水泥行业环境影响评价低碳技术选择与应用

易文杰，李庄*，罗竹燕，刘帆，刘兴旺*，赵玉婷

1.湖南省生态环境事务中心

2.湘潭大学环境与资源学院

3.中国环境科学研究院

环境影响评价制度是我国主要的源头防控制度[1]，为实现碳达峰碳中和目标愿景，生态环境部2021 年发文将水泥等重点行业碳排放纳入建设项目环境影响评价[2]，而CO2减排措施可行性论证是碳排放影响评价中重要一环[3-4]。推动减污降碳协同治理是“十四五”期间国家应对气候变化的重要举措之一[5]。水泥行业作为CO2排放重点行业，排放的CO2占全球排放总量的5%～8%[6-9]，占全球工业温室气体排放量的13%[9]。中国是水泥产量最大的国家，2021 年全国水泥产量为23.63×108t，约占世界水泥总产量的56.82%[10]。在我国，水泥行业排放的CO2量仅次于电力行业，约占工业生产CO2排放总量的20%[11]。由此可见，在环评报告书中应该明确提出低碳环保协同措施，充分发挥环评制度源头防控温室气体作用。

水泥行业环境影响评价中低碳技术的选择与应用是实现CO2减排的关键之一[12-13]。罗雷等[13]研究表明，水泥行业通过能效提升及节能低碳技术的运用可实现每年CO2减排约1.19×108t。Dinga 等[14]研究发现，要在2060 年前实现碳中和，需要加快采用可再生电力，大规模部署碳捕获、利用与封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS），并大力推广先进节能低碳技术。水泥生产中，采用高炉矿渣或粉煤灰等废料替代10%的石灰石，理论上可减少25%的CO2排放[15]。Santos 等[16]发现，用石棉-水泥瓦废料替代74%的生料，可减少11.85%的CO2排放和10.13%的能耗。通过民用建筑废料替代部分原材料生产熟料，也可减少8.1%的CO2排放[17]。煤炭在水泥生产过程所消耗的能源中占比达80%～85%[18]。而利用生物质等废料作为煤的替代燃料可减少20%～25%的CO2排放[19]。减少电力消耗，优化生产设备也可以减少CO2排放[19-20]，我国先进粉磨技术已将生料和熟料粉磨环节能耗分别降至≤15 和30 kW·h/t[21]。通过能源管理可将能源利用率提高4%～5%[22]。Wang 等[23]提出将碳捕集和余热回收利用结合起来，可更好地节约能源，降低CO2排放。以上研究表明，低碳技术的运用是降碳的前提，而低碳技术与现有同根同源污染源的协同治理技术的环境、经济技术可行性论证又是关键。

目前水泥行业的低碳技术未经过系统的评估，指导操作性不强。已有的对于水泥行业低碳技术的研究主要是基于情景假设和减排潜力分析等方面展开的。如Proaño 等[24]使用Aspen Plus 对水泥工业碳捕集技术中以NaOH、Ba(OH)2等作为前驱体捕集CO2的这种工艺进行了捕集效果的评估和经济评估。Zhang 等[25]综合评价了提高能效、使用替代燃料与原材料和实施CCUS 的节能减排潜力。Schneider[26]基于情景假设等分析了热能效率提高措施、可替代燃料、碳捕集等减排措施的成本、材料或技术的可用性。彭春元等[27]采用德尔菲法、头脑风暴法以及关联度分析法，从水泥市场需求、水泥产业目标、技术壁垒和技术研发需求4 个方面，探讨了不同水泥低碳技术对水泥行业节能减排的影响力。许金华等[28]基于情景假设分析了燃料和熟料替代及能效提高措施等的节能减排效应。何峰等[29]通过边际减排成本曲线对水泥行业24 项节能减排措施进行了分析。由上述分析可知，水泥行业没有1 套针对低碳技术的评价体系，缺乏对技术的系统评估。因此，笔者参考相关技术评价文献、温室气体排放核算方法与报告指南，经过实地调研及德尔菲专家咨询法选取水泥行业低碳技术评价指标，结合层次分析法确定指标权重，建立了1 套水泥行业低碳技术评价指标体系，并对水泥行业低碳技术进行评价，得到水泥行业代表性15 项低碳技术的指标单项排名和综合排名，以期为我国水泥行业环境影响评价中低碳技术的选择与应用提供参考。

1 水泥行业产碳与低碳技术应用环节

环境影响评价中分析确定产污环节、污染特征、污染源强是下一步工作的基础。水泥生产工艺流程主要是“两磨一烧”，即生料粉磨、水泥粉磨以及回转窑内煅烧，主要的产碳节点包括生产过程石灰石煅烧分解直接排放CO2、生料及水泥粉磨等设备运行能耗间接排放CO2、煤炭等燃料燃烧间接排放CO2，其CO2排放特征和影响因素见图1 和表1。

图1 水泥生产产碳节点及低碳技术应用环节Fig.1 Carbon production nodes of cement production and application links of low carbon technology

表1 水泥生产产碳环节的CO2 排放特征和影响因素Table 1 Characteristics and influencing factors of CO2 emissions in carbon production links in cement production process

