碳減排視角下的建筑垃圾資源化處理模式探析

來源丨《CE碳科技》微信公眾號

作者丨中城環(huán)境 郝粼波

整理丨中城環(huán)境 李欣

一、建筑垃圾處理與綠色建造推進(jìn)

01、國內(nèi)外建筑垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，我國建筑垃圾產(chǎn)量呈逐年增長的趨勢，其產(chǎn)生量約為城市垃圾總量的 30%~40%，與生活垃圾產(chǎn)量不在同一數(shù)量級，已成為我國城市單一品種排放數(shù)量最大、最集中的固體廢棄物。

作為我國城市單一品種排放數(shù)量最大的固體廢物，建筑垃圾資源化處理程度并不高，利用率有限。根據(jù)中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會建筑垃圾專委會數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及我國開展的建筑垃圾治理試點工作經(jīng)驗，我國建筑垃圾資源率僅在20%左右，遠(yuǎn)低于國外發(fā)達(dá)國家 70% 以上的利用率。大量未經(jīng)無害化和資源化處理而簡易堆放的建筑垃圾中，在降水作用影響下極易造成污染組分浸出、遷移，污染生態(tài)環(huán)境。

因此，提高建筑垃圾資源利用效率，提升再生資源對原生資源的替代比例是下一步重點工作方向。2021 年 7 月，國家發(fā)改委印發(fā)《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確指出，到 2025 年，建筑垃圾綜合利用率達(dá)到 60%。

圖1 國外發(fā)達(dá)國家建筑垃圾資源化利用率

02、綠色建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

建筑施工產(chǎn)生的建筑垃圾，作為環(huán)境污染及資源消耗的重要因素，在施工過程中實施綠色施工技術(shù)和節(jié)能減排施工技術(shù)，不僅是施工企業(yè)的義務(wù)，也是施工企業(yè)的社會責(zé)任。在大方向的指引下，無論是響應(yīng)國家政策還是企業(yè)追求利潤和發(fā)展，綠色建造都是解決建筑業(yè)高能耗、高污染和環(huán)境犧牲的有效手段，也必將成為未來建筑業(yè)的發(fā)展趨勢。

建筑全壽命周期按照施工的順序可分為五個部分立項、設(shè)計、施工、運營以及最后的拆除階段。綠色建造的全壽命周期如下圖所示

圖2 綠色建造的全壽命周期

在綠色建造施工標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)帶動下，雖然我國綠色建造技術(shù)起步比歐美發(fā)達(dá)國家晚，但是發(fā)展速度較快，這十年呈現(xiàn)出跨越式飛躍性發(fā)展，與此同時也暴露了許多問題。主要有人們對綠色建造存有的誤解難以消除；有關(guān)主管部門宣傳綠色建造作用方面不積極；綠色建造推廣實施的鼓勵制度尚還缺乏；目前粗放式的工程管理模式不適用于推廣綠色建造技術(shù)。

03、“雙碳”戰(zhàn)略下綠色建造發(fā)展路徑

綠色建造以“綠色化、工業(yè)化、信息化、集約化和產(chǎn)業(yè)化”為特征，通過建造全過程的一體化綠色統(tǒng)籌，切實把綠色發(fā)展理念融入生產(chǎn)方式的全要素、全過程和各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)良好的資源和環(huán)境效益，目前綠色建造技術(shù)廣泛應(yīng)用于信息化、裝配式、道路工程、地下綜合管廊、工業(yè)項目、高原地區(qū)、建筑材料和建筑施工等領(lǐng)域。具體技術(shù)路徑下圖所示

圖3 綠色建造“五化”技術(shù)路徑

綠色化

主要指建造流程綠色化，包括綠色策劃、綠色設(shè)計、綠色建材、綠色施工等。綠色策劃是實現(xiàn)綠色建造的首要環(huán)節(jié)；綠色設(shè)計是實現(xiàn)綠色建造的決定性環(huán)節(jié)；綠色建材是實現(xiàn)綠色建造的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料選用很大程度上決定了建筑的綠色化程度。

