清潔生產技術削污效果評估方法與案例研究

王志增，但智鋼*，王圣，史菲菲，高武斌，張海燕，段寧

1.中國環境科學研究院，重金屬清潔生產工程技術中心，北京 100012 2.國電環境保護研究院，江蘇 南京 210031

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清潔生產技術削污效果評估方法與案例研究

王志增1，但智鋼1*，王圣2，史菲菲1，高武斌1，張海燕1，段寧1

1.中國環境科學研究院，重金屬清潔生產工程技術中心，北京 100012 2.國電環境保護研究院，江蘇 南京 210031

清潔生產技術從源頭削減污染物的產生量，是清潔生產的核心。目前，國家將減排措施分為結構減排、工程減排和管理減排，但僅考核清潔生產中高費方案的減排效果，按清潔生產改造費用高低核算清潔生產減排效果的做法，削弱了清潔生產技術在減排中的重要作用。準確客觀評價長周期條件下工業行業清潔生產技術的削污貢獻，對認識清潔生產的長期減排規律和作用具有重要意義。通過建立清潔生產技術削污效果模型，計算火電行業1950—2013年清潔生產技術削污和末端減排技術減排效果。結果表明：64年間清潔生產技術削減SO2累計達3.17億t，是末端治理的2.3倍。從發展趨勢看，中國火電行業末端減排技術的減排潛力已接近極限，而未來通過清潔生產技術的削污作用仍將持續增加。因此，強化清潔生產技術的研發、推廣力度，是我國實現污染減排長期目標的必然選擇。

清潔生產；削污效果評估；污染防治戰略；火電行業

長期以來，我國通過大力推行末端治理設施以達到減少污染物排放量的目的。“十一五”期間，我國用于主要污染物減排的總投資約8 610億元，社會環保投資超過2萬億元[1]。然而，大量的環保投資并沒有帶來環境質量的明顯改善，如大氣環境方面，傳統煤煙型污染尚未解決，由煙塵、粉塵、硫氧化物、氮氧化物和揮發性有機物等導致的灰霾污染又全面爆發。導致出現如此嚴峻而復雜環境形勢的原因很多，其根本原因是工業行業主體工藝技術清潔生產水平低，不清潔生產的重復產能大量存在，生產過程產生的污染物濃度過高、數量過大。發達國家減排治污的經驗表明[2-4]：要從根本上提高環境質量，削減污染物產生量是重點。但目前我國還沒有科學、準確和系統反映清潔生產技術削污效果的方法，筆者通過實例總結了清潔生產技術的核心特征，建立了清潔生產技術削污效果評估模型，并以火電行業為例，計算了1950—2013年清潔生產技術和末端治理技術對SO2減排的貢獻，提出了定量評價工業行業清潔生產技術削污貢獻的方法，以期為認識清潔生產的長期減排規律和作用，為我國污染防治中長期戰略的制定提供科學方法。

1 清潔生產技術的特征和判定方法

1.1 清潔生產技術的主要特征

清潔生產技術是通過原材料和能源的調整替代、工藝技術的改進、設備裝備的改進、過程控制的改進、廢棄物的回收利用和產品的調整變更等措施，達到污染物的源頭削減及過程控制，提高資源利用效率，減少或避免生產和產品使用過程中污染物的產生和排放，以減輕或消除對人類健康和環境危害的技術[5]。

清潔生產技術是將污染物消滅在產生之前，在我國工業污染減排工作中發揮了巨大的作用。火電行業是我國最大的SO2排放源，從建國初期的低溫低壓發電技術，發展到現在超超臨界技術，主體發電技術的清潔生產水平不斷提高，電能煤耗從590 g(kW·h)降低到278 g(kW·h)，SO2產生量減少54.2%；造紙業制漿過程COD產生量大、污染物濃度高、治理難度大，以堿回收和氧脫木素技術為代表的清潔生產技術分別可以削減蒸煮工序制漿黑液90%的COD產生量和漂白工序白液50%的COD產生量；化工行業工藝復雜、污染物種類多、產生量大，其清潔生產技術可以通過提高原料轉化率等路徑，大幅削減污染物產生量，甚至可完全消除一種或多種污染物[6]；電解錳行業重金屬水污染過程減排成套工藝平臺等清潔生產技術的研發和應用，從源頭削減80%的廢水產生量，一次性、整體性地解決了電解過程中重金屬廢水污染問題，配套廢水循環回收利用技術，可實現廢水“近零排放”[5,7]；皮革制造行業近年來研發的閉合式制革清潔生產技術不但改變了傳統工藝廢水難以達標的狀況，還實現了廢灰液污染物濃度降低70%，廢鞣液中的鉻全部回用無鉻排放，60%生產廢水回用于制革生產的目的，有效地減輕了制革過程對環境的污染[8]。

