徐曉臻,黃蓓佳,苑 靜,陳妍希

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

在全球化時(shí)代,國(guó)際貿(mào)易已成為多邊合作和國(guó)家發(fā)展的重要橋梁。然而,區(qū)域間貿(mào)易導(dǎo)致了產(chǎn)品消費(fèi)端在地理上與生產(chǎn)端排放的污染分離,使得污染物從消費(fèi)端轉(zhuǎn)移到遙遠(yuǎn)的制造端[1]。

近年來(lái)許多研究人員采用投入產(chǎn)出法[2-6]、一般均衡模型[7-9]等方法對(duì)工業(yè)產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易的隱含二氧化碳排放進(jìn)行了研究分析?！百Q(mào)易隱含碳排放”是指產(chǎn)品進(jìn)口地將產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)過(guò)程中的直接和間接碳排放轉(zhuǎn)移到出口地,相當(dāng)于“碳排放轉(zhuǎn)移”[10-12]。例如,Li等[13]估算,英國(guó)通過(guò)與中國(guó)的貿(mào)易使得本土二氧化碳(CO2)排放量減少了約11%。此外,2007年中國(guó)58%的貿(mào)易隱含碳排放來(lái)自美國(guó)(24%)、歐盟(25%)和日本(9%)[14]。只有少數(shù)研究討論了其他污染物和環(huán)境影響。例如,Liu等[15]應(yīng)用生命周期評(píng)估方法分析了12個(gè)主要的鐵礦和煉鋼國(guó)家鋼鐵生產(chǎn)鏈的環(huán)境影響,結(jié)果表明在鐵礦開(kāi)采和鋼鐵生產(chǎn)最關(guān)鍵的環(huán)境影響是生態(tài)毒性,遠(yuǎn)高于氣候變化值。臧夢(mèng)璐[9]利用全生命周期評(píng)價(jià)與一般均衡模型研究指出我國(guó)水泥產(chǎn)品對(duì)外貿(mào)易的環(huán)境污染物除了CO2,還有粉塵、氮氧化物、二氧化硫等。此外,我們先前的研究也表明除了氣候變化以外,光化學(xué)氧化物的形成、陸地酸化等也是工業(yè)建筑材料的主要環(huán)境影響[16]。

作為重要的工業(yè)產(chǎn)品,水泥是用途最廣、用量最多的一種建筑工程材料,而中國(guó)是世界上最大的水泥生產(chǎn)國(guó)[17-18],也是水泥跨地區(qū)貿(mào)易大國(guó):2014年中國(guó)水泥出口總量達(dá)到1 350萬(wàn)噸,相當(dāng)于西班牙同年的水泥總產(chǎn)量[19]。因此,研究水泥出口貿(mào)易所帶來(lái)的隱含環(huán)境影響至關(guān)重要。然而,迄今大多數(shù)學(xué)者都是從投入產(chǎn)出的宏觀角度進(jìn)行分析研究,并未考慮到實(shí)際省級(jí)層面的生產(chǎn)技術(shù)、市場(chǎng)份額和環(huán)境影響的差異,也很少?gòu)墓I(yè)產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)、環(huán)境污染發(fā)生地(源頭)去討論工業(yè)產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易所帶來(lái)的綜合環(huán)境影響。此外,中國(guó)水泥出口貿(mào)易的隱含環(huán)境影響也鮮有研究。因此,本文針對(duì)這一研究空白,通過(guò)對(duì)水泥出口地的技術(shù)與出口量分析,結(jié)合全生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment,LCA)方法,對(duì)2005年—2014年中國(guó)水泥出口的隱含環(huán)境影響進(jìn)行核算,為產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易隱含環(huán)境影響的研究,特別是重要的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)與消費(fèi)的污染轉(zhuǎn)移量的核算方法提供有價(jià)值的參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 水泥出口地產(chǎn)量及技術(shù)分析

