从石灰石的生态属性论白泥脱硫的环境意义

徐东升，樊帅军，李德峰，徐昉，马采妮，马双忱*

（1.华电渠东发电有限责任公司，河南新乡453000；2.华北电力大学环境科学与工程系，河北保定071003）

0 引言

白泥固体废弃物的处理一直是造纸企业的难题，国内外都已探索过白泥的处理及利用方法［1-2］，白泥主要成分为苛化碳酸钙，大部分企业选择回收利用白泥，加填入纸浆中［3］，或送水泥厂处理后成为水泥原料。但因其偏碱性并含有其他杂质的特点，上述方法没有成为处理白泥的有效方式。最终，白泥堆积如山，其渗滤液严重污染周边环境和水体。目前，我国90%的燃煤电厂采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术［4］，而石灰石脱硫需要开采大量矿山。这种单一的烟气脱硫方式决定了我国每年烟气脱硫开采的石灰石原料用量巨大，常年大规模的开采石灰石矿山给矿区带来严重的生态影响，面对有限的资源，循环经济以废治废是寻求环境治理的一个行之有效手段［5］。

1 矿山土地的生态价值

开采矿山势必会毁坏矿山“生态价值”，其主要包括以下3 个方面的含义：首先，矿山上的动物、植物、微生物等各种生物之间相互作用，在不断竞争中完成了自身生存目标，潜移默化地有益于其他生物的存活，比如落叶归根等；其次，从生态系统的层面来看，物种的诞生与消亡，对于维持系统运转平衡起着关键作用，也体现了其生态价值；最后，矿山的自然生态系统极大地改善人类的生存环境，对于人类来说有着不可忽略的生态价值。

“十九大”报告提出了“绿水青山就是金山银山”的新型发展理念。这句话包含了最基本的生态建设方法与原理，以共赢为目的巧妙转化绿水青山与金山银山看似不相容的关系。保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力［6］。只有坚持正确的发展理念和发展方式，才可以实现百姓富、生态美的有机统一。党的十八届三中全会提出要探索编制自然资源资产负债表、核算全国和各地区自然资源的价值，将其作为对政府相关部门的考核依据，以有效保护和高效可持续地利用自然资源［7］。“十九大”报告指出，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。在工业化的进程中，参考生态价值能够促进建立合理的管理体系。十三届全国人大正式批准生态环境部成立，在《中华人民共和国循环经济促进法》［8］中明确了部门对资源再利用的监督与管理，专事专办，体现了国家对企业改变经济发展模式的鼓励与决心。

2 从“两山”理论审视白泥脱硫

“两山”理论是新时代对经济发展的全新诠释，把保护环境的概念蕴于当前经济发展的思路中。“两山”理论能够最大程度缓解资源环境危机，顺应时代发展的潮流。不论是白泥堆积所带来的庞大末端治理负担，还是矿采石灰石脱硫，都是政策标准之下的对策，以排放达标为目的的被动消极举措。绿水青山就是金山银山，是充分考虑到发展经济同时兼顾生态保护的辩证思维，结合新型理论与技术的应用，为企业展开全新的绿色发展画卷。而白泥脱硫正是“两山”理论下的一个实践案例，传统的石灰石脱硫正面临着矿石资源危机以及生态破坏困境，造纸废物的处理问题也迫在眉睫，要彻底解决能源环境危机，就必需顾及工业发展中的生态成本，无论是原料开采还是废物处理，都需要将目光投向厂内，实现生态经济模式、绿色发展模式转变。“两山”理论下企业间的合作显得尤为重要，以造纸厂与电厂进行合作为例，用于脱硫的石灰石属于不可再生资源，不计成本的开采，对青山的破坏无法挽回。同样，造纸白泥的大量堆积也是困扰企业的一大难题。为了实现资源的合理利用，同时保护我们的绿水青山，我们必须将目光投向厂间物料循环，实现造纸厂白泥用于电厂脱硫的生态工业模式，进而实现工业园区物质的有序流动。以成本缩减作为企业生态经济发展的驱动力的高质量发展正是"两山"理论的核心目标，也让企业在新时代要求下的环保观念有的放矢。

3 石灰石矿山开采状况

随着人口和国内生产总值快速增长，矿石开采量每年以2%～6%的幅度增长［9］。我国矿采量居世界前列，据统计，金属和非金属矿产资源占据了我国社会生产所需原材料的85%，能源矿产占能源消费的95%。目前已有160 余种矿产资源被发现，并进行规模化开采［10］，在全国各地均有储藏。我国现在已有国营矿山企业8 000 多个，个体矿山企业多达约23 万个，采矿已经深深扎根成为我国经济命脉。石灰石是非金属矿产中的一种，其用途极广，可加工出各类产品且均具有良好的市场前景，随着科学技术的不断进步，石灰石的应用领域也被进一步拓宽［11］。除了广泛用于化工、发电厂脱硫和造纸等行业，石灰石最普遍的应用是被用作水泥和钢铁工业的原料。综合国内外石灰石产品深加工发展现状，目前我国石灰石矿的主要用途有以下几种。