工業(yè)化

主要指建造方式工業(yè)化，它整合工程產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈和創(chuàng)新鏈，提升建筑工業(yè)化水平，實現(xiàn)工程建造的高質(zhì)量、低消耗、低排放。

信息化

主要指建造手段信息化，它集成 5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù),積極推動傳統(tǒng)工程建造向智能化發(fā)展,形成涵蓋科研、設(shè)計、生產(chǎn)加工、施工裝配、運營維護(hù)等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。

集約化

主要指建造組織集約化，通過集約化的組織，有利于克服當(dāng)前工程組織碎片化的弊端，統(tǒng)一配置人力、物力、財力，有效整合各方要素，對建設(shè)項目全過程進(jìn)行系統(tǒng)兼顧，整體優(yōu)化。

產(chǎn)業(yè)化

主要指建造布局產(chǎn)業(yè)化，在產(chǎn)業(yè)化的視角下重新審視工程建造活動，通過資源共享以及上下游的互利關(guān)系將相關(guān)產(chǎn)業(yè)資源進(jìn)行綠色化整合。

04、綠色建造能源減碳綜合管理調(diào)研分析

綠色建造比綠色施工的要求更高、內(nèi)涵更廣，由于考慮了工程產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程，因此綠色建造減碳管理的重點不僅涉及綠色施工，應(yīng)以更廣闊的視野綜合考慮立項策劃、設(shè)計和施工三個階段的減碳管理。

（1）政策引導(dǎo)

強化政府、行業(yè)和企業(yè)三個層面的政策引導(dǎo)。政府層面要強化政策引導(dǎo)，明確建筑業(yè)雙碳目標(biāo)主攻方向，在關(guān)鍵領(lǐng)域推進(jìn)突破。行業(yè)層面要配合政府在關(guān)鍵領(lǐng)域突破思路，在行業(yè)內(nèi)研究突破路徑。充分發(fā)揮骨干企業(yè)的創(chuàng)新主體作用，解決課題來源和產(chǎn)品試點投放問題。

（2）提高認(rèn)識

綠色建造是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多個環(huán)節(jié)、多個部門的綜合協(xié)調(diào)，對認(rèn)識高度提出更高要求。

（3）模式創(chuàng)新

模式創(chuàng)新，廣泛意義上，涵蓋了多個關(guān)鍵領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐。具體而言，主要包括投融資模式的創(chuàng)新、建設(shè)模式的創(chuàng)新、施工模式的創(chuàng)新以及運維模式的創(chuàng)新。

（4）集成技術(shù)

綠色建造涉及多個階段、多個環(huán)節(jié)，單項技術(shù)創(chuàng)新研究無法發(fā)揮整體提升效果，工程項目是多種復(fù)雜要素耦合作用，應(yīng)重視建筑全生命周期綜合技術(shù)集成創(chuàng)新，通過示范工程帶動綜合技術(shù)研究，強化跨學(xué)科成套技術(shù)研究和集成技術(shù)研究。

05、建筑垃圾處理的時代使命

在國家雙碳戰(zhàn)略引領(lǐng)下，建筑垃圾資源化利用的減碳效果最為直接，是串聯(lián)八大綠色建造實施重點措施（城市綠色更新、綠色策劃強化頂層設(shè)計、綠色設(shè)計推進(jìn)源頭減碳、建造方式轉(zhuǎn)型升級、組織方式變革、綠色拆除、建筑與建材有效銜接、建筑垃圾資源化利用）的關(guān)鍵技術(shù)路線。

