我国典型建材产品碳排放研究进展

张清华　云福　史翀祺

摘 要：建材工业是我国重要的高能耗、高排放产业，是我国控制和减少温室气体排放的重点关注行业。文章调研了大量建材碳排放研究方面相关的文献，分析了我国典型建材产品碳排放研究的现状。最后，展望了我国碳市场建设的进程及建材行业的加强碳排放控制和管理的必要性，提出加强产品碳排放的研究和管理、升级建材生产技术是降低建材企业在全国碳市场中的履约风险的重中之重。

关键词：建材；碳排放；碳足迹

气候变化、能源危机等全球性问题日益突出，可持续发展成为当今社会面临的一个重要课题。我国政府明确了二氧化碳排放2030年左右达到峰值并努力尽早达峰等一系列行动目标，并将行动目标纳入国家整体发展议程。建材工业是我国经济建设的重要基础行业，也是我国的高能耗高排放产业和减少碳排放的重点关注领域。针对我国典型建材产品不断加强开展碳排放研究，可为建材行业减少碳排放提供理论基础和依据，促进建材工业的可持续发展，对实现我国二氧化碳排放控制系列行动目标具有重要意义。

1 产品碳排放研究方法

产品碳排放通常采用碳足迹的研究方法。英国标准协会（BSI）于2008年10月发布了全球第一部基于生命周期评价理论的产品碳足迹标准PAS 2050，2010年升级为PAS2060，目前已经成为国际上开展碳足迹评价的主要方法依据。世界标准化组织基于PAS2050的框架和核心思想，推出了ISO14067标准，也是产品开展碳足迹研究的重要依据。碳足迹研究涵盖的温室气体不仅包含二氧化碳（CO2），还包含甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、六氟化硫（SF6）、氢氟碳化物（HFCs）和全氟化碳（PFCs）等《京都议定书》指定的其它主要温室气体，不同温室气体的温升潜力可参照联合国政府间组织（IPCC）发布的温室效应当量因子。此外，碳足迹不仅要考虑直接排放，还应该涵盖间接排放。因此，碳足迹研究方法可以较好地反应一个产品整个生命周期内的碳排放整体情况，找出不同环节的碳排放影响，以便更好地控制和管理产品生命周期的碳排放。

2 几种典型建材产品的碳足迹研究进展

近年来，我国研究人员对钢材、水泥、混凝土产品、平板玻璃、建筑陶瓷等典型建材产品的碳排放开展了系列研究。

2.1 建筑钢材

钢铁工业是我国重要的基础工业部门，目前已形成包括矿山、烧结、焦化、炼铁、轧钢以及相应的铁合金、耐火材料、碳素制品等门类齐全的完整工业体系。张涛等基于碳排放系数法构建了建筑材料全寿命期CO2排放计算模型，并提出了材料生产、运输以及处置阶段CO2排放因子的确定方法。邹安全等利用经济投入产出方法对钢铁产品生产各过程的碳排放贡献进行了研究，系统边界包括原料开采、生产、运输阶段的直接排放和间接排放，未考虑外购电力和原料等产生的间接排放并抵扣了余热/余压发电等废能利用产生的减排效果。研究发现钢铁产品生命周期各阶段的直接碳排放主要集中在钢铁生产和运输阶段，分别占78.9%和10.9%，其它过程占10.2%。间接排放量主要来自黑色金属冶炼及压延加工业、煤炭开采、洗选业和交通运输业。其中黑色金属冶炼及压延加工业的排放量最大，占间接排放总量的78.2%。龚志起针对20号普通碳素钢采用连铸工艺从原材料开采至加工成钢材产品产生的环境影响进行了分析。主要工艺流程包括原材料采运、烧结、高炉炼铁、炼钢、浇铸和压力加工等。结果表明，生产1吨钢水、大型钢材、小型钢材、线材、热轧带钢和冷轧带钢的碳排放量分别为456.7、4339、3589、3551、3755和4524kgCO2eq。上官方钦等对钢铁制造流程进行了碳素流运行规律解析，并对我国钢铁工业的碳排放水平进行初步评估。研究表明，我国钢铁工业吨钢碳排放量由1991年的3.22tCO2eq下降到2007年的约1.87tCO2eq，下降约42%。此外，年产800万吨的平材生产长流程（包含焦化、烧结、球团、高炉、转炉、连铸和热轧），吨钢碳排放量为2149.53kgCO2eq；年产200万吨平材EAF生产的短流程，吨钢碳排放量仅为585.59kgCO2eq。不同研究的研究结果存在一定的差异，这是由于研究对象的选取不同以及核算的系统边界不同造成的。

