福建省建材行業大氣污染物與碳排放清單及分布特征*

何麗雄

(1.福建省環境科學研究院,福建 福州 350013;2.福建省環境工程重點實驗室,福建 福州 350013)

1 概述

作為典型的資源能源依賴型產業,建材行業是我國碳排放(CO2排放)和工業廢氣排放最多的行業之一,分別約占全國碳排放總量的12%和工業廢氣排放總量的18%[1-2]。目前,針對建材行業大氣污染物排放清單研究主要集中在全國視角或如京津冀地區、河南省、陜西省、四川省、重慶市等重點區域和城市[2-4],有關福建省的排放清單研究鮮見。建材行業CO2排放主要產生于化石能源燃燒和原料煅燒,與常規大氣污染物的排放具有一定程度上的同根同源性,且兩者在減排過程中具有協同效應。建材行業是福建省制造業的重要組成部分,以水泥、平板玻璃、建筑衛生陶瓷制造為主,也是福建省工業領域大氣污染物和CO2排放的主要來源。因此,有必要建立福建省建材行業大氣污染物與CO2排放清單,分析排放分布特征,并開展減污降碳路徑研究,為福建省建材行業大氣污染物和碳排放的控制管理政策制定提供基礎數據與科學參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 活動水平數據來源

以福建省為研究區域,以2021年為基準年,涉及行業類別包括水泥熟料、水泥粉磨、石灰、磚瓦、建筑陶瓷和平板玻璃制造等6個行業共503家企業,企業生產工藝信息、產品類型及產量、原燃料類型及用量、末端治理設施等數據主要來源于環境統計、排污許可及企業調研。

2.2 排放因子來源

常規大氣污染物SO2、NOx和顆粒物排放因子及末端處理技術去除效率等數據來自生態環境部2021年發布的《排放源統計調查產排污核算方法和系數手冊》,根據建材企業的工段、產品類型、原燃料類型、工藝技術和規模等級及末端控制措施等信息進行選取;CO2排放因子和計算系數主要來自《省級二氧化碳排放達峰行動方案編制指南》和《省級溫室氣體排放清單編制指南(試行)》;電力排放因子取2021年全國電網平均排放因子0.581 tCO2/MWh。

2.3 排放量計算

采用排放因子法對建材行業大氣污染物和CO2排放量進行計算。

大氣污染物排放量計算公式如下:

Ep=∑Ai×EFi×(1-η)

(1)

式(1)中,Ep為大氣污染物(SO2、NOx、顆粒物)排放量;Ai為建材企業各工段活動水平;EFi為排放因子;η為污染物控制措施的去除效率。

CO2排放量計算公式如下:

EC=E燃燒+E工藝+E電=∑ADi×EFi+Q×FR0+Ae×EFe

(2)

式(2)中,EC為CO2排放總量;E燃燒、E工藝、E電分別為化石燃料燃燒活動、工業生產過程、電力消耗產生的CO2排放量;ADi為不同種類化石能源(包括煤炭、石油、天然氣等)的消費量(折算標準量);EFi為不同種類化石能源的CO2排放因子;Q為工業生產過程中涉碳排放原料消耗量;FR0為生產過程原料碳排放因子;Ae為電力消費量;EFe為電力CO2排放因子。

2.4 不確定性分析

由于在估算分析過程中存在著監測誤差、隨機誤差、關鍵數據缺乏,以及數據代表性不足等固有因素,排放清單不可避免地存在不確定性[5]。本研究的不確定性主要來自排放因子和計算系數,活動水平數據主要來自環境統計和企業調研,不確定性相對較小。排放因子來自于相關技術指南手冊,代表行業平均水平,缺少本地化的排放因子,可能與企業實際排放情況存在偏差。同時,基礎數據中部分工段工藝技術、產品、燃料類型等信息的不規范或缺失,也會導致在選擇排放因子時也產生一定的不確定性。