建筑垃圾資源化利用對于實現(xiàn)綠色建造具有重要意義，通過科學(xué)處理和利用建筑垃圾，可以將其轉(zhuǎn)化為再生綠色建材，這不僅為綠色建造提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，還有助于減少對環(huán)境的影響，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。例如，北京市通過采取棄土利用或資源化處置方式，實現(xiàn)了建筑垃圾資源化處置率達(dá)到 85% 以上，有效地發(fā)揮了“城市礦產(chǎn)”的作用。

與此同時，綠色建造也對建筑垃圾資源化提出了內(nèi)在需求。這一點從多個方面得到了體現(xiàn)和支持。綠色建造的核心理念之一是減少資源消耗和環(huán)境影響，這自然包括了對建筑垃圾的管理和利用，建筑垃圾減量化及資源化利用技術(shù)也被列為我國綠色建造領(lǐng)域未來 10~20 年重點發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 建筑垃圾資源化利用的減碳作用示意圖

二、推進(jìn)建筑垃圾減碳作用的實施重點

推進(jìn)建筑垃圾減碳作用的實施重點有四個方面減量化實施分析、資源化實施分析、無害化實施分析、產(chǎn)業(yè)化實施分析。在實現(xiàn)前三化后，產(chǎn)業(yè)化自然會水到渠成、應(yīng)運而生。

減量化實施分析目前，施工現(xiàn)場產(chǎn)生的垃圾（包括建造作業(yè)、拆除作業(yè)等環(huán)節(jié)）占國內(nèi)建筑垃圾總產(chǎn)量比例約 70%，這是推行減量化工作的核心對象。盡可能源頭減量，對建筑垃圾分門別類后，采用就地利用方式，可以有效降低運輸過程產(chǎn)生的碳排放，同時也能最大程度降低進(jìn)入終端填埋的物質(zhì)總量，對減少碳排放的起到協(xié)同倍增作用。

資源化實施分析建筑垃圾一般分為工程渣土、工程泥漿、工程垃圾、拆除垃圾和裝修垃圾 5 類。具體的資源化利用實施路線如圖5。

圖5 建筑垃圾資源化利用實施路線圖

無害化實施分析“無害化”是建筑垃圾管理的根本目的，也是總體要求。“減量化”、“資源化”必須服從并服務(wù)于“無害化”這個根木目標(biāo)。實現(xiàn)建筑垃圾的無害化處理，首先應(yīng)對建造過程和拆除過程產(chǎn)生的建筑垃圾產(chǎn)生源、構(gòu)成及性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)合分類組分特點，采取不同處理工藝后，無法進(jìn)行資源化再生利用的組分可以考慮無害化填埋處理方式。

三、案例分析

01、建筑垃圾資源化處理項目的減碳效果分析

本研究的評價對象為湖北某年處理 50 萬t 的典型建筑垃圾資源化處理項目，總投資約 3.2 億元，年產(chǎn)再生壓制磚 100 萬m2，再生無機(jī)混合料 20 萬t，再生混凝土 50 萬m3，剩余再生骨料 2.24 萬t，回收金屬 0.57 萬t。

建筑垃圾廠內(nèi)資源化處理環(huán)節(jié)，年外購水泥及添加劑 14.51 萬t，外購天然砂石料 48.33 萬t，消耗電力 615.23 萬kWh、柴油 180 t、自來水 19.19 萬m3。

圖6 湖北某建筑垃圾處理項目效果圖

采用“有無對比”分析法，計算該建筑垃圾資源化處理項目的 CO2減排量。

在“無項目”情境下，采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)前節(jié)所述的壓制磚、無機(jī)混合料、商品混凝土、骨料、金屬等產(chǎn)品，需要年排放二氧化碳 46.19 萬t，詳細(xì)計算過程見下表

圖7 項目碳排放量計算表

根據(jù)上述計算分析，“有項目”情景下，年二氧化碳總排放量為 11.31 萬t，不考慮泄露排放等極端情況，該建筑垃圾資源化利用項目實施后，年二氧化碳減排量可達(dá)到 11.79 萬t。該項目年均處理建筑垃圾 50 萬t，則每綜合利用 1 t 建筑垃圾可減少二氧化碳排放量約 0.236 t。

