山東省水泥行業CO減排關鍵技術的實施分析3 2

毛紫薇 王 燦 陳吉寧

(清華大學環境科學與工程系,北京100084)

山東省水泥行業CO減排關鍵技術的實施分析32

毛紫薇 王 燦 陳吉寧

(清華大學環境科學與工程系,北京100084)

由于社會對水泥需求的不斷增長,多年來山東省水泥工業一直處于快速發展時期。作為國民經濟的基礎工業同時也是高耗能行業,山東省水泥行業面臨著巨大的CO2減排壓力。同時,技術自身的先進性決定了其相應的減排潛力,而減排效果的實現程度則取決于技術的推廣度。在技術的推廣過程中,其減排潛力、減排成本以及相關的政策支持都是關鍵性的影響因素,針對技術實施障礙進行深入的分析和探討對實際減排效果的預測具有重要的意義。本研究利用長期能源替代規劃系統軟件建立了LEAP-Shandong Cement模型,對山東省水泥行業的CO2排放量及相應的減排潛力進行了模擬評估。到2020年,相對于基準情景,政策情景和技術情景下的減排潛力分別為8.2%和15.6%。山東省水泥行業實現減排主要依靠窯型的替代和相應技術的進步,其中余熱發電技術改進為近期的重點減排技術,在水泥行業減排兼具顯著的環境、經濟和社會效益。

CO2;減排;水泥;情景分析

由于社會對水泥需求的不斷增長,多年來山東省水泥工業一直處于快速發展時期[1]。作為國民經濟的基礎工業同時也是高耗能行業,山東省水泥行業面臨著巨大的CO2減排壓力。為此,山東省實行控制總量、淘汰落后的方針,積極研發并引進先進減排技術,在提高生產效率的同時減少資源的消耗量和CO2排放量。技術自身的先進性決定了其相應的減排潛力,而減排效果的實現程度則取決于技術的推廣度。在技術的推廣過程中,其減排潛力、減排成本以及相關的政策支持都是關鍵性的影響因素,針對技術實施障礙進行深入的分析和探討對實際減排效果的預測具有重要的意義。

1 山東水泥行業概況

從2001年到2006年,山東省的水泥產量持續增長,其增長率在2004年達到峰值32.3%。2001-2004年是山東水泥發展史上的第二個高峰期,其間水泥產量翻了一番,這個時期所呈現出來的發展特點是:立窯水泥迅速縮減,取而代之的是新型干法的快速發展,僅僅幾年的時間,山東省新型干法生產線就達到了50條,年熟料產能達4 310萬t[2]。

從能效的角度來看,由于熟料燒成煤耗占整個水泥生產能耗的70%以上,同時受限于數據的可得性,我們選取該指標進行比較分析。分析結果顯示:2007年山東水泥行業能效(即熟料燒成煤耗)平均水平為128 kg ce/t,山東先進能耗水平為115 kg ce/t;而同期全國平均水平、國際平均水平和國際先進水平分別為130 kg ce/t、114 kg ce/t和97.3 kg ce/t。可見,山東省水泥行業的平均水平略低于全國的平均水平,但是與國內的先進水平相比還有一定的差距,與國際先進水平相比差距更大,這表明山東水泥的技術裝備水平還有一定的提升空間。但是山東的先進水平已經達到國內的先進水平的標準,這也反映出山東的落后窯型仍然占有很大的比例,淘汰落后窯型的任務仍然很艱巨。另外,基于《中國水泥生產許可證企業名錄》,本研究對山東省水泥企業裝備現狀進行了統計分析,從對444家水泥企業的分析結果看出:山東省熟料生產窯型中僅含立窯和新型干法水泥窯(以下簡稱NSP),其產能比例分別占總產能的55%和45%。立窯的規模主要分布在年產20-60萬t,NSP的規模以日產4 000-5 000 t為主,粉磨站規模以年產60萬t以下為主(表1)。另外,2006年山東新型干法的比例居全國第24位,與全國第一的浙江85%的比例相比還有很大的差距。

