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徐晓臻,黄蓓佳,苑 静,陈妍希
(上海理工大学 环境与建筑学院,上海 200093)
在全球化时代,国际贸易已成为多边合作和国家发展的重要桥梁。然而,区域间贸易导致了产品消费端在地理上与生产端排放的污染分离,使得污染物从消费端转移到遥远的制造端[1]。
近年来许多研究人员采用投入产出法[2-6]、一般均衡模型[7-9]等方法对工业产品国际贸易的隐含二氧化碳排放进行了研究分析。“贸易隐含碳排放”是指产品进口地将产品和服务生产过程中的直接和间接碳排放转移到出口地,相当于“碳排放转移”[10-12]。例如,Li等[13]估算,英国通过与中国的贸易使得本土二氧化碳(CO2)排放量减少了约11%。此外,2007年中国58%的贸易隐含碳排放来自美国(24%)、欧盟(25%)和日本(9%)[14]。只有少数研究讨论了其他污染物和环境影响。例如,Liu等[15]应用生命周期评估方法分析了12个主要的铁矿和炼钢国家钢铁生产链的环境影响,结果表明在铁矿开采和钢铁生产最关键的环境影响是生态毒性,远高于气候变化值。臧梦璐[9]利用全生命周期评价与一般均衡模型研究指出我国水泥产品对外贸易的环境污染物除了CO2,还有粉尘、氮氧化物、二氧化硫等。此外,我们先前的研究也表明除了气候变化以外,光化学氧化物的形成、陆地酸化等也是工业建筑材料的主要环境影响[16]。
作为重要的工业产品,水泥是用途最广、用量最多的一种建筑工程材料,而中国是世界上最大的水泥生产国[17-18],也是水泥跨地区贸易大国:2014年中国水泥出口总量达到1 350万吨,相当于西班牙同年的水泥总产量[19]。因此,研究水泥出口贸易所带来的隐含环境影响至关重要。然而,迄今大多数学者都是从投入产出的宏观角度进行分析研究,并未考虑到实际省级层面的生产技术、市场份额和环境影响的差异,也很少从工业产品实际生产、环境污染发生地(源头)去讨论工业产品国际贸易所带来的综合环境影响。此外,中国水泥出口贸易的隐含环境影响也鲜有研究。因此,本文针对这一研究空白,通过对水泥出口地的技术与出口量分析,结合全生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)方法,对2005年—2014年中国水泥出口的隐含环境影响进行核算,为产品国际贸易隐含环境影响的研究,特别是重要的工业产品生产与消费的污染转移量的核算方法提供有价值的参考。
1.1 水泥出口地产量及技术分析
省级层面的水泥出口贸易量作为本文的关键核心数据,其来源为《中国水泥年鉴》中的官方统计数据。2001年—2004年的数据由于年代久远,其时间段的研究必要性不大。最新一期的《中国水泥年鉴》发布时间为2015年,仅记录到2014年的数据,之后再未有新版本发布。因此,根据《中国水泥年鉴(2006年—2015年)》对水泥出口省份的详细统计[20],2005年到2014年间,中国的水泥出口主要省份包括山东、江苏、安徽、内蒙古、广东、河北等25个省份(图1)。山东和江苏为水泥出口量最大的两个省份:累计出口量之和超过8 000万t,占全国水泥出口总量的67.76%。在此期间,水泥生产技术也经历了快速的发展,包括立窑、其他回转窑(如湿法回转窑)、新型干法回转窑[21]。截至到2014年,水泥出口大省(如山东和江苏)新型干法水泥工艺的市场份额已达到100%,且全国80%以上省份新型干法水泥技术的市场份额超过90%。因此,据初步估算,2014年至今技术更新的变化幅度不大,对研究结果没有本质上的改变或较大的出入。综上所述,本文的研究时间设定为2005年—2014年。
图1 2005年—2014年中国水泥出口省份及累计出口量Fig.1 China"s cement export provinces and cumulative export from 2005 to 2014