3 結果與討論

3.1 福建省建材行業排放清單結果

2021年,福建省建材行業503家企業大氣污染物和CO2排放清單計算結果如表1所示。SO2、NOx、顆粒物和CO2排放總量分別為15348 t、66839 t、28995 t和6376.8萬t,水泥熟料、建筑陶瓷和平板玻璃行業是主要的排放來源。福建省建材行業排放突出的大氣污染物為NOx,建筑陶瓷和水泥熟料是NOx排放量最大的兩個行業,占比分別為47.5%和44.5%,建筑陶瓷行業排放量超過水泥熟料行業。SO2、顆粒物和CO2排放量最大的行業均為水泥熟料行業,31家水泥熟料生產企業共排放SO28656 t、顆粒物22146 t和CO25263.5萬t,分別占建材行業總排放量的56.4%、76.4%和82.5%;其次為建筑陶瓷行業,SO2、顆粒物和CO2排放量分別為3207 t、3494 t和675.2萬t,占比分別為20.9%、12.1%、10.6%;平板玻璃生產企業數量較少,但SO2、NOx和CO2排放僅次于水泥熟料和建筑陶瓷行業,居建材行業第三,排放量分別為1885 t、3413 t和249.5萬t。水泥粉磨行業排放顆粒物2358 t,占建材行業顆粒物排放量的8.1%。

表1 2021年福建省建材行業大氣污染物和CO2排放清單

3.2 福建省建材行業大氣污染物排放分布特征

如圖1所示,福建省建材行業大氣污染物排放呈現出明顯的區域集中分布特征,龍巖、三明和泉州合計排放了全省建材行業74.5%的SO2、79.7%的NOx和85.5%的顆粒物。福建省水泥工業集中在龍巖、三明、泉州和南平一帶,建筑陶瓷生產企業主要集中在泉州晉江和南安、福州閩清和漳州等地,以泉州為主產區;平板玻璃工業主要分布在漳州和福州;石灰、磚瓦等其他建材企業規模小、布局分散。與建材產業集群分布狀態一致,龍巖和三明水泥熟料行業分別排放SO24979 t和2874 t,合計占全省建材行業排放量的50%左右,其次泉州建筑陶瓷和漳州平板玻璃分別排放SO22138 t和1480 t,分別占全省建材行業的13.9%和9.6%。NOx排放量最大的是泉州建筑陶瓷行業(23641 t),占全省建材行業NOx排放總量的35.4%,其后依次為龍巖、三明的水泥熟料行業及福州建筑陶瓷行業,排放占比分別為22.3%、17.0%及9.7%。顆粒物主要排放來源為龍巖、三明、泉州的水泥熟料和泉州的建筑陶瓷行業,分別占全省建材行業顆粒物排放總量的33.4%、26.2%、13.6%、8.5%。其他建材行業大氣污染物排放量相對較小,占比較低。

(a)SO2

(b)NOx

(c)顆粒物

(d)CO2圖1 福建省建材行業大氣污染物與CO2排放區域分布情況

近年來,福建省臭氧污染日益凸顯,已成為影響福建省空氣質量的首要因子。NOx作為臭氧的前體物,其排放控制對于遏制臭氧污染趨勢具有十分重要的意義。福建省目前正在全面推進水泥行業超低排放改造和鼓勵建筑陶瓷企業開展尾氣脫硝改造,末端污染深度治理對于NOx的減排潛力巨大。福建省現有水泥熟料生產行業NOx排放績效約為0.504 kg/t熟料,按照水泥窯超低排放改造后NOx排放濃度為100 mg/m3時對應績效值0.25 kg/t熟料估算,全面實施水泥行業超低排放改造估計可減少水泥行業50%以上的NOx排放量。建筑陶瓷、磚瓦等行業多數企業發展方式較為粗放,污染治理水平較差,有必要進一步完善地方排放標準,促進建材行業持續提升污染治理水平,以改善區域空氣質量。

3.3 福建省建材行業CO2排放特征

基于大氣污染物和CO2排放高度同根同源的特征,如圖1所示,福建省建材行業CO2排放分布地域特征與大氣污染物相似,主要來源于龍巖、三明等地水泥熟料和泉州建筑陶瓷行業。