表1 山東省水泥窯型分布現狀Tab.1 Current status of cement kiln types in Shandong

在山東目前的窯型中,立窯不論何種規模均被列入淘汰范圍,1 200 t/d以下的NSP由于規模太小,技術經濟性不高而會自然淘汰,2 000-4 000 t/d的NSP是目前全國的準入基準規模,而4 000 t/d以上的NSP目前在山東省受到政策的鼓勵推廣。

2 關鍵減排技術識別

在水泥生產的一系列工藝環節中,每一個環節都在總能耗中承擔一定的比例。要實現整個水泥行業節能減排的目標,也必須要分解到各個基礎生產環節來實現。然而,對各個環節所進行的節能改造所帶來的效果是不盡相同的。這主要是因為各環節的能源消耗和CO2排放量在總量中所占的比例不同,同時與技術的成熟度也密切相關。因此,考慮到當前水泥行業高耗能高排放的現狀,應當首先考慮推廣那些能實現較大減排量,同時技術的成熟度和可市場化程度較高的技術,這也是本研究中對關鍵技術的定義。

目前,山東省水泥行業CO2減排的關鍵技術主要有發展新型干法、推廣新型干法水泥余熱發電、推廣高效粉磨技術、電機拖動系統變頻調速節能改造、煤粉強化燃燒及劣質燃料燃燒技術、高效冷卻技術等等。考察了各項技術的發展情況、節能減排效果以及成本信息[3-4],同時綜合國家及山東的相關產業發展規劃,以及兼顧數據的可得性,余熱發電被認為是山東未來10-20年關鍵的CO2減排技術。《水泥工業發展專項規劃》提出,到2010年新型干法水泥比重要達到70%,而山東省建筑材料工業“十一五”發展規劃也明確提出力爭到2010年,新型干法水泥占總產量的比重達到70%,要大力推廣低溫余熱發電,力爭到2010年,大型新型干法水泥生產線(2 000 t/d以上)低溫余熱發電推廣率達到60%以上。因此,本研究將運用LEAP著重分析這項技術的節能減排效果。

3 技術及相應政策分析——以余熱發電技術為例

3.1 關鍵減排技術的效果模擬

對余熱發電技術的模擬分析框架如圖所示:在掌握山東省水泥行業NSP規模分布情況的基礎上,結合相關的產業發展政策和十一五淘汰計劃,對2010和2020年NSP的規模分布情況作出預測,這期間考慮以4 000 t/d以上的NSP等量替代立窯,2008-2010年間淘汰4 500萬t立窯落后產能,2010-2020期間淘汰剩下的4 500萬t。然后再結合余熱發電技術的發展趨勢,設定了基準情景和技術情景進行比較。其中,基準情景假設所有新上的NSP均配備了余熱發電裝置,而技術情景中技術的滲透度更高,到2020年,所有2 000 t/d以上規模的NSP均配備了余熱發電。同時考慮技術成本的信息,并通過兩個情景的比較,可以得到余熱發電技術所能達到的最大減排潛力和減排成本。

圖1 技術減排效果模擬分析框架Fig.1 Framework of emission reduction effect of technologies

目前山東落后立窯產能有9 000萬t,“十一五”末要淘汰4 500萬t,剩下的部分到2020年之前全部淘汰掉,同時以4 000 t/d的NSP進行等量替代,其生產線條數從現有的18條增加到2010年的45條,到2020年進一步增加72條。基準情景中余熱發電裝置的增加只是配備在新上的4 000 t/d規模以上的NSP上,而技術情景中2 000 t/d規模以上的NSP均逐漸配備余熱發電裝置(表2)。

基于以上的情景設置,通過計算得到兩個情景相應年份的水泥生產能耗強度和碳排放強度。可以發現,基準情景內從2007年到2010年能耗強度降低了4.64%,技術情景在此基礎上進一步將低3.88%,到2020年,基準情景內部實現能耗強度降低9.29%,技術情景進一步降低4.90%(表 3)。