省級(jí)層面的水泥出口貿(mào)易量作為本文的關(guān)鍵核心數(shù)據(jù),其來(lái)源為《中國(guó)水泥年鑒》中的官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2001年—2004年的數(shù)據(jù)由于年代久遠(yuǎn),其時(shí)間段的研究必要性不大。最新一期的《中國(guó)水泥年鑒》發(fā)布時(shí)間為2015年,僅記錄到2014年的數(shù)據(jù),之后再未有新版本發(fā)布。因此,根據(jù)《中國(guó)水泥年鑒(2006年—2015年)》對(duì)水泥出口省份的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)[20],2005年到2014年間,中國(guó)的水泥出口主要省份包括山東、江蘇、安徽、內(nèi)蒙古、廣東、河北等25個(gè)省份(圖1)。山東和江蘇為水泥出口量最大的兩個(gè)省份:累計(jì)出口量之和超過(guò)8 000萬(wàn)t,占全國(guó)水泥出口總量的67.76%。在此期間,水泥生產(chǎn)技術(shù)也經(jīng)歷了快速的發(fā)展,包括立窯、其他回轉(zhuǎn)窯(如濕法回轉(zhuǎn)窯)、新型干法回轉(zhuǎn)窯[21]。截至到2014年,水泥出口大省(如山東和江蘇)新型干法水泥工藝的市場(chǎng)份額已達(dá)到100%,且全國(guó)80%以上省份新型干法水泥技術(shù)的市場(chǎng)份額超過(guò)90%。因此,據(jù)初步估算,2014年至今技術(shù)更新的變化幅度不大,對(duì)研究結(jié)果沒(méi)有本質(zhì)上的改變或較大的出入。綜上所述,本文的研究時(shí)間設(shè)定為2005年—2014年。

圖1 2005年—2014年中國(guó)水泥出口省份及累計(jì)出口量Fig.1 China's cement export provinces and cumulative export from 2005 to 2014

根據(jù)《中國(guó)水泥年鑒》,可獲知2005年—2009年出口省份的新型干法水泥窯的市場(chǎng)份額(表1),其中由于缺乏天津市的數(shù)據(jù),本研究采用京津冀地區(qū)的平均值代替。

表1 2005年—2009年水泥出口省份的新型干法水泥窯市場(chǎng)份額Tab.1 The market share of new dry process cement kilns in cement exporting provinces from 2005 to 2009

(續(xù)表)

由于在同一統(tǒng)計(jì)口徑數(shù)據(jù)的時(shí)間序列較短時(shí),研究趨勢(shì)變化時(shí)可以使用線性回歸法進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證線性回歸模型的合理性,本研究從華北、東北、西北、華中、西南、華南、華東地區(qū)中各選擇一個(gè)省進(jìn)行檢驗(yàn)。此外,由于安徽擁有中國(guó)最大的水泥生產(chǎn)商——海螺水泥股份有限公司,因此安徽省也被列入回歸分析中,其擬合情況見(jiàn)表2。結(jié)果顯示:各省模型R2＞0.7,說(shuō)明線性模型擬合性較好,構(gòu)建合理。所以,本研究依據(jù)2005年—2009年各省新型干法水泥窯生產(chǎn)比例數(shù)據(jù),通過(guò)線性回歸方法來(lái)估算2010年—2014年新型干法水泥窯的市場(chǎng)份額。

表2 線性回歸模型合理性分析Tab.2 Rational analysis of linear regression model

以新型干法水泥工藝的市場(chǎng)份額數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合2006年和2012年的水泥企業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)能的平均增長(zhǎng)率來(lái)估算立窯和其他回轉(zhuǎn)窯的市場(chǎng)份額數(shù)據(jù)[22],以立窯為例,詳見(jiàn)公式(1):

1.2 水泥生產(chǎn)全生命周期環(huán)境影響

圖2 水泥生產(chǎn)過(guò)程全生命周期模型[25]Fig.2 The life-cycle model of cement manufacturing

由于普通硅酸鹽水泥產(chǎn)量占中國(guó)水泥總產(chǎn)量的98%[26],因此本研究的功能單元為1噸普通硅酸鹽水泥。主要水泥生產(chǎn)技術(shù)(立窯、其他回轉(zhuǎn)窯、新型干法水泥窯)的生命周期清單(Life Cycle Inventory,LCI)如表3所示,水泥生產(chǎn)涉及的其他材料生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)均來(lái)自Gabi Databases[31]。

表3 主要水泥窯技術(shù)生產(chǎn)水泥的清單Tab.3 The life cycle inventory of major cement manufacturing technologies

