易文杰,李莊*,羅竹燕,劉帆,劉興旺*,趙玉婷
1.湖南省生態(tài)環(huán)境事務(wù)中心
2.湘潭大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院
3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院
環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度是我國(guó)主要的源頭防控制度[1],為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)愿景,生態(tài)環(huán)境部2021 年發(fā)文將水泥等重點(diǎn)行業(yè)碳排放納入建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)[2],而CO2減排措施可行性論證是碳排放影響評(píng)價(jià)中重要一環(huán)[3-4]。推動(dòng)減污降碳協(xié)同治理是“十四五”期間國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化的重要舉措之一[5]。水泥行業(yè)作為CO2排放重點(diǎn)行業(yè),排放的CO2占全球排放總量的5%~8%[6-9],占全球工業(yè)溫室氣體排放量的13%[9]。中國(guó)是水泥產(chǎn)量最大的國(guó)家,2021 年全國(guó)水泥產(chǎn)量為23.63×108t,約占世界水泥總產(chǎn)量的56.82%[10]。在我國(guó),水泥行業(yè)排放的CO2量?jī)H次于電力行業(yè),約占工業(yè)生產(chǎn)CO2排放總量的20%[11]。由此可見(jiàn),在環(huán)評(píng)報(bào)告書(shū)中應(yīng)該明確提出低碳環(huán)保協(xié)同措施,充分發(fā)揮環(huán)評(píng)制度源頭防控溫室氣體作用。
水泥行業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中低碳技術(shù)的選擇與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)CO2減排的關(guān)鍵之一[12-13]。羅雷等[13]研究表明,水泥行業(yè)通過(guò)能效提升及節(jié)能低碳技術(shù)的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)每年CO2減排約1.19×108t。Dinga 等[14]研究發(fā)現(xiàn),要在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和,需要加快采用可再生電力,大規(guī)模部署碳捕獲、利用與封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS),并大力推廣先進(jìn)節(jié)能低碳技術(shù)。水泥生產(chǎn)中,采用高爐礦渣或粉煤灰等廢料替代10%的石灰石,理論上可減少25%的CO2排放[15]。Santos 等[16]發(fā)現(xiàn),用石棉-水泥瓦廢料替代74%的生料,可減少11.85%的CO2排放和10.13%的能耗。通過(guò)民用建筑廢料替代部分原材料生產(chǎn)熟料,也可減少8.1%的CO2排放[17]。煤炭在水泥生產(chǎn)過(guò)程所消耗的能源中占比達(dá)80%~85%[18]。而利用生物質(zhì)等廢料作為煤的替代燃料可減少20%~25%的CO2排放[19]。減少電力消耗,優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備也可以減少CO2排放[19-20],我國(guó)先進(jìn)粉磨技術(shù)已將生料和熟料粉磨環(huán)節(jié)能耗分別降至≤15 和30 kW·h/t[21]。通過(guò)能源管理可將能源利用率提高4%~5%[22]。Wang 等[23]提出將碳捕集和余熱回收利用結(jié)合起來(lái),可更好地節(jié)約能源,降低CO2排放。以上研究表明,低碳技術(shù)的運(yùn)用是降碳的前提,而低碳技術(shù)與現(xiàn)有同根同源污染源的協(xié)同治理技術(shù)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性論證又是關(guān)鍵。
目前水泥行業(yè)的低碳技術(shù)未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的評(píng)估,指導(dǎo)操作性不強(qiáng)。已有的對(duì)于水泥行業(yè)低碳技術(shù)的研究主要是基于情景假設(shè)和減排潛力分析等方面展開(kāi)的。如Proa?o 等[24]使用Aspen Plus 對(duì)水泥工業(yè)碳捕集技術(shù)中以NaOH、Ba(OH)2等作為前驅(qū)體捕集CO2的這種工藝進(jìn)行了捕集效果的評(píng)估和經(jīng)濟(jì)評(píng)估。Zhang 等[25]綜合評(píng)價(jià)了提高能效、使用替代燃料與原材料和實(shí)施CCUS 的節(jié)能減排潛力。Schneider[26]基于情景假設(shè)等分析了熱能效率提高措施、可替代燃料、碳捕集等減排措施的成本、材料或技術(shù)的可用性。彭春元等[27]采用德?tīng)柗品?、頭腦風(fēng)暴法以及關(guān)聯(lián)度分析法,從水泥市場(chǎng)需求、水泥產(chǎn)業(yè)目標(biāo)、技術(shù)壁壘和技術(shù)研發(fā)需求4 個(gè)方面,探討了不同水泥低碳技術(shù)對(duì)水泥行業(yè)節(jié)能減排的影響力。