從余熱發電對節能和溫室氣體減排的影響上來看,通過技術情景和基準情景的比較可以得出該技術在2010和2020年可以實現的最大節電量分別是 1 971GWh和2 497GWh,分別占相應年份的73%和49%。比較分析這兩個百分數的大小,說明隨著余熱發電技術的滲透程度的提高,其進一步推廣的空間也越來越小。

3.2 關鍵促進政策識別

一項技術的節能減排效果的實現,只有通過對其進行充分的運用。這個過程中必然存在種種障礙,以余熱發電技術為例,主要存在以下幾方面的實施障礙:首先是市場障礙。余熱發電量的并網費用很高。這主要是由部門間的利益沖突導致。余熱發電會降低電力部門的收入。其次,從技術上來看,余熱發電存在并網困難的問題。水泥廠的余熱發電量必須先并網然后再從電網購買使用。并網過程中會對區域電網造成沖擊,因此電力部門也會采取一定的限制措施。從資金方面來看,主要存在的問題是缺少政府和銀行的支持。由于余熱發電技術前期的固定投資很高,幾乎占到了整個水泥廠投資的15%,因此從銀行的角度考慮,沒有明顯的現金流而不原意提供貸款,從水泥廠的角度來看,盡管一些企業已經意識到了余熱發電投產的高收益,但是迫于資金、市場競爭力的壓力使得他們首先選擇擴大生產能力、提高市場占有率。其次,一些水泥企業太小還達不到銀行提供貸款的門檻,另外,一些企業在擴大產能的時候已經從銀行獲得貸款支持,企業自身的負債率已經很高,想要再從銀行獲得貸款上余熱發電很困難(表4)。

表2 基于現狀的減排情景設置Tab.2 Scenario settings based on current status

表3 情景計算結果Tab.3 Results of calculation

基于以上對于余熱發電技術實施障礙的分析,我們識別出針對余熱發電的關鍵促進政策是補貼和貸款。

3.3 關鍵促進政策的實施效果分析

根據一個比較完善的政策體系框架,如下圖所示,從已有的針對山東水泥行業的政策中整理出與余熱發電技術相關的條目,研究發現,目前對于余熱發電,山東現行的政策措施中僅有命令控制類的條文,而在經濟、市場手段方面幾乎是空白。也就是說,與補貼和貸款相關的政策還有很大的實施空間,但是為什么會出現空缺,這是因為在政策實施的過程中會出現障礙。

就補貼和貸款這項政策來說,其實施過程中可能遇到的障礙主要有以下幾個方面:

從企業自身來看,根據中國發展與改革委員會公布的《印發關于加快水泥工業結構調整的若干意見的通知》,水泥廠在2010年后在市場上生存發展的最好策略是將有限的資金投資新型干法水泥生產線的建設(因為水泥廠很難從銀行獲得貸款建設水泥生產線)。相比較于擴大生產規模,包括余熱發電項目在內的能效項目投資回收期較長。而且,水泥廠業主通常沒有處理電廠的相關經驗。在此之前沒有過自備電廠,甚至沒有緊急供電系統。水泥廠缺乏相關的管理人才和合格的技術人員來管理維護電站。相關的技術人員需要對發電和水泥技術有較高的認識,這樣的技術人員不容易培訓,培訓需要很長的時間。從技術層面來說,對于余熱發電技術中國企業可以選擇國外技術和國內技術。雖然國外的技術和設備效率更高,運作更穩定,但是高額的前期投資使得只能選擇國內技術。到那時國內技術和設施在效率和穩定性方面無法達到國外技術標準。國內技術和設備的風險會導致削弱余熱發電項目的盈利能力,增加項目維護運營成本,同時增加了項目的風險。

