工程材料碳排放能耗分析

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1護(hù)岸材料能耗及碳排放研究現(xiàn)狀

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的長期高速增長，能源供應(yīng)局面十分嚴(yán)峻，近年來出現(xiàn)了煤、電、油、氣全面緊張的狀況。在此情況下，提高能源利用效率、減少能源消耗成為我國實(shí)現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展的必由之路。材料生產(chǎn)是耗能大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，作為世界最大的建筑市場，目前我國建筑材料生產(chǎn)能耗約占全國總能耗的30%以上。材料生產(chǎn)的碳排放研究是目前定量化研究環(huán)境問題的一個(gè)最好的方法，因此護(hù)岸材料的環(huán)境友好性研究，也主要從能源消耗和碳排放研究著手。護(hù)岸工程使用的材料主要有塊石和砂礫料以及水泥及鋼材和土工合成品，以往對這些建筑材料的能耗評價(jià)往往是借用建筑行業(yè)的能耗成果。由于護(hù)岸工程主要是沿河流進(jìn)行的，水運(yùn)比較發(fā)達(dá)，運(yùn)輸特點(diǎn)以及護(hù)岸工程對礫石的尺寸和強(qiáng)度的要求與其他行業(yè)不盡相同。護(hù)岸工程主要材料，特別是天然開采的砂、石料的能耗指標(biāo)，現(xiàn)有研究要么缺少，要么相當(dāng)不準(zhǔn)。如在文獻(xiàn)［1］中有:生產(chǎn)1t可用于護(hù)岸的碎石消耗為電1．6kW?h/t，水0．76L/t，柴油0．098L/t，并產(chǎn)生粉塵0．08kg/t，但上述成果沒有細(xì)分，均引自其他建筑領(lǐng)域，且引用沒有權(quán)威性。由于在采掘業(yè)綜合能耗研究中，沒有專門針對護(hù)岸工程使用的天然材料進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)算和評價(jià)的成果，因此護(hù)岸工程天然材料的能耗計(jì)算是護(hù)岸工程材料碳排放計(jì)算首先應(yīng)該解決的問題。本文首先研究護(hù)岸工程使用的由采掘業(yè)產(chǎn)生的天然材料的能耗問題，其次研究護(hù)岸工程使用的由制造業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)合成材料的能耗，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合護(hù)岸工程的特點(diǎn)，在護(hù)岸工程不同護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式使用材料的碳排放問題上嘗試進(jìn)行較深入的研究。

2護(hù)岸工程使用材料基本情況

以長江中下游為例，護(hù)岸工程使用材料按原材料不同可分為兩類。第一類為天然原材料，塊石、卵(碎)石、砂以及各類植物;第二類是經(jīng)過工業(yè)合成的材料，包括水泥、鋼筋、塑料、土工織物和固化劑等。由這兩類原材料組成了多種護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式:以天然材料為主的，如砌石、拋石、拋石枕等;以合成材料為主的，如混凝土砌(拋投、鉸鏈)塊、軟體(編織布和混凝土)沉排、塑料編織布等;以天然和合成相結(jié)合的，如土工模袋、鋼筋石籠、軟體沉排、固化砂等。以上以原材料劃分的三類護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式不是絕對的，例如，拋石枕中捆扎的繩索是工業(yè)品等。天然原材料在護(hù)岸工程中被稱為綠色材料，是因?yàn)樗陂_采和使用過程中對周圍的環(huán)境造成的影響很小。但天然材料如塊石在開采過程中對植被的破壞同樣無法彌補(bǔ)。另外，天然材料還有再加工的問題，在此過程中同樣產(chǎn)生碳排放，并可能對環(huán)境產(chǎn)生第二次污染等。在護(hù)岸工程中還大量使用水泥、土工織物和鋼材，這些都是工業(yè)制成品，本文主要以3種工業(yè)制成品進(jìn)行環(huán)境能耗和碳排放比較。

3能耗和碳排放系數(shù)

要進(jìn)行碳排放計(jì)算，主要能源的碳排放系數(shù)和折算系數(shù)是計(jì)算的權(quán)威依據(jù)，其護(hù)岸工程的原材料運(yùn)輸過程也是影響能耗的主要因素，這兩部分取值均用我國平均值。

