工業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，石應杰

中國環境科學研究院，北京 100012

全球氣候變化是21 世紀人類共同面臨的重大挑戰，削減人為CO2排放量是大勢所趨。隨著中國工業化、城市化進程的加快，能源、資源短缺及環境污染等問題日益嚴重，要想實現科學發展，加快轉變經濟發展方式，必須走低消耗、低排放、高效益、高產出的新型工業化道路［1］。

那開花的東西叫沙蔥。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。它細細的，有圓珠筆芯那么粗，筷子那么長。新鮮的沙蔥帶白霜，幾乎沒有蔥白。長在沙地里，割一茬，長一茬，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

中國政府一直高度重視應對氣候變化工作，早在1994年就制定了《中國21 世紀議程》，將“控制溫室氣體排放”作為重要任務。2009年中國政府確定了“到2020年單位GDP 的CO2排放比2005年下降40% ～45%”的減排目標，并將該目標“作為約束性指標納入國民經濟和社會發展的中長期規劃”［2］，在“十二五”規劃綱要中進一步明確提出，在今后5年中要實現“單位GDP 的CO2排放降低17%”的減排目標［3］。

1 工業廢氣與碳排放的相關性

近10年來中國不斷加大廢氣治理力度，脫硫、脫硝等廢氣治理設施逐漸普及，全國二氧化硫和氮氧化物排放量先后開始下降［4］，但工業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，限于中國的能源供給結構，大規模替代化石能源在短期內還難以實現，而CO2捕集和儲存技術由于能耗很高［5］，尚難以推廣應用，因此CO2的減排主要依靠提高能源使用效率［6］，其中降低工業廢氣排放量是一個重要的卻往往被忽視的手段。工業廢氣按照性質不同可以分為燃燒煙氣和工藝廢氣兩大部分，對于燃燒煙氣來說，排煙的熱損失是工業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，就可以有效減少設備熱損失，達到節能減排的效果;對于工藝廢氣來說，除了熱損失因素外，減少廢氣排放量還意味著提高設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用和能耗，進一步減少了碳排放。

圖1 顯示中國碳排放量和工業廢氣排放量的逐年變化。其中，工業廢氣排放量數據來自《中國環境統計年報》［7］，碳排放量數據參考相關學者的研究資料［8］。

圖1 中國碳排放量和工業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，中國的碳排放量與工業廢氣排放量具有很高的相關性，其相關系數達到0.987，因此降低廢氣排放量對于實現既定的節能減排目標具有重要意義。

2 工業廢氣再利用理念與指標

自從進入工業時代，如何高效地利用能源，成為工業領域受人關注的問題，并為此開發出了“省煤器”、“余熱鍋爐”等廢氣余熱再利用設備。但是這些工藝設備的出發點只停留在節省能源和獲取經濟利益上，并非是為了廢氣排放量和污染物的減排。進入21 世紀以來，中國工業實現了前所未有的高速發展，與2000年相比，2010年工業廢氣排放量和碳排放量分別增長了2.76 和1.42 倍，廢氣排放量的快速增長抵消了廢氣治理的成果，大氣污染問題不但沒有緩解，反而呈加重的趨勢。嚴峻的污染形勢迫使人們反思現行的大氣污染治理，對此，部分學者開始關注削減廢氣排放量的問題，提出開展工業廢氣再利用的理論研究與實踐應用。

工業廢氣再利用是將生產設備排放的廢氣回收用于生產過程，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凈化處理后排放到環境中。通常工業廢氣的再利用分為循環利用和階梯利用2 種:循環利用是指回用于產生廢氣的生產過程本身(圖2(a));而階梯利用是指回用于其他生產設備(圖2(b))。

圖2 工業廢氣的再利用模式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，小小的墳堆像個扁扁的饅頭，臥在蓬亂的荒草中，冷冷清清的。夜風吹過，幾莖瘦草在墳頭不停地搖擺，那是你在向娘招手嗎？將后的日子，娘再也不能來看你了。清明中元，娘也不能給你燒紙錢了，你要是冇得錢用，就給你父托個夢呵。

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

同理，對于廢氣熱值再利用的碳減排計算如下:

