基于能值理论的水泥企业可持续性评价

曹明莉， 房 明， 李 勇， 张会霞

（大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024）

基于能值理论的水泥企业可持续性评价

曹明莉＊， 房 明， 李 勇， 张会霞

（大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024）

高能耗高污染的水泥生产在增加经济效益的同时也带来了沉重的环境负担，严重影响了水泥行业的可持续发展.将能值理论引入水泥制造工业，综合经济要素、资源要素和环境要素对水泥生产系统进行可持续性评价.以Odum能值分析理论为基础计算若干个能值指标，通过与钢铁工业园及全国综合系统的能值指标相比较，表征水泥企业的运行特征，度量其发展的可持续性.研究结果表明，水泥企业经济发展程度较低下，对环境的依赖程度非常高，其可持续发展水平仅稍好于钢铁工业园.建议通过工业废弃物替代矿物原料、利用余热发电等必要的技术手段，提高水泥生产的生态效率，提升发展的可持续性.

水泥生产；能值分析；可持续发展

0 引 言

能值理论是基于传统能量理论创立的生态－经济系统研究方法，在国内外研究中已得到广泛的应用，如对国家和地区的能值分析、国际交流的能值分析、能源开发和利用的能值评价、信息和劳务的能值评价等.水泥生产需要大量矿物原材料，高温煅烧消耗大量化石燃料并产生CO2、SO2等有害气体和大量粉尘，将能值理论应用于水泥企业可为水泥企业的可持续发展提供新思路.

现有应用能值理论评价水泥相关行业的研究都以国家、城市或是工业园区为研究对象，着眼于各种建筑材料，水泥生产只是其研究对象的一部分.Brown等对水泥生产、使用及回收的全过程进行了能值分析，水泥的评价指标RBR、RYR、LRR、RER都较高，因此认为水泥有较高的回收价值［1］.Pulselli等用能值评价方法对水泥生产、运输和混凝土搅拌3个过程进行分析，得出水泥生产对外部环境依赖大、竞争力差的结论［2］.Huang等评价台北市城市建设消耗能值是总能值的46%，指出建筑垃圾也是一个重要的环境问题［3］.中国大陆学者多以城市、县或生态工业园为单位进行能值投入、产出的研究，研究内容包括煤炭、钢铁、水泥等工业带来的环境压力［4－5］，如赵愈的研究中以混凝土生产过程能值分析作为循环经济的算例，把水泥作为混凝土生产的原材料进行分析［6］.

水泥生产作为带来生态压力最大的产品生产过程之一，有必要对其进行细致研究以寻找改善方法.现有研究对水泥生产部分并没有展开分析，尤其是忽略了生产过程中产生的废弃物的影响.现有的关于水泥生产的研究多为纵向研究，即根据研究对象一段时间内的能值变化情况分析影响因素，而缺少横向比较，即相对其他行业的水平无法体现.基于以上分析，本文以某现代水泥企业为研究对象对水泥生产全过程的能值进行研究，包括各种原材料、消耗的煤和电、产生的废弃物、产品以及系统内部能值和货币的流动.我国大力推行新型干法水泥生产方法，水泥生产技术已经具有世界先进水平.水泥生产线建造完成后生产情况稳定，随着时间变化能值变化很小.水泥企业与其他行业的能值比较可以为提高水泥生产的生态效率提供参考.

1 能值理论评价方法

1.1 能值分析理论基本方法

20世纪80年代，美国著名生态学家Odum创立了能值（emergy）分析理论.能值分析理论以能值为量纲对生态经济系统内流动和储存的各种能量和物质进行定量研究，突破了传统能量分析方法中的能质壁垒.该方法将资源投入和环境支持都转化为统一标准，通常采用太阳能值（solar emergy）作为标准.通过建立的能值评价指标体系对具体生产活动、生态结构、自然资源利用、经济方针政策等进行评估，提供有科学依据的指导.能值流动系统是由经济系统和环境系统的多节点连结而成的网状或链状的系统，扩展了传统的分析系统的边界，将能量、物质、劳务、资金和利润都纳入分析系统当中［7－9］.