3．1主要能源折算及碳排放系數(shù)

在護(hù)岸工程使用的天然材料的開采和加工過程中，主要用到了電、氣、柴油，要計(jì)算護(hù)岸材料的碳排放，首先要確定電、氣、柴油的能源折算和碳排放系數(shù)(本文碳排放系數(shù)指單位碳排放量，單位根據(jù)材料的不同可以為kg、t、L或m2等)。按國家發(fā)改委、財(cái)政部的《改節(jié)能項(xiàng)目節(jié)能量審核指南》［2］，柴油折算成標(biāo)煤系數(shù)為1．4571kgce/kg。電力主要由煤、油汽的火電發(fā)電組成，2008年其發(fā)電量占全國發(fā)電量的80．7%，火電按國家統(tǒng)計(jì)局計(jì)算電力折標(biāo)煤理論系數(shù)為0．1229kgce/(kW?h)，實(shí)際系數(shù)為0．404kgce/(kW?h)，其他發(fā)電耗能忽略不計(jì)，綜合電力的標(biāo)煤折算系數(shù)取值為0．326kgce/(kW?h)。碳排放系數(shù)取自IPCC［3］，熱值取自國家發(fā)展改革委、財(cái)政部的2008年節(jié)能項(xiàng)目節(jié)能量審核指南［2］。能源在進(jìn)入建筑之前，要經(jīng)過開采、加工和輸送階段，這些階段稱之為能源的內(nèi)含系數(shù)，根據(jù)劉錳等人的研究［4］，以柴油為例，柴油碳排放的內(nèi)含系數(shù)是能源本身的碳排放系數(shù)的1．044倍。由于護(hù)岸工程中各處均有柴汽油使用，直接引入碳排放內(nèi)含系數(shù)，在后續(xù)計(jì)算中不考慮汽柴油的上述因素。換算中93號汽油取0．725kg/L，0號柴油取0．84kg/L。火電折算成綜合電力碳排放則為0．248kgC/(kW?h)。各主要能源的折算及碳排放系數(shù)見表1。表1中單位表示如下:①kgC/GJ為能源單位熱值碳排放值，每吉焦(熱量單位109J)碳排放值;②kcal/kg為能源單位質(zhì)量的熱值，每千克的千卡熱值;③kgC/kg為能源單位質(zhì)量碳排放值，每千克碳排放值;④kgce/kg為能源折算成標(biāo)煤的換算單位，每千克能源相當(dāng)?shù)臉?biāo)煤;⑤kgce/(kW?h)和kgC/(kW?h)分別為每度電折算成標(biāo)煤和碳排放的值。

3．2主要原材料運(yùn)輸過程能耗

運(yùn)輸過程是影響護(hù)岸工程材料的一個(gè)重要方面。2006年我國內(nèi)河運(yùn)輸燃油單耗為3．69kg/(kt?km)［5］，公路柴油貨車2007年燃油單耗為6．3L/(100t?km)。采用水運(yùn)塊石、碎石等大宗物資是護(hù)岸工程材料運(yùn)輸?shù)闹饕攸c(diǎn)，由于水運(yùn)相對比公路等能耗小得多，因此它的取值直接影響到了護(hù)岸工程材料的綜合能耗的大小。按長江上的護(hù)岸工程的特點(diǎn)，水運(yùn)按100km的平均距離加上陸運(yùn)5km進(jìn)行取值，這一取值涵蓋了大部分工程段的情況。按上述取值進(jìn)行計(jì)算，每噸塊石、碎石和砂的油耗為0．64kg，換算成每100m3則油耗為105kg。而水泥則主要通過陸運(yùn)，取100km的平均運(yùn)距(一般水泥大多就近來自當(dāng)?shù)厮鄰S)，則每噸水泥的油耗為5．29kg。

4天然原材料生產(chǎn)過程能耗及碳排放系數(shù)

4．1能耗計(jì)算依據(jù)

