山东省水泥行业CO减排关键技术的实施分析3 2

毛紫薇 王 灿 陈吉宁

(清华大学环境科学与工程系,北京100084)

山东省水泥行业CO减排关键技术的实施分析32

毛紫薇 王 灿 陈吉宁

(清华大学环境科学与工程系,北京100084)

由于社会对水泥需求的不断增长,多年来山东省水泥工业一直处于快速发展时期。作为国民经济的基础工业同时也是高耗能行业,山东省水泥行业面临着巨大的CO2减排压力。同时,技术自身的先进性决定了其相应的减排潜力,而减排效果的实现程度则取决于技术的推广度。在技术的推广过程中,其减排潜力、减排成本以及相关的政策支持都是关键性的影响因素,针对技术实施障碍进行深入的分析和探讨对实际减排效果的预测具有重要的意义。本研究利用长期能源替代规划系统软件建立了LEAP-Shandong Cement模型,对山东省水泥行业的CO2排放量及相应的减排潜力进行了模拟评估。到2020年,相对于基准情景,政策情景和技术情景下的减排潜力分别为8.2%和15.6%。山东省水泥行业实现减排主要依靠窑型的替代和相应技术的进步,其中余热发电技术改进为近期的重点减排技术,在水泥行业减排兼具显著的环境、经济和社会效益。

CO2;减排;水泥;情景分析

由于社会对水泥需求的不断增长,多年来山东省水泥工业一直处于快速发展时期[1]。作为国民经济的基础工业同时也是高耗能行业,山东省水泥行业面临着巨大的CO2减排压力。为此,山东省实行控制总量、淘汰落后的方针,积极研发并引进先进减排技术,在提高生产效率的同时减少资源的消耗量和CO2排放量。技术自身的先进性决定了其相应的减排潜力,而减排效果的实现程度则取决于技术的推广度。在技术的推广过程中,其减排潜力、减排成本以及相关的政策支持都是关键性的影响因素,针对技术实施障碍进行深入的分析和探讨对实际减排效果的预测具有重要的意义。

1 山东水泥行业概况

从2001年到2006年,山东省的水泥产量持续增长,其增长率在2004年达到峰值32.3%。2001-2004年是山东水泥发展史上的第二个高峰期,其间水泥产量翻了一番,这个时期所呈现出来的发展特点是:立窑水泥迅速缩减,取而代之的是新型干法的快速发展,仅仅几年的时间,山东省新型干法生产线就达到了50条,年熟料产能达4 310万t[2]。

从能效的角度来看,由于熟料烧成煤耗占整个水泥生产能耗的70%以上,同时受限于数据的可得性,我们选取该指标进行比较分析。分析结果显示:2007年山东水泥行业能效(即熟料烧成煤耗)平均水平为128 kg ce/t,山东先进能耗水平为115 kg ce/t;而同期全国平均水平、国际平均水平和国际先进水平分别为130 kg ce/t、114 kg ce/t和97.3 kg ce/t。可见,山东省水泥行业的平均水平略低于全国的平均水平,但是与国内的先进水平相比还有一定的差距,与国际先进水平相比差距更大,这表明山东水泥的技术装备水平还有一定的提升空间。但是山东的先进水平已经达到国内的先进水平的标准,这也反映出山东的落后窑型仍然占有很大的比例,淘汰落后窑型的任务仍然很艰巨。另外,基于《中国水泥生产许可证企业名录》,本研究对山东省水泥企业装备现状进行了统计分析,从对444家水泥企业的分析结果看出:山东省熟料生产窑型中仅含立窑和新型干法水泥窑(以下简称NSP),其产能比例分别占总产能的55%和45%。立窑的规模主要分布在年产20-60万t,NSP的规模以日产4 000-5 000 t为主,粉磨站规模以年产60万t以下为主(表1)。另外,2006年山东新型干法的比例居全国第24位,与全国第一的浙江85%的比例相比还有很大的差距。

表1 山东省水泥窑型分布现状Tab.1 Current status of cement kiln types in Shandong

在山东目前的窑型中,立窑不论何种规模均被列入淘汰范围,1 200 t/d以下的NSP由于规模太小,技术经济性不高而会自然淘汰,2 000-4 000 t/d的NSP是目前全国的准入基准规模,而4 000 t/d以上的NSP目前在山东省受到政策的鼓励推广。