02、建筑垃圾的CCUS技術(shù)研究

二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放的 CO2捕集并分離后，通過陸地管道、船舶、鐵路和公路車載運輸方式輸送至咸水層、枯竭油氣田等合適地點，進(jìn)行長期封存，以實現(xiàn) CO2減排的工業(yè)過程 。然而，CCS 整個過程是建立在高能耗和高成本的基礎(chǔ)上，而且存在潛在泄漏的風(fēng)險和諸多不確定性的因素，因此目前無法廣泛應(yīng)用。

為了使 CCS 技術(shù)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時更具有現(xiàn)實操作性，在原有基礎(chǔ)上增加了 CO2的利用即碳捕集、封存與利用（carbon capture, utilization and storage，CCUS）。CCUS 不再是單純地將 CO2簡單的封存而是將其進(jìn)行提純后，投入到新的生產(chǎn)過程中，實現(xiàn) CO2的資源化利用。

CO2強化再生骨料是基于 CO2礦化封存，通過 CO2與骨料表面附著水泥漿體中的氫氧化鈣和水化硅酸鈣（C-S-H）反應(yīng)，生成以碳酸鈣（CaCO3）和硅膠為主的反應(yīng)產(chǎn)物。碳酸鈣和硅膠填充在孔隙之中，可使再生骨料的結(jié)構(gòu)更加致密，降低孔隙率及吸水率，進(jìn)而提高附著水泥漿體的密實度和強度。

圖8 建筑垃圾的CCUS技術(shù)研究

03、建筑垃圾處理跨領(lǐng)域協(xié)同減碳技術(shù)研究

我們以水泥行業(yè)為例，研究建筑垃圾跨領(lǐng)域協(xié)同減碳技術(shù)。

水泥行業(yè)是 CO2排放的重點行業(yè)之一，其直接碳排放量占全球工業(yè)碳排放總量的1/4左右。研究表明，我國水泥行業(yè) CO2直接排放占全國 CO2排放總量的12%左右，其中工業(yè)過程排放占全國工業(yè)過程排放的 60% 以上。

2020 年我國水泥行業(yè) 17 項減排技術(shù)的平均減排成本為 124 元/tCO2，2020 年實現(xiàn)總減排量 3043 萬t，總減排成本為 10.3 億元；在保持技術(shù)水平和排放水平不變的情況下，2035 年 17 項減排技術(shù)可實現(xiàn)總減排量 21307 萬t，總減排成本為 103.4 億元。

圖9 水泥企業(yè)的二氧化碳排放來源分析圖

若水泥行業(yè)的燃料替代率達(dá)到 30%，可節(jié)約化石類燃料 30%，從而可減少因化石類燃料燃燒產(chǎn)生的CO2約 0.091 t/t水泥，約為水泥生產(chǎn)過程排放CO2量的 10%。替代燃料是更優(yōu)先、更具成本效益的手段。

04、裝修垃圾高熱值組分廠內(nèi)就地資源化研究

2022 年，中城環(huán)境自立課題“裝修垃圾高熱值組分廠內(nèi)就地資源化研究”，課題組針對城鎮(zhèn)裝修垃圾預(yù)處理分選過程產(chǎn)生的竹木、織物、塑料等高熱值輕質(zhì)物，開發(fā)出一套物料適應(yīng)性強、運營成本相對較低、工藝運行相對穩(wěn)定的資源化處理生產(chǎn)線。針對國內(nèi)城鎮(zhèn)裝修垃圾原料成分特點，生產(chǎn)線接收“硬質(zhì)”、“軟質(zhì)”兩類物料，于前端采用分類進(jìn)料方式，根據(jù)物料特性進(jìn)行預(yù)處理后，后端匯合進(jìn)行資源化處理。