由于護(hù)岸工程的特點(diǎn)，護(hù)岸工程中用到塊石、碎石、卵石和砂等的能耗與護(hù)岸工程的特點(diǎn)密切相關(guān)，運(yùn)距、運(yùn)輸方式和粒徑以及加工方式是影響護(hù)岸工程材料的主要因素。對于開采、加工和施工工序能耗問題，目前沒有相關(guān)的專門研究成果可供采用。本文結(jié)合長江中下游護(hù)岸工程使用材料的特點(diǎn)，以水利部2002，2005年出版的《水利建筑工程預(yù)算定額》、《水利建筑工程概算定額》、《水利工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》［6］、《水利建筑工程概預(yù)算補(bǔ)充定額》為計(jì)算依據(jù)進(jìn)行能耗計(jì)算，以下均簡稱“定額”［7］。由于原料開采過程中各種條件工況情況較為復(fù)雜，且材料的加工運(yùn)輸過程也直接影響材料的能耗，本文成果主要是在某種工況下的能耗，一般情況取定額中的中間值，計(jì)算出的能耗能代表某種工況下的能耗，材料之間能耗相互比較具有一定的可比性。傳統(tǒng)的護(hù)岸工程主要原材料是塊石和砂卵石料，墊層用碎石和混凝土用碎石料均由塊石加工而來。本文僅就長江中下游護(hù)岸工程塊石、碎石、砂卵石開采和加工過程以及拋石、混凝土制作、模袋制作過程中的能耗問題進(jìn)行研究。原材料在成為護(hù)岸工程材料前主要有石料開采、加工、施工現(xiàn)場制作和運(yùn)輸4個(gè)過程。原材料及制作過程綜合能耗W=W1+W2+W3+W4。其中，W1為材料的開采過程能耗;W2為材料的加工過程能耗;W3為現(xiàn)場成品制作過程能耗;W4為運(yùn)輸過程能耗，其值在3．2節(jié)中已作交待。換算過程中，碎石和塊石的堆積密度取1650kg/m3，砂和卵石取1500kg/m3。

4．2塊石料和砂石料開采過程能耗(W1)

(1)塊石料。護(hù)岸用塊石一般粒徑為15～45cm，一般采石場開采出的塊石經(jīng)人工改小后均適合。計(jì)算中選用定額的一般石方采用風(fēng)鉆明挖法計(jì)算，開采出的塊石用于護(hù)岸工程的拋石或碎石料制作。開采過程有鉆孔、爆破、撬移、解小、翻渣、清面等工序。巖石級別取中等Ⅳ－Ⅹ型。風(fēng)鉆加氣選擇排氣0．8MPa的45kW螺桿壓縮機(jī)，相應(yīng)制風(fēng)鉆用氣選用二級節(jié)能耗電計(jì)算，為0．135kW?h/m3，由于石料開采和加工多在沿江，用水能耗較小，因此不計(jì)入能耗折算(下同)。開采100m3塊石，開采過程用臺(tái)時(shí)7．89個(gè)，臺(tái)時(shí)用風(fēng)量為180．1m3，其他耗能取10%，折算耗電211kW?h。

(2)砂礫料。分砂和卵礫石，均取自江湖，卵礫石一般粒徑為20～40mm，主要用于墊層等;砂粒為10～20mm中粗沙，主要用于墊層和混凝土的骨料。計(jì)算中選擇定額中250m3鏈斗式采砂船挖砂礫料，采挖深度小于12m的施工方法進(jìn)行計(jì)算，開采過程有挖裝、運(yùn)輸、卸至碼頭、空回、移位、轉(zhuǎn)運(yùn)上岸。經(jīng)計(jì)算，開采100m3砂，耗電18．9kW?h、耗油87．4kg;開采100m3砂卵石耗電22．9kW?h、耗油120．5kg。

4．3塊石料和砂礫料破碎能耗(W2)

