何丽雄

(1.福建省环境科学研究院,福建 福州 350013;2.福建省环境工程重点实验室,福建 福州 350013)

1 概述

作为典型的资源能源依赖型产业,建材行业是我国碳排放(CO2排放)和工业废气排放最多的行业之一,分别约占全国碳排放总量的12%和工业废气排放总量的18%[1-2]。目前,针对建材行业大气污染物排放清单研究主要集中在全国视角或如京津冀地区、河南省、陕西省、四川省、重庆市等重点区域和城市[2-4],有关福建省的排放清单研究鲜见。建材行业CO2排放主要产生于化石能源燃烧和原料煅烧,与常规大气污染物的排放具有一定程度上的同根同源性,且两者在减排过程中具有协同效应。建材行业是福建省制造业的重要组成部分,以水泥、平板玻璃、建筑卫生陶瓷制造为主,也是福建省工业领域大气污染物和CO2排放的主要来源。因此,有必要建立福建省建材行业大气污染物与CO2排放清单,分析排放分布特征,并开展减污降碳路径研究,为福建省建材行业大气污染物和碳排放的控制管理政策制定提供基础数据与科学参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 活动水平数据来源

以福建省为研究区域,以2021年为基准年,涉及行业类别包括水泥熟料、水泥粉磨、石灰、砖瓦、建筑陶瓷和平板玻璃制造等6个行业共503家企业,企业生产工艺信息、产品类型及产量、原燃料类型及用量、末端治理设施等数据主要来源于环境统计、排污许可及企业调研。

2.2 排放因子来源

常规大气污染物SO2、NOx和颗粒物排放因子及末端处理技术去除效率等数据来自生态环境部2021年发布的《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》,根据建材企业的工段、产品类型、原燃料类型、工艺技术和规模等级及末端控制措施等信息进行选取;CO2排放因子和计算系数主要来自《省级二氧化碳排放达峰行动方案编制指南》和《省级温室气体排放清单编制指南(试行)》;电力排放因子取2021年全国电网平均排放因子0.581 tCO2/MWh。

2.3 排放量计算

采用排放因子法对建材行业大气污染物和CO2排放量进行计算。

大气污染物排放量计算公式如下:

Ep=∑Ai×EFi×(1-η)

(1)

式(1)中,Ep为大气污染物(SO2、NOx、颗粒物)排放量;Ai为建材企业各工段活动水平;EFi为排放因子;η为污染物控制措施的去除效率。

CO2排放量计算公式如下:

EC=E燃烧+E工艺+E电=∑ADi×EFi+Q×FR0+Ae×EFe

(2)

式(2)中,EC为CO2排放总量;E燃烧、E工艺、E电分别为化石燃料燃烧活动、工业生产过程、电力消耗产生的CO2排放量;ADi为不同种类化石能源(包括煤炭、石油、天然气等)的消费量(折算标准量);EFi为不同种类化石能源的CO2排放因子;Q为工业生产过程中涉碳排放原料消耗量;FR0为生产过程原料碳排放因子;Ae为电力消费量;EFe为电力CO2排放因子。

2.4 不确定性分析

由于在估算分析过程中存在着监测误差、随机误差、关键数据缺乏,以及数据代表性不足等固有因素,排放清单不可避免地存在不确定性[5]。本研究的不确定性主要来自排放因子和计算系数,活动水平数据主要来自环境统计和企业调研,不确定性相对较小。排放因子来自于相关技术指南手册,代表行业平均水平,缺少本地化的排放因子,可能与企业实际排放情况存在偏差。同时,基础数据中部分工段工艺技术、产品、燃料类型等信息的不规范或缺失,也会导致在选择排放因子时也产生一定的不确定性。