根据《中国水泥年鉴》,可获知2005年—2009年出口省份的新型干法水泥窑的市场份额(表1),其中由于缺乏天津市的数据,本研究采用京津冀地区的平均值代替。
表1 2005年—2009年水泥出口省份的新型干法水泥窑市场份额Tab.1 The market share of new dry process cement kilns in cement exporting provinces from 2005 to 2009
(续表)
由于在同一统计口径数据的时间序列较短时,研究趋势变化时可以使用线性回归法进行分析。为了验证线性回归模型的合理性,本研究从华北、东北、西北、华中、西南、华南、华东地区中各选择一个省进行检验。此外,由于安徽拥有中国最大的水泥生产商——海螺水泥股份有限公司,因此安徽省也被列入回归分析中,其拟合情况见表2。结果显示:各省模型R2＞0.7,说明线性模型拟合性较好,构建合理。所以,本研究依据2005年—2009年各省新型干法水泥窑生产比例数据,通过线性回归方法来估算2010年—2014年新型干法水泥窑的市场份额。
表2 线性回归模型合理性分析Tab.2 Rational analysis of linear regression model
以新型干法水泥工艺的市场份额数据为基础,结合2006年和2012年的水泥企业设计产能的平均增长率来估算立窑和其他回转窑的市场份额数据[22],以立窑为例,详见公式(1):
1.2 水泥生产全生命周期环境影响
图2 水泥生产过程全生命周期模型[25]Fig.2 The life-cycle model of cement manufacturing
由于普通硅酸盐水泥产量占中国水泥总产量的98%[26],因此本研究的功能单元为1吨普通硅酸盐水泥。主要水泥生产技术(立窑、其他回转窑、新型干法水泥窑)的生命周期清单(Life Cycle Inventory,LCI)如表3所示,水泥生产涉及的其他材料生命周期相关数据均来自Gabi Databases[31]。
表3 主要水泥窑技术生产水泥的清单Tab.3 The life cycle inventory of major cement manufacturing technologies
然后采用Gabi软件(以LCA方法论为基础的环境影响分析软件)对水泥生产过程进行建模计算。由于ReCiPe2016有助于更好地理解产品、服务、过程对环境的影响,利用ReCiPe2016 v1.1中点(H)方法量化生命周期对人类健康、生态系统服务和自然资源的影响[32-33],涉及的主要环境影响类别包括:气候变化(等量CO2)、化石能源消耗(等量石油)、光化学臭氧形成(等量NOx)、陆地酸化(SO2)、颗粒物形成(等量PM2.5)、人体毒性(等量1,4-DB)、陆地生态毒性(等量1,4-DB)和淡水消耗(m3),因为这些被认为是水泥生产的关键环境影响[34-37]。一般环境影响特征化值的计算方法见公式(2):
1.3 中国水泥出口贸易隐含环境影响
基于以上对不同水泥窑的全生命周期评价分析,本研究以水泥出口省份水泥生产技术和出口量为基础,对中国水泥出口贸易中的隐含环境影响进行核算,见公式(4):
2.1 水泥出口省份生产技术演变
2005年—2014年中国累计水泥出口量前6个省份的水泥窑技术发展如图3所示。总体来看,各省的水泥窑技术都经历了不断升级的过程,向着更加先进、清洁、高效的水泥生产技术迈进。东部省份(江苏省、安徽省)的水泥窑技术水平明显高于其他地区:新型干法水泥窑的市场份额自2005年起均超过60%。大部分省份在2012年—2013年完成水泥生产技术更新,而安徽省在2010年就达到了100%新型干法水泥工艺,因为其拥有目前全球营收规模最大的水泥企业——海螺水泥股份有限公司,2020年其水泥产量约占全球水泥产量的9%。此外,沿海城市的水泥生产技术更新速度高于内陆地区:广东省和山东省的新型干法水泥窑市场份额的平均年增长率分别为23%和15%,而河北省和内蒙古自治区的新型干法水泥窑市场份额的平均年增长率约为10%,这可能归因于东南部沿海城市发达的经济和便利的交通网络。
