0 引 言
进入21世纪，以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济作为一种可持续发展的全新经济模式，得到越来越多的认同和响应，随着“3060目标”的临近，各行各业又一次掀起了节能减排的热潮。商品混凝土是最主要的建筑材料，2020年我国商品总产量为28.43亿立方米，其主要原材料之一的水泥，在生产过程中消耗了大量能源，排放了大量的二氧化碳，同时混凝土在生产和运输过程中会消耗电能和柴油，间接或直接排放了相当可观的二氧化碳，混凝土的碳排放是建筑业碳排放主要来源之一，因此，发展低碳混凝土和低碳混凝土生产技术势在必行。
本文通过混凝土的碳足迹以及混凝土生产企业中碳排放特点，对低碳混凝土生产系统的建设进行思考。
1 混凝土的碳足迹
商品混凝土的碳排放的计算边界可以参照PAS 2050《商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》和ISO/CD 14067《温室气体产品的碳排放量量化和信息交流的要求与指南》，包涵了产品设计、生产、使用、运输等各个阶段，即包括商品混凝土的生产全过程，主要包括混凝土所需的原材料以及运输
过程中的碳排放、混凝土生产过程中的直接碳排放及消耗能导致的碳排放、混凝土运输及泵送过程中的碳排放，如图1所示。在混凝土全生命周期的碳排放过程中，混凝土所需的原材料以及运输过程中的碳排放占的比重最大，生产及成品运输过程中的碳排放占比较少，只占5%左右。混凝土所需的原材料由混凝土的配比决定，与混
混凝土生产系统碳排放分析及减排措施
Analysis and Countermeasures of Carbon Emission in Concrete Production Process
方毅1 许杰1 冯新红1，2算你狠 陈小春
（1. 杭州江河机电装备工程有限公司，浙江 杭州 310012；
2. 浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，浙江 杭州 310012）
摘要：本文分析了商品混凝土的碳足迹，重点分析混凝土生产企业碳排放特点，在此基础上提出了相应的低碳混凝土生产技术，以及对低碳型混凝土生产企业建设提出思考。关键词：商品混凝土；混凝土生产系统；节能；减排；低碳 中图分类号：TU642 文献标识码：A
凝土强度等特性有关，一旦确定后就相对固定，另外运输过程中的碳排放是根据客户的工地位置决定
的，因此原料引入和运输碳排放对于某一特定用户的混凝土都是固定的，混凝土生产企业可以通过优化混凝土生产系统和加强管理来减少混凝土生产过程中的碳排放。
2 混凝土生产系统的碳足迹分析
根据GB/T 32150《工业企业温室气体排放核算和报告通则》的规定，具有温室气体排放行为的法人企业作为排放核算的报告主体，核算边界是生产经营活动相关的所有的碳排放。因此混凝土生产企业的碳排放可定义为所有在混凝土生产企业中发生的直接或间接的碳排放和碳中和，主要包括混凝土生产过程中机械设备使用消耗的能源导致的直接或间接碳排放、生产辅助设施消耗的能源导致的直接或间接碳排放、员工生产生活等导致的直接或间接的碳排放和厂区绿化吸收的碳排放，如图2所示。
图1 混凝土碳排放核算边界
混凝土生产企业的碳排放主要是混凝土生产过程中机械设备使用消耗的能源导致的直接或间接碳排放，混凝土生产过程中碳排放的主要表现为能源的消耗，主要有电力消耗、燃油（气）消耗和水消耗。