3 结果与讨论

3.1 福建省建材行业排放清单结果

2021年,福建省建材行业503家企业大气污染物和CO2排放清单计算结果如表1所示。SO2、NOx、颗粒物和CO2排放总量分别为15348 t、66839 t、28995 t和6376.8万t,水泥熟料、建筑陶瓷和平板玻璃行业是主要的排放来源。福建省建材行业排放突出的大气污染物为NOx,建筑陶瓷和水泥熟料是NOx排放量最大的两个行业,占比分别为47.5%和44.5%,建筑陶瓷行业排放量超过水泥熟料行业。SO2、颗粒物和CO2排放量最大的行业均为水泥熟料行业,31家水泥熟料生产企业共排放SO28656 t、颗粒物22146 t和CO25263.5万t,分别占建材行业总排放量的56.4%、76.4%和82.5%;其次为建筑陶瓷行业,SO2、颗粒物和CO2排放量分别为3207 t、3494 t和675.2万t,占比分别为20.9%、12.1%、10.6%;平板玻璃生产企业数量较少,但SO2、NOx和CO2排放仅次于水泥熟料和建筑陶瓷行业,居建材行业第三,排放量分别为1885 t、3413 t和249.5万t。水泥粉磨行业排放颗粒物2358 t,占建材行业颗粒物排放量的8.1%。

表1 2021年福建省建材行业大气污染物和CO2排放清单

3.2 福建省建材行业大气污染物排放分布特征

如图1所示,福建省建材行业大气污染物排放呈现出明显的区域集中分布特征,龙岩、三明和泉州合计排放了全省建材行业74.5%的SO2、79.7%的NOx和85.5%的颗粒物。福建省水泥工业集中在龙岩、三明、泉州和南平一带,建筑陶瓷生产企业主要集中在泉州晋江和南安、福州闽清和漳州等地,以泉州为主产区;平板玻璃工业主要分布在漳州和福州;石灰、砖瓦等其他建材企业规模小、布局分散。与建材产业集群分布状态一致,龙岩和三明水泥熟料行业分别排放SO24979 t和2874 t,合计占全省建材行业排放量的50%左右,其次泉州建筑陶瓷和漳州平板玻璃分别排放SO22138 t和1480 t,分别占全省建材行业的13.9%和9.6%。NOx排放量最大的是泉州建筑陶瓷行业(23641 t),占全省建材行业NOx排放总量的35.4%,其后依次为龙岩、三明的水泥熟料行业及福州建筑陶瓷行业,排放占比分别为22.3%、17.0%及9.7%。颗粒物主要排放来源为龙岩、三明、泉州的水泥熟料和泉州的建筑陶瓷行业,分别占全省建材行业颗粒物排放总量的33.4%、26.2%、13.6%、8.5%。其他建材行业大气污染物排放量相对较小,占比较低。

(a)SO2

(b)NOx

(c)颗粒物

(d)CO2图1 福建省建材行业大气污染物与CO2排放区域分布情况

近年来,福建省臭氧污染日益凸显,已成为影响福建省空气质量的首要因子。NOx作为臭氧的前体物,其排放控制对于遏制臭氧污染趋势具有十分重要的意义。福建省目前正在全面推进水泥行业超低排放改造和鼓励建筑陶瓷企业开展尾气脱硝改造,末端污染深度治理对于NOx的减排潜力巨大。福建省现有水泥熟料生产行业NOx排放绩效约为0.504 kg/t熟料,按照水泥窑超低排放改造后NOx排放浓度为100 mg/m3时对应绩效值0.25 kg/t熟料估算,全面实施水泥行业超低排放改造估计可减少水泥行业50%以上的NOx排放量。建筑陶瓷、砖瓦等行业多数企业发展方式较为粗放,污染治理水平较差,有必要进一步完善地方排放标准,促进建材行业持续提升污染治理水平,以改善区域空气质量。

3.3 福建省建材行业CO2排放特征

基于大气污染物和CO2排放高度同根同源的特征,如图1所示,福建省建材行业CO2排放分布地域特征与大气污染物相似,主要来源于龙岩、三明等地水泥熟料和泉州建筑陶瓷行业。

