淮北新型墻體材料生產(chǎn)生態(tài)效率與碳排放研究

淮北新型墻體材料生產(chǎn)生態(tài)效率與碳排放研究

建筑是能源消耗的主要部門之一，也是碳排放的主要原因之一。建筑能耗占中國能源消耗總量的25%左右,占全世界能源消費(fèi)總量的40%左右;建筑環(huán)節(jié)對歐盟碳排放的貢獻(xiàn)率接近50%;建筑占印度最終需求所產(chǎn)生碳排放的比例最高,達(dá)到17%。建筑環(huán)節(jié)的能耗、污染物排放主要來自于建筑材料的生產(chǎn)、建筑施工、建筑運(yùn)行使用、建筑拆除及建筑垃圾處理等階段。墻體材料是主要的建筑材料之一,墻體材料生產(chǎn)能耗占建材工業(yè)能耗的35%左右,全國燒磚所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤約7280萬t,占全國煤炭產(chǎn)量的3.4%左右(2005年)。中國的傳統(tǒng)墻體材料中以粘土磚占主導(dǎo)地位,粘土磚生產(chǎn)過程中消耗大量的煤炭資源和粘土資源,其能源效率和資源效率較低。為節(jié)約粘土資源,政府禁止使用粘土磚;并鼓勵(lì)利用固體廢物生產(chǎn)新型墻體材料,以逐漸替代粘土磚。煤矸石、粉煤灰是國內(nèi)用于制造新型墻體材料的常見工業(yè)固廢;煤矸石主要來自于煤炭開采過程;粉煤灰來自于煤炭燃燒過程。煤矸石、粉煤灰的資源化利用已達(dá)到一定的規(guī)模,2007年國內(nèi)煤矸石磚年產(chǎn)量已達(dá)200億塊。建筑材料生產(chǎn)過程的碳排放不容忽視,建筑材料生產(chǎn)階段的碳排放占建筑生命周期碳排放的16%左右。碳排放也是評價(jià)建筑材料環(huán)境表現(xiàn)的重要指標(biāo)。已有的關(guān)于新型墻體材料的研究較多,但較少關(guān)注將工業(yè)固體廢物資源化用于墻體材料生產(chǎn)的能源效率、資源效率和碳排放。生態(tài)效率是評價(jià)能源效率、資源效率和可持續(xù)發(fā)展的有效工具。世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)(WorldBusinessCouncilforSustainableDevelopment)的定義為:生態(tài)效率是在以具有價(jià)格競爭力的產(chǎn)品和服務(wù)滿足人類需求和提高生活質(zhì)量的同時(shí),逐步降低生命周期的環(huán)境影響和資源消耗強(qiáng)度,以與地球的承載力相適應(yīng)。生態(tài)效率應(yīng)用于不同層次:1)產(chǎn)品層次上,生態(tài)效率用于評價(jià)產(chǎn)品對資源、能源的使用效率和污染物減排的邊際成本,如,對家具生產(chǎn)的生態(tài)效率分析,對瓷磚制造過程中廢氣過濾裝置的生態(tài)效率分析;2)行業(yè)層次上,生態(tài)效率用于分析某一行業(yè)在不同發(fā)展階段的物質(zhì)投入效率、單位產(chǎn)品的污染物產(chǎn)生量,如,不同國家水泥行業(yè)的生態(tài)效率分析,不同時(shí)期鋼鐵行業(yè)生態(tài)效率改進(jìn)的對比分析與評價(jià);3)區(qū)域?qū)哟紊?生態(tài)效率用于評價(jià)區(qū)域發(fā)展的環(huán)境影響,如,對不同城市住宅建筑發(fā)展的生態(tài)效率評價(jià),對區(qū)域復(fù)合生態(tài)效率的評價(jià)。本文以煤炭資源型城市淮北市為案例,研究煤矸石、粉煤灰工業(yè)固體廢物用于新型墻體材料生產(chǎn)的生態(tài)效率和對墻體材料行業(yè)碳排放的影響。