3 工業廢氣再利用的碳減排計算方法

除了電解鋁之外，電石、焦炭、有機化工等行業的廢氣均可以利用電站鍋爐進行處理，充分利用電力行業配備了先進的脫硝、脫硫及除塵系統的優勢，可極大降低污染、降低生產成本、節約能源。

以利用廢氣中的余熱為例，根據能量平衡的原理，如果忽略采用廢氣與采用空氣對設備能源利用效率的微小影響，則采用廢氣再循環時節省的能量消耗應等于廢氣中帶入的能量，再考慮廢氣再利用輸送過程的能源消耗以及節約的廢氣治理能耗，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為節約燃料的CO2排放因子;K1為余熱再利用有效系數，無量綱;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 為環境溫度，℃;qa為節約燃料的熱值，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對數據進行統計學分析。荷瘤鼠體質量、抑瘤率、AI以及HE染色結果等計量數據采用 表示，多組數據組間分析應用單因素方差分析，每兩組間數據分析應用SNK-q法，組內數據正態性檢驗采用W檢驗。檢驗水準α=0.05(雙側)。

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

公園不僅是市民休閑游憩的開放性活動場所，也是城市文化的傳播場所，因此公園對房價也具有一定影響作用。在圖1中可知，在西南部區域公園對房價的影響程度比較高，這是由于該區域綠化環境比較缺乏，因此公園對居民的居住質量更加重要，公園的建立對小區房價起到積極推動作用。

同理，對于廢氣余壓再利用的碳減排計算公式如下:

為了考察生產企業、工業園區乃至更大區域的工業廢氣再利用水平，需要引入定量的評價指標。參考國內相關行業的經驗，建議采用工業廢氣再利用率(η)作為評價指標:

由表2 可知，采用梯級利用對于電解鋁和自備電廠來說，可以達到綜合碳減排1.9%的效果，同時還能更有效地控制SO2和氟化物污染，是極具前途的工業廢氣梯級利用發展方向。

4 典型行業廢氣再利用技術

4.1 鋼鐵行業

燒結機是鋼鐵行業的廢氣排放大戶和污染大戶，為削減燒結機廢氣排放和控制污染，燒結機廢氣循環技術逐漸興起。燒結廢氣循環利用技術是將燒結過程排出的一部分載熱氣體返回燒結點火器以后的臺車上再循環使用的一種燒結方法，即可回收燒結煙氣的余熱，提高燒結的熱利用效率，又能降低燃料消耗［9］。1981年日本住友金屬工業株式會社首先開展燒結機廢氣循環的生產試驗，經過不斷發展創新目前主要有EOS(emission optimized sintering)技術、LEEP(low emission ＆ energy optimized sinter production)技術、EPOSINT (environmental process optimized sintering)技術、區域性廢氣循環和燒結廢氣余熱循環技術等(圖3 和表1)［10］，目前我國僅寶鋼集團寧波鋼鐵公司在430 m2燒結機上成功應用了該技術［11］。

圖3 不同燒結機廢氣循環利用技術ig.3 Waste gas recycling model of different sintering machines

表1 不同燒結廢氣循環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

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

其次，在做好機械設備的質量要求和技術標準考慮之外，還要做好企業自身經濟能力的考慮。在設備選擇過程中，不能夠過于追求高技術標準，盡量選擇性價比較高的設備。同時還要按照實際的情況，對施工過程中相關零部件可能出現的損耗問題進行分析，以保證設備在應用過程中的配件充足，減少不必要的浪費。

圖4 水泥窯三次風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

火電行業是中國最大的CO2排放部門，燃煤的火電機組占全國總裝機容量的70%以上，電力行業實現低碳化發展是中國經濟向低碳化轉型的關鍵［15］。與前述工業部門不同，火電行業生產流程短、工藝簡單、技術成熟，實現內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，且具備最為優良的污染控制措施，因此火電行業利用其他行業廢氣的潛力巨大，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可觀［16］。目前電解槽廢氣干法脫氟已有廣泛應用［17］。為進一步削減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，直接送入企業自備電廠或周邊發電廠作為助燃空氣使用，實現廢氣的梯級利用［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15 ×104t 電解鋁生產線和配套3 ×135 MW 自備電廠為例，對其碳減排效果進行分析測算。