（1）磨细后掺入混凝土中改善其性能［12］。

（2）采用包含石灰石在内的各种无机矿物原料经过高温烧制玻璃。

（3）煅烧得到的石灰与焦炭经过电炉热反应生成电石。

（4）生产机械制造用的铸造型砂。

（5）经过煅烧一系列反应生成石灰乳并再次沉淀，可生产各种行业所需轻质碳酸钙产品。

（6）通过低温煅烧制取活性石灰作为造渣剂，降低炼钢金属的杂质含量。

（7）加工成石灰石粉作为烟气脱硫剂。

石灰石经过磨粉制浆后具备提供碱度能力，用于烟气湿法脱硫，在国内外被广泛使用［13-14］。石灰石破碎磨细，制浆后通入脱硫塔内与烟气充分接触混合，由风机进行强制氧化，经过脱水得到石膏。

3.1 过度开采

城市化进程步伐加大，企业为追求效益，不计后果地进行盲目、低效率的粗放型开采，加快了资源的枯竭速度。尽管石灰石矿产资源丰富，但如此大量的消耗石灰石必然会导致石灰石矿产资源的过度开采，矿山修复的末端处理也是一笔相当大的开支。石灰石矿山多为露天开采，尽管地形因素大大降低了生产成本，但需要大量剥离矿石表面岩石土壤。土壤损失所带来的一系列环境问题，已经逐渐威胁到人类生存，盲目的高强度开采几乎损失了矿区原有的全部生态价值，与社会经济的健康发展格格不入。围绕矿山开采的一切活动都会影响到生态环境［15］。

3.1.1 开采中产生污染

采矿的主要方式是露天开采，开采过程中会产生污染，大量颗粒物扬尘和有毒物质是导致空气污染的主要因素。采用汽油、柴油为挖掘机、爆破等提供动力，燃烧不充分时会大量产生一氧化碳、氮氧有毒化合物。矿山生产工序中，机器在进行开拓、切割、破碎时都会产生大量的粉尘。运输及装卸过程中，石灰石颗粒颠簸洒落，或者遮盖不当散落在空气中，风速较大时还会导致扬尘天气，一旦飘到城市及周边郊区，造成空气质量下降，会对居民的呼吸系统健康产生威胁。开采产生的粉尘、岩石碎屑以及较大碎石堆积对土壤植被生长极为不利，不论是农业生态系统，还是森林生态系统都会因为扬尘侵袭而遭到破坏。

3.1.2 末端治理负担

开采后的石灰石矿区呈现以下几种不同的地貌。

（1）采矿设备及运输路线占地，在矿山开采过后成为荒地，此类废弃地由于破坏较少，挖掘开发程度不深，故可以通过自然演替进行恢复。

（2）石灰石矿储量大，赋存丰富，因此采场标高要达到石灰岩矿层，所需爆破及平整占地极大，形成裸露废弃地。

（3）粒径过小难以收集的碎石，矿山表面土层堆积及一些废弃矿石形成的废石堆积地。

为满足开发要求，山地原有地貌被破坏，为了方便采掘设备进出、运输，甚至周边的植被也被砍伐清理，在雨水丰富的季节，降雨冲刷周边土壤，恶性循环，裸露地将越来越多，这些因素极其不利于土壤的重新覆盖。矿山周边地下水过度使用，矿区周边地质灾害频发，土地崩塌，产生裂缝，地质结构的不稳定难以通过土地回填进行修复。水文循环衰减使生物的生存条件恶化，同时地形与地貌的改变，地表径流减少对当地物种多样性造成打击。采矿废弃物不经处理四处丢弃，周边植被减少，沙尘恶劣天气不断在增加，在末端治理中仅通过土地复垦无法有效地遏制。

4 白泥脱硫与清洁生产

白泥所消耗成本在未增加白泥脱硫时，中国造纸厂白泥年产千万吨以上［16］，大都堆积在白泥储存场内，或直接储存在造纸厂内，经过试验测试比对使用竹浆［17］、甘蔗浆及桑枝浆白泥脱硫所形成的白泥脱硫效果基本与石灰石脱硫效果一致。白泥在燃煤锅炉烟气脱硫系统的应用试验表明，白泥脱硫活性优于石灰石，通过优化运行条件pH 值，氧化效果能够实现对石灰石的完全替代［18］，具备理论可行性。

