備(圖2(b))。

圖2 工業(yè)廢氣的再利用模式Fig.2 The recycling model of industrial waste gas

我還要飛到駝背山去看看。大女兒埋在那兒，小小的墳堆像個(gè)扁扁的饅頭，臥在蓬亂的荒草中，冷冷清清的。夜風(fēng)吹過(guò)，幾莖瘦草在墳頭不停地?fù)u擺，那是你在向娘招手嗎？將后的日子，娘再也不能來(lái)看你了。清明中元，娘也不能給你燒紙錢了，你要是冇得錢用，就給你父托個(gè)夢(mèng)呵。

式中:ΣQr為計(jì)算單元的再利用廢氣量之和，m3/h;ΣQn為計(jì)算單元的新空氣用量之和(包括漏風(fēng))，m3/h。

同理，對(duì)于廢氣熱值再利用的碳減排計(jì)算如下:

3 工業(yè)廢氣再利用的碳減排計(jì)算方法

除了電解鋁之外，電石、焦炭、有機(jī)化工等行業(yè)的廢氣均可以利用電站鍋爐進(jìn)行處理，充分利用電力行業(yè)配備了先進(jìn)的脫硝、脫硫及除塵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可極大降低污染、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源。

以利用廢氣中的余熱為例，根據(jù)能量平衡的原理，如果忽略采用廢氣與采用空氣對(duì)設(shè)備能源利用效率的微小影響，則采用廢氣再循環(huán)時(shí)節(jié)省的能量消耗應(yīng)等于廢氣中帶入的能量，再考慮廢氣再利用輸送過(guò)程的能源消耗以及節(jié)約的廢氣治理能耗，可得出廢氣余熱再利用的碳減排量公式:式中:Gj為碳減排量，t/h;Ea為節(jié)約燃料的CO2排放因子;K1為余熱再利用有效系數(shù)，無(wú)量綱;Qr為再利用廢氣量，m3/h;ρ 為廢氣密度，kg/m3;Cp為廢氣定壓比熱，kJ/(kg·℃);Tr為廢氣溫度，℃;T 為環(huán)境溫度，℃;qa為節(jié)約燃料的熱值，kJ/kg;ps為再利用廢氣輸送阻力，Pa;pz為尾氣治理的阻力，Pa。

采用SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。荷瘤鼠體質(zhì)量、抑瘤率、AI以及HE染色結(jié)果等計(jì)量數(shù)據(jù)采用 表示，多組數(shù)據(jù)組間分析應(yīng)用單因素方差分析，每?jī)山M間數(shù)據(jù)分析應(yīng)用SNK-q法，組內(nèi)數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)采用W檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05(雙側(cè))。

式中:K2為廢氣熱值再利用有效系數(shù)，無(wú)量綱;qr為再利用廢氣熱值，kJ/kg。

公園不僅是市民休閑游憩的開(kāi)放性活動(dòng)場(chǎng)所，也是城市文化的傳播場(chǎng)所，因此公園對(duì)房?jī)r(jià)也具有一定影響作用。在圖1中可知，在西南部區(qū)域公園對(duì)房?jī)r(jià)的影響程度比較高，這是由于該區(qū)域綠化環(huán)境比較缺乏，因此公園對(duì)居民的居住質(zhì)量更加重要，公園的建立對(duì)小區(qū)房?jī)r(jià)起到積極推動(dòng)作用。

同理，對(duì)于廢氣余壓再利用的碳減排計(jì)算公式如下:

為了考察生產(chǎn)企業(yè)、工業(yè)園區(qū)乃至更大區(qū)域的工業(yè)廢氣再利用水平，需要引入定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，建議采用工業(yè)廢氣再利用率(η)作為評(píng)價(jià)指標(biāo):

由表2 可知，采用梯級(jí)利用對(duì)于電解鋁和自備電廠來(lái)說(shuō)，可以達(dá)到綜合碳減排1.9%的效果，同時(shí)還能更有效地控制SO2和氟化物污染，是極具前途的工業(yè)廢氣梯級(jí)利用發(fā)展方向。