針對當(dāng)?shù)?種傳統(tǒng)墻體材料粘土磚、粘土多孔磚和2種新型墻體材料粉煤灰砌塊、煤矸石磚,對其生產(chǎn)過程的生態(tài)效率和碳排放進(jìn)行分析和比較,評價(jià)其生態(tài)效率和環(huán)境影響。以最優(yōu)生態(tài)效率和碳排放總量控制為目標(biāo),采用線性規(guī)劃法確定4種墻體材料的生產(chǎn)規(guī)模,為淮北市墻體材料行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持;為煤礦資源型城市的煤炭工業(yè)固廢資源化利用途徑提出建議。1數(shù)據(jù)來源和研究方法1.1石企業(yè)及其就業(yè)空間本研究的案例位于中國安徽省淮北市,總面積2741km2,人口213.7萬人(2007年)。淮北市是一座煤礦城市。隨著原煤產(chǎn)量的逐年增加,煤矸石的產(chǎn)生量成呈上升趨勢,2009年淮北市煤炭產(chǎn)量為4172萬t,煤矸石產(chǎn)生量為786萬t。煤矸石累計(jì)堆積近1100萬t,占地近200萬m2。煤矸石的大量堆積對環(huán)境造成嚴(yán)重影響,如,占用土地、地質(zhì)災(zāi)害、有害物質(zhì)滲漏、自燃、污染地下水等。本研究所涉及的新型建筑材料的能耗、物耗、占地等數(shù)據(jù)(表1,表2)來自于淮北市2個(gè)制磚工廠,制磚廠分別以粉煤灰砌塊和煤矸石磚為主要產(chǎn)品,生產(chǎn)規(guī)模較大,年產(chǎn)量分別為5000萬塊/a、9000萬塊/a。粘土磚、粘土多孔磚的相關(guān)數(shù)據(jù)來自于工廠提供的技術(shù)資料。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1單位墻體材料能耗及計(jì)量etct生態(tài)效率是投入與產(chǎn)出的比值,其中產(chǎn)出是指企業(yè)、行業(yè)或經(jīng)濟(jì)體提供的產(chǎn)品和服務(wù),投入是指企業(yè)、行業(yè)或經(jīng)濟(jì)體的資源、能源利用及所造成的環(huán)境壓力。墻體材料的生態(tài)效率可以表示為:EE=PEtotal(1)EE=ΡEtotal(1)其中,EE表示墻體材料的生態(tài)效率;P表示單位數(shù)量的墻體材料產(chǎn)品,以m3表示;Etotal表示單位數(shù)量墻體材料生產(chǎn)過程的總能耗,數(shù)據(jù)見表1。單位墻體材料生產(chǎn)過程的總能耗用以下公式計(jì)算:Etotal=∑i=1nDi(2)Etotal=∑i=1nDi(2)式中,Di表示墻體材料生產(chǎn)過程所消耗的第i種物料的能耗當(dāng)量,以“kg標(biāo)準(zhǔn)煤”表示,標(biāo)準(zhǔn)煤與熱值的轉(zhuǎn)換系數(shù)為—29.27MJ/kg標(biāo)準(zhǔn)煤。各種墻體材料生產(chǎn)過程的物耗、能耗數(shù)據(jù)見表1。1.2.2墻體材料碳庫建筑材料的碳排放一般來源于以下幾個(gè)部分:生產(chǎn)過程的化學(xué)反應(yīng)、直接燃料消耗、直接電力消耗、間接燃料消耗、間接電力消耗及產(chǎn)生碳排放的間接過程。本研究將產(chǎn)品生產(chǎn)過程的碳排放計(jì)算方法做了適當(dāng)調(diào)整,墻體材料生產(chǎn)過程的碳排放除了包括原料、燃料消耗產(chǎn)生的碳排放以外,還將其生產(chǎn)過程中由于土地占用而損失的碳庫視為碳排放。土壤碳庫主要有兩部分:地上的植物所貯存的碳、土壤中貯存的碳。