水泥行業是CO2排放大戶［12］，存在大量可利用的高溫高氧廢氣，合肥水泥研究設計院、丹麥史密斯公司(FLSmidth ＆ Co. A/S)等單位開展了水泥窯協同處理生活垃圾和市政污泥技術研究［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，焚燒后的高溫煙氣進入分解爐，所不同的是合肥水泥研究設計院采用回轉窯焚燒生活垃圾(圖4(a))，丹麥史密斯公司工藝則采用熱盤爐(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窯助燃空氣，同時消除惡臭污染［14］。上述工藝均實現了水泥窯等廢氣再利用，減少了設備投資，且具有節能效果，但目前合肥水泥研究設計院的工藝僅在四川開展過應用示范，丹麥史密斯公司的熱盤爐工藝已在挪威一家1 600 t/d 的水泥生產線上投入運行，主要是燃燒可燃垃圾(如汽車輪胎、電話機插板等)。

方案二:梯級利用方案。電解鋁廢氣采用干法凈化后，大部分廢氣供電廠助燃，少部分廢氣通過自建煙氣脫硫裝置，電廠脫硫效率按95%計，自建脫硫效率按50%計，SO2均可實現達標排放。

式中:K3為廢氣余壓再利用有效系數，無量綱;pr為再利用廢氣余壓，Pa。

表2 電解鋁廢氣梯級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

通常生產線或企業的碳排放計算采用排放系數法，即統計生產單元的能源消耗和物料進出量，根據排放系數計算其碳排放數值，但該方法在計算廢氣再利用的碳減排時，既不方便也不能直觀地了解再利用對碳減排的貢獻，因此在計算廢氣再利用的碳減排效果時，需要對排放系數法進行簡化和改進。

5 廢氣再利用的碳減排前景分析

根據國家統計局的GDP 統計數據和CO2排放預測數據，按照國家中長期規劃確定的CO2減排目標，結合以上工業廢氣再利用技術到2020年可能的普及率，預計各廢氣再利用技術的CO2減排對全國CO2減排的貢獻情況見表3 ～表5。

表3 中國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 中國實現不同CO2 排放目標的CO2 減排量測算Table 4 The CO2 emission reduction calculation to reach different CO2 emission target in China

表5 中國主要工業行業的廢氣再利用CO2 減排貢獻Table 5 The CO2 emission reduction contributions of industrial waste gas recycling in China

綜上所述，僅主要工業行業的廢氣再利用技術對實現中國CO2減排目標的貢獻就接近1/4，而且煙氣再利用技術相對簡單，實施效果明顯，對于減少煙氣量排放和CO2排放具有重要作用，應作為實現2020年減排目標的重要技術途徑，大力推廣發展。

6 結論和建議

(1)中國的碳排放量與工業廢氣排放量具有很高的相關性，近年來工業廢氣量的迅速增長，抵消碳減排的成果，并造成了嚴重的大氣污染，因此削減工業廢氣排放量實現工業廢氣再利用勢在必行。

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

2.6.3 糖尿病患者 對前列腺增生患者應重視是否有伴有糖尿病。入院時需詢問患者有無糖尿病以及相關用藥情況，并在病史中予以記錄。術前應進行血糖、糖化血紅蛋白、血尿酸、肝腎功能等評估。注意飲食調節、血糖監控，圍手術期間積極維持原代謝疾病的藥物治療，必要時與相關科室聯系進行相關藥物的劑量調整。

(3)工業廢氣再利用的碳減排可依據廢氣帶入的能量進行推導計算，通常再利用余熱、余壓情況下，工業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，國內外已經開展了廢氣循環的研究和工業化應用，但還未形成系統的工業廢氣再利用理念，需要今后不斷深入開展研究和創新，實現工業現代化和低碳化發展。

(5)在工業廢氣跨行業再利用時，如水泥窯協同處理生活垃圾和市政污泥，電解鋁、有機廢氣階梯利用于火電廠，應制定跨行業的優惠財稅政策，打破部門利益糾葛，促進跨行業再利用發展。