清洁生产除了要考虑到避免环境被持续破坏，还要尽量降低能源消耗，增加原材料获取手段和运营成本，提高经济效益，增强竞争力，确保实现经济与环境的“双赢”。白泥脱硫工艺与常规烟气脱硫技术相比，直接利用造纸工业产生的白泥完全替代传统的石灰石用于烟气脱硫。南宁某电厂660 MW超临界压力燃煤直流锅炉完全使用白泥进行脱硫，系统处理的对象为锅炉电除尘器后引风机出口的全部烟气，单机烟气量2 217 078 m3∕h，平均每月能够消耗白泥13 000 t，白泥就地取材，所需运费也非常低廉，庞大的白泥使用量可以轻松解决令造纸厂头疼的白泥堆积窘境。不仅实现了造纸行业的清洁生产，而且为造纸企业周边电厂提供了更经济的湿法脱硫方式，实现了废物的双向治理。

建立清洁生产模式具有以下几个优越性。

（1）预防性。强调源头控制，通过使用更为经济的白泥进入脱硫环节的物质量从源头防止资源浪费。

（2）协调性。围绕清洁生产系统，以减少废物排放为目标，对物料循环的两系统参数进行修改加以适应，达成有效可行地循环。

（3）经济效益性。由于减少了生产一端废物处理的费用，同时减少了脱硫原料的开采成本，相互合作的企业都得到不同程度的支出缩减。

（4）科学合理性。能够衔接在不同企业间物料循环，颠覆了常规的技术，与时俱进的科技改进必不可少。

白泥脱硫是现时能够缓解脱硫困境的治本途径，但仍需要不断地研究试验达到对石灰石的完全替代。

5 石灰石脱硫生态成本

5.1 重置成本法

重置成本法［19-20］是指恢复或者替代生产性资产、自然环境、人类健康等所需的成本，如计算流域水质污染的生态补偿成本［21］；将大气污染治理为洁净的空气所需的治理费用［22］；针对保护区资源使用重置成本法，确定设立保护区的优先等级［23］；评价物品交易价值也可以参考重置成本的结果［24］。通过重置成本法能够量化诸多易被忽略的因素，使资源配置趋于更为合理的方向，用直观的数据呼吁健康的发展决策。

石灰石脱硫的生态成本转化为完全治理矿山所需要成本，参考对甘肃省森林生态资源补偿的计算方法［25］，按3层成本来估计矿山环境重置成本，并补充在矿区恢复期间，功能缺失层成本加入。第1，恢复层成本，将矿山被破坏的地形地貌恢复到原来的程度所消耗的成本；第2，维护层成本主要是指为了保持修复后的生态环境不被破坏的成本。因为生态环境恢复需要一定的时间进行自然演替，修复到原来的水平需要相当长的时间，很难立竿见影，在这段恢复期之内除了要考虑养护成本之外，生态功能的大幅度衰减也需要考虑在内；第3，战略层成本，在个别具有旅游开发价值或者建立交通线路的地区，考虑到要进行生态恢复，将其设为保护区的同时舍弃了发展经济的机会。本文对重置成本法计算石灰石矿山开发成本进行说明，以广西露天采矿为例，对1年1 hm2土地进行计算。

5.1.1 恢复层成本

生态环境恢复层成本主要是将矿山被破坏的地形地貌、生态系统恢复到原来程度所消耗的经济成本，复垦前准备主要包括地表回填成本、边坡整理成本K［26］，参考荆门矿山修复第1 年投入5.640万元［27］，植被、化肥购买与种植挖穴、客土、用工成本Z，以种植适合沿海防沙木麻黄为例，共计1.226万元［28］，则恢复层成本

5.1.2 维护层成本

维护层成本主要包含2 方面，第一是未恢复期间由于原有土地功能损失的部分D1。矿山地处生态资源和土地资源丰富的地区，主要能够起到保持水源、治理风沙与保育土壤的作用。保持水土这一生态功能的成本量化通过矿区土地年平均涵养水源量与南宁市区水的单位价格计算得出其涵养水源功能总价值；治理风沙的生态功能价值可通过计算固沙量用以培育作物价值得出；对于保育土壤的作用量化，可以分为固定土壤和保存肥力2 个部分计算保育土壤的功能价值，具体如下。

（1）保持水源的功能价值（以1 年1 hm2土地进行计算）

式中：W1为每公顷土地保持水源的功能价值，万元；P 为地区居民用水价格，元∕m3，按照第三阶梯用水量对应价格为2.9元∕m3；Q为每公顷土地年存水量，m3。广西地区年降水量为1 300 mm［29］，植被土壤吸收蒸发散失大部分，假设矿区降雨只有40%可以汇入地表径流，则矿区每公顷土地涵养水源总量为

