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1、工程材料碳排放能耗分析工程材料碳排放能耗分析1 护岸材料能耗及碳排放研究现状随着我国国民经济的长期高速增长，能源供应局面十分严峻，近年来出现了煤、电、油、气全面紧张的状况。在此情况下，提高能源利用效率、减少能源消耗成为我国实现长期可持续发展的必由之路。材料生产是耗能大户，据统计，作为世界最大的建筑市场，目前我国建筑材料生产能耗约占全国总能耗的 30%以上。材料生产的碳排放研究是目前定量化研究环境问题的一个最好的方法，因此护岸材料的环境友好性研究，也主要从能源消耗和碳排放研究着手。护岸工程使用的材料主要有块石和砂砾料以及水泥及钢材和土工合成品，以往对这些建筑材料的能耗评价往往是借用建筑行业的能耗
2、成果。由于护岸工程主要是沿河流进行的，水运比较发达，运输特点以及护岸工程对砾石的尺寸和强度的要求与其他行业不尽相同。护岸工程主要材料，特别是天然开采的砂、石料的能耗指标，现有研究要么缺少，要么相当不准。如在文献1中有:生产 1t 可用于护岸的碎石消耗为电 16kW?h/t，水 076L/t，柴油0098L/t，并产生粉尘 008kg/t，但上述成果没有细分，均引自其他建筑领域，且引用没有权威性。由于在采掘业综合能耗研究中，没有专门针对护岸工程使用的天然材料进行分项计算和评价的成果，因此护岸工程天然材料的能耗计算是护岸工程材料碳排放计算首先应该解决的问题。本文首先研究护岸工程使用的由采掘业产生的
3、天然材料的能耗问题，其次研究护岸工程使用的由制造业生产的工业合成材料的能耗，在此基础上，结合护岸工程的特点，在护岸工程不同护岸结构型式使用材料的碳排放问题上尝试进行较深入的研究。2 护岸工程使用材料基本情况以长江中下游为例，护岸工程使用材料按原材料不同可分为两类。第一类为天然原材料，块石、卵(碎)石、砂以及各类植物;第二类是经过工业合成的材料，包括水泥、钢筋、塑料、土工织物和固化剂等。由这两类原材料组成了多种护岸结构型式:以天然材料为主的，如砌石、抛石、抛石枕等;以合成材料为主的，如混凝土砌(抛投、铰链)块、软体(编织布和混凝土)沉排、塑料编织布等;以天然和合成相结合的，如土工模袋、钢筋石笼、
4、软体沉排、固化砂等。以上以原材料划分的三类护岸结构型式不是绝对的，例如，抛石枕中捆扎的绳索是工业品等。天然原材料在护岸工程中被称为绿色材料，是因为它在开采和使用过程中对周围的环境造成的影响很小。但天然材料如块石在开采过程中对植被的破坏同样无法弥补。另外，天然材料还有再加工的问题，在此过程中同样产生碳排放，并可能对环境产生第二次污染等。在护岸工程中还大量使用水泥、土工织物和钢材，这些都是工业制成品，本文主要以 3 种工业制成品进行环境能耗和碳排放比较。3 能耗和碳排放系数要进行碳排放计算，主要能源的碳排放系数和折算系数是计算的权威依据，其护岸工程的原材料运输过程也是影响能耗的主要因素，这两部分取
5、值均用我国平均值。31 主要能源折算及碳排放系数在护岸工程使用的天然材料的开采和加工过程中，主要用到了电、气、柴油，要计算护岸材料的碳排放，首先要确定电、气、柴油的能源折算和碳排放系数(本文碳排放系数指单位碳排放量，单位根据材料的不同可以为kg、t、L 或 m2 等)。按国家发改委、财政部的改节能项目节能量审核指南 2 ，柴油折算成标煤系数为14571kgce/kg。电力主要由煤、油汽的火电发电组成，XX 年其发电量占全国发电量的 807%，火电按国家统计局计算电力折标煤理论系数为 01229kgce/(kW?h)，实际系数为 0404kgce/(kW?h)，其他发电耗能忽略不计，综合电力的标