在CO2排放控制措施评价比选之前，梳理了国内外水泥生产流程各环节（图1），有据可依的低碳技术如表2 所示。水泥行业的低碳技术主要可分为4 个类型：1）低碳原料燃料替代类，如使用电石渣、钢渣、稻壳、生物质燃料等替代水泥生产原料燃料；2）节能过程控制类，如辊压机粉磨系统、高固气比水泥悬浮预热分解技术、第四代中置辊破篦冷机节能技术等；3）能源综合利用类，如建设能源中心、纯低温余热发电技术等；4）末端碳捕集类，如水泥窑烟气CO2捕集纯化、钙循环法捕集CO2等。

表2 水泥行业低碳技术清单Table 2 Inventory of low carbon technologies for the cement industry

2 水泥行业低碳技术评价指标体系

2.1 评价指标的建立

为更好地应对气候变化，环境影响评价相关导则的环境保护措施中要求增加CO2排放控制措施内容，并从环境、经济、技术可行性等方面统筹开展CO2减排措施可行性论证和污染治理措施方案评价比选[30]。参考技术评价相关文献[31-35]，结合《温室气体排放核算与报告要求 第8 部分：水泥生产企业》内容，形成初步指标体系；通过德尔菲法咨询专家意见不断对指标进行修正，确保指标的合理性；再由企业实地调研对指标进行考察，确保指标的可行性及指标对应数据的可得性，确立了一套适宜水泥行业低碳技术选择的评价指标体系(图2)。

图2 水泥行业低碳技术选择评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of low-carbon technologies selection in cement industry

指标体系是由目标层（A）、一级指标（B）和二级指标（C）构成的梯阶层次结构。其中一级指标包括技术评价指标、低碳效果指标和经济评价指标，技术评价指标又包括技术成熟度和技术普适性2 个二级指标；低碳效果指标包括项目CO2减排总量(104t/a)、项目吨水泥CO2排放下降率(%)、项目废物节约替代率(%)和项目节约或产生电量（kW·h/a）4 个二级指标；经济评价指标包括项目投资成本(104元)、项目运行维护成本(104元/a)和项目投资回收期(a) 3 个二级指标。

2.2 评价指标的标准化

建立的指标体系包括定性指标与定量指标，由于各指标的类型不同，其单位和数量级也不相同，故应对指标进行标准化处理。对于定量指标，采用min-max 标准化将其进行标准化，计算公式如下：

式中：x、x*分别为标准化前、标准化后的指标数值；xmax为样本数据的最大值；xmin为样本数据的最小值。

对于定性指标，采用等级赋分法进行标准化，首先邀请水泥减排技术研发、评估等领域的专家对每项指标进行等级评估，再根据等级进行赋值，然后依据下式确定该指标的得分。

式中：ui为各减排技术第i项指标经过等级赋值法后的取值；xi为第i项指标原始赋值。

对于定性指标，其评价标准与赋分情况见表3。

表3 定性指标的等级与分值情况Table 3 Evaluation criteria and assignment of qualitative indicators

2.3 评价指标权重的确定

层次分析法最早由美国的Saaty[36]于1977 年提出，可以根据各上下层次的每个指标进行两两对比，从而作出合理性定量分析，确定指标权重，该方法已被广泛应用于生物质能源[37]、低碳能源[38]、低碳排放[39]和低排放能源[40]等技术评价。运用层次分析法来确定水泥行业低碳技术评价指标的权重，运算过程采用yaahp 软件。通过邀请15 位水泥行业环保低碳领域专家，按照层次分析法中的9 分位标度法对各评价指标进行两两重要性比较，获得水泥行业低碳技术评价指标的判断矩阵，并对矩阵进行了一致性检验，结果表明一致性比例（CR）均小于0.1，认为判断矩阵具有可靠的一致性[41]。判断矩阵的标准化特征向量即为该层级各指标相对于上一层次的权重，水泥行业低碳技术评价具体指标的权重见表4。由表4 可见，一级指标的权重排序为低碳效果指标>技术评价指标>经济评价指标，二级指标排序靠前的为项目CO2减排总量(0.221 8)、技术成熟度(0.188 6)、技术普适性(0.148 9)、项目投 资成本(0.125 9)和项目吨水泥CO2排放下降率(0.114 5)。

表4 低碳技术选择评价指标权重集Table 4 Weighted subclass of evaluation indicators for lowcarbon technology selection

3 水泥行业低碳技术评价比选

表2 中所列的低碳技术清单未经过系统评估，亦无推荐的优先顺序，其指导操作性不强。故选用湖南省6 家水泥企业实际应用的15 项低碳技术进行进一步评价。这6 家水泥企业包括央企、国企、中外合资企业以及民营企业等全国性水泥集团，包含了普通水泥生产企业和特种水泥生产企业，全国水泥集团在湖南或其他省份采用基本相同的低碳技术，具有一定的行业代表性。具体选择的企业及低碳技术如表5 所示。

表5 调研企业所用低碳技术明细Table 5 List of low-carbon technologies used by enterprises surveyed