從CO2排放源類型看,工業生產過程碳排放是福建省建材行業的主要來源,占比51.8%,最主要來自水泥熟料煅燒環節碳酸鹽原料分解產生,其次為化石燃料燃燒排放,占40.4%,電力消費蘊含的碳排放占7.8%。福建省水泥熟料行業60.4%的碳排放來源為生產過程,能源結構以燃煤為主,燃煤消耗排放占比為34.5%,電力消費碳排放僅占5.1%。建筑陶瓷行業生產過程碳排放占比一般低于1%,忽略不計,能源活動中燃煤、天然氣和電力消費碳排放占比分別為44.3%、33.8%和21.9%。平板玻璃生產過程中純堿、石灰石等原料分解產生碳排放占比20.9%,化石燃料消費類型主要為天然氣、石油焦及燃油,排放占比分別為29.3%、20.5%和19.4%,電力消費排放占比9.9%。

4 對策建議

一般而言,源頭降碳措施普遍具有協同控制大氣污染物排放的效果,如需求減量、總量控制、產業結構調整、原(燃)料回收和替代、節能和能效提升等;末端控制措施一般只對某一方面有益,如脫硫脫硝除塵等減污措施和碳捕集技術(CCS)可以分別減少大氣污染物和CO2的排放,但不具有協同效應[6-8]。

①根據“控總量、嚴準入、優結構”原則,從源頭減少污碳排放。強化總量控制,嚴格落實水泥、平板玻璃行業產能置換政策。優化產業結構,淘汰低效落后的生產工藝和產能,推動建材行業集中集聚發展,發揮規模效益,降低單位產品能耗,提高污染物排放控制水平。以水泥行業為例,2021年,福建省共有14家水泥企業的19條熟料生產線規模低于4000 t/d,若通過產業結構調整進行置換升級,全部整合改造為規模不低于4000 t/d的水泥熟料生產線,以本研究清單結果為基準,采用排放績效對比的方法估算,可減排NOx 1834 t和CO2269.3萬t。

②實施原料替代和用能結構優化,提高資源能源利用效率。燃料及原料是污染物質和碳排放的直接來源,選擇清潔能源和原料,提高燃料燃燒充分度,降低燃煤消耗量,可直接有效減少污染產出。充分發揮水泥窯爐優勢,推動水泥窯協同處置生活垃圾、工業副產石膏、建筑垃圾等固廢資源化利用,提高垃圾衍生燃料、廢輪胎、生物質燃料等可燃廢棄物替代燃煤比例。加大清潔低碳能源利用比重,有序提高平板玻璃行業天然氣使用比例,推動福州閩清、漳州平和等地建陶企業窯爐煤改氣。推行清潔生產,加快節能降碳、提質增效改造,提高行業能源利用效率水平。

③開展水泥窯煙氣碳捕集利用試點示范和末端治污提升改造。盡管末端污染治理提升改造耗能會帶來一定的CO2增排,但污染治理設施電耗僅占生產過程電耗極小的一部分,污染深度治理或超低排放改造增加的額外電耗產生的碳排放量相對有限。從環境效益上看,末端污染深度治理措施能夠快速、顯著地降低企業大氣污染物排放,是實現區域空氣質量改善的必要措施。

5 結束語

2021年,福建省建材行業SO2、NOx、顆粒物和CO2排放量分別為15348 t、66839 t、28995 t和6376.8萬t。污碳排放呈現出區域集中分布特征,主要分布在龍巖、三明和泉州等地。水泥熟料和建筑陶瓷行業是排放貢獻率最大的兩個行業,具有較大的減排潛力。

通過強化控制產能規模、深化產業結構調整、持續淘汰落后工藝、實施清潔能源和原料替代等舉措,可實現福建省建材行業協同減污降碳。NOx減排對控制大氣臭氧污染具有重要意義,建議推行建材行業清潔生產,加快實施水泥、平板玻璃行業超低排放改造,有序推進建筑陶瓷等行業污染深度治理,促進區域空氣質量的持續改善。