許金華等[28]基于情景假設(shè)分析了燃料和熟料替代及能效提高措施等的節(jié)能減排效應(yīng)。何峰等[29]通過(guò)邊際減排成本曲線(xiàn)對(duì)水泥行業(yè)24 項(xiàng)節(jié)能減排措施進(jìn)行了分析。由上述分析可知,水泥行業(yè)沒(méi)有1 套針對(duì)低碳技術(shù)的評(píng)價(jià)體系,缺乏對(duì)技術(shù)的系統(tǒng)評(píng)估。因此,筆者參考相關(guān)技術(shù)評(píng)價(jià)文獻(xiàn)、溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南,經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研及德?tīng)柗茖?zhuān)家咨詢(xún)法選取水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重,建立了1 套水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并對(duì)水泥行業(yè)低碳技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),得到水泥行業(yè)代表性15 項(xiàng)低碳技術(shù)的指標(biāo)單項(xiàng)排名和綜合排名,以期為我國(guó)水泥行業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中低碳技術(shù)的選擇與應(yīng)用提供參考。
環(huán)境影響評(píng)價(jià)中分析確定產(chǎn)污環(huán)節(jié)、污染特征、污染源強(qiáng)是下一步工作的基礎(chǔ)。水泥生產(chǎn)工藝流程主要是“兩磨一燒”,即生料粉磨、水泥粉磨以及回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒,主要的產(chǎn)碳節(jié)點(diǎn)包括生產(chǎn)過(guò)程石灰石煅燒分解直接排放CO2、生料及水泥粉磨等設(shè)備運(yùn)行能耗間接排放CO2、煤炭等燃料燃燒間接排放CO2,其CO2排放特征和影響因素見(jiàn)圖1 和表1。
圖1 水泥生產(chǎn)產(chǎn)碳節(jié)點(diǎn)及低碳技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)Fig.1 Carbon production nodes of cement production and application links of low carbon technology
表1 水泥生產(chǎn)產(chǎn)碳環(huán)節(jié)的CO2 排放特征和影響因素Table 1 Characteristics and influencing factors of CO2 emissions in carbon production links in cement production process
在CO2排放控制措施評(píng)價(jià)比選之前,梳理了國(guó)內(nèi)外水泥生產(chǎn)流程各環(huán)節(jié)(圖1),有據(jù)可依的低碳技術(shù)如表2 所示。水泥行業(yè)的低碳技術(shù)主要可分為4 個(gè)類(lèi)型:1)低碳原料燃料替代類(lèi),如使用電石渣、鋼渣、稻殼、生物質(zhì)燃料等替代水泥生產(chǎn)原料燃料;2)節(jié)能過(guò)程控制類(lèi),如輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)、高固氣比水泥懸浮預(yù)熱分解技術(shù)、第四代中置輥破篦冷機(jī)節(jié)能技術(shù)等;3)能源綜合利用類(lèi),如建設(shè)能源中心、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)等;4)末端碳捕集類(lèi),如水泥窯煙氣CO2捕集純化、鈣循環(huán)法捕集CO2等。
表2 水泥行業(yè)低碳技術(shù)清單Table 2 Inventory of low carbon technologies for the cement industry
為更好地應(yīng)對(duì)氣候變化,環(huán)境影響評(píng)價(jià)相關(guān)導(dǎo)則的環(huán)境保護(hù)措施中要求增加CO2排放控制措施內(nèi)容,并從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性等方面統(tǒng)籌開(kāi)展CO2減排措施可行性論證和污染治理措施方案評(píng)價(jià)比選[30]。參考技術(shù)評(píng)價(jià)相關(guān)文獻(xiàn)[31-35],結(jié)合《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第8 部分:水泥生產(chǎn)企業(yè)》內(nèi)容,形成初步指標(biāo)體系;通過(guò)德?tīng)柗品ㄗ稍?xún)專(zhuān)家意見(jiàn)不斷對(duì)指標(biāo)進(jìn)行修正,確保指標(biāo)的合理性;再由企業(yè)實(shí)地調(diào)研對(duì)指標(biāo)進(jìn)行考察,確保指標(biāo)的可行性及指標(biāo)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的可得性,確立了一套適宜水泥行業(yè)低碳技術(shù)選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖2)。