消耗和碳排放之间具有一定的关系，电力根据其生产的方式不同，每生产一度电，排放的二氧化碳也不同，其中可再生能源（风电、水电、太阳能、地热能）最环保，生产1度电排放9～38g 二氧化碳，而火电（燃煤）生产1度电至少要排放0.96kg 二氧化碳，根据目前我国电力的主要来源形式，混凝土生产用电碳排放参考系数选取0.96kg-CO 2/kWh。
根据《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2020）的能耗折算系数和《省级温室气体清单编制指南（试行）》（发改办气候[2011]1041号）的单位热值含碳量及碳氧化率，混凝土生产企业常用燃油（气）能源碳排放参考系数见表1。
混凝土生产用水一般采用自来水，关于节水的碳排放系数，目前没有官方发布的权威数据，主要有两种算法，一种是生产1吨自来水要消耗电能0.67～1.15度，根据耗电的平均值，二氧化碳排放量为0.91kg；另一种被广泛接受并采用的数据是每消耗一吨水的二氧化碳排放是0.194kg。根据赛莱默公司与中国人民大学环境学院2016年联合发布的《中国污水处理行业碳减排路径及潜力研究》报告，2015年我国每吨污水处理的碳排放系数为0.78 kg-CO 2/m 3。
3 能耗分析及低碳混凝土生产技术
3.1 电力消耗耗分析及应对
电能是混凝土企业最大能源消耗，皮带机、螺旋机、水泵等原料运输设备，混凝土搅拌设备，空压机，污水和混
图
2 混凝土企业碳排放核算边界
表1 常用能源碳排放参考系数
凝土处理设备等机械设备都是电力驱动，混凝土生产设备装机容量大，但同时系数和负载系数低，会有较多的时间处于空载或低负荷运行的情况，同时存在设备经常启停，大功率设备频繁启动的现象。减少混凝土生产过程中的电能消耗就能减少混凝土企业的碳排放，具体可以从以下几个方面考虑。
柱间（1）优化设计和设备选型，减少装机容量。在设计执照阶段，应充分利用场地地形高差等有利条件，合理布局，较少物料的提升高度和转运次数，减少系统装机功率，并选用高效节能设备，例如使用高效节能电机，以混凝土搅拌站常用的22kW 三相4极异步电动机来计算，根据GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》的规定，能耗2级电机的效率为94.5%，能耗3级电机的效率为93%，按年运行时间3000h，平均负荷率80%考虑，每年可节约电量792kWh，可减少760.32kg 二氧化碳排放。
（2）在企业配电系统中设计无功补偿装置。混凝土生产系统中有大量的电感性设备，如异步电动机，据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%～70%，无功功率会造成线路电压损失增大和电能损耗的增加，因此在电网中要设置一些无功补偿装置，来提高功率因素。根据商品混凝土企业调研数据，一个年用电量80万元的企业(实际功率因数0.70～0.80)，通过无功补偿，可以把功率因数提高到0.95，每年节省的电量可达3万kWh，可减少二氧化碳排放29100kg。
（3）在搅拌主机和皮带机中使用变频技术。混凝土生
产系统在骨料运输过程中大多使用皮带机，在运行过程中，由于生产的不连续性，往往会照成空载运行的情况，造成电能的染费，采用主机和皮带机的变频技术，可在空载时减低转速，达到节能的目的，同时采用变频技术，可以减少设备
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启动过程中的启动店楼，减少无功功率损耗和对电网的冲击，根据测算利用变频技术可以实现该设备节能20%～30%。
（4）提高生产效率，减少设备空载时间。合理设计搅拌系统各种物料的配料能力，不应出现搅拌机等料的情况；同时合理匹配搅拌机和搅拌车的容量关系，搅拌车容量最好是搅拌机容量的整数倍，例如3方搅拌机最好配置9方或12方的搅拌车，如果配置了8方搅拌车，搅拌机每盘只能搅拌2.67方，在同等条件下生产效率将减少11%。