图3 2005年—2014年水泥主要出口省份的水泥生产技术演变Fig .3 The cement manufacturing technology evolution of major cement-export provinces
2.2 水泥生产技术的环境影响分析
通过对主要水泥生产技术的LCA分析,不同水泥生产工艺的环境影响存在显著差异(见第 490页图4)。结果表明,化石能源消耗、气候变化、光化学臭氧形成、颗粒物形成、陆地酸化是普通硅酸盐水泥生产的最显著的环境影响,它们约占总环境影响的97%。其中,化石能源的消耗是由于煤炭、石油等化石燃料的燃烧来为水泥窑(特别是熟料煅烧阶段)和生产辅助设备提供热能和电力;气候变化主要归因于二氧化碳的直接排放,其由3种主要来源组成:碳酸盐分解(55%)、燃料燃烧(31%)、电力使用(14%)[39];光化学臭氧形成是由在煅烧窑炉的燃烧过程中形成的氮氧化物排放引起的;水泥生产过程中排放的颗粒物也很高,主要来自于水泥生产的不同阶段,如原材料和燃料破碎、水泥研磨等;陆地酸化是由煤炭燃烧过程中产生的含硫化合物直接引起的。另一个重要发现是,由于采用了先进的技术和设备[40],新型干法水泥生产技术相比于立窑和其他回转窑对环境的影响显著降低:新型干法水泥窑在生产一吨普通硅酸盐水泥时,根据不同的环境影响类别,可减少约0.3～1.5倍的环境负荷。在新型干法水泥生产系统中,水泥熟料煅烧所需燃料的60%～65%从燃烧区转移到煅烧炉,其燃烧热量迅速用于分解水泥原料中的碳酸盐(分解率达80%～85%),而水泥熟料在回转窑中只发生放热反应、矿物形成和冷却,从而提高了回转窑的生产效率和热利用率,减少了化石燃料的消耗。此外,由于在新型干法水泥生产系统中回转窑的长度较短,减少了热量损耗,而且其多风道煤粉燃烧器在节能(降低一次风比)、环保(低氮氧化物排放、替代燃料)等方面也发挥着至关重要的作用[41]。
图4 水泥生产过程的主要环境影响标准化值Fig.4 The LCA normalization results of cement manufacturing by cement kiln
2.3 2005年—2014年中国水泥出口隐含环境影响演变
中国水泥出口隐含环境影响从2005年到2014年的变化趋势如图5所示。总体而言,水泥出口贸易的隐含环境影响与水泥出口总量高度相关。2006年水泥出口总量达到峰值,为3 612万t,且同年水泥出口贸易的隐含环境影响也达到峰值:化石能源消耗量达到2 370 kt等量石油,气候变化约为18×106t等量CO2,光化学臭氧污染达到27 kt等量NOx,陆地酸化约为18 kt等量SO2,颗粒物排放约13 kt等量PM2.5,人体毒性约为125 kt等量1,4-DB,陆地生态毒性达740 kt等量1,4-DB,且消耗淡水约为2×107m3。这是由于随着国家的宏观政策调控,2006年新型干法水泥生产线在全国的市场份额已经达到50%,使得水泥产量快速增加。同时,随着中国水泥出口贸易业务量的大幅提升,出口业务覆盖的地区范围的增加以及国家对水泥产品出口的一系列政策导向(如:出口退税政策),使得水泥出口贸易量显著增大[42]。
图5 2005年—2014年中国水泥出口主要隐含环境影响Fig.5 Major embodied environmental burden of cement export in China from 2005 to 2014