通过文献调研以及多位专家的问卷调查，得到了15 项技术的各项指标值，结合2.2 节确定的指标标准化方法和表3 的定性指标的等级与分值情况，计算得到15 项技术的定量（图6）和定性（图7）指标量化值。表6 和表7

表6 定量指标量化结果Table 6 Quantitative results of quantitative indicators

表7 定性指标量化结果Table 7 Quantitative results of qualitative indicators

根据指标标准化量化值和权重，计算得到各项技术的二级指标得分情况（图3～图5）。从低碳效果来看（图3），建设能源管理中心、纯低温余热发电技术、高固气比水泥悬浮预分解技术、助磨剂的使用、稳流行进式水泥熟料冷却技术和水泥熟料烧成系统优化技术等得分高；从技术成熟度、技术普适性来看（图4），纯低温余热发电技术、辊压机粉磨系统、高压变频节能改造、助磨剂的使用、高固气比水泥悬浮预分解技术和水泥熟料烧成系统优化技术等得分高；从经济评价指标来看（图5），纯低温余热发电技术、水泥窑协同处置生活垃圾、高固气比水泥悬浮预分解技术、建设能源管理中心、新型水泥预粉系统磨节能技术和辊压机粉磨系统得分较高。

图3 低碳效果指标二级指标得分情况Fig.3 Scores of secondary indicators of low-carbon effect indicators

图4 技术评价指标二级指标得分情况Fig.4 Scores of secondary indicators of technical evaluation indicators

图5 经济评价指标二级指标得分Fig.5 scores of secondary indicators of economic evaluation indicators

将3 个一级指标的下属各二级指标得分求和再与对应权重相乘得到各低碳技术的综合得分及排名（表8）。从表8 可以看出，15 个水泥行业低碳技术评价得分为0.34～0.78，得分0.5 以上的占比为40%。综合排名靠前的技术以能源综合利用类、节能过程控制类技术为主，其中纯低温余热发电技术、建设能源管理中心、高固气比水泥悬浮预热分解技术、稳流行进式水泥熟料冷却技术和助磨剂的使用综合排名靠前，是环境影响评价中CO2减排措施主要推荐的技术。低碳原料燃料替代类中钢渣原料替代减排技术和水泥窑协同处置生活垃圾技术CO2减排总量尚可，且可以消耗生活垃圾、钢渣等废料，节约资源，保护环境，但受到原材料数量的限制，因此在环境影响评价阶段应结合项目的原辅材料情况进行选择性推荐。

表8 低碳技术评价排名情况Table 8 Evaluation and ranking of low carbon technologies

4 结论与建议

4.1 结论

(1) 参考相关技术评价文献、水泥企业温室气体核算方法与报告指南，通过实地调研及德尔菲法咨询专家意见建立了水泥行业低碳技术评价指标体系，该体系符合水泥行业低碳技术特征，可为水泥行业环境影响评价中CO2减排措施可行性论证和方案比选提供参考。

(2) 根据二级指标得分情况，从低碳效果来看，建设能源管理中心、纯低温余热发电技术、高固气比水泥悬浮预分解技术和助磨剂的使用等得分高；从技术成熟度、技术普适性来看，纯低温余热发电技术、辊压机粉磨系统、高压变频节能改造和助磨剂的使用等得分高；从经济评价指标来看，纯低温余热发电技术、水泥窑协同处置生活垃圾、高固气比水泥悬浮预分解技术和建设能源管理中心得分较高。

(3) 综合排名靠前的技术以能源综合利用类、节能过程控制类技术为主，其中纯低温余热发电技术、建设能源管理中心、高固气比水泥悬浮预热分解技术、稳流行进式水泥熟料冷却技术和助磨剂的使用综合排名靠前，是环境影响评价中重点推荐的技术。低碳原料燃料替代类CO2减排总量尚可，但受到原材料数量的限制，综合排名靠后。

4.2 建议

(1) 大力推荐能源综合利用类和粉磨环节过程控制技术。如高固气比水泥悬浮预热分解技术、稳流行进式水泥熟料冷却技术等过程控制技术，降低能耗和CO2排放的同时可强化分解炉内的热稳定性，从而降低NOx、SO2等有害气体的排放量。同时建设能源管理中心，提升水泥企业自动化、信息化、智能化水平，实时监控能耗状态、设备运行状况等，提高生产效率和生产管理水平，降低企业的能耗和CO2排放。

(2) 重点推荐纯低温余热发电技术。纯低温余热发电技术CO2减排量效果十分明显，且技术成熟，要积极降低余热发电的建设运行成本，提高余热利用效率。

(3) 视资源情况推荐低碳替代原料燃料技术。利用生活垃圾、固体废物、生物质燃料等替代煤炭和原材料，减少化石燃料的消耗量，提高水泥窑协同处置能力。在资源最大化利用同时减少CO2排放，还可将含硫、氯或者是某些重金属等有害物质固熔在稳定晶格中，减少或避免焚烧处理后产生二噁英的问题。

(4) 随着科技的发展，相关技术越来越成熟，未来水泥行业应注重前端的低碳技术与末端捕集技术的应用，如清洁能源的使用、低碳水泥的研发与应用以及碳捕集技术的应用等。