從石灰石的生態(tài)屬性論白泥脫硫的環(huán)境意義

徐東升，樊帥軍，李德峰，徐昉，馬采妮，馬雙忱*

（1.華電渠東發(fā)電有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng)453000；2.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，河北保定071003）

0 引言

白泥固體廢棄物的處理一直是造紙企業(yè)的難題，國內(nèi)外都已探索過白泥的處理及利用方法［1-2］，白泥主要成分為苛化碳酸鈣，大部分企業(yè)選擇回收利用白泥，加填入紙漿中［3］，或送水泥廠處理后成為水泥原料。但因其偏堿性并含有其他雜質(zhì)的特點，上述方法沒有成為處理白泥的有效方式。最終，白泥堆積如山，其滲濾液嚴重污染周邊環(huán)境和水體。目前，我國90%的燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)［4］，而石灰石脫硫需要開采大量礦山。這種單一的煙氣脫硫方式?jīng)Q定了我國每年煙氣脫硫開采的石灰石原料用量巨大，常年大規(guī)模的開采石灰石礦山給礦區(qū)帶來嚴重的生態(tài)影響，面對有限的資源，循環(huán)經(jīng)濟以廢治廢是尋求環(huán)境治理的一個行之有效手段［5］。

1 礦山土地的生態(tài)價值

開采礦山勢必會毀壞礦山“生態(tài)價值”，其主要包括以下3 個方面的含義：首先，礦山上的動物、植物、微生物等各種生物之間相互作用，在不斷競爭中完成了自身生存目標，潛移默化地有益于其他生物的存活，比如落葉歸根等；其次，從生態(tài)系統(tǒng)的層面來看，物種的誕生與消亡，對于維持系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平衡起著關(guān)鍵作用，也體現(xiàn)了其生態(tài)價值；最后，礦山的自然生態(tài)系統(tǒng)極大地改善人類的生存環(huán)境，對于人類來說有著不可忽略的生態(tài)價值。

“十九大”報告提出了“綠水青山就是金山銀山”的新型發(fā)展理念。這句話包含了最基本的生態(tài)建設(shè)方法與原理，以共贏為目的巧妙轉(zhuǎn)化綠水青山與金山銀山看似不相容的關(guān)系。保護生態(tài)環(huán)境就是保護生產(chǎn)力，改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力［6］。只有堅持正確的發(fā)展理念和發(fā)展方式，才可以實現(xiàn)百姓富、生態(tài)美的有機統(tǒng)一。黨的十八屆三中全會提出要探索編制自然資源資產(chǎn)負債表、核算全國和各地區(qū)自然資源的價值，將其作為對政府相關(guān)部門的考核依據(jù)，以有效保護和高效可持續(xù)地利用自然資源［7］?！笆糯蟆眻蟾嬷赋?，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策。在工業(yè)化的進程中，參考生態(tài)價值能夠促進建立合理的管理體系。十三屆全國人大正式批準生態(tài)環(huán)境部成立，在《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》［8］中明確了部門對資源再利用的監(jiān)督與管理，專事專辦，體現(xiàn)了國家對企業(yè)改變經(jīng)濟發(fā)展模式的鼓勵與決心。