4 典型行業(yè)廢氣再利用技術(shù)

4.1 鋼鐵行業(yè)

燒結(jié)機(jī)是鋼鐵行業(yè)的廢氣排放大戶和污染大戶，為削減燒結(jié)機(jī)廢氣排放和控制污染，燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)技術(shù)逐漸興起。燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)是將燒結(jié)過(guò)程排出的一部分載熱氣體返回?zé)Y(jié)點(diǎn)火器以后的臺(tái)車上再循環(huán)使用的一種燒結(jié)方法，即可回收燒結(jié)煙氣的余熱，提高燒結(jié)的熱利用效率，又能降低燃料消耗［9］。1981年日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社首先開(kāi)展燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)的生產(chǎn)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展創(chuàng)新目前主要有EOS(emission optimized sintering)技術(shù)、LEEP(low emission ＆ energy optimized sinter production)技術(shù)、EPOSINT (environmental process optimized sintering)技術(shù)、區(qū)域性廢氣循環(huán)和燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)技術(shù)等(圖3 和表1)［10］，目前我國(guó)僅寶鋼集團(tuán)寧波鋼鐵公司在430 m2燒結(jié)機(jī)上成功應(yīng)用了該技術(shù)［11］。

圖3 不同燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)利用技術(shù)ig.3 Waste gas recycling model of different sintering machines

表1 不同燒結(jié)廢氣循環(huán)污染物與碳減排效果比較Table 1 The comparison of different sintering waste gas recycling pollutants and carbon reduction

4.2 水泥行業(yè)

方案一:基準(zhǔn)方案(現(xiàn)狀)。電解鋁廢氣采用干法凈化，陽(yáng)極含硫量為3%，SO2排放濃度為284 mg/m3，超標(biāo)42%，尚未采取治理措施;自備電廠采用常規(guī)煙氣脫硫脫硝和除塵凈化措施，脫硫效率按95%計(jì)。

其次，在做好機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)考慮之外，還要做好企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)能力的考慮。在設(shè)備選擇過(guò)程中，不能夠過(guò)于追求高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡量選擇性價(jià)比較高的設(shè)備。同時(shí)還要按照實(shí)際的情況，對(duì)施工過(guò)程中相關(guān)零部件可能出現(xiàn)的損耗問(wèn)題進(jìn)行分析，以保證設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中的配件充足，減少不必要的浪費(fèi)。

圖4 水泥窯三次風(fēng)梯度利用于城市生活垃圾焚燒的典型流程Fig.4 The flow chart of cement kiln tertiary air cascade utilization for domestic wastes incineration

4.3 火電行業(yè)

火電行業(yè)是中國(guó)最大的CO2排放部門，燃煤的火電機(jī)組占全國(guó)總裝機(jī)容量的70%以上，電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳化發(fā)展是中國(guó)經(jīng)濟(jì)向低碳化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵［15］。與前述工業(yè)部門不同，火電行業(yè)生產(chǎn)流程短、工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部煙氣再利用的潛力有限。但是由于火電需要助燃空氣量大、燃燒充分，且具備最為優(yōu)良的污染控制措施，因此火電行業(yè)利用其他行業(yè)廢氣的潛力巨大，前景廣闊。

以電解鋁為例:鋁電解槽廢氣含氧量較高，并含有SO2、氟化物等污染物，廢氣排放造成的熱損失也相當(dāng)可觀［16］。目前電解槽廢氣干法脫氟已有廣泛應(yīng)用［17］。為進(jìn)一步削減SO2的排放并充分利用電解槽廢氣余熱，有研究者提出，將干法處理后電解鋁煙氣，直接送入企業(yè)自備電廠或周邊發(fā)電廠作為助燃空氣使用，實(shí)現(xiàn)廢氣的梯級(jí)利用［18］，其工藝流程如圖5 所示。

圖5 電解鋁煙氣階梯利用示意Fig.5 Electrolytic aluminum industry exhaust gas cascade utilization

以典型的年產(chǎn)15 ×104t 電解鋁生產(chǎn)線和配套3 ×135 MW 自備電廠為例，對(duì)其碳減排效果進(jìn)行分析測(cè)算。