圖2 水泥行業(yè)低碳技術(shù)選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of low-carbon technologies selection in cement industry
指標(biāo)體系是由目標(biāo)層(A)、一級(jí)指標(biāo)(B)和二級(jí)指標(biāo)(C)構(gòu)成的梯階層次結(jié)構(gòu)。其中一級(jí)指標(biāo)包括技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)、低碳效果指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo),技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)又包括技術(shù)成熟度和技術(shù)普適性2 個(gè)二級(jí)指標(biāo);低碳效果指標(biāo)包括項(xiàng)目CO2減排總量(104t/a)、項(xiàng)目噸水泥CO2排放下降率(%)、項(xiàng)目廢物節(jié)約替代率(%)和項(xiàng)目節(jié)約或產(chǎn)生電量(kW·h/a)4 個(gè)二級(jí)指標(biāo);經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括項(xiàng)目投資成本(104元)、項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)成本(104元/a)和項(xiàng)目投資回收期(a) 3 個(gè)二級(jí)指標(biāo)。
建立的指標(biāo)體系包括定性指標(biāo)與定量指標(biāo),由于各指標(biāo)的類(lèi)型不同,其單位和數(shù)量級(jí)也不相同,故應(yīng)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)于定量指標(biāo),采用min-max 標(biāo)準(zhǔn)化將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算公式如下:
式中:x、x*分別為標(biāo)準(zhǔn)化前、標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)值;xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值;xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值。
對(duì)于定性指標(biāo),采用等級(jí)賦分法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,首先邀請(qǐng)水泥減排技術(shù)研發(fā)、評(píng)估等領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)評(píng)估,再根據(jù)等級(jí)進(jìn)行賦值,然后依據(jù)下式確定該指標(biāo)的得分。
式中:ui為各減排技術(shù)第i項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過(guò)等級(jí)賦值法后的取值;xi為第i項(xiàng)指標(biāo)原始賦值。
對(duì)于定性指標(biāo),其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與賦分情況見(jiàn)表3。
表3 定性指標(biāo)的等級(jí)與分值情況Table 3 Evaluation criteria and assignment of qualitative indicators
層次分析法最早由美國(guó)的Saaty[36]于1977 年提出,可以根據(jù)各上下層次的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比,從而作出合理性定量分析,確定指標(biāo)權(quán)重,該方法已被廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)能源[37]、低碳能源[38]、低碳排放[39]和低排放能源[40]等技術(shù)評(píng)價(jià)。運(yùn)用層次分析法來(lái)確定水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,運(yùn)算過(guò)程采用yaahp 軟件。通過(guò)邀請(qǐng)15 位水泥行業(yè)環(huán)保低碳領(lǐng)域?qū)<?,按照層次分析法中? 分位標(biāo)度法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性比較,獲得水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣,并對(duì)矩陣進(jìn)行了一致性檢驗(yàn),結(jié)果表明一致性比例(CR)均小于0.1,認(rèn)為判斷矩陣具有可靠的一致性[41]。判斷矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量即為該層級(jí)各指標(biāo)相對(duì)于上一層次的權(quán)重,水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)具體指標(biāo)的權(quán)重見(jiàn)表4。由表4 可見(jiàn),一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重排序?yàn)榈吞夹Ч笜?biāo)>技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)>經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo),二級(jí)指標(biāo)排序靠前的為項(xiàng)目CO2減排總量(0.221 8)、技術(shù)成熟度(0.188 6)、技術(shù)普適性(0.148 9)、項(xiàng)目投 資成本(0.125 9)和項(xiàng)目噸水泥CO2排放下降率(0.114 5)。
