考虑环境成本的矩阵模式经济学分析方法

贾小平，万树文，王 芳，钱 宇

（1青岛科技大学环境与安全工程学院，山东 青岛 266042；2华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510641）

1 矩阵模式经济学

1.1 传统矩阵模式经济学

1.2 考虑环境影响的矩阵模式经济学

考虑环境影响的成本分析模型如图2所示。考虑环境影响的矩阵模式经济学包含了废热、废气、废水、废渣等出系统的环境污染排放物流股，这不同于传统经济学中的事件矩阵，传统的事件矩阵中只包含了燃料和产品两种定义，并未定义环境排放。因此事件矩阵需要增加新的补充方程构建原则。

本文环境成本包括污染物治理成本和潜在环境影响成本两类。系统中废水、废渣考虑其污染物治理成本，对于烟气等废气排放物考虑其潜在环境影响成本。污染物治理成本通过查阅文献获得单位排放治理成本，然后乘以废水、废渣排放总量计算而得。潜在环境影响成本通过计算污染物气体的单位环境影响成本乘以废气环境排放量而得到。其补充方程构建原则有以下几种。

补充原则一：有e股输入流，就可以建立e个补充方程：ae×ED×c* =We。式中，ae（e×n）为对应输入系统流元素为 1的矩阵。We（e×1）为已知输入系统流的成本向量。

补充原则三：若子系统的“燃料”为双线流，则构成双线流的两股流，其单位成本也相等。多输入和多输出系统同样也如此，且等于输入单位流成本的加权平均值。

图1 矩阵模式，经济学基本思路

图2 考虑环境影响的成本分析模型

补充原则四：有l股输出系统排放到环境中的流股，就可以建立l个补充方程：al×ED×c* =Wl。式中，al（l×n）为对应输出系统并排放到环境中的流元素为−1的矩阵；Wl（l×1）为已知输出系统并排放到环境中流的成本向量。当不考虑流排放所造成的环境影响时，Wl（l×1）为零向量；考虑流排放所造成的环境影响时，Wl（l×1）为负向量，从而将环境成本转移到产品成本中。

2 案例分析：天然气辅助煤多联供甲醇电多联产系统

该多联供多联产系统的描述见文献[5]。该系统可有效地弥补分产系统中存在的一些不足，通过煤基合成气生产化工产品，未反应的合成尾气和天然气在燃气轮机中燃烧发电，从而提高系统的能量利用效率。在传统的多联产系统中，由于出甲醇合成单元模块的未反应合成气的量较小，联合循环发电单元模块的操作范围也较小，从而导致联合循环单元模块的发电效率较低。而对天然气辅助煤甲醇电多联供系统来说，通过采取补充燃烧天然气和未反应合成气联合的方式来扩大循环发电单元模块的操作范围，从而可以提高整个系统的发电效率，并使天然气的应用效率达到最佳水平。

2.1 单位成本分析

2.2 单位经济学成本分析

图3 单位成本变化规律

表1 各子系统的燃料、产品及环境排放

煤炭开采的固体废物产生率为4.92 kg/t，天然气开采的固体废物产生率为0.00576 kg/m3。本文固体废弃物只考虑其占地损失，2000年固体废弃物的环境经济损失[9]为 4.652 $/t。以小麦的出售价格对其进行修正，则固体废弃物的环境经济损失为8.652$/t。废热的累积必然会增强温室效应[10]，但是目前还缺乏相关的统计数据，暂不考虑废热的环境成本。图4所示为单位经济学成本的变化规律图，图5、图6所示为考虑环境影响前后的系统经济学成本变化图。

图4 单位经济学成本变化规律

3 结 论

（1）引入过程系统的环境影响因素，提出考虑环境成本的矩阵模式经济学分析方法，分析系统产品生命周期成本的形成过程，揭示系统产品的真实成本。

表2 各子系统的投资回收成本和运行维护成本 单位：$/s

表3 各污染物的环境成本估算

图5 未考虑环境成本时的天然气辅助煤多联供甲醇电多联产系统的成本变化图（单位：$/s）

图6 考虑环境成本时的天然气辅助煤多联供甲醇电多联产系统的成本变化图（单位：$/s）

（2）针对事件矩阵建立，提出考虑环境影响的新补充方程构建原则。

（3）以天然气辅助煤多联供甲醇电多联产系统为例，详细分析了考虑环境影响前后的单位成本和单位经济学成本的变化情形，随着过程的延伸，两者成本均逐渐升高。未考虑环境成本的产品电力平均单位经济学成本为0.0200 $/MJ；考虑环境成本后，则其成本将提高41.0 %。

[1]Keenan J H.A steam chart for second law analysis.A study of thermodynamic availability in the steam power plant[J].Mechanical Engineering, 1932, 54：195-04.

[2]Evans R B, Tribus M.A contribution to the theory of thermo economics[R].UCLA, Report No.62/63, Los Angeles, CA 1962.

[4]傅秦生.能量系统的热力学分析方法[M].西安：西安交通大学出版社.2005.

[5]万树文.合成气为核心的多联供多联产系统多目标评价研究[D].青岛：青岛科技大学.2012.

[6]Valero A, Lozano M A, Muñoz M.A General Theory of Exergy Saving：Part I～III [M].Computer-Aided Engineering of Energy System–Second Law Analysis and Modelling, ASME Book H0341C ,1986, 2-3：1-21

[7]原培胜.污水处理厂处理成本分析[J].环境工程, 2008, 26(2)：55-57.

[8]刘敬尧.合成气为核心的能源化工系统的系统分析和生命周期评价[D].广州：华南理工大学, 2011.

[9]郑莆燕.煤部分气化联合循环的技术、经济和环境综合分析研究[D].南京：东南大学, 2003.

[10]Zevenhoven R, Beyene A.The relative contribution of waste heat from power plants to global warming [J].Energy, 2011, 36：3754-3762.