護(hù)岸工程中需破碎加工的石料主要有:墊層石料，粒徑小于40mm;石墊用塊石，粒徑一般大于80mm，小于150mm;混凝土需碎石，粒徑一般在15mm左右。(1)墊層石料和石墊用塊石破碎加工。針對長江中下游沿岸采石場的特點(diǎn)，綜合選用定額中50m長膠帶運(yùn)輸機(jī)對石料運(yùn)輸，碎石分為80～150mm、小于40mm料石計(jì)算。加工過程主要有進(jìn)料、破碎、返回篩分等。經(jīng)計(jì)算(表3)，加工100m3用于石墊的塊石需耗電141．9kW?h;加工100m3碎石墊層用料需耗電299．1kW?h。(2)混凝土所需碎石加工。加工過程為上料、粗碎、中碎、預(yù)篩、中碎、篩洗，成品堆存，使用機(jī)械如表4所示。經(jīng)計(jì)算，加工100m3混凝土碎石用料需耗電694．5kW?h、耗油8．3kg。(3)天然砂礫料篩選加工。加工過程為進(jìn)料，破碎，返回篩分。經(jīng)計(jì)算，加工100m3天然砂卵石耗電200．0kW?h、耗油10．6kg。

4．4護(hù)岸材料現(xiàn)場施工制作能耗(W3)

除材料的開采過程需要耗能外，護(hù)岸材料現(xiàn)場施工制作也需要耗能。護(hù)岸工程中現(xiàn)場施工制作過程中使用機(jī)械較多的主要有混凝土板制作、模袋混凝土制作和石駁拋石等，本文對這3個(gè)過程進(jìn)行能耗計(jì)算。(1)混凝土板預(yù)制、制作過程。制作過程分模板制安、折除、修理，混凝土拌和、場內(nèi)運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)、堆放。使用機(jī)械及能耗見表5。經(jīng)計(jì)算制作100m3混凝土板預(yù)制過程需耗電223．4kW?h、耗油9．8kg。(2)護(hù)腳用厚20cm模袋混凝制作過程。制作過程分清理平整，鋪設(shè)模袋，混凝土拌和及充灌。與前計(jì)算方法類似，制作100m3模袋混凝土過程需耗電540．2kW?h。(3)石駁拋石過程。石駁拋石目前在長江護(hù)岸工程施工過程中比較普遍。選用定額中120m3底開石駁拋石進(jìn)行能耗計(jì)算。制作過程:吊裝、運(yùn)輸、定位、拋石、空回等。與前計(jì)算方法類似，采用機(jī)拋方式，拋100m3塊石需耗油56．2kg。

4．5材料及制作過程綜合能耗及碳排放系數(shù)

根據(jù)上述取值計(jì)算，每立方米護(hù)岸工程天然建筑材料及部分工序過程折算成標(biāo)煤能耗見表6，折算成碳排放系數(shù)則見表7。塊石、碎石和砂的能耗為2．22～4．6kgce/m3，運(yùn)輸過程能耗約占各自能耗的33%～69%，其中塊石最大為69%，主要原因是塊石除開采外，沒有破碎加工過程。天然開采的卵、砂石料綜合能耗為4．17kgce/m3，經(jīng)塊石破碎后的碎、砂石料綜合能耗為3．2～4．6kgce/m3，兩者相差不大。

5護(hù)岸工程用工業(yè)制成品能耗及碳排放系數(shù)

目前水泥生產(chǎn)是我國的能耗大戶。但其生產(chǎn)過程中的碳排放量有較多不同標(biāo)準(zhǔn)，為此，本文研究盡量采用國家統(tǒng)計(jì)局的標(biāo)準(zhǔn)和國家定額標(biāo)淮。因護(hù)岸工程中大量使用P．I．32．5水泥，因此本文采用的水泥碳排放取值為80．6kg/t。