表4 低碳技術(shù)選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集Table 4 Weighted subclass of evaluation indicators for lowcarbon technology selection
表2 中所列的低碳技術(shù)清單未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)評(píng)估,亦無(wú)推薦的優(yōu)先順序,其指導(dǎo)操作性不強(qiáng)。故選用湖南省6 家水泥企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的15 項(xiàng)低碳技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)。這6 家水泥企業(yè)包括央企、國(guó)企、中外合資企業(yè)以及民營(yíng)企業(yè)等全國(guó)性水泥集團(tuán),包含了普通水泥生產(chǎn)企業(yè)和特種水泥生產(chǎn)企業(yè),全國(guó)水泥集團(tuán)在湖南或其他省份采用基本相同的低碳技術(shù),具有一定的行業(yè)代表性。具體選擇的企業(yè)及低碳技術(shù)如表5 所示。
表5 調(diào)研企業(yè)所用低碳技術(shù)明細(xì)Table 5 List of low-carbon technologies used by enterprises surveyed
通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研以及多位專(zhuān)家的問(wèn)卷調(diào)查,得到了15 項(xiàng)技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)值,結(jié)合2.2 節(jié)確定的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法和表3 的定性指標(biāo)的等級(jí)與分值情況,計(jì)算得到15 項(xiàng)技術(shù)的定量(圖6)和定性(圖7)指標(biāo)量化值。表6 和表7
表6 定量指標(biāo)量化結(jié)果Table 6 Quantitative results of quantitative indicators
表7 定性指標(biāo)量化結(jié)果Table 7 Quantitative results of qualitative indicators
根據(jù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化量化值和權(quán)重,計(jì)算得到各項(xiàng)技術(shù)的二級(jí)指標(biāo)得分情況(圖3~圖5)。從低碳效果來(lái)看(圖3),建設(shè)能源管理中心、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、高固氣比水泥懸浮預(yù)分解技術(shù)、助磨劑的使用、穩(wěn)流行進(jìn)式水泥熟料冷卻技術(shù)和水泥熟料燒成系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等得分高;從技術(shù)成熟度、技術(shù)普適性來(lái)看(圖4),純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)、高壓變頻節(jié)能改造、助磨劑的使用、高固氣比水泥懸浮預(yù)分解技術(shù)和水泥熟料燒成系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等得分高;從經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看(圖5),純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、水泥窯協(xié)同處置生活垃圾、高固氣比水泥懸浮預(yù)分解技術(shù)、建設(shè)能源管理中心、新型水泥預(yù)粉系統(tǒng)磨節(jié)能技術(shù)和輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)得分較高。
圖3 低碳效果指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)得分情況Fig.3 Scores of secondary indicators of low-carbon effect indicators
圖4 技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)得分情況Fig.4 Scores of secondary indicators of technical evaluation indicators
圖5 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)得分Fig.5 scores of secondary indicators of economic evaluation indicators