混凝土搅拌系统出现空转的一个主要问题是没有存料设备和混凝土车辆调度不合理，出现等车现象，车辆回厂到进入搅拌机下接料，倒车出车都需要一定的时间，如果调度不合理或缺少存料设备，就会出现换车的时候搅拌系统空运转。混凝土成品出料斗和混凝土企业ERP系统能较好的解决该问题，能做好“车到料好”，减少搅拌车等待时间，提交搅拌效率。
混凝土生产系统中，还有一个经常会存在空运转的设备是骨料输送皮带，皮带机的启停控制一般是由上料工人手动控制，随意性较大，同时为了物料不混仓，一般工人都会预留尽量长的空转时间，因此
送友人 李白能耗浪费比较大。全自动后台骨料上料系统，利用PLC控制器，准确计算各种物料在皮带的运行时间、换仓时间等，科学规划每种物料的下料间隔，即可以保障不混料，又可以减少皮带的空载距离，大大提高骨料输送效率。
（5）加强行为管理，做好行为节电。行为节电是指在工作环境中的人应具备节电的意识，并通过自身的行为达到节电的目的。例如：空转设备及时停机；夏季空调设置不低于26℃；人走灯灭，及时关闭电气设备电源；电瓶车充电完成及时拔掉电源等。据测算夏季空调温度没调高1℃，每台空调每年可节电22度，相应减排二氧化碳21.12kg，出门前3分钟关空调，按每台每年可节电约5度的保守估计，相应减排二氧化碳4.8kg。
3.2 燃油（气）消耗分析及应对
混凝土企业消耗燃油（气）的主要设备是混凝土运输车、骨料运输车、粉料运输车、场内骨料搬运用的铲车以及员工生活用燃油（气）设备。混凝土运输及原料运输的油耗主要和运输方式、运输距离相关。这里我们主要讨论混凝土企业内与生产相关的燃油设备如何节能或替代。
（1）优化粉料入库技术。粉料运输过程中的能耗，混凝土企业无法进行控制，但是粉料进入厂区之后，采用不同的入库技术，对能耗和碳排放将产生不同的影响。传统的散装水泥入库方式是利用运输车自带的低压空压机卸料，在卸料过程中发动机不能熄火，过程中噪音大，时间长，油料消耗大，大
量排放温室气体，50吨水泥卸料往往要超过一个小时，需要消耗柴油约10升，排放二氧化碳25.88kg。而采用智能低压集中输灰系统，能大大提高输送效率，以常规配置功率为37kW的低压大排量空压机为例，排气量为12m/min，输送能力大于1T/min，同样一车50吨水泥，输送时间仅需30分钟，消耗电能约为18.5kWh，折算排放二氧化碳为17.76kg。通过以上对比可以发现，采用智能低压集中输灰系统可以较少粉料入库过程中31.38%的碳排放。
（2）合理设计骨料存储输送系统，减少或避免铲车的使用。以3方搅拌站，实际每小时生产100方混凝土来举例说明，传统混凝土生产系统设置有骨料大堆场，通过铲车给搅拌站骨料调节料仓供料，一般配置一台50铲车，根据资料，铲车的综合油耗为13～15L/h，取平均值14L/h计算，每小时的二氧化碳排放约为36.23kg，如果不使用铲车上料，改用皮带上料系统，则需要增加800mm带宽的水平出料皮带（22kW）、斜皮带（33kW）和布料小车（11kW+行走3kW）等机械设备，800mm皮带的输送能力为400T/ h，大大高于实际需求的输送能力，因此在计算消耗时，选取0.5的工作系数和0.8的负荷系数，每小时的电能消耗约为29.2 kWh，折算二氧化碳排放约为28.03kg。通过以上对比可以发现，利用皮带机系统代替铲车进行骨料上料可以较少22.63%的碳排放。
3.3 水消耗分析及应对
混凝土生产企业中，除了混凝土拌和用水外，主要的用水还有设备冲洗、实验室试块养护和员工生活，