2 关键减排技术识别

在水泥生产的一系列工艺环节中,每一个环节都在总能耗中承担一定的比例。要实现整个水泥行业节能减排的目标,也必须要分解到各个基础生产环节来实现。然而,对各个环节所进行的节能改造所带来的效果是不尽相同的。这主要是因为各环节的能源消耗和CO2排放量在总量中所占的比例不同,同时与技术的成熟度也密切相关。因此,考虑到当前水泥行业高耗能高排放的现状,应当首先考虑推广那些能实现较大减排量,同时技术的成熟度和可市场化程度较高的技术,这也是本研究中对关键技术的定义。

目前,山东省水泥行业CO2减排的关键技术主要有发展新型干法、推广新型干法水泥余热发电、推广高效粉磨技术、电机拖动系统变频调速节能改造、煤粉强化燃烧及劣质燃料燃烧技术、高效冷却技术等等。考察了各项技术的发展情况、节能减排效果以及成本信息[3-4],同时综合国家及山东的相关产业发展规划,以及兼顾数据的可得性,余热发电被认为是山东未来10-20年关键的CO2减排技术。《水泥工业发展专项规划》提出,到2010年新型干法水泥比重要达到70%,而山东省建筑材料工业“十一五”发展规划也明确提出力争到2010年,新型干法水泥占总产量的比重达到70%,要大力推广低温余热发电,力争到2010年,大型新型干法水泥生产线(2 000 t/d以上)低温余热发电推广率达到60%以上。因此,本研究将运用LEAP着重分析这项技术的节能减排效果。

3 技术及相应政策分析——以余热发电技术为例

3.1 关键减排技术的效果模拟

对余热发电技术的模拟分析框架如图所示:在掌握山东省水泥行业NSP规模分布情况的基础上,结合相关的产业发展政策和十一五淘汰计划,对2010和2020年NSP的规模分布情况作出预测,这期间考虑以4 000 t/d以上的NSP等量替代立窑,2008-2010年间淘汰4 500万t立窑落后产能,2010-2020期间淘汰剩下的4 500万t。然后再结合余热发电技术的发展趋势,设定了基准情景和技术情景进行比较。其中,基准情景假设所有新上的NSP均配备了余热发电装置,而技术情景中技术的渗透度更高,到2020年,所有2 000 t/d以上规模的NSP均配备了余热发电。同时考虑技术成本的信息,并通过两个情景的比较,可以得到余热发电技术所能达到的最大减排潜力和减排成本。

图1 技术减排效果模拟分析框架Fig.1 Framework of emission reduction effect of technologies

目前山东落后立窑产能有9 000万t,“十一五”末要淘汰4 500万t,剩下的部分到2020年之前全部淘汰掉,同时以4 000 t/d的NSP进行等量替代,其生产线条数从现有的18条增加到2010年的45条,到2020年进一步增加72条。基准情景中余热发电装置的增加只是配备在新上的4 000 t/d规模以上的NSP上,而技术情景中2 000 t/d规模以上的NSP均逐渐配备余热发电装置(表2)。

基于以上的情景设置,通过计算得到两个情景相应年份的水泥生产能耗强度和碳排放强度。可以发现,基准情景内从2007年到2010年能耗强度降低了4.64%,技术情景在此基础上进一步将低3.88%,到2020年,基准情景内部实现能耗强度降低9.29%,技术情景进一步降低4.90%(表 3)。

从余热发电对节能和温室气体减排的影响上来看,通过技术情景和基准情景的比较可以得出该技术在2010和2020年可以实现的最大节电量分别是 1 971GWh和2 497GWh,分别占相应年份的73%和49%。比较分析这两个百分数的大小,说明随着余热发电技术的渗透程度的提高,其进一步推广的空间也越来越小。