然后采用Gabi軟件(以LCA方法論為基礎(chǔ)的環(huán)境影響分析軟件)對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行建模計(jì)算。由于ReCiPe2016有助于更好地理解產(chǎn)品、服務(wù)、過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響,利用ReCiPe2016 v1.1中點(diǎn)(H)方法量化生命周期對(duì)人類健康、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資源的影響[32-33],涉及的主要環(huán)境影響類別包括:氣候變化(等量CO2)、化石能源消耗(等量石油)、光化學(xué)臭氧形成(等量NOx)、陸地酸化(SO2)、顆粒物形成(等量PM2.5)、人體毒性(等量1,4-DB)、陸地生態(tài)毒性(等量1,4-DB)和淡水消耗(m3),因?yàn)檫@些被認(rèn)為是水泥生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境影響[34-37]。一般環(huán)境影響特征化值的計(jì)算方法見(jiàn)公式(2):

1.3 中國(guó)水泥出口貿(mào)易隱含環(huán)境影響

基于以上對(duì)不同水泥窯的全生命周期評(píng)價(jià)分析,本研究以水泥出口省份水泥生產(chǎn)技術(shù)和出口量為基礎(chǔ),對(duì)中國(guó)水泥出口貿(mào)易中的隱含環(huán)境影響進(jìn)行核算,見(jiàn)公式(4):

2 結(jié) 果

2.1 水泥出口省份生產(chǎn)技術(shù)演變

2005年—2014年中國(guó)累計(jì)水泥出口量前6個(gè)省份的水泥窯技術(shù)發(fā)展如圖3所示?？傮w來(lái)看,各省的水泥窯技術(shù)都經(jīng)歷了不斷升級(jí)的過(guò)程,向著更加先進(jìn)、清潔、高效的水泥生產(chǎn)技術(shù)邁進(jìn)。東部省份(江蘇省、安徽省)的水泥窯技術(shù)水平明顯高于其他地區(qū):新型干法水泥窯的市場(chǎng)份額自2005年起均超過(guò)60%。大部分省份在2012年—2013年完成水泥生產(chǎn)技術(shù)更新,而安徽省在2010年就達(dá)到了100%新型干法水泥工藝,因?yàn)槠鋼碛心壳叭驙I(yíng)收規(guī)模最大的水泥企業(yè)——海螺水泥股份有限公司,2020年其水泥產(chǎn)量約占全球水泥產(chǎn)量的9%。此外,沿海城市的水泥生產(chǎn)技術(shù)更新速度高于內(nèi)陸地區(qū):廣東省和山東省的新型干法水泥窯市場(chǎng)份額的平均年增長(zhǎng)率分別為23%和15%,而河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的新型干法水泥窯市場(chǎng)份額的平均年增長(zhǎng)率約為10%,這可能歸因于東南部沿海城市發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)和便利的交通網(wǎng)絡(luò)。

圖3 2005年—2014年水泥主要出口省份的水泥生產(chǎn)技術(shù)演變Fig .3 The cement manufacturing technology evolution of major cement-export provinces

2.2 水泥生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境影響分析

通過(guò)對(duì)主要水泥生產(chǎn)技術(shù)的LCA分析,不同水泥生產(chǎn)工藝的環(huán)境影響存在顯著差異(見(jiàn)第 490頁(yè)圖4)。結(jié)果表明,化石能源消耗、氣候變化、光化學(xué)臭氧形成、顆粒物形成、陸地酸化是普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)的最顯著的環(huán)境影響,它們約占總環(huán)境影響的97%。其中,化石能源的消耗是由于煤炭、石油等化石燃料的燃燒來(lái)為水泥窯(特別是熟料煅燒階段)和生產(chǎn)輔助設(shè)備提供熱能和電力;氣候變化主要?dú)w因于二氧化碳的直接排放,其由3種主要來(lái)源組成:碳酸鹽分解(55%)、燃料燃燒(31%)、電力使用(14%)[39];光化學(xué)臭氧形成是由在煅燒窯爐的燃燒過(guò)程中形成的氮氧化物排放引起的;水泥生產(chǎn)過(guò)程中排放的顆粒物也很高,主要來(lái)自于水泥生產(chǎn)的不同階段,如原材料和燃料破碎、水泥研磨等;陸地酸化是由煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的含硫化合物直接引起的。另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是,由于采用了先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備[40],新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)相比于立窯和其他回轉(zhuǎn)窯對(duì)環(huán)境的影響顯著降低:新型干法水泥窯在生產(chǎn)一噸普通硅酸鹽水泥時(shí),根據(jù)不同的環(huán)境影響類別,可減少約0.3～1.5倍的環(huán)境負(fù)荷。在新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中,水泥熟料煅燒所需燃料的60%～65%從燃燒區(qū)轉(zhuǎn)移到煅燒爐,其燃燒熱量迅速用于分解水泥原料中的碳酸鹽(分解率達(dá)80%～85%),而水泥熟料在回轉(zhuǎn)窯中只發(fā)生放熱反應(yīng)、礦物形成和冷卻,從而提高了回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)效率和熱利用率,減少了化石燃料的消耗。此外,由于在新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)度較短,減少了熱量損耗,而且其多風(fēng)道煤粉燃燒器在節(jié)能(降低一次風(fēng)比)、環(huán)保(低氮氧化物排放、替代燃料)等方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[41]。