將3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)的下屬各二級(jí)指標(biāo)得分求和再與對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘得到各低碳技術(shù)的綜合得分及排名(表8)。從表8 可以看出,15 個(gè)水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)得分為0.34~0.78,得分0.5 以上的占比為40%。綜合排名靠前的技術(shù)以能源綜合利用類(lèi)、節(jié)能過(guò)程控制類(lèi)技術(shù)為主,其中純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、建設(shè)能源管理中心、高固氣比水泥懸浮預(yù)熱分解技術(shù)、穩(wěn)流行進(jìn)式水泥熟料冷卻技術(shù)和助磨劑的使用綜合排名靠前,是環(huán)境影響評(píng)價(jià)中CO2減排措施主要推薦的技術(shù)。低碳原料燃料替代類(lèi)中鋼渣原料替代減排技術(shù)和水泥窯協(xié)同處置生活垃圾技術(shù)CO2減排總量尚可,且可以消耗生活垃圾、鋼渣等廢料,節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境,但受到原材料數(shù)量的限制,因此在環(huán)境影響評(píng)價(jià)階段應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的原輔材料情況進(jìn)行選擇性推薦。
表8 低碳技術(shù)評(píng)價(jià)排名情況Table 8 Evaluation and ranking of low carbon technologies
(1) 參考相關(guān)技術(shù)評(píng)價(jià)文獻(xiàn)、水泥企業(yè)溫室氣體核算方法與報(bào)告指南,通過(guò)實(shí)地調(diào)研及德?tīng)柗品ㄗ稍?xún)專(zhuān)家意見(jiàn)建立了水泥行業(yè)低碳技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,該體系符合水泥行業(yè)低碳技術(shù)特征,可為水泥行業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中CO2減排措施可行性論證和方案比選提供參考。
(2) 根據(jù)二級(jí)指標(biāo)得分情況,從低碳效果來(lái)看,建設(shè)能源管理中心、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、高固氣比水泥懸浮預(yù)分解技術(shù)和助磨劑的使用等得分高;從技術(shù)成熟度、技術(shù)普適性來(lái)看,純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)、高壓變頻節(jié)能改造和助磨劑的使用等得分高;從經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看,純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、水泥窯協(xié)同處置生活垃圾、高固氣比水泥懸浮預(yù)分解技術(shù)和建設(shè)能源管理中心得分較高。
(3) 綜合排名靠前的技術(shù)以能源綜合利用類(lèi)、節(jié)能過(guò)程控制類(lèi)技術(shù)為主,其中純低溫余熱發(fā)電技術(shù)、建設(shè)能源管理中心、高固氣比水泥懸浮預(yù)熱分解技術(shù)、穩(wěn)流行進(jìn)式水泥熟料冷卻技術(shù)和助磨劑的使用綜合排名靠前,是環(huán)境影響評(píng)價(jià)中重點(diǎn)推薦的技術(shù)。低碳原料燃料替代類(lèi)CO2減排總量尚可,但受到原材料數(shù)量的限制,綜合排名靠后。
(1) 大力推薦能源綜合利用類(lèi)和粉磨環(huán)節(jié)過(guò)程控制技術(shù)。如高固氣比水泥懸浮預(yù)熱分解技術(shù)、穩(wěn)流行進(jìn)式水泥熟料冷卻技術(shù)等過(guò)程控制技術(shù),降低能耗和CO2排放的同時(shí)可強(qiáng)化分解爐內(nèi)的熱穩(wěn)定性,從而降低NOx、SO2等有害氣體的排放量。同時(shí)建設(shè)能源管理中心,提升水泥企業(yè)自動(dòng)化、信息化、智能化水平,實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀況等,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)管理水平,降低企業(yè)的能耗和CO2排放。
(2) 重點(diǎn)推薦純低溫余熱發(fā)電技術(shù)。純低溫余熱發(fā)電技術(shù)CO2減排量效果十分明顯,且技術(shù)成熟,要積極降低余熱發(fā)電的建設(shè)運(yùn)行成本,提高余熱利用效率。
(3) 視資源情況推薦低碳替代原料燃料技術(shù)。利用生活垃圾、固體廢物、生物質(zhì)燃料等替代煤炭和原材料,減少化石燃料的消耗量,提高水泥窯協(xié)同處置能力。在資源最大化利用同時(shí)減少CO2排放,還可將含硫、氯或者是某些重金屬等有害物質(zhì)固熔在穩(wěn)定晶格中,減少或避免焚燒處理后產(chǎn)生二噁英的問(wèn)題。
(4) 隨著科技的發(fā)展,相關(guān)技術(shù)越來(lái)越成熟,未來(lái)水泥行業(yè)應(yīng)注重前端的低碳技術(shù)與末端捕集技術(shù)的應(yīng)用,如清潔能源的使用、低碳水泥的研發(fā)與應(yīng)用以及碳捕集技術(shù)的應(yīng)用等。
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2022年6期