綜上所述，清潔生產技術最核心的特征是顯著的削污能力，即針對某項污染物，清潔生產技術單位產品污染物產生強度明顯低于生產相同產品的行業一般生產技術。

1.2 工業行業清潔生產技術判定

目前清潔生產技術的判定方法包括綜合評價、指標權重和專家經驗評價等[9-10]，評價過程需主觀確定的指標和因素比較多，且評價過程復雜。本文僅根據技術具備清潔生產技術的核心特征與否來判斷是否為清潔生產技術，即在選定的研究周期內，周期起點的技術為一般生產技術(基準技術)，對比擬比較技術與基準技術單位產品污染物產生強度，減降比例達到一定閾值的技術即為某行業的清潔生產技術。其中，閾值應根據行業、產品的具體技術的應用情況確定。清潔生產技術的判定方法不是本文研究的重點。

篩選、判定清潔生產技術需要對產品的生產工序進行分析，明確產品-工序-技術之間的邏輯關系。針對同種產品，劃分不同的生產工序，將各工序生產技術分為主體工藝生產技術和輔助工藝生產技術2個層次(圖1)，并分類調查不同技術的原理、產污強度和產能覆蓋度等信息。

注：主體工藝技術主要指技術指標有顯著提升或者工藝路線有明顯改變的技術；輔助工藝技術是指有助于提升主體工藝技術 指標的技術，輔助工藝技術可以應用于一類或多類主體工藝技術。圖1 工業行業工序與技術對應關系Fig.1 Correspondence between the industry process and the technology

2 清潔生產技術削污效果評估

2.1 現有評估方法及存在的問題

清潔生產技術在實施清潔生產戰略中占據核心地位，但目前我國側重清潔生產管理體系的發展[5]，與國外相比，我國清潔生產技術發揮的作用還有很大差距，非常重要的原因就是我國目前缺乏清潔生產技術的削減規律與效果評估的研究理論和方法。

現有成果多以10～20 a為研究區間，采用國家或區域層面宏觀數據，將該時期內的污染減排量分配給規模效應、結構效應、清潔生產技術效應和末端治理效應等變量，對清潔生產技術和末端治理技術的削減貢獻進行反向分配或測算[11-15]，無法反映技術層面具體技術的削污貢獻，也具有一定的主觀性。構建以技術產污強度和產能覆蓋度為核心的清潔生產技術削污效果評估模型，對于分析清潔生產技術削污作用和末端治理技術減排作用，厘清各自貢獻占比及演變規律具有重要的現實意義。

2.2 清潔生產技術削污效果評估模型

清潔生產技術削污效果用清潔生產技術削污量表征。清潔生產技術削污是由于清潔生產技術替代基準技術而產生，其削污量是理論產污量與實際產污量之差，平衡關系模型見圖2。

圖2 清潔生產技術削污效果評估模型Fig.2 Model for pollution reducing effects from cleaner production technologies

由圖2可知，左柱為第i年生產全部產品均采用基準技術生產時，理論上產生的污染物量。中柱是第i年生產全部產品由清潔生產技術逐漸替代基準技術時清潔生產技術削污效果，實際產污量由清潔生產技術產污量和沒被替代的基準技術的產污量兩部分組成；根據模型平衡關系，可得清潔生產技術削污量(ΔQCPT)為：

(1)

污染物產生后，無論企業采用基準技術還是清潔生產技術，均需要配備必要的末端治理設施，進一步減少污染物的排放量。考慮末端治理后，由于末端治理技術對基準技術的產污和清潔生產技術產污均有減排效果，基準技術產污量和清潔生產技術產污量分別等于各自末端治理技術減排量和實際排放量之和(圖2右柱)，即：

(2)