3.2 关键促进政策识别

一项技术的节能减排效果的实现,只有通过对其进行充分的运用。这个过程中必然存在种种障碍,以余热发电技术为例,主要存在以下几方面的实施障碍:首先是市场障碍。余热发电量的并网费用很高。这主要是由部门间的利益冲突导致。余热发电会降低电力部门的收入。其次,从技术上来看,余热发电存在并网困难的问题。水泥厂的余热发电量必须先并网然后再从电网购买使用。并网过程中会对区域电网造成冲击,因此电力部门也会采取一定的限制措施。从资金方面来看,主要存在的问题是缺少政府和银行的支持。由于余热发电技术前期的固定投资很高,几乎占到了整个水泥厂投资的15%,因此从银行的角度考虑,没有明显的现金流而不原意提供贷款,从水泥厂的角度来看,尽管一些企业已经意识到了余热发电投产的高收益,但是迫于资金、市场竞争力的压力使得他们首先选择扩大生产能力、提高市场占有率。其次,一些水泥企业太小还达不到银行提供贷款的门槛,另外,一些企业在扩大产能的时候已经从银行获得贷款支持,企业自身的负债率已经很高,想要再从银行获得贷款上余热发电很困难(表4)。

表2 基于现状的减排情景设置Tab.2 Scenario settings based on current status

表3 情景计算结果Tab.3 Results of calculation

基于以上对于余热发电技术实施障碍的分析,我们识别出针对余热发电的关键促进政策是补贴和贷款。

3.3 关键促进政策的实施效果分析

根据一个比较完善的政策体系框架,如下图所示,从已有的针对山东水泥行业的政策中整理出与余热发电技术相关的条目,研究发现,目前对于余热发电,山东现行的政策措施中仅有命令控制类的条文,而在经济、市场手段方面几乎是空白。也就是说,与补贴和贷款相关的政策还有很大的实施空间,但是为什么会出现空缺,这是因为在政策实施的过程中会出现障碍。

就补贴和贷款这项政策来说,其实施过程中可能遇到的障碍主要有以下几个方面:

从企业自身来看,根据中国发展与改革委员会公布的《印发关于加快水泥工业结构调整的若干意见的通知》,水泥厂在2010年后在市场上生存发展的最好策略是将有限的资金投资新型干法水泥生产线的建设(因为水泥厂很难从银行获得贷款建设水泥生产线)。相比较于扩大生产规模,包括余热发电项目在内的能效项目投资回收期较长。而且,水泥厂业主通常没有处理电厂的相关经验。在此之前没有过自备电厂,甚至没有紧急供电系统。水泥厂缺乏相关的管理人才和合格的技术人员来管理维护电站。相关的技术人员需要对发电和水泥技术有较高的认识,这样的技术人员不容易培训,培训需要很长的时间。从技术层面来说,对于余热发电技术中国企业可以选择国外技术和国内技术。虽然国外的技术和设备效率更高,运作更稳定,但是高额的前期投资使得只能选择国内技术。到那时国内技术和设施在效率和稳定性方面无法达到国外技术标准。国内技术和设备的风险会导致削弱余热发电项目的盈利能力,增加项目维护运营成本,同时增加了项目的风险。

表4 政策分析参考体系框架Tab.4 Reference framework of policy analysis

从外部环境来看,由于以下原因,金融机构拒绝能效项目的投资机会:①金融机构对能效项目缺乏常规评估收益和风险的金融分析工具;②能效项目一般投资规模小,而对于专业金融机构前期开发费用较高。此类小规模投资对于金融机构缺乏吸引力;③从贷款金额来看,如果新建的NSP生产线均配备余热发电并假设由银行提供50%的资金,每年也需要360亿人民币,这并不是一个小数目;④能效技术都属于高新技术,金融机构缺乏对此技术认识,使得他们认为项目风险高,同时如果要对技术进行尽职调查需增加更多费用雇佣高级技术人员进行技术评估。因此,高昂的交易费用和借贷方专业技术知识的缺乏使得中小型私营企业很难从银行中得到债务融资。如果要从政府获得贷款,其程序非常复杂,包括上报、核实和批复。其中涉及到经贸委和发改委对整个流程进行监控。同时,水泥行业的发展很大程度上依赖于国家和地方的产业政策。《节能中长期专项规划》(2004)鼓励积极利用低温余热发电技术。然而此计划没有要求水泥厂回收利用低温余热尾气,而只是促进利用水泥余热发电技术。其它中国相关的法律和法规,如《清洁生产促进法》和《中华人民共和国节能法》也只是鼓励而没有从法规上要求余热发电技术的使用。另外,中国政府限制银行贷款利率。这个政策不鼓励借贷给“基于风险”的工业能效项目。这种情形对于像余热发电这样的项目尤其不利,因为这种项目的风险被认为是较高的,原因是客户常常缺乏信用记录,银行自身的能效项目经验不足,而提供能源服务的公司又往往是缺乏财务信用的新公司。

