曹明莉， 房 明， 李 勇， 張會(huì)霞

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）

基于能值理論的水泥企業(yè)可持續(xù)性評(píng)價(jià)

曹明莉＊， 房 明， 李 勇， 張會(huì)霞

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）

高能耗高污染的水泥生產(chǎn)在增加經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來(lái)了沉重的環(huán)境負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響了水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.將能值理論引入水泥制造工業(yè)，綜合經(jīng)濟(jì)要素、資源要素和環(huán)境要素對(duì)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可持續(xù)性評(píng)價(jià).以O(shè)dum能值分析理論為基礎(chǔ)計(jì)算若干個(gè)能值指標(biāo)，通過(guò)與鋼鐵工業(yè)園及全國(guó)綜合系統(tǒng)的能值指標(biāo)相比較，表征水泥企業(yè)的運(yùn)行特征，度量其發(fā)展的可持續(xù)性.研究結(jié)果表明，水泥企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較低下，對(duì)環(huán)境的依賴程度非常高，其可持續(xù)發(fā)展水平僅稍好于鋼鐵工業(yè)園.建議通過(guò)工業(yè)廢棄物替代礦物原料、利用余熱發(fā)電等必要的技術(shù)手段，提高水泥生產(chǎn)的生態(tài)效率，提升發(fā)展的可持續(xù)性.

水泥生產(chǎn)；能值分析；可持續(xù)發(fā)展

0 引 言

能值理論是基于傳統(tǒng)能量理論創(chuàng)立的生態(tài)－經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)研究方法，在國(guó)內(nèi)外研究中已得到廣泛的應(yīng)用，如對(duì)國(guó)家和地區(qū)的能值分析、國(guó)際交流的能值分析、能源開(kāi)發(fā)和利用的能值評(píng)價(jià)、信息和勞務(wù)的能值評(píng)價(jià)等.水泥生產(chǎn)需要大量礦物原材料，高溫煅燒消耗大量化石燃料并產(chǎn)生CO2、SO2等有害氣體和大量粉塵，將能值理論應(yīng)用于水泥企業(yè)可為水泥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新思路.

現(xiàn)有應(yīng)用能值理論評(píng)價(jià)水泥相關(guān)行業(yè)的研究都以國(guó)家、城市或是工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，著眼于各種建筑材料，水泥生產(chǎn)只是其研究對(duì)象的一部分.Brown等對(duì)水泥生產(chǎn)、使用及回收的全過(guò)程進(jìn)行了能值分析，水泥的評(píng)價(jià)指標(biāo)RBR、RYR、LRR、RER都較高，因此認(rèn)為水泥有較高的回收價(jià)值［1］.Pulselli等用能值評(píng)價(jià)方法對(duì)水泥生產(chǎn)、運(yùn)輸和混凝土攪拌3個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析，得出水泥生產(chǎn)對(duì)外部環(huán)境依賴大、競(jìng)爭(zhēng)力差的結(jié)論［2］.Huang等評(píng)價(jià)臺(tái)北市城市建設(shè)消耗能值是總能值的46%，指出建筑垃圾也是一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題［3］.中國(guó)大陸學(xué)者多以城市、縣或生態(tài)工業(yè)園為單位進(jìn)行能值投入、產(chǎn)出的研究，研究?jī)?nèi)容包括煤炭、鋼鐵、水泥等工業(yè)帶來(lái)的環(huán)境壓力［4－5］，如趙愈的研究中以混凝土生產(chǎn)過(guò)程能值分析作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的算例，把水泥作為混凝土生產(chǎn)的原材料進(jìn)行分析［6］.