按照WHO關于藥物評價的推薦意見，ICER小于1倍人均GDP時，可認為增加的成本是完全可以接受的。根據本研究的結論，采用阿司匹林進行CVD一級預防的ICER僅為3 401.686元/QALY，遠低于我國的人均GDP。因此，采用阿司匹林進行CVD一級預防是具有藥物經濟學優勢的。

(6)主要工業行業的廢氣再利用技術對實現中國CO2減排目標的貢獻就接近1/4，對于減少CO2排放具有重要作用，廢氣再利用技術應作為實現2020年CO2減排目標的重要技術途徑，大力推廣發展。

農戶心理認知：農地流轉有無實際作用對土地轉入影響為負，影響顯著，與農戶土地轉出意愿相反，農戶更傾向于土地流入。

［1］ 科學技術部，中國氣象局，中國科學院，等. 第二次氣候變化國家評估報告［M］.北京:科學出版社，2011.

［2］ 國務院辦公廳.國務院常務會研究決定我國控制溫室氣體排放目標［EB/OL］. (2009-11-26)［2015-03-13］. http://www.gov.cn/ldhd/2009-11/26/content_1474016. htm.

［3］ 新華社.中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要［EB/OL］.(2011-03-16)［2015-03-13］. http://www.gov.cn/2011lh/content_1825838. htm.

［4］ 田其云，黃彪.我國污染物總量控制制度探討［J］.環境保護，2014，42(20):42-44.

［5］ MURPHY J T，JONES A P. DOE/NETL’s carbon capture R＆D program for existing coal-fired power plants［R］. Washington DC:OE/NETL，2009.

［6］ XU J H，FAN Y，YU S M.Energy conservation and CO2emission reduction in China' s 11th Five-Year Plan:a performance evaluation［J］.Energy Economics，2014，46(1):348-359.

［7］ 環境統計年報:1998—2012［M］. 北京:環境保護部，1998-2012.

［8］ 杜強，陳喬，陸寧.基于改進IPAT 模型的中國未來碳排放預測［J］.環境科學學報，2012，32(9):2294-2302.

［9］ 劉文權.燒結煙氣循環技術創新和應用［J］.山東冶金，2014，36(3):5-7.

［10］ GIELEN D，MORIGUCHI Y.CO2in the iron and steel industry:an analysis of Japanese emission reduction potentials［J］. Energy Policy，2002，30(10):849-863.

［11］ 胡兵，賀新華，王兆才，等.煙氣循環燒結過程風氧平衡［J］.鋼鐵，2104，49(9):15-20.

［12］ XU J H，FLEITER T，FAN Y，et al. CO2emissions reduction potential in China’s cement industry compared to IEA’s cement technology roadmap up to 2050［J］. Applied Energy，2014，130(1):592-602.

［13］ 朱大來，宋立華.目前水泥廠協同處理城市生活垃圾的幾種方式［J］.中國水泥，2010(7):47-48.

［14］ 張國亮，趙向東.利用水泥窯處置垃圾焚燒飛灰和市政污泥技術［J］.中國水泥，2011(8):188-192.

［15］ 毛永清. 中國電力行業實現低碳化發展的途徑與措施研究［D］.北京:華北電力大學，2012.

［16］ 王捷. 電解鋁生產工藝與設備［M］. 北京:冶金工業出版社，2010.

［17］ VENDETTE H，DANDO N，MORAS A，et al. Alumina dryscrubbing technology:development of a cascade feeding system for improved capture efficiencies［C］//SORLIE M. Light metals 2007:aluminum reduction:volume 2. Hoboken:John Wiley ＆Sons，2010:187-192.

［18］ DU J J，ZENG P，LONG H Y，et al. The study on the new technology of exhaust gas cascade utilization from electrolytic aluminum industry［C］//LIU Z L，DONG X F，LIU Z T.Advanced materials research，environmental protection and resources exploitation II. Pfaffikon:Trans Tech Publications Ltd，2014:891-894.

［19］ 岳超，王少鵬，朱江玲，等.2050年中國碳排放量的情景預測:碳排放與社會發展Ⅳ［J］.北京大學學報:自然科學版，2010，46(4):517-524. ?