水泥行業(yè)是CO2排放大戶［12］，存在大量可利用的高溫高氧廢氣，合肥水泥研究設(shè)計(jì)院、丹麥?zhǔn)访芩构?FLSmidth ＆ Co. A/S)等單位開(kāi)展了水泥窯協(xié)同處理生活垃圾和市政污泥技術(shù)研究［13］。這2 種工藝均是從水泥窯頭抽入高含氧高溫氣體，作為城市生活垃圾焚燒助燃空氣，焚燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入分解爐，所不同的是合肥水泥研究設(shè)計(jì)院采用回轉(zhuǎn)窯焚燒生活垃圾(圖4(a))，丹麥?zhǔn)访芩构竟に噭t采用熱盤爐(圖4(b));此外，北京市琉璃河水泥有限公司還將處置市政污泥的臭氣作為回轉(zhuǎn)窯助燃空氣，同時(shí)消除惡臭污染［14］。上述工藝均實(shí)現(xiàn)了水泥窯等廢氣再利用，減少了設(shè)備投資，且具有節(jié)能效果，但目前合肥水泥研究設(shè)計(jì)院的工藝僅在四川開(kāi)展過(guò)應(yīng)用示范，丹麥?zhǔn)访芩构镜臒岜P爐工藝已在挪威一家1 600 t/d 的水泥生產(chǎn)線上投入運(yùn)行，主要是燃燒可燃垃圾(如汽車輪胎、電話機(jī)插板等)。

方案二:梯級(jí)利用方案。電解鋁廢氣采用干法凈化后，大部分廢氣供電廠助燃，少部分廢氣通過(guò)自建煙氣脫硫裝置，電廠脫硫效率按95%計(jì)，自建脫硫效率按50%計(jì)，SO2均可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

式中:K3為廢氣余壓再利用有效系數(shù)，無(wú)量綱;pr為再利用廢氣余壓，Pa。

表2 電解鋁廢氣梯級(jí)利用的污染物與碳減排效果比較Table 2 The comparison of electrolytic aluminum industry exhaust gas cascade utilization and carbon reduction

通常生產(chǎn)線或企業(yè)的碳排放計(jì)算采用排放系數(shù)法，即統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)單元的能源消耗和物料進(jìn)出量，根據(jù)排放系數(shù)計(jì)算其碳排放數(shù)值，但該方法在計(jì)算廢氣再利用的碳減排時(shí)，既不方便也不能直觀地了解再利用對(duì)碳減排的貢獻(xiàn)，因此在計(jì)算廢氣再利用的碳減排效果時(shí)，需要對(duì)排放系數(shù)法進(jìn)行簡(jiǎn)化和改進(jìn)。

5 廢氣再利用的碳減排前景分析

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的GDP 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和CO2排放預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，按照國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃確定的CO2減排目標(biāo)，結(jié)合以上工業(yè)廢氣再利用技術(shù)到2020年可能的普及率，預(yù)計(jì)各廢氣再利用技術(shù)的CO2減排對(duì)全國(guó)CO2減排的貢獻(xiàn)情況見(jiàn)表3 ～表5。

表3 中國(guó)2005—2020年GDP 和CO2 排放量變化Table 3 The change of GDP and CO2emission from 2005-2020 in China

表4 中國(guó)實(shí)現(xiàn)不同CO2 排放目標(biāo)的CO2 減排量測(cè)算Table 4 The CO2 emission reduction calculation to reach different CO2 emission target in China

表5 中國(guó)主要工業(yè)行業(yè)的廢氣再利用CO2 減排貢獻(xiàn)Table 5 The CO2 emission reduction contributions of industrial waste gas recycling in China

綜上所述，僅主要工業(yè)行業(yè)的廢氣再利用技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)中國(guó)CO2減排目標(biāo)的貢獻(xiàn)就接近1/4，而且煙氣再利用技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)施效果明顯，對(duì)于減少煙氣量排放和CO2排放具有重要作用，應(yīng)作為實(shí)現(xiàn)2020年減排目標(biāo)的重要技術(shù)途徑，大力推廣發(fā)展。