墻體材料的碳排放用以下公式計(jì)算:CE=∑i=1nPipi+Loccfsoi(3)CE=∑i=1nΡipi+Loccfsoi(3)式中,CE表示墻體材料生產(chǎn)過程的碳排放量;Pi表示墻體材料生產(chǎn)過程中對第i種材料的消耗量,數(shù)據(jù)見表2;pi表示墻體材料生產(chǎn)過程使用的第i種原料或能源的碳排放系數(shù),數(shù)據(jù)見表3,Locc表示墻體材料生產(chǎn)過程中占用土地或節(jié)約土地的面積,數(shù)據(jù)見表2;fsoi表示單位面積土地的碳容量,數(shù)據(jù)見表4。本研究中采用溫帶地區(qū)森林和草地灌叢兩種類型土地的碳容量平均值來代表土地的碳匯能力。1.2.3目標(biāo)函數(shù)和約束條件線性規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)重要分支,定義如下:對于求取一組變量Xj(j=1,2,…,n),使之既滿足線性約束條件,又使具有線性特征的目標(biāo)函數(shù)取得極值的一類最優(yōu)化問題稱為線性規(guī)劃問題。線性規(guī)劃模型建立需具備以下條件:一是最優(yōu)目標(biāo),問題所要達(dá)到的目標(biāo)能用線性函數(shù)來描述,且能夠使用極值(最大或最小)來表示;二是約束條件,達(dá)到目標(biāo)的條件是有限制條件的,這些限制可以用決策變量的線性等式或線性不等式來表示;三是選擇條件,有多種方案可以供選擇,以便從中找出最優(yōu)方案。線性規(guī)劃的一般數(shù)學(xué)模型如下:max(或min)Z=∑j=1ncjxj(4)min)Ζ=∑j=1ncjxj(4)s.t.???????∑j=1naijxi=bi；i=1,2,??mxj≥0；j=1,2,??n(5)s.t.{∑j=1naijxi=bi；i=1,2,??mxj≥0；j=1,2,??n(5)式中,xj為決策變量;cj為目標(biāo)函數(shù)系數(shù);bj為約束右端系數(shù);aij為約束系數(shù)。其中式(4)為目標(biāo)函數(shù);式(5)為約束條件。本研究針對淮北市4種不同墻體材料的生態(tài)效率、碳排放系數(shù),確定淮北市墻體材料行業(yè)在恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)規(guī)模和碳排放不增加的前提下,達(dá)到最優(yōu)生態(tài)效率。截至2009年,淮北市煤矸石磚的產(chǎn)量占當(dāng)年墻體材料總產(chǎn)量的19%,粉煤灰空心砌塊的產(chǎn)量占11%,粘土類磚的產(chǎn)量占60%,淮北市墻體材料仍以傳統(tǒng)墻體材料為主,各種墻體材料的產(chǎn)量和所占比例如表5所示?；幢笔忻喉肥u生產(chǎn)對煤矸石固體廢物的利用率為15.8%。根據(jù)《安徽省發(fā)展新型墻體材料條例》,淮北市政府規(guī)定自2008年1月1日起,在城市規(guī)劃區(qū)以內(nèi)禁止使用粘土實(shí)心磚、逐步停止使用以粘土為原料的墻體材料,粘土類磚的產(chǎn)量所占比例將控制在50%以內(nèi);但短期內(nèi)由于新型墻體材料生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)的限制,粘土類磚產(chǎn)量所占比例仍將在20%以上。