圖4 水泥生產(chǎn)過(guò)程的主要環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化值Fig.4 The LCA normalization results of cement manufacturing by cement kiln

2.3 2005年—2014年中國(guó)水泥出口隱含環(huán)境影響演變

中國(guó)水泥出口隱含環(huán)境影響從2005年到2014年的變化趨勢(shì)如圖5所示?？傮w而言,水泥出口貿(mào)易的隱含環(huán)境影響與水泥出口總量高度相關(guān)。2006年水泥出口總量達(dá)到峰值,為3 612萬(wàn)t,且同年水泥出口貿(mào)易的隱含環(huán)境影響也達(dá)到峰值:化石能源消耗量達(dá)到2 370 kt等量石油,氣候變化約為18×106t等量CO2,光化學(xué)臭氧污染達(dá)到27 kt等量NOx,陸地酸化約為18 kt等量SO2,顆粒物排放約13 kt等量PM2.5,人體毒性約為125 kt等量1,4-DB,陸地生態(tài)毒性達(dá)740 kt等量1,4-DB,且消耗淡水約為2×107m3。這是由于隨著國(guó)家的宏觀政策調(diào)控,2006年新型干法水泥生產(chǎn)線在全國(guó)的市場(chǎng)份額已經(jīng)達(dá)到50%,使得水泥產(chǎn)量快速增加。同時(shí),隨著中國(guó)水泥出口貿(mào)易業(yè)務(wù)量的大幅提升,出口業(yè)務(wù)覆蓋的地區(qū)范圍的增加以及國(guó)家對(duì)水泥產(chǎn)品出口的一系列政策導(dǎo)向(如:出口退稅政策),使得水泥出口貿(mào)易量顯著增大[42]。

圖5 2005年—2014年中國(guó)水泥出口主要隱含環(huán)境影響Fig.5 Major embodied environmental burden of cement export in China from 2005 to 2014

2006年以后,我國(guó)水泥出口量呈逐年下降趨勢(shì),主要原因包括:一方面,因?yàn)樗嗍歉吣芎?高污染的產(chǎn)品,所以自2007年起我國(guó)取消了出口退稅11%的優(yōu)惠政策,從經(jīng)濟(jì)層面削弱了商品出口貿(mào)易的動(dòng)力[43-44];另一方面,國(guó)際市場(chǎng)需求疲軟,加之全球金融危機(jī),導(dǎo)致水泥市場(chǎng)低迷、水泥進(jìn)口國(guó)的需求缺口縮小,尤其是原來(lái)我國(guó)水泥出口主要國(guó)家——美國(guó)房地產(chǎn)業(yè)投資大幅下滑,進(jìn)而使得我國(guó)水泥出口量大幅度縮減[45]。此外,先進(jìn)的水泥生產(chǎn)技術(shù)可以在一定程度上緩解由于高水泥出口產(chǎn)量帶來(lái)的環(huán)境負(fù)面影響。2011年后水泥出口量快速增長(zhǎng),到2014年增加了約60%,然而先進(jìn)水泥生產(chǎn)工藝的使用與普及使得八種主要環(huán)境影響按類別減少了2%～24%,其中顆粒物形成降低了約24%,淡水消耗和陸地酸化減少了約20%,因?yàn)樾滦透煞ㄋ喔G在這3個(gè)環(huán)境影響類別相比于立窯和其他回轉(zhuǎn)窯具有最顯著的環(huán)境效益。相反,由于新型干法水泥工藝在降低氮氧化物污染排放方面仍有提升空間,使得光化學(xué)臭氧形成的環(huán)境影響只降低了不到2%。