6、煤折算系数取值为 0326kgce/(kW?h)。碳排放系数取自 IPCC3 ，热值取自国家发展改革委、财政部的 XX 年节能项目节能量审核指南2 。能源在进入建筑之前，要经过开采、加工和输送阶段，这些阶段称之为能源的内含系数，根据刘锰等人的研究4 ，以柴油为例，柴油碳排放的内含系数是能源本身的碳排放系数的 1044 倍。由于护岸工程中各处均有柴汽油使用，直接引入碳排放内含系数，在后续计算中不考虑汽柴油的上述因素。换算中 93 号汽油取 0725kg/L，0 号柴油取 084kg/L。火电折算成综合电力碳排放则为 0248kgC/(kW?h)。各主要能源的折算及碳排放系数见表 1。表 1 中单
7、位表示如下:kgC/GJ 为能源单位热值碳排放值，每吉焦(热量单位 109J)碳排放值;kcal/kg 为能源单位质量的热值，每千克的千卡热值;kgC/kg 为能源单位质量碳排放值，每千克碳排放值;kgce/kg 为能源折算成标煤的换算单位，每千克能源相当的标煤;kgce/(kW?h)和 kgC/(kW?h)分别为每度电折算成标煤和碳排放的值。32 主要原材料运输过程能耗运输过程是影响护岸工程材料的一个重要方面。XX 年我国内河运输燃油单耗为 369kg/(kt?km)5 ，公路柴油货车 XX 年燃油单耗为 63L/(100t?km)。采用水运块石、碎石等大宗物资是护岸工程材料运输的主要特点，
8、由于水运相对比公路等能耗小得多，因此它的取值直接影响到了护岸工程材料的综合能耗的大小。按长江上的护岸工程的特点，水运按 100km 的平均距离加上陆运 5km 进行取值，这一取值涵盖了大部分工程段的情况。按上述取值进行计算，每吨块石、碎石和砂的油耗为 064kg，换算成每100m3 则油耗为 105kg。而水泥则主要通过陆运，取 100km的平均运距(一般水泥大多就近来自当地水泥厂)，则每吨水泥的油耗为 529kg。4 天然原材料生产过程能耗及碳排放系数41 能耗计算依据由于护岸工程的特点，护岸工程中用到块石、碎石、卵石和砂等的能耗与护岸工程的特点密切相关，运距、运输方式和粒径以及加工方式是影
9、响护岸工程材料的主要因素。对于开采、加工和施工工序能耗问题，目前没有相关的专门研究成果可供采用。本文结合长江中下游护岸工程使用材料的特点，以水利部 XX，XX 年出版的水利建筑工程预算定额 、 水利建筑工程概算定额 、 水利工程施工机械台时费定额 6 、 水利建筑工程概预算补充定额为计算依据进行能耗计算，以下均简称“定额” 7 。由于原料开采过程中各种条件工况情况较为复杂，且材料的加工运输过程也直接影响材料的能耗，本文成果主要是在某种工况下的能耗，一般情况取定额中的中间值，计算出的能耗能代表某种工况下的能耗，材料之间能耗相互比较具有一定的可比性。传统的护岸工程主要原材料是块石和砂卵石料，垫层用
10、碎石和混凝土用碎石料均由块石加工而来。本文仅就长江中下游护岸工程块石、碎石、砂卵石开采和加工过程以及抛石、混凝土制作、模袋制作过程中的能耗问题进行研究。原材料在成为护岸工程材料前主要有石料开采、加工、施工现场制作和运输 4 个过程。原材料及制作过程综合能耗 W=W1+W2+W3+W4。其中，W1 为材料的开采过程能耗;W2 为材料的加工过程能耗;W3 为现场成品制作过程能耗;W4 为运输过程能耗，其值在 32 节中已作交待。换算过程中，碎石和块石的堆积密度取 1650kg/m3，砂和卵石取 1500kg/m3。42 块石料和砂石料开采过程能耗(W1)(1)块石料。护岸用块石一般粒径为 1545
11、cm，一般采石场开采出的块石经人工改小后均适合。计算中选用定额的一般石方采用风钻明挖法计算，开采出的块石用于护岸工程的抛石或碎石料制作。开采过程有钻孔、爆破、撬移、解小、翻渣、清面等工序。岩石级别取中等型。风钻加气选择排气 08MPa 的 45kW 螺杆压缩机，相应制风钻用气选用二级节能耗电计算，为 0135kW?h/m3，由于石料开采和加工多在沿江，用水能耗较小，因此不计入能耗折算(下同)。开采 100m3 块石，开采过程用台时 789 个，台时用风量为 1801m3，其他耗能取 10%，折算耗电211kW?h。(2)砂砾料。分砂和卵砾石，均取自江湖，卵砾石一般粒径为 2040mm，主要用于