中試實驗主場地位于貴州省。課題實驗場地利用垃圾分選車間，實驗接收的裝修垃圾高熱值組分來源于當(dāng)?shù)亟?jīng)前端人工分選回收可利用組分后剩余的高熱值部分，原料存放利用廠區(qū)室外及分選車間上料區(qū)。

課題項目設(shè)計處理裝修垃圾高熱值組分 10 t/h，采用“硬質(zhì)物料粗破/軟質(zhì)物料鏈板上料+磁選+篩分+篩下灰土外運+篩上物摩擦清洗細(xì)碎+混料+RDF 制備”的資源化處理工藝。

圖10 高熱值組分資源化處理中試實驗生產(chǎn)線實景圖

圖11 裝修垃圾高熱值組分預(yù)處理工藝流程圖

實驗結(jié)果

（1）本次裝修垃圾高熱值組分資源化處理線中試實驗，穩(wěn)定產(chǎn)能可維持在 10 t/h 以上。

（2）本次中試實驗總生產(chǎn)時間 105 h，其中連續(xù)運行 4 h 天數(shù)達(dá)到 8 d，裝修垃圾高熱值組分總處理量達(dá)到 1208.62 t，現(xiàn)場實驗環(huán)節(jié)各主要指標(biāo)均超過預(yù)定目標(biāo)。

（3）裝修垃圾高熱值組分資源化處理線主產(chǎn)品為 RDF 產(chǎn)品（分為 RDF-3 和 RDF-5 兩種規(guī)格）。檢測報告顯示 RDF 產(chǎn)品收到基低位發(fā)熱量達(dá)到 21199 J/g（約合 5064 kcal），較之課題考核指標(biāo) 3000 kcal 提高 68.8%。通過調(diào)研，滿足 2500 kcal 的 RDF 產(chǎn)品即已具備銷售價值，當(dāng)達(dá)到 4000 kcal 時，將成為水泥行業(yè)替代燃料需求的優(yōu)質(zhì)采購對象。

（4）本次中試實驗直接生產(chǎn)運營成本為 76.32 元/t。在生產(chǎn)線實現(xiàn)原料穩(wěn)定性供應(yīng)及規(guī)模化生產(chǎn)后，年生產(chǎn)經(jīng)營成本還會有適當(dāng)下浮。該生產(chǎn)經(jīng)營成本在國內(nèi)外同類生產(chǎn)行業(yè)內(nèi)處于低能耗水平。

四、結(jié)論與展望

結(jié)論如下

（1）基于綠色建造的碳減排總體路徑，建筑垃圾資源化利用的減碳效果最為直接，是串聯(lián)八大綠色建造實施重點措施的關(guān)鍵技術(shù)路線。

（2）為細(xì)致分析其對綠色建造以及減碳效應(yīng)的推進(jìn)作用，有必要從建筑垃圾的減量化、資源化、無害化、產(chǎn)業(yè)化等方面入手，深入分析各子目標(biāo)實施過程所面臨的具體問題，并針對性提出實施重點。

（3）建筑垃圾資源化處理技術(shù)具有顯著的碳減排效益，本文通過“有無對比”方法對具體項目進(jìn)行了碳減排定量測算，發(fā)現(xiàn)每綜合利用 1 t 建筑垃圾可減少二氧化碳排放量約 0.236 t。

展望未來，隨著“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國城鄉(xiāng)建設(shè)開啟了以綠色轉(zhuǎn)型為引領(lǐng)的新篇章，與新發(fā)展觀相適應(yīng)，綠色建造作為新型建造方式，貫穿了建筑生命周期各個階段。建筑垃圾變?yōu)樵偕G色建材，不僅成為了綠色建造的物質(zhì)基礎(chǔ)，還使得建筑全生命周期的綠色低碳循環(huán)變?yōu)榱爽F(xiàn)實。

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原文標(biāo)題:碳減排視角下的建筑垃圾資源化處理模式探析