其中最主要的设备冲洗用水，包括搅拌机冲洗、皮带冲洗、搅拌车冲洗、场地冲洗和湿混凝土处理用水。在混凝土中冲洗用水是不可避免的，只能是通过减少自来水的使用和提高循环利用率来实现节能减排的目的。
（1）根据当地气候条件，建立储水池，加强雨水、骨料渗水和空调水的收集，经过处理后转化为生产用水，替代自来水，这部分水的碳排放基本上为零。
（2）通过技术升级改进，减少设备冲洗用水，如利用高效皮带清扫装置，减少或避免皮带机冲水；优化搅拌机投料位置和顺序，减缓搅拌机积料的时间，减少主机的清洗次数；优化出料斗弧门，减少下料过程中的漏料撒料，减少场地和车辆冲洗用水；开发湿混凝土处理新技术，推广干法混凝土回收利用技术，减少混凝土回收处理中的用水。
（3）加强废水循环利用，收集搅拌机冲洗、皮带冲洗、搅拌车冲洗、场地冲洗和湿混凝土处理中产生的污水，通过过滤、搅拌、补水溢流和压滤等工艺流程，实现污水回用，有条件的作为生产用水，实现污水“零”排放。污水处理过程中，应合理布置储水池、搅拌设备和泵送设备，减少污水处理过程中能耗。
3.4 其他减排技术或措施
混凝土生产企业加强设备维护保养，减少设备的故障
率，减少停机时间，减少配件的使用，也能减少浪费，减少碳排放。混凝土生产企业在积极减少碳排放的同时，也要积极探索碳中和技术和措施。
（1）增加厂区绿化率，增强固碳能力。根据统计树木每生长1立方米的蓄积，平均吸收1.83吨二氧化碳。在厂区绿地面积有限的情况下，优先考虑单位土地面积固碳量高的树种，如大乔木香樟、意杨、广玉兰，中乔木垂柳、大叶朴，小乔木紫叶李、碧桃、女贞、垂丝海棠；优先选择的灌木类树种有：石楠、大叶黄杨、日本珊瑚树、红花檵木、南天竹。为提高单位面积的固碳率，可以考虑组合绿化，根据研究植物落垂直结构固碳效益由高到低的顺序为乔灌草>乔草>灌草>乔/灌/草。
（2）利用堆场和主楼屋顶，安装屋顶光伏太阳能发电系统。混凝土生产系统主楼和堆场一般整体外包，采用平顶或单侧斜顶，其面积大而集中，另外混凝土生产企业一般建在郊区或工业区，周边无高楼遮挡阳光，适合建设屋顶光伏发电系统，以3方双联站分析，主楼屋顶面积20×40m，骨料堆场面积30×60m，根据光伏组件产品检测和实践，单位建筑面积的装机容量约为100～150W/m2，同时考虑0.5的利用系数，可装机功率约为162.5kW，年发电总量为光伏系统安装容量、所在地的年太阳能辐射量和太阳能综合效率（0.6～0.87）的乘积，根据中国气象局风能太阳能评估中心推荐的国内太阳能资
源地区分类办法，以华东沿海及长江三角洲地区和东南沿海地区所处的四类地区为例，全年日照时长达到1400～2200小时，全年的太阳能辐射量为1164～1395kWh/m2，所有数据都取平均数，计算年发电量约为152820kWh；可中和碳排放约146.7t二氧化碳排放。
4 结 论
通过分析我们了解到混凝土的碳排放主要来自原料，所以从低碳混凝土的角度，最主要是优化混凝土的配方，减少高耗能材料的使用。在混凝土生产过程中，通过使用低碳混凝土生产技术，节能减排还有一定的空间，通过电能替代燃油能取得较好的减排效果，同时有条件的混凝土生产企业可以利用固碳技术和使用清洁能源，来进行碳中和。随着“碳达峰，碳中和”目标的临近，商品混凝土产业走低碳经济发展之路是必然的选择。本文通过详细分析混凝土企业的能源消耗，并提出了节能减排措施，对混凝土的绿生产提供参考。
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作者简介：方毅，本科，高级工程师，主要从事混凝土系统及设备研究工作。
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