張忠倫 王明銘 賀靜 時紅霞 辛志軍/ ZHANG Zhonglun, WANG Mingming, HE Jing, SHI Hongxia, XIN Zhijun

水泥、鋼鐵和鋁，作為支撐建筑行業(yè)發(fā)展的主要基礎(chǔ)原材料、結(jié)構(gòu)材料和功能材料，為我國的產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)提供了有力保障，也促進了民生改善和社會發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，水泥、鋼鐵和鋁這三大建筑工程用材料在2016年度產(chǎn)量就分別達到了24.10億t，11.35億t，0.58億t。這些材料在生產(chǎn)階段不僅消耗了大量的資源，同時也排放了大量的CO2、SO2、NOx等工業(yè)廢氣，遠遠高于施工階段的能耗及排放量，使得這三大產(chǎn)業(yè)的生存和發(fā)展面臨著嚴峻的資源能源和環(huán)境約束。本文主要通過分析我國現(xiàn)階段水泥、鋼鐵和鋁材產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)階段的資源、能源消耗及污染排放數(shù)據(jù)，從而深入了解我國建筑工程用主要材料產(chǎn)業(yè)的資源消耗和環(huán)境負荷現(xiàn)狀，對我國建筑工程的綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展具有重要意義。

1 主要材料產(chǎn)業(yè)資源消耗和環(huán)境負荷計算方法

本文數(shù)據(jù)計算均采用公式1～3，式中系數(shù)均根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2017》（國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司，2017）中各相關(guān)產(chǎn)業(yè)的資源、能源消耗量和污染氣體排放量統(tǒng)計系數(shù)確定，從而深入了解我國建筑工程用主要材料產(chǎn)業(yè)資源消耗和環(huán)境負荷現(xiàn)狀。公式如下所示：

式中，Q為材料年產(chǎn)量；R為材料生產(chǎn)階段的資源消耗總量；E為材料生產(chǎn)階段的能源消耗總量；L為材料生產(chǎn)階段排放的CO2總量；Xr 為材料資源消耗系數(shù)；Xe為材料能源消耗系數(shù)；Xl為材料CO2排放系數(shù)；各材料的資源消耗系數(shù)、能源消耗系數(shù)、CO2排放系數(shù)均不同。其中，資源消耗是指材料在生產(chǎn)階段消耗的主要礦物原料；能源消耗為生產(chǎn)階段消耗的煤炭、石油、天然氣、電力等各種能源全部折算成標準煤的消耗量；CO2排放包括生產(chǎn)階段消耗能源產(chǎn)生的排放和原料化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的直接排放兩部分。據(jù)研究，水泥、鋼鐵、鋁材這三大材料的生產(chǎn)能耗占到建材總生產(chǎn)能耗的85%以上（林立身 等，2015）。因此，本文主要計算了這三大材料的資源消耗、能源消耗及CO2排放總量，以便掌握我國現(xiàn)階段主要材料產(chǎn)業(yè)的資源消耗和環(huán)境負荷現(xiàn)狀，為建筑工程用材料產(chǎn)業(yè)的綠色化發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

2 水泥產(chǎn)業(yè)資源消耗、能源消耗及排放情況

根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國水泥年鑒》（國家統(tǒng)計局，2017；中國水泥協(xié)會，2015），我國自改革開放以來水泥產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)量連年遞增，由1990年的2.1億t上升至2017年的24.58億t，增長了10余倍。從圖1可以看出，“十二五”的前4年，水泥產(chǎn)量仍保持上漲的趨勢，2015年在我國經(jīng)濟處于調(diào)整期和宏觀經(jīng)濟增長繼續(xù)下行的背景下，水泥產(chǎn)量呈現(xiàn)了25年來的首次負增長，進入“十三五”后我國水泥產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量基本維持在24億t緩慢增長的狀態(tài)，但產(chǎn)能利用率僅達到70%左右，造成了資源的嚴重浪費并對環(huán)境產(chǎn)生了負面影響（董劍 等，2016）。