式中：QEMI為第i年污染物排放量；QEPT為第i年末端治理技術減排量。

3 火力發電行業清潔生產技術削污效果評估

火電廠是我國SO2最大的排放源，自發布環境統計數據以來，其排放量占工業排放源的比例一直在35%以上，并連續多年持續上升[16]。在火電廠主體工藝技術不斷進步、供電煤耗水平不斷下降，脫硫設備裝機容量不斷擴大、脫硫量穩步提高的雙重作用下，2006年，我國火電行業實現裝機容量和發電量持續增長、SO2排放量逐年下降的轉折[17]。為準確比較1950—2013年火電行業清潔生產技術和末端治理技術對SO2減排的相對貢獻，利用圖2所述評估模型，對火電行業清潔生產技術削污效果進行了評估，定量比較了清潔生產技術和末端治理技術對火電行業SO2減排的貢獻。

3.1 火電行業清潔生產技術判定

燃煤發電機組主要由鍋爐、汽機和發電機組成。煤炭運輸進廠后經輸煤系統和制粉系統送至鍋爐燃燒，鍋爐產生的蒸汽推動汽輪發電機組發電，產生的電能接入廠內配電裝置，由輸電線送出。SO2產生于煤炭在鍋爐的燃燒過程，隨鍋爐產生的煙氣進入尾部煙道，經省煤器、空氣預熱器及脫硫設施后通過煙囪排入大氣(圖3)。

圖3 燃煤機組發電工藝技術關系Fig.3 Correspondence between the process and the technology in thermal power industry

長期以來，火電行業清潔生產技術的研發、推廣取得了很大的成績，在主體工藝技術方面，以蒸汽參數提高為代表的發電技術持續發展，目前已達到世界先進水平；在輔助工藝技術方面，空氣預熱器改造、低耗能點燃和高頻變壓等技術在節能減排工作中也發揮了一定的作用。與主體清潔生產技術相比，輔助工藝技術SO2削減占比非常少，如汽輪機改造、低溫省煤器等輔助工藝技術與中溫中壓發電技術相比，其削污能力不足后者的10%，為簡化計算，本文以火電行業主體工藝技術為研究對象。

1950年以來，火力發電的主體工藝技術大致經歷了低溫低壓、中溫中壓、高溫高壓、高溫超高壓、亞臨界、超臨界和超超臨界發電技術7個階段，以低溫低壓發電技術為基準技術，其他技術對SO2產生量的減降比例為13.14%～54.24%(圖4)，滿足清潔生產技術的判定基本原則。

圖4 不同火力發電技術SO2產生強度和減降比例Fig.4 SO2 emissions intensity and reduction ratio under different thermal power technology

3.2 模型參數

確定基準技術和清潔生產技術不同年份的發電量是研究的難點。建國初期，我國火電發電機組以低溫低壓和中溫中壓發電技術為主；到20世紀60、70年代，高溫高壓和高溫超高壓發電技術開始普及；至80、90年代亞臨界發電技術大范圍應用；進入21世紀以來，隨著環保要求日益嚴格，以及新材料的開發成功，超臨界和超超臨界發電技術得到了快速的發展。本文結合文獻調研、專家咨詢和技術普及模型模擬等方法，獲得基準技術和清潔生產技術不同年份各自的發電量[17-19]。不同技術電煤單耗按表1取值，火電行業動力煤平均含硫量按1.5%取值。

表1 不同火力發電技術電煤單耗Table 1 Coal consumption of different thermal power techniques g(kW·h)

表1 不同火力發電技術電煤單耗Table 1 Coal consumption of different thermal power techniques g(kW·h)

低溫低壓中溫中壓高溫高壓高溫超高壓亞臨界超臨界超超臨界590512.5391317296284278

根據環境保護部《2006—2013年環境統計年報》和我國火電行業脫硫工程的發展歷程，得到我國火電行業平均脫硫效率的變化情況[17]。

3.3 評估結果

根據2.2節建立的清潔生產技術削污效果評估模型，結合火電行業SO2產生特點，采用圖5所示的計算方法，逐年計算1950—2013年火電行業清潔生產技術削污量、削污效率，末端治理技術減排量、減排效率，計算結果見表2、圖6和圖7。

圖5 火電行業SO2減排規律計算方法示意Fig.5 Calculation method schematic of SO2 emissions law in thermal power industry

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圖6 火電行業SO2削污量、減排量和排放量變化Fig.6 Variation trend of SO2 reduction quantity, emission reductions and discharge amount in thermal power industry

圖7 火電行業清潔生產技術削污效率與末端 治理技術減排效率變化趨勢Fig.7 Variation trend of emission reduction efficiency of technological progress and the end of the treatment technology in thermal power industry