2 從“兩山”理論審視白泥脫硫

“兩山”理論是新時代對經(jīng)濟發(fā)展的全新詮釋，把保護環(huán)境的概念蘊于當前經(jīng)濟發(fā)展的思路中?！皟缮健崩碚撃軌蜃畲蟪潭染徑赓Y源環(huán)境危機，順應(yīng)時代發(fā)展的潮流。不論是白泥堆積所帶來的龐大末端治理負擔(dān)，還是礦采石灰石脫硫，都是政策標準之下的對策，以排放達標為目的的被動消極舉措。綠水青山就是金山銀山，是充分考慮到發(fā)展經(jīng)濟同時兼顧生態(tài)保護的辯證思維，結(jié)合新型理論與技術(shù)的應(yīng)用，為企業(yè)展開全新的綠色發(fā)展畫卷。而白泥脫硫正是“兩山”理論下的一個實踐案例，傳統(tǒng)的石灰石脫硫正面臨著礦石資源危機以及生態(tài)破壞困境，造紙廢物的處理問題也迫在眉睫，要徹底解決能源環(huán)境危機，就必需顧及工業(yè)發(fā)展中的生態(tài)成本，無論是原料開采還是廢物處理，都需要將目光投向廠內(nèi)，實現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟模式、綠色發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?！皟缮健崩碚撓缕髽I(yè)間的合作顯得尤為重要，以造紙廠與電廠進行合作為例，用于脫硫的石灰石屬于不可再生資源，不計成本的開采，對青山的破壞無法挽回。同樣，造紙白泥的大量堆積也是困擾企業(yè)的一大難題。為了實現(xiàn)資源的合理利用，同時保護我們的綠水青山，我們必須將目光投向廠間物料循環(huán)，實現(xiàn)造紙廠白泥用于電廠脫硫的生態(tài)工業(yè)模式，進而實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)物質(zhì)的有序流動。以成本縮減作為企業(yè)生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動力的高質(zhì)量發(fā)展正是"兩山"理論的核心目標，也讓企業(yè)在新時代要求下的環(huán)保觀念有的放矢。

3 石灰石礦山開采狀況

隨著人口和國內(nèi)生產(chǎn)總值快速增長，礦石開采量每年以2%～6%的幅度增長［9］。我國礦采量居世界前列，據(jù)統(tǒng)計，金屬和非金屬礦產(chǎn)資源占據(jù)了我國社會生產(chǎn)所需原材料的85%，能源礦產(chǎn)占能源消費的95%。目前已有160 余種礦產(chǎn)資源被發(fā)現(xiàn)，并進行規(guī)?；_采［10］，在全國各地均有儲藏。我國現(xiàn)在已有國營礦山企業(yè)8 000 多個，個體礦山企業(yè)多達約23 萬個，采礦已經(jīng)深深扎根成為我國經(jīng)濟命脈。石灰石是非金屬礦產(chǎn)中的一種，其用途極廣，可加工出各類產(chǎn)品且均具有良好的市場前景，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，石灰石的應(yīng)用領(lǐng)域也被進一步拓寬［11］。除了廣泛用于化工、發(fā)電廠脫硫和造紙等行業(yè)，石灰石最普遍的應(yīng)用是被用作水泥和鋼鐵工業(yè)的原料。綜合國內(nèi)外石灰石產(chǎn)品深加工發(fā)展現(xiàn)狀，目前我國石灰石礦的主要用途有以下幾種。

（1）磨細后摻入混凝土中改善其性能［12］。

（2）采用包含石灰石在內(nèi)的各種無機礦物原料經(jīng)過高溫?zé)撇ＡА?/p>

（3）煅燒得到的石灰與焦炭經(jīng)過電爐熱反應(yīng)生成電石。

（4）生產(chǎn)機械制造用的鑄造型砂。

（5）經(jīng)過煅燒一系列反應(yīng)生成石灰乳并再次沉淀，可生產(chǎn)各種行業(yè)所需輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品。

（6）通過低溫煅燒制取活性石灰作為造渣劑，降低煉鋼金屬的雜質(zhì)含量。

（7）加工成石灰石粉作為煙氣脫硫劑。

石灰石經(jīng)過磨粉制漿后具備提供堿度能力，用于煙氣濕法脫硫，在國內(nèi)外被廣泛使用［13-14］。石灰石破碎磨細，制漿后通入脫硫塔內(nèi)與煙氣充分接觸混合，由風(fēng)機進行強制氧化，經(jīng)過脫水得到石膏。