2.2 水泥产品

我国水泥产量自1985年以来一直位居世界第一，2015年度产量达到23.48亿吨，占全球水泥总产量的57.32%。水泥行业是工业领域节能减排的重点。龚志起对P5.32.5、P0.42.5、P1.52.5三种不同标号的新型干法水泥生产线的环境负荷进行对比，研究表明水泥标号越高，能耗和碳排放量越大。李晓鹏等根据PAS2050规范核算了我国典型水泥厂的碳足迹，其系统边界包括生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨3个阶段。研究表明水泥生产造成的主要温室气体是CO2，主要排放来自石灰石分解和熟料煅烧过程的煤燃烧，生产1kgP0.42.5水泥的碳足迹为0.614kgCO2eq。近年来，水泥工业在固废综合利用方面进行了很多有益的尝试，消纳了大量工业废弃物与生活垃圾。史菲菲等的研究表明，利用工业废弃物生产水泥可以降低水泥产品的整体碳排放，当电石渣从30%提升到60%时，CO2的减排效果最显著，平均每增加1吨电石渣（干基）可减少碳排放401.64kg。

2.3 混凝土产品

混凝土是建材行业的大宗材料，用量巨大。俞海勇等考虑了由原材料引入碳排放、混凝土生产碳排放和混凝土运输碳排放构成的单位产品的碳排放量。根据对上海某水泥企业的调研数据，研究发现混凝土强度越高，碳排放量越大；碳排放源主要来自原材料的内含碳排放，C20～C60 混凝土原材料内含碳排放占总碳排放的 82.98%～90.96%。研究还发现，掺入一定量的粉煤灰等工业固废可显著降低混凝土的碳排放量。高育新等人对比了绿色生产方式对预制混凝土碳排放的影响，分析认为通过加强管理、优化生产流程等绿色生产措施的应用，生产单位立方米C30混凝土的碳排放可以降低37.12kg/m3。不同的浇铸工艺对碳排放的影响也不同，沈卫国等对比了常规工艺、抛填骨料工艺和预置集料三种浇铸工艺制备的强度均为C50的混凝土的环境影响。研究表明，三种工艺制备的C50混凝土的碳足迹分别为392.35、321.64和293.47kgCO2eq/m3，预置集料工艺相对更低碳。

2.4 平板玻璃

平板玻璃是主要的建筑装饰材料之一。陈文娟等研究建立了一套平板玻璃工业的生命周期环境影响评价方法，并对代表我国浮法玻璃生产平均水平的某生产线进行了研究，系统边界包括原材料开采、能源生产、运输和平板玻璃生产全过程。根据其模型计算得出平板玻璃工业温室气体主要来源于平板玻璃制造过程和原料开采过程，2002年和2004年的1吨浮法制平板玻璃碳排放量分别为1.04×107t和1.53×107t。赵春芝等以资源开采、原材料及辅料生产一直到出厂为止并包含主要原料的运输过程为系统边界，利用eBalance软件对浮法玻璃和我国典型断桥铝合金窗的碳足迹进行了研究。根据对浮法玻璃企业调研数据的平均值，计算得出生产1kg玻璃的碳排放量约为0.57kgCO2eq；研究表明断桥铝合金窗温室效应影响为253.7kgCOeq/m2。王淑萍针对传统铝合金窗、断桥铝合金窗、PVC-U塑钢窗、木塑复合窗和再生木塑复合窗五种典型建筑玻璃窗，将全生命周期分为生产阶段、形成房屋建筑部品阶段和使用阶段分别进行生命周期清单分析及环境影响评价。研究表明玻璃窗生命周期中的温室气体排放主要是能源物质燃烧产生的CO2和CH4的排放。铝合金窗和断桥铝合金窗的温室效应是塑钢窗、木塑复合窗、再生木塑复合窗温室效应的3倍，2007年典型企业生产1m2典型建筑玻璃窗的CO2排放量依次为176kg、165kg、67.1kg、31.5kg和35.6kg。