12、垫层等;砂粒为 1020mm 中粗沙，主要用于垫层和混凝土的骨料。计算中选择定额中250m3 链斗式采砂船挖砂砾料，采挖深度小于 12m 的施工方法进行计算，开采过程有挖装、运输、卸至码头、空回、移位、转运上岸。经计算，开采 100m3 砂，耗电189kW?h、耗油 874kg;开采 100m3 砂卵石耗电229kW?h、耗油 1205kg。43 块石料和砂砾料破碎能耗(W2)护岸工程中需破碎加工的石料主要有:垫层石料，粒径小于 40mm;石垫用块石，粒径一般大于 80mm，小于 150mm;混凝土需碎石，粒径一般在 15mm 左右。(1)垫层石料和石垫用块石破碎加工。针对长江中下游沿岸采石场
13、的特点，综合选用定额中 50m 长胶带运输机对石料运输，碎石分为80150mm、小于 40mm 料石计算。加工过程主要有进料、破碎、返回筛分等。经计算(表 3)，加工 100m3 用于石垫的块石需耗电 1419kW?h;加工 100m3 碎石垫层用料需耗电2991kW?h。(2)混凝土所需碎石加工。加工过程为上料、粗碎、中碎、预筛、中碎、筛洗，成品堆存，使用机械如表 4 所示。经计算，加工 100m3 混凝土碎石用料需耗电6945kW?h、耗油 83kg。(3)天然砂砾料筛选加工。加工过程为进料，破碎，返回筛分。经计算，加工 100m3 天然砂卵石耗电 2000kW?h、耗油 106kg。44
14、 护岸材料现场施工制作能耗(W3)除材料的开采过程需要耗能外，护岸材料现场施工制作也需要耗能。护岸工程中现场施工制作过程中使用机械较多的主要有混凝土板制作、模袋混凝土制作和石驳抛石等，本文对这 3 个过程进行能耗计算。(1)混凝土板预制、制作过程。制作过程分模板制安、折除、修理，混凝土拌和、场内运输、浇筑、养护、堆放。使用机械及能耗见表5。经计算制作 100m3 混凝土板预制过程需耗电2234kW?h、耗油 98kg。(2)护脚用厚 20cm 模袋混凝制作过程。制作过程分清理平整，铺设模袋，混凝土拌和及充灌。与前计算方法类似，制作 100m3 模袋混凝土过程需耗电 5402kW?h。(3)石驳
15、抛石过程。石驳抛石目前在长江护岸工程施工过程中比较普遍。选用定额中 120m3 底开石驳抛石进行能耗计算。制作过程:吊装、运输、定位、抛石、空回等。与前计算方法类似，采用机抛方式，抛 100m3 块石需耗油 562kg。45 材料及制作过程综合能耗及碳排放系数根据上述取值计算，每立方米护岸工程天然建筑材料及部分工序过程折算成标煤能耗见表 6，折算成碳排放系数则见表 7。块石、碎石和砂的能耗为22246kgce/m3，运输过程能耗约占各自能耗的33%69%，其中块石最大为 69%，主要原因是块石除开采外，没有破碎加工过程。天然开采的卵、砂石料综合能耗为417kgce/m3，经块石破碎后的碎、砂石
16、料综合能耗为3246kgce/m3，两者相差不大。5 护岸工程用工业制成品能耗及碳排放系数目前水泥生产是我国的能耗大户。但其生产过程中的碳排放量有较多不同标准，为此，本文研究尽量采用国家统计局的标准和国家定额标淮。因护岸工程中大量使用PI325 水泥，因此本文采用的水泥碳排放取值为806kg/t。51 土工材料护岸工程使用的土工布的主要原材料为锦纶和丙纶，本文取锦纶进行计算。由于绵纶生产土工布有两方面的能耗，一方面是锦纶本身的能耗，另一方面是生产成土工布的过程能耗。这两方面目前均缺少相关的专门研究。本文原材料能耗借用涤能能耗，生产过程借用 PCV 管的生产过程能耗。我国是世界最大的聚酯涤纶长丝生产、消费国。XX，XX，XX 年，综合单耗分别为5174，4197，3442kgce/t。本文取 XX 年的数据3442kgce/t8 。该数据没有考虑生产过程中的其它能耗。乙烯从原料到成品 PVC