2006年以后,我国水泥出口量呈逐年下降趋势,主要原因包括:一方面,因为水泥是高能耗,高污染的产品,所以自2007年起我国取消了出口退税11%的优惠政策,从经济层面削弱了商品出口贸易的动力[43-44];另一方面,国际市场需求疲软,加之全球金融危机,导致水泥市场低迷、水泥进口国的需求缺口缩小,尤其是原来我国水泥出口主要国家——美国房地产业投资大幅下滑,进而使得我国水泥出口量大幅度缩减[45]。此外,先进的水泥生产技术可以在一定程度上缓解由于高水泥出口产量带来的环境负面影响。2011年后水泥出口量快速增长,到2014年增加了约60%,然而先进水泥生产工艺的使用与普及使得八种主要环境影响按类别减少了2%～24%,其中颗粒物形成降低了约24%,淡水消耗和陆地酸化减少了约20%,因为新型干法水泥窑在这3个环境影响类别相比于立窑和其他回转窑具有最显著的环境效益。相反,由于新型干法水泥工艺在降低氮氧化物污染排放方面仍有提升空间,使得光化学臭氧形成的环境影响只降低了不到2%。
水泥生产技术的升级也显著地降低了水泥出口贸易的隐含环境影响:据估算,在2005年—2014年期间,水泥出口贸易的隐含环境影响相比于“自2005年起无技术更新”的情景,累计减少了约15%CO2,18%的化石能源消耗,31%PM2.5,27%的水资源消耗,22%NOx,30%SO2,11%的人体毒性影响,和15%的陆地生态毒性影响。此外,至2014年,全国80%以上的省份都已达到较先进的生产技术水平(新型干法工艺),所以未来水泥工业发展要结合我国“碳达峰、碳中和”目标,进一步探索从全生命周期的不同工艺环节上减少整体环境影响,例如开发原料替代和燃料替代,生产既适应现代混凝土技术,又符合低碳要求的水泥产品;因地制宜利用太阳能、风能等可再生能源,逐步提高绿色电力、清洁能源在水泥生产中的应用;开发和推进绿色水泥产品认证体系等。
研究结果显示,2005年—2014年间,中国水泥出口主要省份包括山东、江苏、安徽、内蒙古、广东、河北。其中,山东和江苏两省累计出口量之和超过8 000万吨,占全国水泥出口总量的67.76%。随着水泥工业的不断发展,水泥窑技术也在不断更新:从立窑和其他回转窑向新型干法水泥窑工艺转变。东南沿海地区水泥生产技术升级的速度要普遍高于北方内陆地区,特别是安徽省在2010年就完全达到了100%新型干法水泥工艺,因为其拥有中国最大的水泥企业——海螺水泥。在不同的水泥生产工艺中,环境影响的大小也不尽相同,但是主要的环境影响为化石能源消耗、气候变化、光化学臭氧形成、颗粒物形成、陆地酸化,这些占总环境影响的97%。2005年—2014年国家层面水泥出口隐含环境影响在2006年达到峰值,其与水泥出口贸易量、出口地产品生产技术水平高度相关,同时也受到国家贸易政策(贸易税)、市场需求、经济环境等因素的影响。
本文以水泥出口贸易为例,提出了一种基于工业产品生产的,从生产技术及其市场份额、环境污染发生地(生产出口产品的不同省份)的全生命周期来核算工业产品国际贸易隐含环境影响的研究思路,使得核算结果相比国家层面的宏观方法学能够更加贴近实际生产,并强调了工业产品在生产地的技术水平对产品出口贸易隐含环境影响的重要性。此外,本研究表明,除气候变化(二氧化碳排放)外,化石能源消耗、光化学臭氧形成(氮氧化物)、颗粒物形成(PM)、陆地酸化(二氧化硫)、人体毒性(重金属)、淡水消耗、陆地生态毒性(重金属)也是水泥国际贸易中重要的隐含环境影响类别。因此,在工业产品的国际贸易中,也要重视非二氧化碳污染物给产品生产地带来的环境负面影响。进一步的研究可以探究通过何种政策或措施(如环境补偿税)来缓解和补偿因生产地与消费地分离所带来的“污染责任转移”和环境损失。
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