根據(jù)以上條件設(shè)定淮北市墻體材料行業(yè)最優(yōu)生態(tài)效率的目標(biāo)函數(shù)和約束條件:maxZ=c1x1+c2x2+c3x3+c4x4(6)s.t.?????????????????a11x1+a12x2+a13x3+a14x4=b1(年總產(chǎn)量約束)a21x1+a22x2+a23x3+a24x4≤b2(年碳排放總量約束)a31x1+a32x2≥b3(粘土類磚的年產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例下限約束)a41x1+a42x2≤b4(粘土類磚的年產(chǎn)量占總產(chǎn)量的上限比例約束)x1、x2、x3、x4≥0(非負(fù)約束)(7)s.t.{a11x1+a12x2+a13x3+a14x4=b1(年總產(chǎn)量約束)a21x1+a22x2+a23x3+a24x4≤b2(年碳排放總量約束)a31x1+a32x2≥b3(粘土類磚的年產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例下限約束)a41x1+a42x2≤b4(粘土類磚的年產(chǎn)量占總產(chǎn)量的上限比例約束)x1、x2、x3、x4≥0(非負(fù)約束)(7)式中,Z表示淮北市墻體材料行業(yè)總的生態(tài)效率;c1、c2、c3、c4分別為粘土磚、粘土多孔磚、粉煤灰砌塊、煤矸石磚單位產(chǎn)品的生態(tài)效率;x1、x2、x3、x4分別表示粘土磚、粘土多孔磚、粉煤灰砌塊、煤矸石磚的生產(chǎn)規(guī)模(以m3表示);a1n、a2n、a3n、a4n均為約束系數(shù);b1、b2、b3、b4分別為4種墻體材料的年總產(chǎn)量、4種墻體材料生產(chǎn)的年碳排放量、淮北市墻體材料年總產(chǎn)量的50%、淮北市墻體材料年總產(chǎn)量的20%。將各項(xiàng)系數(shù)帶公式(6)、(7),并將上述函數(shù)轉(zhuǎn)化為矩陣,用Matlab7.0軟件進(jìn)行計(jì)算。2結(jié)果與討論2.1煤石磚的碳排放系數(shù)按照公式(1)(2)計(jì)算得出4種墻體材料的生態(tài)效率如表6所示。生態(tài)效率的從高到低依次為:煤矸石磚>粉煤灰砌塊>粘土多孔磚>粘土磚。新型墻體材料的生態(tài)效率高于傳統(tǒng)墻體材料,說明煤矸石、粉煤灰資源化利用能夠有效提高墻體材料行業(yè)的生態(tài)效率;同時(shí)為提高墻體材料行業(yè)的生態(tài)效率,應(yīng)逐步減少和限制粘土磚、粘土多孔磚的生產(chǎn)和使用。按照公式(3)計(jì)算得出4種墻體材料生產(chǎn)過程的碳排放系數(shù)如表6所示。碳排放系數(shù)從高到低依次為:煤矸石磚>粘土磚>粉煤灰砌塊>粘土多孔磚。新型墻體材料煤矸石磚沒有顯著的碳減排效果,其碳排放系數(shù)高于傳統(tǒng)墻體材料;與粘土磚比較,粉煤灰砌塊具有一定的碳減排潛力,但其碳排放系數(shù)略高于粘土多孔磚。在選擇“低環(huán)境影響”的建筑材料時(shí),已有的研究往往只考慮材料的能耗指標(biāo);而忽略建筑材料的其他環(huán)境影響。本研究的結(jié)果表明煤矸石磚具有較高的生態(tài)效率和較低的生產(chǎn)能耗,但單位產(chǎn)品的碳排放卻較高,說明低能耗材料不一定是低碳排放材料。因此煤矸石磚的推廣應(yīng)該既考慮單位產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗和生態(tài)效率,也要重視產(chǎn)品的其他環(huán)境影響。新型墻體材料由于生產(chǎn)過程物質(zhì)投入、能量投入較少,因而具有較高的生態(tài)效率,但其生產(chǎn)過程的碳排放不容忽視,在推廣使用的過程中應(yīng)進(jìn)行合理的分析和規(guī)劃,在控制墻體材料行業(yè)碳排放總量的前提下,提高墻體材料行業(yè)生態(tài)效率。