6 結(jié)論和建議

(1)中國(guó)的碳排放量與工業(yè)廢氣排放量具有很高的相關(guān)性，近年來(lái)工業(yè)廢氣量的迅速增長(zhǎng)，抵消碳減排的成果，并造成了嚴(yán)重的大氣污染，因此削減工業(yè)廢氣排放量實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢氣再利用勢(shì)在必行。

(2)工業(yè)廢氣再利用可分為循環(huán)利用和階梯利用等多種方式，廢氣再利用可以有效減少?gòu)U氣排放量，更充分地利用廢氣中的余熱或余壓，同時(shí)還能降低廢氣治理的能耗，是實(shí)現(xiàn)削減工業(yè)碳排放的重要手段。

2.6.3 糖尿病患者 對(duì)前列腺增生患者應(yīng)重視是否有伴有糖尿病。入院時(shí)需詢問(wèn)患者有無(wú)糖尿病以及相關(guān)用藥情況，并在病史中予以記錄。術(shù)前應(yīng)進(jìn)行血糖、糖化血紅蛋白、血尿酸、肝腎功能等評(píng)估。注意飲食調(diào)節(jié)、血糖監(jiān)控，圍手術(shù)期間積極維持原代謝疾病的藥物治療，必要時(shí)與相關(guān)科室聯(lián)系進(jìn)行相關(guān)藥物的劑量調(diào)整。

(3)工業(yè)廢氣再利用的碳減排可依據(jù)廢氣帶入的能量進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，通常再利用余熱、余壓情況下，工業(yè)廢氣再利用的碳減排量和廢氣再利用量成正比。

(4)在鋼鐵、水泥、電解鋁等碳排放較大的行業(yè)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了廢氣循環(huán)的研究和工業(yè)化應(yīng)用，但還未形成系統(tǒng)的工業(yè)廢氣再利用理念，需要今后不斷深入開(kāi)展研究和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化和低碳化發(fā)展。

(5)在工業(yè)廢氣跨行業(yè)再利用時(shí)，如水泥窯協(xié)同處理生活垃圾和市政污泥，電解鋁、有機(jī)廢氣階梯利用于火電廠，應(yīng)制定跨行業(yè)的優(yōu)惠財(cái)稅政策，打破部門利益糾葛，促進(jìn)跨行業(yè)再利用發(fā)展。

按照WHO關(guān)于藥物評(píng)價(jià)的推薦意見(jiàn)，ICER小于1倍人均GDP時(shí)，可認(rèn)為增加的成本是完全可以接受的。根據(jù)本研究的結(jié)論，采用阿司匹林進(jìn)行CVD一級(jí)預(yù)防的ICER僅為3 401.686元/QALY，遠(yuǎn)低于我國(guó)的人均GDP。因此，采用阿司匹林進(jìn)行CVD一級(jí)預(yù)防是具有藥物經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)勢(shì)的。

(6)主要工業(yè)行業(yè)的廢氣再利用技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)中國(guó)CO2減排目標(biāo)的貢獻(xiàn)就接近1/4，對(duì)于減少CO2排放具有重要作用，廢氣再利用技術(shù)應(yīng)作為實(shí)現(xiàn)2020年CO2減排目標(biāo)的重要技術(shù)途徑，大力推廣發(fā)展。

農(nóng)戶心理認(rèn)知：農(nóng)地流轉(zhuǎn)有無(wú)實(shí)際作用對(duì)土地轉(zhuǎn)入影響為負(fù)，影響顯著，與農(nóng)戶土地轉(zhuǎn)出意愿相反，農(nóng)戶更傾向于土地流入。

［1］ 科學(xué)技術(shù)部，中國(guó)氣象局，中國(guó)科學(xué)院，等. 第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［2］ 國(guó)務(wù)院辦公廳.國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)研究決定我國(guó)控制溫室氣體排放目標(biāo)［EB/OL］. (2009-11-26)［2015-03-13］. http://www.gov.cn/ldhd/2009-11/26/content_1474016. htm.

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