3.1 過度開采

城市化進程步伐加大，企業(yè)為追求效益，不計后果地進行盲目、低效率的粗放型開采，加快了資源的枯竭速度。盡管石灰石礦產(chǎn)資源豐富，但如此大量的消耗石灰石必然會導(dǎo)致石灰石礦產(chǎn)資源的過度開采，礦山修復(fù)的末端處理也是一筆相當大的開支。石灰石礦山多為露天開采，盡管地形因素大大降低了生產(chǎn)成本，但需要大量剝離礦石表面巖石土壤。土壤損失所帶來的一系列環(huán)境問題，已經(jīng)逐漸威脅到人類生存，盲目的高強度開采幾乎損失了礦區(qū)原有的全部生態(tài)價值，與社會經(jīng)濟的健康發(fā)展格格不入。圍繞礦山開采的一切活動都會影響到生態(tài)環(huán)境［15］。

3.1.1 開采中產(chǎn)生污染

采礦的主要方式是露天開采，開采過程中會產(chǎn)生污染，大量顆粒物揚塵和有毒物質(zhì)是導(dǎo)致空氣污染的主要因素。采用汽油、柴油為挖掘機、爆破等提供動力，燃燒不充分時會大量產(chǎn)生一氧化碳、氮氧有毒化合物。礦山生產(chǎn)工序中，機器在進行開拓、切割、破碎時都會產(chǎn)生大量的粉塵。運輸及裝卸過程中，石灰石顆粒顛簸灑落，或者遮蓋不當散落在空氣中，風(fēng)速較大時還會導(dǎo)致?lián)P塵天氣，一旦飄到城市及周邊郊區(qū)，造成空氣質(zhì)量下降，會對居民的呼吸系統(tǒng)健康產(chǎn)生威脅。開采產(chǎn)生的粉塵、巖石碎屑以及較大碎石堆積對土壤植被生長極為不利，不論是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，還是森林生態(tài)系統(tǒng)都會因為揚塵侵襲而遭到破壞。

3.1.2 末端治理負擔(dān)

開采后的石灰石礦區(qū)呈現(xiàn)以下幾種不同的地貌。

（1）采礦設(shè)備及運輸路線占地，在礦山開采過后成為荒地，此類廢棄地由于破壞較少，挖掘開發(fā)程度不深，故可以通過自然演替進行恢復(fù)。

（2）石灰石礦儲量大，賦存豐富，因此采場標高要達到石灰?guī)r礦層，所需爆破及平整占地極大，形成裸露廢棄地。

（3）粒徑過小難以收集的碎石，礦山表面土層堆積及一些廢棄礦石形成的廢石堆積地。

為滿足開發(fā)要求，山地原有地貌被破壞，為了方便采掘設(shè)備進出、運輸，甚至周邊的植被也被砍伐清理，在雨水豐富的季節(jié)，降雨沖刷周邊土壤，惡性循環(huán)，裸露地將越來越多，這些因素極其不利于土壤的重新覆蓋。礦山周邊地下水過度使用，礦區(qū)周邊地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，土地崩塌，產(chǎn)生裂縫，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定難以通過土地回填進行修復(fù)。水文循環(huán)衰減使生物的生存條件惡化，同時地形與地貌的改變，地表徑流減少對當?shù)匚锓N多樣性造成打擊。采礦廢棄物不經(jīng)處理四處丟棄，周邊植被減少，沙塵惡劣天氣不斷在增加，在末端治理中僅通過土地復(fù)墾無法有效地遏制。

4 白泥脫硫與清潔生產(chǎn)

白泥所消耗成本在未增加白泥脫硫時，中國造紙廠白泥年產(chǎn)千萬噸以上［16］，大都堆積在白泥儲存場內(nèi)，或直接儲存在造紙廠內(nèi)，經(jīng)過試驗測試比對使用竹漿［17］、甘蔗漿及桑枝漿白泥脫硫所形成的白泥脫硫效果基本與石灰石脫硫效果一致。白泥在燃煤鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用試驗表明，白泥脫硫活性優(yōu)于石灰石，通過優(yōu)化運行條件pH 值，氧化效果能夠?qū)崿F(xiàn)對石灰石的完全替代［18］，具備理論可行性。