就我國目前水泥產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)狀況來看，每生產(chǎn)1t水泥約需消耗石灰石等礦物原料1.6t，分解石灰石和燃燒煤排放的CO2共計約0.8t，則水泥產(chǎn)業(yè)的Xe值為1.6t/t，Xl為0.8t/t（中國建筑材料科學(xué)研究院，2003；中國建筑材料聯(lián)合會，2016）。Xr值可采用中國能源統(tǒng)計年鑒公布的我國水泥產(chǎn)業(yè)歷年來的水泥綜合能耗數(shù)據(jù)。通過公式1～3計算，可推算出我國水泥產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)階段消耗的資源總量、能源總量和CO2排放總量。

圖1 2011～2017年我國水泥產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)量

表1 我國水泥產(chǎn)業(yè)資源消耗、能源消耗總量及CO2排放情況

隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，水泥綜合能耗從2000年的172kgce/t下降至2015年的137kgce/t。但從表1數(shù)據(jù)可知，我國水泥產(chǎn)業(yè)近年來的資源能源消耗和污染物排放總量基本仍維持在同一數(shù)量級，能源資源消耗高、環(huán)境負荷重的局面尚未得到根本改變。其中，水泥產(chǎn)業(yè)的年能耗總量仍超過3億tce，占全國能耗總量的7%～8%；“十二五”期間水泥年資源消耗量更是超過了33億t，在2014年創(chuàng)紀錄地達到39.87億t。由于我國水泥生產(chǎn)利用的化石燃料主要為煤炭，替代能源使用率極低，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)還需進一步完善，諸多原因致使我國水泥產(chǎn)業(yè)的CO2排放總量仍舊巨大，2011年以來排放總量均超過16億t（中華人民共和國工業(yè)和信息化部原材料工業(yè)司，2017；《中國環(huán)境年鑒》編輯委員會，2015；國務(wù)院，2017）。我國水泥產(chǎn)業(yè)資源環(huán)境的高負荷緣于兩方面，一是每年水泥產(chǎn)量巨大，二是水泥產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)階段資源消耗系數(shù)、能耗系數(shù)、CO2排放系數(shù)高。其中，資源消耗系數(shù)高是由于生活垃圾、工業(yè)固體廢棄物、建筑垃圾等替代原料在水泥原料的占比低，一味依靠石灰石、粘土等傳統(tǒng)的礦物原料。為有效降低水泥產(chǎn)業(yè)的能耗系數(shù)和CO2排放系數(shù)，我國應(yīng)加大清潔能源的使用比例，同時通過提升水泥窯爐工藝裝備、高效節(jié)能減排技術(shù)、余熱利用技術(shù)、脫硫脫硝除塵末端治理技術(shù)等多種手段來解決我國水泥產(chǎn)業(yè)高資源環(huán)境負荷問題。

3 鋼鐵產(chǎn)業(yè)資源消耗、能源消耗及排放情況

“十二五”以來，在國內(nèi)建筑業(yè)、交通運輸業(yè)以及國外市場需求帶動下，我國鋼材產(chǎn)量由2011年的8.86億t增加到2016年的11.35億t，鋼材國內(nèi)市場占有率超過99%，但鋼材實際消費量每年僅為6.6億t左右，鋼鐵產(chǎn)能已轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對過剩狀態(tài)（中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2015；中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，2017）。作為高耗能、高污染、高排放的鋼鐵行業(yè)，近年來能源消耗總量、大氣污染物排放量依然巨大。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1t鋼，需要消耗1500kg的鐵礦石、225kg的石灰石和750kg的焦煤，排放CO2約為2.0t（中國建筑材料科學(xué)研究院，2003），因此確定Xe和Xl值分別為1.8t/t和2.0t/t，其中Xr取值參考中國能源統(tǒng)計年鑒中鋼可比能耗數(shù)據(jù)，從而推算出我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)歷年的資源消耗、能源消耗總量和CO2排放總量（表2）。