尽管存在以上的一些政策实施障碍,但是对于余热发电来说,补贴和贷款政策还是具有其可操作性,那就是设备的投资回收期短。以4 000 t/d的新型干法生产线配备9 000 kw的余热发电装置为例,考虑设备折旧、维护成本、劳动力成本和管理费用,每年的总投资达848万元,而通过余热发电可以在9年内全部收回。

面对以上的一些政策实施障碍,政府部门仍然做出了一定的努力,建立了节能专项资金,为节能企业提供补贴,金额为200元每t标煤,如果山东省2010年按照产业规划的目标达到60%的余热发电推广度,就需要财政提供3.1亿人民币的支持,这占到了2006年整个山东财政收入的0.17%。

4 讨 论

就水泥行业来说,目前国内的技术水平已经比较成熟,但是山东甚至是全国实际的技术水平与国外仍然存在很大的差距,也就是说,一些客观的因素限制了这些先进的技术在国内的充分发展。资金问题是一个瓶颈,没有充足的资金支持新技术不可能自然地将落后技术淘汰,因而进一步限制了新技术的市场化。同时还有一些隐性的成本存在,例如:余热发电装置的配备首先对新型干法生产线有规模上的要求,从技术经济性上来考虑,目前一般都是配备在2 000 t/d以上规模的生产线上。因此不能只考虑单纯的一项技术的成本。另外还有企业的决策成本等。为了使技术的推广更具有可操作性,可以考虑进行相应的机制和能力的建设,争取国内的资金支持,甚至是国际合作模式来克服资金障碍,实现软技术转让。

致谢:本研究得到了来自山东发改委和建材办的数据支持,在此表示感谢。

References)

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[4]国家发展改革委.国家重点行业清洁生产技术导向目录(第三批).北京:国家发展和改革委员会,2006.[National Development and Reform Commission.Orientation Directory of Clean Production Technologies of National Key Industries(Third Batch).Beijing:National Development and Reform Commission,2003.]

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Analysis for CO2Emission Reduction Potential in Shandong’s Cement Sector

MAO Zi2wei WANG Can CHEN Ji2ning
(Department of Environment Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Due to increasing demand of cement in Shandong province,the cement sector remains in rapid development for many years.Therefore,the cement sector in Shandongfaces to a huge pressure of CO2emission reduction as a fundamental industryof national economy and also as an energy2consuming sector.Meanwhile,the characteristic of technology itself determines the corresponding emission reduction potential,and the mitigation effect depends on the promotion degree of technologies.In the process of penetration,mitigation potential,costs,and relative supportive policies are keyfactors.In2depth analysisfor the implementation barriersof technologies and the predicted effectsof the actual emission reduction has an important significance.A LEAP2Shandong Cement model has been established here through long2term energy planning system software to simulate the CO2emissions and the corresponding reduction potential of cement industry of Shandong Province.Three scenarioes of baseline scenario,policy scenarios and technical scenario from 2007-2020 have been set up.By 2020,the CO2emission reduction potentials of policy scenario and technical scenario are 8.2%and 15.6%compared with the baseline scenario,respectively.The CO2emission reduction in cement industry in Shandong Province mainly dependson the substitution of kiln types and the promotion of advanced technologies.Waste heat cogeneration can be viewed as a key technology in the near future to improve the energy efficiency of cement production,which has significant environmental,economic and social benefits.

CO2emission reduction;cement sector;scenario analysis

X38

A

1002-2104(2010)03-0014-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.003

2009-09-29

毛紫薇,硕士生,主要研究方向为气候变化领域行业减排方法。

国家十一五科技支撑项目(50578020)资助。

(编辑:王爱萍)