清潔生產(chǎn)除了要考慮到避免環(huán)境被持續(xù)破壞，還要盡量降低能源消耗，增加原材料獲取手段和運營成本，提高經(jīng)濟效益，增強競爭力，確保實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的“雙贏”。白泥脫硫工藝與常規(guī)煙氣脫硫技術(shù)相比，直接利用造紙工業(yè)產(chǎn)生的白泥完全替代傳統(tǒng)的石灰石用于煙氣脫硫。南寧某電廠660 MW超臨界壓力燃煤直流鍋爐完全使用白泥進行脫硫，系統(tǒng)處理的對象為鍋爐電除塵器后引風(fēng)機出口的全部煙氣，單機煙氣量2 217 078 m3∕h，平均每月能夠消耗白泥13 000 t，白泥就地取材，所需運費也非常低廉，龐大的白泥使用量可以輕松解決令造紙廠頭疼的白泥堆積窘境。不僅實現(xiàn)了造紙行業(yè)的清潔生產(chǎn)，而且為造紙企業(yè)周邊電廠提供了更經(jīng)濟的濕法脫硫方式，實現(xiàn)了廢物的雙向治理。

建立清潔生產(chǎn)模式具有以下幾個優(yōu)越性。

（1）預(yù)防性。強調(diào)源頭控制，通過使用更為經(jīng)濟的白泥進入脫硫環(huán)節(jié)的物質(zhì)量從源頭防止資源浪費。

（2）協(xié)調(diào)性。圍繞清潔生產(chǎn)系統(tǒng)，以減少廢物排放為目標，對物料循環(huán)的兩系統(tǒng)參數(shù)進行修改加以適應(yīng)，達成有效可行地循環(huán)。

（3）經(jīng)濟效益性。由于減少了生產(chǎn)一端廢物處理的費用，同時減少了脫硫原料的開采成本，相互合作的企業(yè)都得到不同程度的支出縮減。

（4）科學(xué)合理性。能夠銜接在不同企業(yè)間物料循環(huán)，顛覆了常規(guī)的技術(shù)，與時俱進的科技改進必不可少。

白泥脫硫是現(xiàn)時能夠緩解脫硫困境的治本途徑，但仍需要不斷地研究試驗達到對石灰石的完全替代。

5 石灰石脫硫生態(tài)成本

5.1 重置成本法

重置成本法［19-20］是指恢復(fù)或者替代生產(chǎn)性資產(chǎn)、自然環(huán)境、人類健康等所需的成本，如計算流域水質(zhì)污染的生態(tài)補償成本［21］；將大氣污染治理為潔凈的空氣所需的治理費用［22］；針對保護區(qū)資源使用重置成本法，確定設(shè)立保護區(qū)的優(yōu)先等級［23］；評價物品交易價值也可以參考重置成本的結(jié)果［24］。通過重置成本法能夠量化諸多易被忽略的因素，使資源配置趨于更為合理的方向，用直觀的數(shù)據(jù)呼吁健康的發(fā)展決策。

石灰石脫硫的生態(tài)成本轉(zhuǎn)化為完全治理礦山所需要成本，參考對甘肅省森林生態(tài)資源補償?shù)挠嬎惴椒ǎ?5］，按3層成本來估計礦山環(huán)境重置成本，并補充在礦區(qū)恢復(fù)期間，功能缺失層成本加入。第1，恢復(fù)層成本，將礦山被破壞的地形地貌恢復(fù)到原來的程度所消耗的成本；第2，維護層成本主要是指為了保持修復(fù)后的生態(tài)環(huán)境不被破壞的成本。因為生態(tài)環(huán)境恢復(fù)需要一定的時間進行自然演替，修復(fù)到原來的水平需要相當長的時間，很難立竿見影，在這段恢復(fù)期之內(nèi)除了要考慮養(yǎng)護成本之外，生態(tài)功能的大幅度衰減也需要考慮在內(nèi)；第3，戰(zhàn)略層成本，在個別具有旅游開發(fā)價值或者建立交通線路的地區(qū)，考慮到要進行生態(tài)恢復(fù)，將其設(shè)為保護區(qū)的同時舍棄了發(fā)展經(jīng)濟的機會。本文對重置成本法計算石灰石礦山開發(fā)成本進行說明，以廣西露天采礦為例，對1年1 hm2土地進行計算。