我國鋼材產(chǎn)業(yè)在滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的同時每年也消耗了大量的鐵礦石等礦物資源，自2013年以來年資源消耗總量已超過20億t，且整體呈現(xiàn)上升趨勢，消耗總量約占我國鐵礦石總儲量的10%，大氣污染物的排放量也呈現(xiàn)逐年增長的態(tài)勢，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)量給我國資源與環(huán)境帶來巨大壓力。為減小鋼鐵產(chǎn)業(yè)帶來的壓力，首先應(yīng)淘汰落后產(chǎn)能，為此我國在“十二五”期間，共淘汰煉鐵產(chǎn)能9089萬t、煉鋼產(chǎn)能9486萬t。同時，在此期間還在鋼鐵產(chǎn)業(yè)內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用了以干熄焦、干法除塵、燒結(jié)脫硫、能源管控為代表的節(jié)能減排技術(shù)，鋼可比能耗由675kgce/t下降到644kgce/t（圖2）。雖然各工序能耗均有所下降，但鋼鐵產(chǎn)業(yè)能源消耗總量仍呈上升態(tài)勢，總能耗量超過7億tce。鋼能耗、污染物排放量雖得到大幅改善，但無法抵消因鋼鐵產(chǎn)量增長導(dǎo)致的資源消耗、能源消耗和污染物總量增加，京津冀、長三角等鋼鐵產(chǎn)能集聚區(qū)的環(huán)境承載能力已達到極限（杜濤 等，2016；中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2016），我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)資源環(huán)境負荷形勢不容樂觀。因此，“十三五”期間我國應(yīng)加速淘汰落后產(chǎn)能和裝備，嚴禁鋼鐵新增產(chǎn)能，推廣應(yīng)用太陽能、風能等清潔能源技術(shù)，改變能源結(jié)構(gòu)，大力推進廢鋼資源的利用，加快推廣應(yīng)用和全面普及先進適用以及成熟可靠的節(jié)能環(huán)保工藝技術(shù)裝備，從而盡快實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排、低碳生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

表2 我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)資源消耗、能源消耗總量及CO2排放情況

圖2 我國的鋼可比能耗及鋼鐵產(chǎn)業(yè)能源消耗總量（董劍 等，2016）

圖3 我國鋁產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)量及資源消耗情況

4 鋁產(chǎn)業(yè)資源消耗、能源消耗及排放情況

經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，至2012年我國的氧化鋁、電解鋁、鋁材產(chǎn)量均居全球第一位，在“十二五”期間鋁產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量一直保持著15%的年增長率，中國鋁材產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的55%。近些年，隨著我國大規(guī)模的基建投資和產(chǎn)業(yè)化進程的快速推進，鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，截止2017年底，我國電解鋁產(chǎn)量達到2950萬t，氧化鋁產(chǎn)量為6520萬t，鋁材產(chǎn)量達到6356萬t（圖3），其中建筑鋁材用量已占到鋁材總產(chǎn)量的30%（郜學(xué) 等，2017）。鋁產(chǎn)業(yè)作為一個高耗能產(chǎn)業(yè)，從礦石開采、熔煉到加工的每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都會消耗大量的能源，據(jù)統(tǒng)計每生產(chǎn)1t鋁材平均需要消耗4.05t的標準煤，包括原生鋁和再生鋁所消耗的能源，其中再生鋁單位能耗僅為368kgce/t，環(huán)境負荷顯著減?。煌瑫r每生產(chǎn)1t鋁材會消耗4.50t的鋁土礦，并釋放9.5t的CO2。因此，確定我國鋁材產(chǎn)業(yè)的Xr值為4.50tce/t，Xe值為4.05t/t，Xl值為9.50t/t，從而推算出我國鋁產(chǎn)業(yè)2011～2017年的資源環(huán)境負荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表3）。

