水泥行業(yè)環(huán)境影響評價(jià)低碳技術(shù)選擇與應(yīng)用

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.中國環(huán)境科學(xué)研究院

環(huán)境影響評價(jià)制度是我國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)境影響評價(jià)[2]，而CO2減排措施可行性論證是碳排放影響評價(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”期間國家應(yīng)對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]。中國是水泥產(chǎn)量最大的國家，2021 年全國水泥產(chǎn)量為23.63×108t，約占世界水泥總產(chǎn)量的56.82%[10]。在我國，水泥行業(yè)排放的CO2量僅次于電力行業(yè)，約占工業(yè)生產(chǎn)CO2排放總量的20%[11]。由此可見，在環(huán)評報(bào)告書中應(yīng)該明確提出低碳環(huán)保協(xié)同措施，充分發(fā)揮環(huán)評制度源頭防控溫室氣體作用。

水泥行業(yè)環(huán)境影響評價(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，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)過系統(tǒng)的評估，指導(dǎo)操作性不強(qiáng)。已有的對于水泥行業(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的。如Proa?o 等[24]使用Aspen Plus 對水泥工業(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)行了捕集效果的評估和經(jīng)濟(jì)評估。Zhang 等[25]綜合評價(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]采用德爾菲法、頭腦風(fēng)暴法以及關(guān)聯(lián)度分析法，從水泥市場需求、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]通過邊際減排成本曲線對水泥行業(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)沒有1 套針對低碳技術(shù)的評價(jià)體系，缺乏對技術(shù)的系統(tǒng)評估。因此，筆者參考相關(guān)技術(shù)評價(jià)文獻(xiàn)、溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南，經(jīng)過實(shí)地調(diào)研及德爾菲專家咨詢法選取水泥行業(yè)低碳技術(shù)評價(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)評價(jià)指標(biāo)體系，并對水泥行業(yè)低碳技術(shù)進(jìn)行評價(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，以期為我國水泥行業(yè)環(huán)境影響評價(jià)中低碳技術(shù)的選擇與應(yīng)用提供參考。

1 水泥行業(yè)產(chǎn)碳與低碳技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)

環(huán)境影響評價(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排放控制措施評價(jià)比選之前，梳理了國內(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)類型：1）低碳原料燃料替代類，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)能過程控制類，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，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，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

2 水泥行業(yè)低碳技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評價(jià)指標(biāo)的建立

為更好地應(yīng)對氣候變化，環(huán)境影響評價(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)籌開展CO2減排措施可行性論證和污染治理措施方案評價(jià)比選[30]。參考技術(shù)評價(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；通過德爾菲法咨詢專家意見不斷對指標(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)研對指標(biāo)進(jìn)行考察，確保指標(biāo)的可行性及指標(biāo)對應(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)選擇的評價(jià)指標(biāo)體系(圖2)。

圖2 水泥行業(yè)低碳技術(shù)選擇評價(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）、一級指標(biāo)（B）和二級指標(biāo)（C）構(gòu)成的梯階層次結(jié)構(gòu)。其中一級指標(biāo)包括技術(shù)評價(jià)指標(biāo)、低碳效果指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)，技術(shù)評價(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)二級指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)評價(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)二級指標(biāo)。

2.2 評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

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)的類型不同，其單位和數(shù)量級也不相同，故應(yīng)對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對于定量指標(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。

對于定性指標(biāo)，采用等級賦分法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，首先邀請水泥減排技術(shù)研發(fā)、評估等領(lǐng)域的專家對每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行等級評估，再根據(jù)等級進(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)過等級賦值法后的取值；xi為第i項(xiàng)指標(biāo)原始賦值。

對于定性指標(biāo)，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與賦分情況見表3。

表3 定性指標(biāo)的等級與分值情況Table 3 Evaluation criteria and assignment of qualitative indicators

2.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

層次分析法最早由美國的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)評價(jià)。運(yùn)用層次分析法來確定水泥行業(yè)低碳技術(shù)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)算過程采用yaahp 軟件。通過邀請15 位水泥行業(yè)環(huán)保低碳領(lǐng)域?qū)＜遥凑諏哟畏治龇ㄖ械? 分位標(biāo)度法對各評價(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)評價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，并對矩陣進(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各指標(biāo)相對于上一層次的權(quán)重，水泥行業(yè)低碳技術(shù)評價(jià)具體指標(biāo)的權(quán)重見表4。由表4 可見，一級指標(biāo)的權(quán)重排序?yàn)榈吞夹Ч笜?biāo)>技術(shù)評價(jià)指標(biāo)>經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)，二級指標(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)選擇評價(jià)指標(biāo)權(quán)重集Table 4 Weighted subclass of evaluation indicators for lowcarbon technology selection

3 水泥行業(yè)低碳技術(shù)評價(jià)比選

表2 中所列的低碳技術(shù)清單未經(jīng)過系統(tǒng)評估，亦無推薦的優(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)一步評價(jià)。這6 家水泥企業(yè)包括央企、國企、中外合資企業(yè)以及民營企業(yè)等全國性水泥集團(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

通過文獻(xiàn)調(diào)研以及多位專家的問卷調(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)的二級指標(biāo)得分情況（圖3～圖5）。從低碳效果來看（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)評價(jià)指標(biāo)來看（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)二級指標(biāo)得分情況Fig.3 Scores of secondary indicators of low-carbon effect indicators

圖4 技術(shù)評價(jià)指標(biāo)二級指標(biāo)得分情況Fig.4 Scores of secondary indicators of technical evaluation indicators

圖5 經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)二級指標(biāo)得分Fig.5 scores of secondary indicators of economic evaluation indicators

將3 個(gè)一級指標(biāo)的下屬各二級指標(biāo)得分求和再與對應(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、節(jié)能過程控制類技術(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)評價(jià)排名情況Table 8 Evaluation and ranking of low carbon technologies

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1) 參考相關(guān)技術(shù)評價(jià)文獻(xiàn)、水泥企業(yè)溫室氣體核算方法與報(bào)告指南，通過實(shí)地調(diào)研及德爾菲法咨詢專家意見建立了水泥行業(yè)低碳技術(shù)評價(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)二級指標(biāo)得分情況，從低碳效果來看，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)評價(jià)指標(biāo)來看，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、節(jié)能過程控制類技術(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)境影響評價(jià)中重點(diǎn)推薦的技術(shù)。低碳原料燃料替代類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。

4.2 建議

(1) 大力推薦能源綜合利用類和粉磨環(huán)節(jié)過程控制技術(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)生二噁英的問題。

(4) 隨著科技的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)越來越成熟，未來水泥行業(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。