5．1土工材料

護(hù)岸工程使用的土工布的主要原材料為錦綸和丙綸，本文取錦綸進(jìn)行計(jì)算。由于綿綸生產(chǎn)土工布有兩方面的能耗，一方面是錦綸本身的能耗，另一方面是生產(chǎn)成土工布的過程能耗。這兩方面目前均缺少相關(guān)的專門研究。本文原材料能耗借用滌能能耗，生產(chǎn)過程借用PCV管的生產(chǎn)過程能耗。我國是世界最大的聚酯滌綸長絲生產(chǎn)、消費(fèi)國。2000，2005，2007年，綜合單耗分別為517．4，419．7，344．2kgce/t。本文取2007年的數(shù)據(jù)344．2kgce/t［8］。該數(shù)據(jù)沒有考慮生產(chǎn)過程中的其它能耗。乙烯從原料到成品PVC管，生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)能耗占原材料能耗的69．1%～196%。參照上述成果，本文對滌綸產(chǎn)品生產(chǎn)成成品的生產(chǎn)過程能耗作近似處理，最終綜合能耗在原材料能耗的基礎(chǔ)上增加69．1%，為581．7kgce/t。而錦綸的能耗是滌淪的2．8倍，因此原材料為錦綸的土工產(chǎn)品綜合能耗取值為1628．8kgce/t。護(hù)岸工程用的模袋一般選用綿綸和丙綸，單位面積質(zhì)量取250g/m2，則每平米能耗為0．407kgce;土工布按350g/m2計(jì)算［9］，則每平米能耗為0．204kgce，換算成碳排放，模袋和土工布分別為0．31kgC/m2和0．16kgC/m2。

5．2混凝土

常規(guī)每立方米C20混凝土(不含添加劑)主要用料有:水190kg、水泥404kg、砂子542kg、石子1264kg。配合比為:0．47∶1∶1．342∶3．129，砂率30%，水灰比0．47。P．O．32．5水泥的碳排按前述綜合能耗取80．6kgC/t，加上運(yùn)至護(hù)岸工程工地的平均運(yùn)距后，工地上使用水泥的碳排系數(shù)取86．3kgC/t?；炷恋奶寂欧庞?jì)算公式為C=Σiβi?Qi(1)式中，i=1，2，3分別指水泥、砂和碎石;β為原材料的碳排放系數(shù)，Q為能源消耗量。經(jīng)計(jì)算，護(hù)岸工程廣泛使用的混凝土碳排放系數(shù)為38．55kgC/m3，其中水泥帶來的碳排放為34．86kgC/m3，占90．5%?；炷撂寂欧排c京都會(huì)議的79．1～245．4kgC/m3的數(shù)字或有的文獻(xiàn)中的187．84～224．96kgC/m3大不相同［10］，主要原因是水泥的碳放系數(shù)取值不同所致。

5．3模袋混凝土

護(hù)岸工程用土工模袋(簡稱模袋)是一種采用合成纖維機(jī)織而成的單層或雙層織物袋子。一般1m3的模袋混凝土用P．O．32．5水泥434kg、砂826kg和石子918kg，常見護(hù)腳模袋厚度為15～30cm，這里取25cm厚，1m3模袋混凝土需6m2的模袋，換算成碳排放為1．86kgC/m3。根據(jù)上述計(jì)算，模袋混凝土的碳排放系數(shù)為44．02kgC/m3，其中水泥帶來的碳排放為37．5kgC/m3，占85．1%。護(hù)坡模袋一般采用15cm厚度，每立方米碳排放比護(hù)腳略低。

5．4預(yù)制鉸鏈混凝土排

預(yù)制混凝土鉸鏈排護(hù)腳主要材料有螺栓和混凝土板連，鉸鏈有排首、排身，一般排下有土工布，本文中暫不計(jì)算土工布碳排放。按上荊江沙市河彎的一次沉排工程，混凝土厚度10cm，單位立方米用混凝土塊1．04m3，鋼筋104．6kg(主要為Ф型鋼筋，螺栓折入計(jì)算)。鋼筋能耗計(jì)算不考慮礦石開采及焙煉過程的能耗，生產(chǎn)1t鋼筋的能耗平均約為2000kg標(biāo)煤，1m3鉸鏈排鋼筋用量碳排放為159kg［10］。沉排船用能耗在定額中沒有列入，這里按文獻(xiàn)［11］計(jì)算，100m2的排體用0．114臺(tái)班，20．4kg柴油。經(jīng)計(jì)算，完成1m3鉸鏈混凝土排需201．3kgC，且混凝土占碳排放的20%，鋼筋占79%。