水泥生產(chǎn)作為帶來(lái)生態(tài)壓力最大的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程之一，有必要對(duì)其進(jìn)行細(xì)致研究以尋找改善方法.現(xiàn)有研究對(duì)水泥生產(chǎn)部分并沒(méi)有展開(kāi)分析，尤其是忽略了生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物的影響.現(xiàn)有的關(guān)于水泥生產(chǎn)的研究多為縱向研究，即根據(jù)研究對(duì)象一段時(shí)間內(nèi)的能值變化情況分析影響因素，而缺少橫向比較，即相對(duì)其他行業(yè)的水平無(wú)法體現(xiàn).基于以上分析，本文以某現(xiàn)代水泥企業(yè)為研究對(duì)象對(duì)水泥生產(chǎn)全過(guò)程的能值進(jìn)行研究，包括各種原材料、消耗的煤和電、產(chǎn)生的廢棄物、產(chǎn)品以及系統(tǒng)內(nèi)部能值和貨幣的流動(dòng).我國(guó)大力推行新型干法水泥生產(chǎn)方法，水泥生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)具有世界先進(jìn)水平.水泥生產(chǎn)線建造完成后生產(chǎn)情況穩(wěn)定，隨著時(shí)間變化能值變化很小.水泥企業(yè)與其他行業(yè)的能值比較可以為提高水泥生產(chǎn)的生態(tài)效率提供參考.

1 能值理論評(píng)價(jià)方法

1.1 能值分析理論基本方法

20世紀(jì)80年代，美國(guó)著名生態(tài)學(xué)家Odum創(chuàng)立了能值（emergy）分析理論.能值分析理論以能值為量綱對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)和儲(chǔ)存的各種能量和物質(zhì)進(jìn)行定量研究，突破了傳統(tǒng)能量分析方法中的能質(zhì)壁壘.該方法將資源投入和環(huán)境支持都轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常采用太陽(yáng)能值（solar emergy）作為標(biāo)準(zhǔn).通過(guò)建立的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)具體生產(chǎn)活動(dòng)、生態(tài)結(jié)構(gòu)、自然資源利用、經(jīng)濟(jì)方針政策等進(jìn)行評(píng)估，提供有科學(xué)依據(jù)的指導(dǎo).能值流動(dòng)系統(tǒng)是由經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)連結(jié)而成的網(wǎng)狀或鏈狀的系統(tǒng)，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的分析系統(tǒng)的邊界，將能量、物質(zhì)、勞務(wù)、資金和利潤(rùn)都納入分析系統(tǒng)當(dāng)中［7－9］.

能值分析一般包括6個(gè)步驟：收集資料、建立能值流動(dòng)系統(tǒng)圖、建立能值分析表、構(gòu)建能值綜合圖、建立能值綜合指標(biāo)體系和比較分析，如圖1所示.其中，能值流動(dòng)系統(tǒng)圖概括了研究系統(tǒng)各部分和環(huán)境的關(guān)系，包括能值流和貨幣流的流向.能值分析表列出主要能量的輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)的能值.能值綜合圖綜合了能值流動(dòng)系統(tǒng)圖和能值分析表的內(nèi)容，體現(xiàn)系統(tǒng)資源能值結(jié)構(gòu).能值綜合指標(biāo)體系反映系統(tǒng)生態(tài)效率和經(jīng)濟(jì)效率，評(píng)價(jià)自然資源和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用.

圖1 能值分析步驟Fig.1 Emergy analysis steps

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)

能值分析方法的基本指標(biāo)體系是由Odum建立起來(lái)的，而后由很多學(xué)者逐漸完善，常用指標(biāo)如表1所示.

其中能值投資率、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率和能值可持續(xù)指標(biāo)是最常用的4個(gè)指標(biāo).能值投資率表示單位環(huán)境系統(tǒng)投入能值所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋能值，值越大系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度越高、環(huán)境依賴程度越低.凈能值產(chǎn)出率側(cè)重反映系統(tǒng)產(chǎn)出能值的經(jīng)濟(jì)反饋情況，凈能值產(chǎn)出率越大，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng).環(huán)境負(fù)載率評(píng)價(jià)環(huán)境承壓能力，值越大系統(tǒng)使用不可更新能源的比重越大，環(huán)境承壓能力越差，系統(tǒng)受環(huán)境變化影響也越大.能值可持續(xù)指標(biāo)是凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率的比值，綜合考慮了經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程的影響，即從原材料、生產(chǎn)、產(chǎn)品到商品交換的全過(guò)程，科學(xué)地反映了系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展程度.系統(tǒng)的能值可持續(xù)指標(biāo)越大，系統(tǒng)越是環(huán)境友好，系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展程度也越高.