能值分析一般包括6个步骤：收集资料、建立能值流动系统图、建立能值分析表、构建能值综合图、建立能值综合指标体系和比较分析，如图1所示.其中，能值流动系统图概括了研究系统各部分和环境的关系，包括能值流和货币流的流向.能值分析表列出主要能量的输入项和输出项的能值.能值综合图综合了能值流动系统图和能值分析表的内容，体现系统资源能值结构.能值综合指标体系反映系统生态效率和经济效率，评价自然资源和经济系统的相互作用.

图1 能值分析步骤Fig.1 Emergy analysis steps

1.2 评价指标系统

能值分析方法的基本指标体系是由Odum建立起来的，而后由很多学者逐渐完善，常用指标如表1所示.

其中能值投资率、净能值产出率、环境负载率和能值可持续指标是最常用的4个指标.能值投资率表示单位环境系统投入能值所带来的经济系统反馈能值，值越大系统经济发展程度越高、环境依赖程度越低.净能值产出率侧重反映系统产出能值的经济反馈情况，净能值产出率越大，系统的生产效率越高，经济活动竞争力越强.环境负载率评价环境承压能力，值越大系统使用不可更新能源的比重越大，环境承压能力越差，系统受环境变化影响也越大.能值可持续指标是净能值产出率与环境负载率的比值，综合考虑了经济系统、环境系统和生产过程的影响，即从原材料、生产、产品到商品交换的全过程，科学地反映了系统的可持续发展程度.系统的能值可持续指标越大，系统越是环境友好，系统的可持续发展程度也越高.

表1 常用能值指标Tab.1 Common emergy indices

2 水泥企业能值分析

2.1 研究对象概况

本文选择具有代表性的现代化水泥企业作为研究对象，该企业远市区、近矿山，设备先进，生产工艺科技含量及管理水平较高.水泥厂原材料主要为石灰石、页岩、铁粉和粉煤灰，燃料为烟煤.原料磨采用先进的立式四辊磨，煅烧采用先进的五级RSP回转窑，生产能力可达到5 000t／d左右.全厂共安装收尘设备四十余台，粉尘排放达到国家标准要求.整条生产线采用先进的集散型计算机系统进行中央控制.

2.2 水泥企业能值流动分析

该水泥企业生产消耗大量自然资源并产生大量废弃物.燃料和矿物都是不可再生资源.该水泥企业所在城市主要为火力发电，消耗煤炭等不可再生资源.水泥企业购买燃料、矿物、水电、劳务和其他商品来生产水泥，销售水泥获得利润产生工业增加值保证企业可以继续生产.燃料、矿物、水电、劳务和其他商品进入生产系统，经过一系列物理化学反应生成水泥和逸散到环境中的废弃物.废弃物的主要成分是煤燃烧生成的CO2、SO2、粉尘和粉磨原材料、水泥熟料产生的粉尘.水泥企业的能值流动情况如图2所示［9］.

2.3 水泥企业能值分析表

水泥企业物质流动量大、废弃物排放总量大、废弃物排放种类繁多，能值分析表简明地体现输入的各项资源、输出的产品和废弃物所具有的能值.能值分析表综合资源能量流和经济流，将各类别能量、物质转换成共同的能值单位——太阳能焦（sej）.本文分析水泥企业2010年的生产情况，原始数据由水泥企业提供，能值计算结果如表2所示，其中

图2 水泥企业能值流动系统图Fig.2 Emergy flow system diagram of cement manufactory

表2 水泥企业能值分析Tab.2 Emergy analysis of cement manufactory

2.4 水泥企业能值综合图

利用能值流动系统图和能值分析表可以得到体现能量结构的能值综合图.水泥企业能值综合图不但体现了经济流的流动路径和流动量，体现了原料、煤、电、混合材料、劳务在原料磨、煤磨、回转窑、熟料磨间能量流动路径和流量，还体现了废弃物在系统内流动路径和流量，如图3所示.

从水泥企业能值综合图可以清楚地看到，劳务约占输入总能值的0.1%，煤和电的能值和与混合材料能值相近，占输入能值最大的部分是原料，原料的能值是混合材料的6～7倍.废弃物给环境带来严重影响，但其能值相对于输出能值非常小.通过采用先进的生产加工技术，水泥生产系统输出能值大于输入能值，技术可以提高水泥系统能量转化率.