4 結果與討論

(1)以技術產排污強度和技術覆蓋度為核心建立了直接評估技術削污效果的模型和定量計算方法。可以準確計算清潔生產技術削污量和末端治理技術的減排量，對比清潔生產技術和末端治理技術對污染減排的貢獻，對認識清潔生產的長期減排規律和作用具有重要意義。

(2)清潔生產技術的削污量貢獻遠超過末端治理技術。對火電行業1950—2013年的數據分析結果表明，若技術水平維持在1950年水平，我國SO2產生量預期將累計高達7.11億t，期間清潔生產技術SO2累計削污量為3.17億t，末端治理技術SO2累計減排量為1.37億t，最終SO2實際累計排放量為2.57億t。清潔生產技術SO2累計削減量是末端治理技術的2.3倍，占SO2削減量和減排量的69.7%。

(3)清潔生產技術削污潛力大于末端治理技術。我國火力發電行業清潔生產技術削污效率和末端減排技術的減排效率均呈持續增加趨勢，20世紀90年代以來，中國火電行業清潔生產技術削污效率持續提高，2013年達到47.83%，且尚處于穩步增長階段；末端治理技術經過近10年的快速發展，在污染減排工作中發揮了重要作用，到2013年，減排效率達41.89%，但受理論脫硫效率限制，其減排效率增速明顯變緩，減排潛力已接近極限。從長期趨勢看，未來中國火電行業應在保證末端治理技術充分發揮減排作用的前提下，重點提升行業整體的清潔生產技術水平。

5 結語

國家將減排措施分為結構減排、工程減排和管理減排，但清潔生產技術的削污貢獻不明，僅考核清潔生產中高費方案的減排效果，按清潔生產改造費用高低考核清潔生產減排效果的做法，削弱了清潔生產技術在減排中的重要作用。通過對火電行業的案例分析可以看出，進一步提高清潔生產技術的削污效率是我國工業行業實現最終污染減排長期目標的必然選擇。國家應出臺有效的經濟政策和產業政策，有序推動清潔生產技術研發、應用；充分發揮企業和科研單位清潔生產技術研發的積極性，重視跨行業和領域的無害化生產工藝、資源高效利用和廢物綜合利用等共性清潔生產技術的研發和應用，以行業技術升級作為污染減排的重要手段，從根本上改變我國目前所面臨的嚴峻環境形勢。

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Assessment Methods and Case Studies of Pollution Reducing Effects from Cleaner Production Technologies

WANG Zhizeng1, DAN Zhigang1, WANG Sheng2, SHI Feifei1, GAO Wubin1, ZHANG Haiyan1, DUAN Ning1

1.Technology Center for Heavy Metal Cleaner Production Engineering, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China

The cleaner production technology is the core of cleaner production for reducing the generation of pollutants from the source. Currently, according to the national administration, emission reduction measures were divided into structural emissions reduction, engineering emissions reduction and management emissions reduction. In this regime, only the effect of middle and high cost projects of cleaner production was estimated, weakened the important role of cleaner production technologies. It is of great importance in understanding the role of long-term reduction rule of cleaner production to estimate the pollution reduction contribution from cleaner production technology in the long-period conditions accurately and objectively. The model of pollution reducing effects by cleaner production technology was established, and the pollution emissions reduction by cleaner production technologies in the thermal power industry from 1950 to 2013 was calculated. It shows that in 64 years, cleaner production technologies had reduced 317 million tons of SO2totally, which was 2.3 times of the end-of-pipe treatment. As far as development trend concerned, the potential of the end-of-pipe emission reduction technology in China thermal power industry has approached the limit, the role of reducing pollution of the cleaner production technology will continue to increase in the future. Therefore, it is the inevitable choice to strengthen R&D and promotion of cleaner production technologies for achieving China′s long-term goal on pollution reduction.

cleaner production; pollution reducing effects assessment; pollution prevention strategies; thermal power industry

2015-10-19

中國工程院院士咨詢項目(2015-06-XY-18)

王志增(1982—)，男，助理研究員，博士，主要從事清潔生產有關的理論方法研究，wangzhizeng_1982@163.com

*責任作者:但智鋼(1979—)，男，副研究員，博士，主要從事清潔生產方法、清潔生產實施效果評價及清潔生產技術研發，dash_2001@163.com

X38

1674-991X(2016)03-0284-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.042