6主要護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式碳排放系數(shù)比較

水下護(hù)腳工程主要護(hù)岸結(jié)構(gòu)有人工拋石或采用機(jī)械拋石、模袋混凝土和預(yù)制鉸鏈混凝土排;水上護(hù)坡有干砌塊石和混凝土預(yù)制塊。反濾層分水下和水上，水上主要是碎石、砂卵石和土工布，水下主要是土工布。本文以取100m2護(hù)坡和護(hù)腳工程為比較單位，以取不同結(jié)構(gòu)型式達(dá)到相似護(hù)岸效果的工程所使用的材料進(jìn)行碳排放計(jì)算，計(jì)算成果如表8所示。由表可知:一般情況下護(hù)腳工程中每100m2工程碳排放量最少的為拋石(人工)198kgC/100m2，其次是機(jī)拋271kgC/100m2，最大的是預(yù)制鉸鏈混凝土排2013kgC/100m2，其次是模袋混凝土1100kgC/100m2，后兩者碳排放是拋石方案中極端水流情況下守護(hù)2．0m厚的塊石方案采用機(jī)拋的2．4～4．5倍。護(hù)坡工程中，干砌塊石的碳排放量是混凝土預(yù)制塊的近1/8。雖然反濾層中土工布較薄，其單位面積的碳排放量相對較低，護(hù)岸工程使用較多的克重為350g/m2和150g/m2，其單位面積碳排放量分別為43．3kgC/100m2和18．6kgC/100m2，其中克重350g/m2土工布單位面積碳排放量已大體相當(dāng)于干砌塊石的水平。

7結(jié)論及建議

(1)護(hù)岸工程所用材料中，采掘業(yè)產(chǎn)生的砂、塊石等的能耗為2．22～4．6kgce/m3標(biāo)煤，運(yùn)輸過程能耗約占各自的能耗的33%～69%。因此，在護(hù)岸工程中為減小材料能耗，應(yīng)盡可能選用就近的采石場和砂場，國家應(yīng)該對就近選用制定一定優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)節(jié)能。

(2)天然開采的卵、砂石料和塊石破碎后的碎、砂石料綜合能耗相差不大，因此，節(jié)能不能成為在江、湖上開采天然砂石料的理由。

(3)一般情況下，護(hù)腳工程單位碳排放量最少的為人工拋石。護(hù)坡工程中干砌塊石單位碳排放量是混凝土預(yù)制塊的近1/8，反濾層中土工布單位碳排放量是砂卵石墊層的1/8～1/16，但與護(hù)坡用干砌石單位碳排放量基本相當(dāng)。因此，護(hù)岸工程中應(yīng)盡量少使用水泥、鋼材和土工合成材料。

(4)從護(hù)岸工程使用工業(yè)品單位碳排放來評價(jià)，鋼材排在第一，其次是水泥，因此，在護(hù)岸工程中應(yīng)盡量避免采用鋼筋鉸鏈排、加筋鋼絲排體和四面體鋼筋籠等結(jié)構(gòu)型式，水泥標(biāo)號對碳排放影響較大，因此，在護(hù)岸工程設(shè)計(jì)中不能隨意提高水泥標(biāo)號，并鼓勵(lì)使用節(jié)能水泥。

(5)天然開采的材料由于開采時(shí)破壞植被和產(chǎn)生粉塵污染空氣，這些是完全可通過開采后植被恢復(fù)和采取粉塵控制做到保護(hù)環(huán)境。因此，應(yīng)大力鼓勵(lì)護(hù)岸工程使用開采的天然塊石、砂、碎石料，扭轉(zhuǎn)從20世紀(jì)90年代開始的以使用工業(yè)制成品為主的所謂“新材料”的局面。

本文僅就單一的護(hù)岸工程材料進(jìn)行碳排放研究，下一階段應(yīng)對護(hù)岸工程材料碳排放整體進(jìn)行研究，如護(hù)面材料和反濾層相結(jié)合的碳排放研究等。另外，護(hù)岸工程施工過程中人員的碳排放、塊石開采和施工過程中灘地和坡面植被的破壞和恢復(fù)等也應(yīng)考慮在碳排放評價(jià)范圍內(nèi)。護(hù)岸工程的環(huán)保問題包括材料、結(jié)構(gòu)和施工等多方面研究，在工程實(shí)踐中應(yīng)重視這方面的研究和研究成果的運(yùn)用，水利科技也應(yīng)支持這方面的研究。