水泥生產(chǎn)技術(shù)的升級(jí)也顯著地降低了水泥出口貿(mào)易的隱含環(huán)境影響:據(jù)估算,在2005年—2014年期間,水泥出口貿(mào)易的隱含環(huán)境影響相比于“自2005年起無(wú)技術(shù)更新”的情景,累計(jì)減少了約15%CO2,18%的化石能源消耗,31%PM2.5,27%的水資源消耗,22%NOx,30%SO2,11%的人體毒性影響,和15%的陸地生態(tài)毒性影響。此外,至2014年,全國(guó)80%以上的省份都已達(dá)到較先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)水平(新型干法工藝),所以未來(lái)水泥工業(yè)發(fā)展要結(jié)合我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),進(jìn)一步探索從全生命周期的不同工藝環(huán)節(jié)上減少整體環(huán)境影響,例如開(kāi)發(fā)原料替代和燃料替代,生產(chǎn)既適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù),又符合低碳要求的水泥產(chǎn)品;因地制宜利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源,逐步提高綠色電力、清潔能源在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用;開(kāi)發(fā)和推進(jìn)綠色水泥產(chǎn)品認(rèn)證體系等。

3 總結(jié)與討論

研究結(jié)果顯示,2005年—2014年間,中國(guó)水泥出口主要省份包括山東、江蘇、安徽、內(nèi)蒙古、廣東、河北。其中,山東和江蘇兩省累計(jì)出口量之和超過(guò)8 000萬(wàn)噸,占全國(guó)水泥出口總量的67.76%。隨著水泥工業(yè)的不斷發(fā)展,水泥窯技術(shù)也在不斷更新:從立窯和其他回轉(zhuǎn)窯向新型干法水泥窯工藝轉(zhuǎn)變。東南沿海地區(qū)水泥生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)的速度要普遍高于北方內(nèi)陸地區(qū),特別是安徽省在2010年就完全達(dá)到了100%新型干法水泥工藝,因?yàn)槠鋼碛兄袊?guó)最大的水泥企業(yè)——海螺水泥。在不同的水泥生產(chǎn)工藝中,環(huán)境影響的大小也不盡相同,但是主要的環(huán)境影響為化石能源消耗、氣候變化、光化學(xué)臭氧形成、顆粒物形成、陸地酸化,這些占總環(huán)境影響的97%。2005年—2014年國(guó)家層面水泥出口隱含環(huán)境影響在2006年達(dá)到峰值,其與水泥出口貿(mào)易量、出口地產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)水平高度相關(guān),同時(shí)也受到國(guó)家貿(mào)易政策(貿(mào)易稅)、市場(chǎng)需求、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等因素的影響。

本文以水泥出口貿(mào)易為例,提出了一種基于工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的,從生產(chǎn)技術(shù)及其市場(chǎng)份額、環(huán)境污染發(fā)生地(生產(chǎn)出口產(chǎn)品的不同省份)的全生命周期來(lái)核算工業(yè)產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易隱含環(huán)境影響的研究思路,使得核算結(jié)果相比國(guó)家層面的宏觀方法學(xué)能夠更加貼近實(shí)際生產(chǎn),并強(qiáng)調(diào)了工業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)地的技術(shù)水平對(duì)產(chǎn)品出口貿(mào)易隱含環(huán)境影響的重要性。此外,本研究表明,除氣候變化(二氧化碳排放)外,化石能源消耗、光化學(xué)臭氧形成(氮氧化物)、顆粒物形成(PM)、陸地酸化(二氧化硫)、人體毒性(重金屬)、淡水消耗、陸地生態(tài)毒性(重金屬)也是水泥國(guó)際貿(mào)易中重要的隱含環(huán)境影響類別。因此,在工業(yè)產(chǎn)品的國(guó)際貿(mào)易中,也要重視非二氧化碳污染物給產(chǎn)品生產(chǎn)地帶來(lái)的環(huán)境負(fù)面影響。進(jìn)一步的研究可以探究通過(guò)何種政策或措施(如環(huán)境補(bǔ)償稅)來(lái)緩解和補(bǔ)償因生產(chǎn)地與消費(fèi)地分離所帶來(lái)的“污染責(zé)任轉(zhuǎn)移”和環(huán)境損失。