表1 常用能值指標(biāo)Tab.1 Common emergy indices

2 水泥企業(yè)能值分析

2.1 研究對(duì)象概況

本文選擇具有代表性的現(xiàn)代化水泥企業(yè)作為研究對(duì)象，該企業(yè)遠(yuǎn)市區(qū)、近礦山，設(shè)備先進(jìn)，生產(chǎn)工藝科技含量及管理水平較高.水泥廠原材料主要為石灰石、頁(yè)巖、鐵粉和粉煤灰，燃料為煙煤.原料磨采用先進(jìn)的立式四輥磨，煅燒采用先進(jìn)的五級(jí)RSP回轉(zhuǎn)窯，生產(chǎn)能力可達(dá)到5 000t／d左右.全廠共安裝收塵設(shè)備四十余臺(tái)，粉塵排放達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.整條生產(chǎn)線采用先進(jìn)的集散型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行中央控制.

2.2 水泥企業(yè)能值流動(dòng)分析

該水泥企業(yè)生產(chǎn)消耗大量自然資源并產(chǎn)生大量廢棄物.燃料和礦物都是不可再生資源.該水泥企業(yè)所在城市主要為火力發(fā)電，消耗煤炭等不可再生資源.水泥企業(yè)購(gòu)買燃料、礦物、水電、勞務(wù)和其他商品來(lái)生產(chǎn)水泥，銷售水泥獲得利潤(rùn)產(chǎn)生工業(yè)增加值保證企業(yè)可以繼續(xù)生產(chǎn).燃料、礦物、水電、勞務(wù)和其他商品進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)生成水泥和逸散到環(huán)境中的廢棄物.廢棄物的主要成分是煤燃燒生成的CO2、SO2、粉塵和粉磨原材料、水泥熟料產(chǎn)生的粉塵.水泥企業(yè)的能值流動(dòng)情況如圖2所示［9］.

2.3 水泥企業(yè)能值分析表

水泥企業(yè)物質(zhì)流動(dòng)量大、廢棄物排放總量大、廢棄物排放種類繁多，能值分析表簡(jiǎn)明地體現(xiàn)輸入的各項(xiàng)資源、輸出的產(chǎn)品和廢棄物所具有的能值.能值分析表綜合資源能量流和經(jīng)濟(jì)流，將各類別能量、物質(zhì)轉(zhuǎn)換成共同的能值單位——太陽(yáng)能焦（sej）.本文分析水泥企業(yè)2010年的生產(chǎn)情況，原始數(shù)據(jù)由水泥企業(yè)提供，能值計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中

圖2 水泥企業(yè)能值流動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.2 Emergy flow system diagram of cement manufactory

表2 水泥企業(yè)能值分析Tab.2 Emergy analysis of cement manufactory

2.4 水泥企業(yè)能值綜合圖

利用能值流動(dòng)系統(tǒng)圖和能值分析表可以得到體現(xiàn)能量結(jié)構(gòu)的能值綜合圖.水泥企業(yè)能值綜合圖不但體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)流的流動(dòng)路徑和流動(dòng)量，體現(xiàn)了原料、煤、電、混合材料、勞務(wù)在原料磨、煤磨、回轉(zhuǎn)窯、熟料磨間能量流動(dòng)路徑和流量，還體現(xiàn)了廢棄物在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)路徑和流量，如圖3所示.

從水泥企業(yè)能值綜合圖可以清楚地看到，勞務(wù)約占輸入總能值的0.1%，煤和電的能值和與混合材料能值相近，占輸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.廢棄物給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響，但其能值相對(duì)于輸出能值非常小.通過(guò)采用先進(jìn)的生產(chǎn)加工技術(shù)，水泥生產(chǎn)系統(tǒng)輸出能值大于輸入能值，技術(shù)可以提高水泥系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率.