表4 政策分析參考體系框架Tab.4 Reference framework of policy analysis

從外部環境來看,由于以下原因,金融機構拒絕能效項目的投資機會:①金融機構對能效項目缺乏常規評估收益和風險的金融分析工具;②能效項目一般投資規模小,而對于專業金融機構前期開發費用較高。此類小規模投資對于金融機構缺乏吸引力;③從貸款金額來看,如果新建的NSP生產線均配備余熱發電并假設由銀行提供50%的資金,每年也需要360億人民幣,這并不是一個小數目;④能效技術都屬于高新技術,金融機構缺乏對此技術認識,使得他們認為項目風險高,同時如果要對技術進行盡職調查需增加更多費用雇傭高級技術人員進行技術評估。因此,高昂的交易費用和借貸方專業技術知識的缺乏使得中小型私營企業很難從銀行中得到債務融資。如果要從政府獲得貸款,其程序非常復雜,包括上報、核實和批復。其中涉及到經貿委和發改委對整個流程進行監控。同時,水泥行業的發展很大程度上依賴于國家和地方的產業政策。《節能中長期專項規劃》(2004)鼓勵積極利用低溫余熱發電技術。然而此計劃沒有要求水泥廠回收利用低溫余熱尾氣,而只是促進利用水泥余熱發電技術。其它中國相關的法律和法規,如《清潔生產促進法》和《中華人民共和國節能法》也只是鼓勵而沒有從法規上要求余熱發電技術的使用。另外,中國政府限制銀行貸款利率。這個政策不鼓勵借貸給“基于風險”的工業能效項目。這種情形對于像余熱發電這樣的項目尤其不利,因為這種項目的風險被認為是較高的,原因是客戶常常缺乏信用記錄,銀行自身的能效項目經驗不足,而提供能源服務的公司又往往是缺乏財務信用的新公司。

盡管存在以上的一些政策實施障礙,但是對于余熱發電來說,補貼和貸款政策還是具有其可操作性,那就是設備的投資回收期短。以4 000 t/d的新型干法生產線配備9 000 kw的余熱發電裝置為例,考慮設備折舊、維護成本、勞動力成本和管理費用,每年的總投資達848萬元,而通過余熱發電可以在9年內全部收回。

面對以上的一些政策實施障礙,政府部門仍然做出了一定的努力,建立了節能專項資金,為節能企業提供補貼,金額為200元每t標煤,如果山東省2010年按照產業規劃的目標達到60%的余熱發電推廣度,就需要財政提供3.1億人民幣的支持,這占到了2006年整個山東財政收入的0.17%。

4 討 論

就水泥行業來說,目前國內的技術水平已經比較成熟,但是山東甚至是全國實際的技術水平與國外仍然存在很大的差距,也就是說,一些客觀的因素限制了這些先進的技術在國內的充分發展。資金問題是一個瓶頸,沒有充足的資金支持新技術不可能自然地將落后技術淘汰,因而進一步限制了新技術的市場化。同時還有一些隱性的成本存在,例如:余熱發電裝置的配備首先對新型干法生產線有規模上的要求,從技術經濟性上來考慮,目前一般都是配備在2 000 t/d以上規模的生產線上。因此不能只考慮單純的一項技術的成本。另外還有企業的決策成本等。為了使技術的推廣更具有可操作性,可以考慮進行相應的機制和能力的建設,爭取國內的資金支持,甚至是國際合作模式來克服資金障礙,實現軟技術轉讓。

致謝:本研究得到了來自山東發改委和建材辦的數據支持,在此表示感謝。

References)

[1]廖乃成.學八部委文件,論山東水泥工業發展[J].山東建材,2006,(06):3-9.[Liao Naicheng.Analysis of Cement Industry Development in Shandong Province after Learningfrom Document of Eight Ministries.Shandong Building Material[J],2006,(06):3-9.]