从CO2排放源类型看,工业生产过程碳排放是福建省建材行业的主要来源,占比51.8%,最主要来自水泥熟料煅烧环节碳酸盐原料分解产生,其次为化石燃料燃烧排放,占40.4%,电力消费蕴含的碳排放占7.8%。福建省水泥熟料行业60.4%的碳排放来源为生产过程,能源结构以燃煤为主,燃煤消耗排放占比为34.5%,电力消费碳排放仅占5.1%。建筑陶瓷行业生产过程碳排放占比一般低于1%,忽略不计,能源活动中燃煤、天然气和电力消费碳排放占比分别为44.3%、33.8%和21.9%。平板玻璃生产过程中纯碱、石灰石等原料分解产生碳排放占比20.9%,化石燃料消费类型主要为天然气、石油焦及燃油,排放占比分别为29.3%、20.5%和19.4%,电力消费排放占比9.9%。

4 对策建议

一般而言,源头降碳措施普遍具有协同控制大气污染物排放的效果,如需求减量、总量控制、产业结构调整、原(燃)料回收和替代、节能和能效提升等;末端控制措施一般只对某一方面有益,如脱硫脱硝除尘等减污措施和碳捕集技术(CCS)可以分别减少大气污染物和CO2的排放,但不具有协同效应[6-8]。

①根据“控总量、严准入、优结构”原则,从源头减少污碳排放。强化总量控制,严格落实水泥、平板玻璃行业产能置换政策。优化产业结构,淘汰低效落后的生产工艺和产能,推动建材行业集中集聚发展,发挥规模效益,降低单位产品能耗,提高污染物排放控制水平。以水泥行业为例,2021年,福建省共有14家水泥企业的19条熟料生产线规模低于4000 t/d,若通过产业结构调整进行置换升级,全部整合改造为规模不低于4000 t/d的水泥熟料生产线,以本研究清单结果为基准,采用排放绩效对比的方法估算,可减排NOx 1834 t和CO2269.3万t。

②实施原料替代和用能结构优化,提高资源能源利用效率。燃料及原料是污染物质和碳排放的直接来源,选择清洁能源和原料,提高燃料燃烧充分度,降低燃煤消耗量,可直接有效减少污染产出。充分发挥水泥窑炉优势,推动水泥窑协同处置生活垃圾、工业副产石膏、建筑垃圾等固废资源化利用,提高垃圾衍生燃料、废轮胎、生物质燃料等可燃废弃物替代燃煤比例。加大清洁低碳能源利用比重,有序提高平板玻璃行业天然气使用比例,推动福州闽清、漳州平和等地建陶企业窑炉煤改气。推行清洁生产,加快节能降碳、提质增效改造,提高行业能源利用效率水平。

③开展水泥窑烟气碳捕集利用试点示范和末端治污提升改造。尽管末端污染治理提升改造耗能会带来一定的CO2增排,但污染治理设施电耗仅占生产过程电耗极小的一部分,污染深度治理或超低排放改造增加的额外电耗产生的碳排放量相对有限。从环境效益上看,末端污染深度治理措施能够快速、显著地降低企业大气污染物排放,是实现区域空气质量改善的必要措施。

5 结束语

2021年,福建省建材行业SO2、NOx、颗粒物和CO2排放量分别为15348 t、66839 t、28995 t和6376.8万t。污碳排放呈现出区域集中分布特征,主要分布在龙岩、三明和泉州等地。水泥熟料和建筑陶瓷行业是排放贡献率最大的两个行业,具有较大的减排潜力。

通过强化控制产能规模、深化产业结构调整、持续淘汰落后工艺、实施清洁能源和原料替代等举措,可实现福建省建材行业协同减污降碳。NOx减排对控制大气臭氧污染具有重要意义,建议推行建材行业清洁生产,加快实施水泥、平板玻璃行业超低排放改造,有序推进建筑陶瓷等行业污染深度治理,促进区域空气质量的持续改善。