表3 我國鋁產(chǎn)業(yè)資源消耗、能源消耗總量及CO2排放情況

根據(jù)中國統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2015年我國鋁土礦資源基礎(chǔ)儲量為9.9億t，可見我國鋁土礦資源儲量非常有限，僅占全世界儲量的3.5%。從表3可以看出，2017年我國鋁材生產(chǎn)階段消耗的資源總量已超過1.8億t。隨著我國鋁材產(chǎn)量的增加，鋁材生產(chǎn)消耗的資源總量從2011年的0.7億t增長至2017年的1.8億t。照此發(fā)展勢頭，我國鋁土礦靜態(tài)保障年限僅有6年左右，鋁土礦資源將很快被開采殆盡。同時，我國鋁產(chǎn)業(yè)也存在產(chǎn)能過剩的問題，產(chǎn)能利用率不足80%，對資源及環(huán)境造成較大影響，嚴重制約了鋁產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國家已然認識到問題的嚴峻性并出臺了相關(guān)的政策，如2011年國家九部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于遏制電解鋁產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩和重復(fù)建設(shè)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的緊急通知》，提高了鋁產(chǎn)業(yè)的門檻，加強了對鋁產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排調(diào)整，有效地減少了資源和能源的浪費消耗。

鋁材生產(chǎn)全過程的每一個工藝都需要大量的熱能，從表3可以看出，“十二五”期間鋁材能源消耗總量逐年增加，至2015年已超過2.0億t。同原鋁相比，再生鋁具有耗能低、污染小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，但我國再生鋁產(chǎn)量僅占30%，故能耗總量仍舊巨大。若加大再生鋁產(chǎn)量比重，我國的鋁產(chǎn)業(yè)總能耗將會有所降低。“十二五”期間，隨著我國鋁產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的增加，產(chǎn)業(yè)CO2排放量也隨之增加，產(chǎn)生的CO2來源于冰晶石氟化物的熔化和煤炭的燃燒，CO2排放總量由2.2億t增長至6.0余億t，對我國環(huán)境造成了較大的壓力。通過提高再生鋁在鋁產(chǎn)量中的比例，采用先進的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝和技術(shù)，以及清潔的原燃料和能源，從源頭減少資源和能源的消耗量；同時在生產(chǎn)過程中通過提高資源和能源的綜合利用效率、生態(tài)設(shè)計和先進的環(huán)保措施，在生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)做好污染控制和末端治理，可有效地緩解資源、能源及環(huán)境壓力。我國鋁產(chǎn)業(yè)應(yīng)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，走資源節(jié)約、綜合利用的可持續(xù)發(fā)展道路。

5 結(jié)論

我國建筑工程用主要材料產(chǎn)業(yè)近年來雖取得了長足的進步，但資源消耗和污染物排放水平與世界先進國家相比仍然存在一定的差距，近年來我國水泥、鋼鐵和鋁材三大產(chǎn)業(yè)的資源消耗、能源消耗總量和CO2排放總量依舊保持增長的趨勢，導(dǎo)致我國環(huán)境承載和資源供給壓力不斷增大。雖然單位產(chǎn)品的綜合能耗和CO2排放量有所下降，但不足以抵消因材料產(chǎn)量增長導(dǎo)致的消耗及排放總量的增加。因此，在滿足建設(shè)需求的前提下，我國應(yīng)嚴格控制各材料的生產(chǎn)總量，從而有效緩解資源環(huán)境負荷壓力，同時通過淘汰落后產(chǎn)能，調(diào)整生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)，大力推廣應(yīng)用除塵、脫硫、脫硝綜合節(jié)能減排技術(shù)等多種途徑，實現(xiàn)我國建筑工程用主要材料產(chǎn)業(yè)的綠色、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展。