[2]王福江.關于山東水泥工業發展的思考[J].山東建材,2005,(01):4.[Wang Fujiang.Thought of the Development of Shandong’s Cement Industry[J].Shandong Building Material.2005,(01):4.]

[3]國家發展和改革委員會.國家重點行業清潔生產技術導向目錄(第二批).北京:國家發展和改革委員會,2003.[National Development and Reform Commission.Orientation Directory of Clean Production Technologies of National Key Industries(Second Batch).Beijing:National Development and Reform Commission,2003.]

[4]國家發展改革委.國家重點行業清潔生產技術導向目錄(第三批).北京:國家發展和改革委員會,2006.[National Development and Reform Commission.Orientation Directory of Clean Production Technologies of National Key Industries(Third Batch).Beijing:National Development and Reform Commission,2003.]

[5]Auffhammer M,Carson R T.Forecasting the Path of China’s CO2Emissions Using Province2level Information[J].Journal of Environmental Economics and Management,2008,55(3):229-247.

[6]Barker DJ,Turner S A,Napier2Moore,P A,et al.CO2Capture in the Cement Industry.Energy Procedia,2009,1(1):87-94.

[7]胡秀蓮,姜克雋.中國溫室氣體減排技術選擇及對策評價[M].北京:中國環境科學出版社,2001,5-109.[Hu Xiulian,Jiang Kejun.Evaluation and Choice of Technologies for China’s Greenhouse Gas Emission Reduction[M].Beijing:China Environmental Science Press,2001,5-109.]

[8]Price L K,Galitsky C.Oportunities forImproving Energy and Environmental Performance of China’s Cement K ilns.Berkeley,CA:Lawrence Berkeley National Laboratory,2006.

[9]周韋慧,陳樂怡.國外二氧化碳減排技術措施的進展[J].中外能源,2008,(3):7-13.[Zhou Weihui,Chen Leyi.Progress of CO2Emission Reduction Technologies&Measures Abroad[J].Sino2G lobal Energy,2008,(3):7-13.]

[10]欒健,陳德珍.二氧化碳減排技術及趨勢[J].能源研究與信息,2009,25(2):88-93.[Luan Jian,Chen Dezhen.Trends and Technologies for Carbon Dioxide Emission Reduction[J].Energy Research and Information,2009,25(2):88-93.]

Analysis for CO2Emission Reduction Potential in Shandong’s Cement Sector

MAO Zi2wei WANG Can CHEN Ji2ning
(Department of Environment Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Due to increasing demand of cement in Shandong province,the cement sector remains in rapid development for many years.Therefore,the cement sector in Shandongfaces to a huge pressure of CO2emission reduction as a fundamental industryof national economy and also as an energy2consuming sector.Meanwhile,the characteristic of technology itself determines the corresponding emission reduction potential,and the mitigation effect depends on the promotion degree of technologies.In the process of penetration,mitigation potential,costs,and relative supportive policies are keyfactors.In2depth analysisfor the implementation barriersof technologies and the predicted effectsof the actual emission reduction has an important significance.A LEAP2Shandong Cement model has been established here through long2term energy planning system software to simulate the CO2emissions and the corresponding reduction potential of cement industry of Shandong Province.Three scenarioes of baseline scenario,policy scenarios and technical scenario from 2007-2020 have been set up.By 2020,the CO2emission reduction potentials of policy scenario and technical scenario are 8.2%and 15.6%compared with the baseline scenario,respectively.The CO2emission reduction in cement industry in Shandong Province mainly dependson the substitution of kiln types and the promotion of advanced technologies.Waste heat cogeneration can be viewed as a key technology in the near future to improve the energy efficiency of cement production,which has significant environmental,economic and social benefits.

CO2emission reduction;cement sector;scenario analysis

X38

A

1002-2104(2010)03-0014-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.003

2009-09-29

毛紫薇,碩士生,主要研究方向為氣候變化領域行業減排方法。

國家十一五科技支撐項目(50578020)資助。

(編輯:王愛萍)