5.1.1 恢復(fù)層成本

生態(tài)環(huán)境恢復(fù)層成本主要是將礦山被破壞的地形地貌、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到原來程度所消耗的經(jīng)濟成本，復(fù)墾前準備主要包括地表回填成本、邊坡整理成本K［26］，參考荊門礦山修復(fù)第1 年投入5.640萬元［27］，植被、化肥購買與種植挖穴、客土、用工成本Z，以種植適合沿海防沙木麻黃為例，共計1.226萬元［28］，則恢復(fù)層成本

5.1.2 維護層成本

維護層成本主要包含2 方面，第一是未恢復(fù)期間由于原有土地功能損失的部分D1。礦山地處生態(tài)資源和土地資源豐富的地區(qū)，主要能夠起到保持水源、治理風(fēng)沙與保育土壤的作用。保持水土這一生態(tài)功能的成本量化通過礦區(qū)土地年平均涵養(yǎng)水源量與南寧市區(qū)水的單位價格計算得出其涵養(yǎng)水源功能總價值；治理風(fēng)沙的生態(tài)功能價值可通過計算固沙量用以培育作物價值得出；對于保育土壤的作用量化，可以分為固定土壤和保存肥力2 個部分計算保育土壤的功能價值，具體如下。

（1）保持水源的功能價值（以1 年1 hm2土地進行計算）

式中：W1為每公頃土地保持水源的功能價值，萬元；P 為地區(qū)居民用水價格，元∕m3，按照第三階梯用水量對應(yīng)價格為2.9元∕m3；Q為每公頃土地年存水量，m3。廣西地區(qū)年降水量為1 300 mm［29］，植被土壤吸收蒸發(fā)散失大部分，假設(shè)礦區(qū)降雨只有40%可以匯入地表徑流，則礦區(qū)每公頃土地涵養(yǎng)水源總量為

則每公頃礦區(qū)土地涵養(yǎng)水源價值為

（2）治理風(fēng)沙年平均的功能價值。W2為礦區(qū)植被治理風(fēng)沙功能的價值（萬元）。礦區(qū)植被1年的阻沙量=植被單位面積單位時間阻沙量×植被面積×年起沙風(fēng)時間平均值。人工植被單位面積單位時間阻沙量數(shù)據(jù)為0.076 g∕cm2∕min［30］，每公頃土地植被面積為0.100 hm2，由于廣西位于東南沿海，風(fēng)沙來源主要為沿海沙［31］，年起風(fēng)沙時間較少，估計為30 d，礦區(qū)植被防護體系1年總的阻沙量為3×107kg。

治理風(fēng)沙價值通過下式計算［32］

式中：A為礦區(qū)植被體系防風(fēng)固沙量，kg；B為每年每公頃稻田年均收益，元∕hm2，根據(jù)廣西種植情況，按照畝產(chǎn)1 000 kg，每千克4.2 元并且年收2 季稻計算，每年每公頃稻田年均收益為12.600 萬元；H 為表土的平均厚度，取0.5 m；ρ 為流沙容重，取1.53 g∕cm3。代入各值，求出價值量為49.412萬元。