新型墻體材料對煤矸石等的利用除了提高墻體材料行業(yè)的生態(tài)效率以外,還間接減少了煤矸石等工業(yè)固廢堆積產(chǎn)生的其他環(huán)境危害。煤矸石堆積產(chǎn)生的其他環(huán)境產(chǎn)危害有:1)煤矸石堆積造成地質(zhì)災(zāi)害,如,滑坡、泥石流災(zāi)害;2)有害物質(zhì)滲漏,煤矸石中含有的各種痕量重金屬元素經(jīng)過長期風(fēng)化淋溶有可能對地表水、地下水、土壤等造成污染。3)煤矸石自燃對周圍大氣環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害,煤矸石自燃產(chǎn)生的有害氣體包括了CO2、CO、CH4、NOx、H2S、SO2、HF、揮發(fā)性有機(jī)污染物等。2.2線性規(guī)劃分析根據(jù)公式(6)(7)和表5、表6數(shù)據(jù),基于生態(tài)效率最大的淮北市墻體材料產(chǎn)量的線性規(guī)劃模型表述如下:maxZ=0.00037x1+0.00075x2+0.00100x3+0.01277x4s.t.???????????????x1+x2+x3+x4=5391735323.4x1+162.7x2+163.1x3+369.2x4≤1131555997x1+x2≥1078347x1+x2≤2695868x1、x2、x3、x4≥0s.t.{x1+x2+x3+x4=5391735323.4x1+162.7x2+163.1x3+369.2x4≤1131555997x1+x2≥1078347x1+x2≤2695868x1、x2、x3、x4≥0線性規(guī)劃的分析結(jié)果如表7所示?；幢笔袎w材料行業(yè)生態(tài)效率最優(yōu)和碳排放不增加條件下的決策分析結(jié)果表明,為達(dá)到墻體材料行業(yè)的最高生態(tài)效率,與墻體材料生產(chǎn)現(xiàn)狀相比(表5),淮北市應(yīng)禁止粘土磚的生產(chǎn),增加煤矸石磚、粉煤灰砌塊的產(chǎn)量,適當(dāng)減少粘土多孔磚的產(chǎn)量。這一結(jié)論與淮北市現(xiàn)有的墻體材料發(fā)展政策基本一致。按照該結(jié)論,淮北市煤矸石的年產(chǎn)量將達(dá)到8.39億塊,年利用煤矸石的數(shù)量為198萬t,占煤矸石年產(chǎn)量的25.2%(2009年煤矸石產(chǎn)量)。值得關(guān)注的是在未來幾年淮北市的墻體材料構(gòu)成中,粘土多孔磚仍將占有一定的份額;原因在于粘土多孔磚雖然也是以粘土為原料的墻體材料,但由于其性能得到很大的改善,相對于粘土磚具有很多優(yōu)勢:1)生產(chǎn)能耗和環(huán)境影響較低;2)具有較好的熱阻性能,有利于建筑墻體的保溫;3)能在一定程度上節(jié)約粘土資源。但是,根據(jù)淮北市墻體材料發(fā)展的相關(guān)政策,截止到2011年,所有建制鎮(zhèn)級別以上的規(guī)劃區(qū)內(nèi)的建筑工程禁止使用空心磚等粘土類墻體材料。因此淮北市應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大煤矸石磚的生產(chǎn),逐步增加粉煤灰砌塊的產(chǎn)量,以替代空心粘土磚等粘土類墻體材料。3種墻體材料的生態(tài)效率本文重點(diǎn)分析和比較了淮北市4種主要墻體材料的生態(tài)效率及生產(chǎn)過程的碳排放,采用線性規(guī)劃模型對淮北市不同墻體材料的產(chǎn)量進(jìn)行合理規(guī)劃,在不增加墻體材料行業(yè)碳排放的條件下,達(dá)到最優(yōu)生態(tài)效率,得出以下結(jié)論:1)4種墻體材料的生態(tài)效率從高到低依次為:煤矸石磚>粉煤灰砌塊>