2.5 建筑陶瓷

我国是世界最大的建筑卫生陶瓷生产国、消费国和出口国。建筑卫生陶瓷工业是建材第三大产业，也是建材行业碳排放的重要源头之一。曾杰等应用生命周期理论，以华东地区生产的建筑卫生陶瓷为研究对象，计算了建筑卫生陶瓷原材料开采、原材料运输、产品生产、产品运输等4个子过程碳排放量。结果表明，生命周期内建筑陶瓷和卫生陶瓷的碳排放起决定性影响的是产品生产过程，所占比例分别高达72.8%和70.7%；整个生命周期碳排放分别为9.59kgCO2eq/m2和776.75kgCO2eq/t。彭军霞等采用投入产出分析方法和目标规划方法，以某建陶企业为代表，建立了建筑陶瓷产业投入产出模型及低碳优化模型。研究表明影响建筑陶瓷产业碳排放的关键环节为烧成和喷雾干燥过程，烧成和喷雾干燥过程排放的CO2占总排放的80%以上。坯砖、抛光砖和釉面砖三种建筑陶瓷产品的万平米产量碳排放量依次为150.2tCO2eq、168tCO2eq和159.6tCO2eq。俞海勇等针对华东地区生产和销售的建筑陶瓷、卫生陶瓷等9种典型装饰装修材料基于生命周期评价理论建立了能耗及碳排放量的测算模型。其生命周期的系统边界以一次能源的开采为起点，运输至一级经销商为终点。分析结果表明，建筑陶瓷、卫生陶瓷单位产品的碳排放总量分别为0.941和1.78kgCO2eq/kg。其中，产品生产阶段的碳排放量贡献最大，分别占64.6%和78.8%。

2.6 烧结墙材

墙体材料也是影响建筑碳排放的主要建材之一。目前使用最广泛的墙体材料有空心砖、砌块和板材类。房明慧针对我国利废空心砖、加气混凝土砌块和轻集料混凝土砌块三种应用广泛的墙体材料的生命周期评价研究表明：空心砖碳排放主要来源于烧砖过程煤燃烧的直接排放，占比约74.76%；加气混凝气砌块碳排放主要来源于石灰生产、水泥生产和砌块生产三个过程，占比依次为57%、22%和13%；轻集料混凝土砌块碳排放主要来源于砌块生产、水泥生产和陶粒生产三个过程，占比依次为32.85%、29.29%和17.28%。张海涛等以淮北市的新型墙体砖（粉煤灰砌块、煤矸石砖）和传统墙体砖（粘土砖、粘土多孔砖）为案例，对墙体砖生产过程的碳足迹进行了分析和比较。该研究将产品生产过程的碳排放计算方法做了适当调整，将其生产过程中由于土地占用而损失的碳库视为碳排放，结果显示，这4种墙体材料生产过程的碳排放系数从高到低依次为：煤矸石砖>粘土砖>粉煤灰砌块>粘土多孔砖，碳排放系数分别为369.2、323.4、163.1和162.7kgCO2eq/m3砖。杜建东对我国墙体材料常用块材产品的单位面积砌体生产过程中的碳排量进行了推算，结果表明薄灰缝砌块比轻集料填充砌块碳排放降低1.5kgCO2eq/m2。

3 展望

为落实国家制定的温室气体减排目标，也为了抓住机遇促进经济转型和绿色发展，我国政府出台了系列措施不断刺激和加强企业对碳排放的管理。除了已在北京、上海、天津、重庆、广东、湖北和深圳7个地区开展碳排放权总量控制与交易试点外，明确提出要在2017年建成全国碳排放权市场，并已完成配套政策、规则和工具的制定。正在马不停蹄地在对各省市管理部门和企业开展能力建设。2017年全国碳市场正式启动后，建材企业将作为第一批被纳入全国碳排放权交易体系，要逐步开始履行碳排放报告、管控和履约的责任。加强节能减排，关系到建材行业的兴衰和企业的存亡。现有已经开展的系列关于产品碳排放的研究为建材企业减少和降低产品碳排放提供了一些决策依据，建材企业应从碳排放的主要环节抓起，通过技术升级改造和新技术应用、原料替代、燃料转换等措施重视和加强碳排放管理，才能降低在全国碳排放市场中的履约风险，提高企业的竞争力。

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