图3 水泥企业能值综合图（单位：1019 sej）Fig.3 Synthesized emergy system diagram of cement manufactory（unit：1019 sej）

2.5 可持续发展指标评价

现常用的评价指标没有一个统一的衡量标准，单单得出指标值并不能说明系统的可持续发展程度相较于其他系统的情况.能值投资率、净能值产出率、环境负载率和能值可持续指标这4个指标广泛用于能值分析研究中，为了方便与其他系统比较，客观地得出水泥生产系统的可持续发展情况，本文也分析了这4项指标.

2.6 结果比较与评价

从计算出的指标可看到，水泥企业的能值投资率和能值可持续指标很低，而环境负载率非常高.由于没有参照指标，无法定量分析水泥企业的可持续发展情况.钢铁工业是应用能值理论较广泛的领域，研究方法比较成熟.本文将水泥企业的评价指标与钢铁工业园和我国综合系统进行比较，具体数值见表3［10－11］.

表3 能值评价指标比较Tab.3 Emergy analysis indices comparison

由表3可见：

（1）对于能值投资率，钢铁工业园非常高，单位能值的经济收益非常高.我国综合系统和钢铁工业园的能值投资率分别约为水泥企业的5倍和14 155倍.同样为高耗能工业，水泥企业的经济收益低，经济发展程度低，对环境的依赖程度非常高.

（2）水泥企业的净能值产出率约为我国综合系统的5倍，钢铁工业园的82倍，说明水泥企业的生产效率很高，经济活动竞争力很强，这也是我国是世界水泥生产大国的一个重要原因.

（3）从环境负载率的情况来看，水泥企业的环境承压能力低于全国综合系统，远远低于钢铁工业园.水泥生产将工业废料用做原材料，如粉煤灰、矿渣粉、建筑垃圾，降低了不可更新资源的用量，但是相对能值投入总量比例太小，对于降低环境负载率的作用不明显.

（4）能值可持续指标综合了系统产出的经济效益与由此产生的环境负担.从表3可以看出由于水泥企业较高的净能值产出率和较高的环境负载率，能值可持续指标仍然很低，环境友好程度稍高于钢铁工业园、远远低于我国综合系统，可持续发展程度低.

3 结 论

（1）以有代表性的钢铁工业园和我国综合系统两个标准作为参照评价水泥企业的可持续发展情况，弥补了能值指标没有统一评价标准的缺点，定量、定性分析了水泥企业可持续发展程度.

（2）可以通过以下方法提高水泥企业可持续指标：第一，加大利用其他废弃材料替代矿物原料的比例，如用矿渣粉、粉煤灰、废催化剂、煤矸石等工业废料替代矿物原料；第二，降低生产对能量的需求，提高煤燃烧利用率，寻找可替代的绿色能源等；第三，提高设备工作效率和能源利用率，在减少工序间运输造成的能值损失外，还可以加强利用余热发电.

（3）能值分析的应用也有不足之处.能值转化率因系统发展程度不同而不同，不同区域、不同时间段的能值转化率并不相同.确定系统的能值转化率需要收集大量数据并进行大量计算，不易获得能准确反映系统状态的能值转化率.目前研究采用的能值转化率单一，无法反映能值动态变化中系统的可持续发展情况.

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Evaluation of sustainability of cement manufactory based on emergy theory

CAO Ming－li＊， FANG Ming， LI Yong， ZHANG Hui－xia

（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

High－energy consumption and high－pollution cement production brings about economic benefits as well as heavy burdens on the environment，which has great impact on the sustainable development of cement industry.Emergy theory was introduced into cement industry taking economic factors，resources factors and environmental factors into account to evaluate the sustainability.Based on Odum′s emergy analysis theory accounting several emergy indices，through comparing with the indices of iron and steel eco－industrial park and national synthesized system，the sustainability of cement industry′s operation and development is represented and measured.The results show that cement manufactory is at low degree of economic development and high degree of environmental dependency.The sustainability of cement manufactory is a little better than that of iron and steel ecoindustrial park.It is suggested to improve the eco－efficiency and sustainability of cement production by replacing raw materials by industrial wastes，making use of waste heat to generate electricity and so on.

cement production；emergy analysis；sustainable development

F407.71

A

1000－8608（2013）05－0766－06

2012－11－01；

2013－08－10.

曹明莉＊（1971－），女，副教授，E－mail：caomingli3502＠163.com.