圖3 水泥企業(yè)能值綜合圖（單位：1019 sej）Fig.3 Synthesized emergy system diagram of cement manufactory（unit：1019 sej）

2.5 可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)評(píng)價(jià)

現(xiàn)常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，單單得出指標(biāo)值并不能說(shuō)明系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展程度相較于其他系統(tǒng)的情況.能值投資率、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率和能值可持續(xù)指標(biāo)這4個(gè)指標(biāo)廣泛用于能值分析研究中，為了方便與其他系統(tǒng)比較，客觀地得出水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展情況，本文也分析了這4項(xiàng)指標(biāo).

2.6 結(jié)果比較與評(píng)價(jià)

從計(jì)算出的指標(biāo)可看到，水泥企業(yè)的能值投資率和能值可持續(xù)指標(biāo)很低，而環(huán)境負(fù)載率非常高.由于沒(méi)有參照指標(biāo)，無(wú)法定量分析水泥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展情況.鋼鐵工業(yè)是應(yīng)用能值理論較廣泛的領(lǐng)域，研究方法比較成熟.本文將水泥企業(yè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與鋼鐵工業(yè)園和我國(guó)綜合系統(tǒng)進(jìn)行比較，具體數(shù)值見(jiàn)表3［10－11］.

表3 能值評(píng)價(jià)指標(biāo)比較Tab.3 Emergy analysis indices comparison

由表3可見(jiàn)：

（1）對(duì)于能值投資率，鋼鐵工業(yè)園非常高，單位能值的經(jīng)濟(jì)收益非常高.我國(guó)綜合系統(tǒng)和鋼鐵工業(yè)園的能值投資率分別約為水泥企業(yè)的5倍和14 155倍.同樣為高耗能工業(yè)，水泥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益低，經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度低，對(duì)環(huán)境的依賴程度非常高.

（2）水泥企業(yè)的凈能值產(chǎn)出率約為我國(guó)綜合系統(tǒng)的5倍，鋼鐵工業(yè)園的82倍，說(shuō)明水泥企業(yè)的生產(chǎn)效率很高，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)，這也是我國(guó)是世界水泥生產(chǎn)大國(guó)的一個(gè)重要原因.

（3）從環(huán)境負(fù)載率的情況來(lái)看，水泥企業(yè)的環(huán)境承壓能力低于全國(guó)綜合系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼鐵工業(yè)園.水泥生產(chǎn)將工業(yè)廢料用做原材料，如粉煤灰、礦渣粉、建筑垃圾，降低了不可更新資源的用量，但是相對(duì)能值投入總量比例太小，對(duì)于降低環(huán)境負(fù)載率的作用不明顯.

（4）能值可持續(xù)指標(biāo)綜合了系統(tǒng)產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)效益與由此產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)擔(dān).從表3可以看出由于水泥企業(yè)較高的凈能值產(chǎn)出率和較高的環(huán)境負(fù)載率，能值可持續(xù)指標(biāo)仍然很低，環(huán)境友好程度稍高于鋼鐵工業(yè)園、遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我國(guó)綜合系統(tǒng)，可持續(xù)發(fā)展程度低.

3 結(jié) 論

（1）以有代表性的鋼鐵工業(yè)園和我國(guó)綜合系統(tǒng)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為參照評(píng)價(jià)水泥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展情況，彌補(bǔ)了能值指標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)，定量、定性分析了水泥企業(yè)可持續(xù)發(fā)展程度.

（2）可以通過(guò)以下方法提高水泥企業(yè)可持續(xù)指標(biāo)：第一，加大利用其他廢棄材料替代礦物原料的比例，如用礦渣粉、粉煤灰、廢催化劑、煤矸石等工業(yè)廢料替代礦物原料；第二，降低生產(chǎn)對(duì)能量的需求，提高煤燃燒利用率，尋找可替代的綠色能源等；第三，提高設(shè)備工作效率和能源利用率，在減少工序間運(yùn)輸造成的能值損失外，還可以加強(qiáng)利用余熱發(fā)電.