则每公顷矿区土地涵养水源价值为

（2）治理风沙年平均的功能价值。W2为矿区植被治理风沙功能的价值（万元）。矿区植被1年的阻沙量=植被单位面积单位时间阻沙量×植被面积×年起沙风时间平均值。人工植被单位面积单位时间阻沙量数据为0.076 g∕cm2∕min［30］，每公顷土地植被面积为0.100 hm2，由于广西位于东南沿海，风沙来源主要为沿海沙［31］，年起风沙时间较少，估计为30 d，矿区植被防护体系1年总的阻沙量为3×107kg。

治理风沙价值通过下式计算［32］

式中：A为矿区植被体系防风固沙量，kg；B为每年每公顷稻田年均收益，元∕hm2，根据广西种植情况，按照亩产1 000 kg，每千克4.2 元并且年收2 季稻计算，每年每公顷稻田年均收益为12.600 万元；H 为表土的平均厚度，取0.5 m；ρ 为流沙容重，取1.53 g∕cm3。代入各值，求出价值量为49.412万元。

（3）保育土壤的功能价值。第1 部分固定土壤的功能价值为

式中：W3为土地固土功能的价值，万元；P 为每年每公顷矿区植被可减少的土壤流失量相当于减少废弃面积，hm2；LR为林区土地租金，万元∕hm2。

对于土地资源保肥效益的量化核算可以通过土壤侵蚀量中含氮量与农业补充土壤氮肥所使用的尿素化肥含氮量、市场价格计算得出。根据北京林业局研究结果，有林地比废弃地每年每公顷可减少土壤流失量3 335.7 t，林地土壤容重平均为1.10 t∕m3，表土的平均厚度取0.5 m，则每公顷矿区每年可减少的土壤流失量相当于减少废弃面积0.610 hm2。因此，森林减少土壤流失保护土地的价格，应用林区土地租金13.000万元计算，则矿区减少土地损失的价值

第2 部分保存肥力功能价值为：根据林场森林每年可减少土壤流失0.610 hm2∕a，按北京市林业局研究提供的资料为每年每公顷可减少土壤N，P，K肥的损失量分别为6.376，0.670，2.684 t。

N 肥年损失价值：根据目前市场N 肥（尿素）价格2 000元∕t，则N肥损失价值

P 肥年损失价值：根据目前市场P 肥价格为1 000 元∕t，则P 肥损失价值

K 肥年损失价值：根据目前市场K 肥价格为1 000 元∕t，则K 肥损 失 价值则矿区土地保肥功能价值

未恢复期间由于原有土地功能损失，而需要进行弥补的成本

第2 是种植维护土地成本D2，参考林传凤植树造林成本分析［28］：包括防沙障安装费用、护林工工资。估计D2恢复成本为3.000 万元∕hm2。

则维护层成本

式中：D1为未恢复期间由于原有土地功能损失，而需要进行弥补的成本；D2为维持恢复后的生态功能以防环境再次出现恶化而必须付出的成本。

5.1.3 战略层成本

战略层成本主要是指为在个别具有旅游开发价值或者建立交通线路的地区，考虑到要进行生态恢复，将其设为保护区的同时舍弃了发展经济的机会，战略性放弃经济成本称为战略层成本，记为C3。在资源的利用所有可行方案中，可获得回报最高的项目可以作为建立保护区的战略层成本。广西森林土地资源丰富，少数民族文化底蕴深厚，具有很高的开发价值，我国旅游景区用途土地使用年限为40 年，参考广西某县城土地出让收益为16.600 万元∕hm2［33-34］。

综上所述，开采石灰石矿山的生态成本

式中：C1为生态环境恢复层成本，万元；C2为生态环境维护层成本，万元；C3为生态环境战略层成本，各层成本统计见表1。

表1 开采矿山生态成本Tab.1 Ecological cost statistics of limestone mining

6 结论

本文针对火电厂湿式石灰石-石膏法烟气脱硫的原料改进价值进行了一系列考量，石灰石矿山开采面临着严重的资源匮乏与环境恶化问题，白泥脱硫拥有巨大的发展潜力，省去了电厂脱硫原料的购买以及造纸厂白泥堆积维护投入。建立“生态账本”可以指导各方面决策规划，推动企业建立积极的运行管理方案。推行使用白泥作为脱硫原料，以废治废可以同时有效解决经济发展、环境保护问题，实现高质量可持续发展。使用白泥脱硫是新时代生态环境建设中刻不容缓的一环，需要国家在政策上给予明确支持。