（3）保育土壤的功能價值。第1 部分固定土壤的功能價值為

式中：W3為土地固土功能的價值，萬元；P 為每年每公頃礦區(qū)植被可減少的土壤流失量相當于減少廢棄面積，hm2；LR為林區(qū)土地租金，萬元∕hm2。

對于土地資源保肥效益的量化核算可以通過土壤侵蝕量中含氮量與農(nóng)業(yè)補充土壤氮肥所使用的尿素化肥含氮量、市場價格計算得出。根據(jù)北京林業(yè)局研究結(jié)果，有林地比廢棄地每年每公頃可減少土壤流失量3 335.7 t，林地土壤容重平均為1.10 t∕m3，表土的平均厚度取0.5 m，則每公頃礦區(qū)每年可減少的土壤流失量相當于減少廢棄面積0.610 hm2。因此，森林減少土壤流失保護土地的價格，應(yīng)用林區(qū)土地租金13.000萬元計算，則礦區(qū)減少土地損失的價值

第2 部分保存肥力功能價值為：根據(jù)林場森林每年可減少土壤流失0.610 hm2∕a，按北京市林業(yè)局研究提供的資料為每年每公頃可減少土壤N，P，K肥的損失量分別為6.376，0.670，2.684 t。

N 肥年損失價值：根據(jù)目前市場N 肥（尿素）價格2 000元∕t，則N肥損失價值

P 肥年損失價值：根據(jù)目前市場P 肥價格為1 000 元∕t，則P 肥損失價值

K 肥年損失價值：根據(jù)目前市場K 肥價格為1 000 元∕t，則K 肥損 失 價值則礦區(qū)土地保肥功能價值

未恢復(fù)期間由于原有土地功能損失，而需要進行彌補的成本

第2 是種植維護土地成本D2，參考林傳鳳植樹造林成本分析［28］：包括防沙障安裝費用、護林工工資。估計D2恢復(fù)成本為3.000 萬元∕hm2。

則維護層成本

式中：D1為未恢復(fù)期間由于原有土地功能損失，而需要進行彌補的成本；D2為維持恢復(fù)后的生態(tài)功能以防環(huán)境再次出現(xiàn)惡化而必須付出的成本。

5.1.3 戰(zhàn)略層成本

戰(zhàn)略層成本主要是指為在個別具有旅游開發(fā)價值或者建立交通線路的地區(qū)，考慮到要進行生態(tài)恢復(fù)，將其設(shè)為保護區(qū)的同時舍棄了發(fā)展經(jīng)濟的機會，戰(zhàn)略性放棄經(jīng)濟成本稱為戰(zhàn)略層成本，記為C3。在資源的利用所有可行方案中，可獲得回報最高的項目可以作為建立保護區(qū)的戰(zhàn)略層成本。廣西森林土地資源豐富，少數(shù)民族文化底蘊深厚，具有很高的開發(fā)價值，我國旅游景區(qū)用途土地使用年限為40 年，參考廣西某縣城土地出讓收益為16.600 萬元∕hm2［33-34］。

綜上所述，開采石灰石礦山的生態(tài)成本

式中：C1為生態(tài)環(huán)境恢復(fù)層成本，萬元；C2為生態(tài)環(huán)境維護層成本，萬元；C3為生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略層成本，各層成本統(tǒng)計見表1。

表1 開采礦山生態(tài)成本Tab.1 Ecological cost statistics of limestone mining

6 結(jié)論

本文針對火電廠濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫的原料改進價值進行了一系列考量，石灰石礦山開采面臨著嚴重的資源匱乏與環(huán)境惡化問題，白泥脫硫擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，省去了電廠脫硫原料的購買以及造紙廠白泥堆積維護投入。建立“生態(tài)賬本”可以指導(dǎo)各方面決策規(guī)劃，推動企業(yè)建立積極的運行管理方案。推行使用白泥作為脫硫原料，以廢治廢可以同時有效解決經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護問題，實現(xiàn)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。使用白泥脫硫是新時代生態(tài)環(huán)境建設(shè)中刻不容緩的一環(huán)，需要國家在政策上給予明確支持。