（3）能值分析的應(yīng)用也有不足之處.能值轉(zhuǎn)化率因系統(tǒng)發(fā)展程度不同而不同，不同區(qū)域、不同時(shí)間段的能值轉(zhuǎn)化率并不相同.確定系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)化率需要收集大量數(shù)據(jù)并進(jìn)行大量計(jì)算，不易獲得能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)狀態(tài)的能值轉(zhuǎn)化率.目前研究采用的能值轉(zhuǎn)化率單一，無(wú)法反映能值動(dòng)態(tài)變化中系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展情況.

［1］Brown M T，Buranakarn V.Emergy indices and ratios for sustainable material cycles and recycle options［J］.Resources，Conservation and Recycling，2003，38（1）：1－22.

［2］Pulselli R M，Simoncini E，Ridolfi R，etal.Specific emergy of cement and concrete：an energybased appraisal of building materials and their transport［J］.Ecological Indicators，2008，8（5）：647－656.

［3］Huang Shu－li，Hsu Wan－lin.Materials flow analysis and emergy evaluation of Taipei′s urban construction［J］.Landscape and Urban Planning，2003，63（2）：61－74.

［4］ 吳玉琴，嚴(yán)茂超.廣州城市代謝與土地利用變化指標(biāo)評(píng)價(jià)［J］.地理研究，2011，30（8）：1380－1390.

WU Yu－qin，YAN Mao－chao.Analysis of the indicators between urban metabolism and land use change in Guangzhou［J］.Geographical Research，2011，30（8）：1380－1390.（in Chinese）

［5］ 劉 淼，胡遠(yuǎn)滿，常 禹，等.四川省汶川縣生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（11）：1997－2001.

LIU Miao，HU Yuan－man，CHANG Yu，etal.Emergy analysis of eco－economic system in Wenchuan county of Sichuan province［J］.Chinese Journal of Ecology，2008，27（11）：1997－2001.（in Chinese）

［6］ 趙 愈.循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式的生態(tài)工業(yè)園區(qū)建設(shè)與評(píng)價(jià)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011.

ZHAO Yu.A study on eco－industrial park development and evaluation of circular economy［D］.Chongqing：Chongqing University，2011.（in Chinese）

［7］ 藍(lán)盛芳，欽 佩，陸宏芳.生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

LAN Sheng－fang，QIN Pei，LU Hong－fang.Emergy Analysis of Eco－economic System［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2002.（in Chinese）

［8］ 王靈梅，倪維斗，李 政，等.基于能值的不同煤基發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（13）：98－102.

WANG Ling－mei，NI Wei－dou，LI Zheng，etal.Sustainability evaluation of coal generation electricity system based on emergy account［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26（13）：98－102.（in Chinese）

［9］Odum H T，Odum E C.Modeling for All Scales：An Introduction to System Simulation［M］.California：Academic Press，2000.

［10］張 蕓，陳秀瓊，王童瑤，等.基于能值理論的鋼鐵工業(yè)園區(qū)可持續(xù)性評(píng)價(jià)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，37（11）：66－71.

ZHANG Yun，CHEN Xiu－qiong，WANG Tongyao，etal.Evaluation of sustainability of iron and steel eco－industrial parks based on emergy theory［J］.Journal of Hunan University：Natural Sciences，2010，37（11）：66－71.（in Chinese）

［11］李雙成，傅小鋒，鄭 度.中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展水平的能值分析［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2001，16（4）：297－304.

LI Shuang－cheng，F(xiàn)U Xiao－feng，ZHENG Du.Emergy analysis for evaluating sustainability of Chinese economy［J］.Journal of Natural Resources，2001，16（4）：297－304.（in Chinese）

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.