Evaluating Potentials of Coal-gangue-derived Building Materials Utilization in China: based on GCAM with Multi-dimensional Corrections
本研究利用多维 GCAM 框架揭示，中国煤矸石用于建筑材料的利用量在结构上被限制在每年 1 亿吨，这表明有必要采取一种向发电和矿井充填转移的、因省而异的多元化策略，以克服容量限制并比目前的“建筑材料优先”模式获得更大的环境效益。
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每年，中国的煤矿都会产生大量的岩石废弃物，即煤矸石。这种材料在数十年的开采过程中积累了高达数十亿吨，是获取能源过程中的副产品。长期以来，标准的解决方案是将这些岩石破碎并转化为砖块、水泥和其他建筑材料。其逻辑似乎很合理：建筑项目消耗大量的材料，而利用废弃物代替开采新资源既有助于环境保护，也有利于经济发展。然而，这种方法假设这些废弃物可以轻松到达所需的建筑工地，并且这种岩石本身足以胜任各种工作。随着国家向更绿色的未来迈进且煤炭产量减少，如何处理现有的堆积如山的废弃物成为了一个紧迫的问题。挑战不仅在于寻找岩石的用途，还在于弄清楚在何处使用哪种用途才是合理的，以及将所有东西都变成砖块的旧策略是否真的能在全国范围内奏效。
来自北京工业大学的一个研究小组致力于使用一种先进的计算机模型来测试这一长期存在的假设，该模型旨在模拟能量和材料如何在整个经济体系中流动。他们建立了一个详细的框架，同时从四个不同的角度观察问题：岩石的质量、运输距离、移动和加工过程中的全环境成本，以及技术随时间的进步。研究人员并没有将所有的煤矸石视为同类，而是根据其真实的成分将其分为不同的等级。其中一些富含碳，更适合通过燃烧发电；一些含铝量高，可以通过加工提取有价值的金属；其余则是适合建筑业的普通岩石。他们还精确绘制了废弃物产生地与建筑市场所在地之间的分布图，并计算了将沉重的岩石在数百英里外进行运输的成本。
模拟结果揭示了一个被忽视的硬性限制。研究人员发现，将煤矸石主要用于建筑材料的策略在结构上被限制在每年约1亿吨左右。这个限制并非由技术匮乏或建筑项目短缺引起的，而是由地理和物理规律决定的。大部分废弃物来自西北内陆省份，而最大的建筑市场则位于遥远的东部和南部沿海地区。将这种沉重且低价值的建筑材料进行长距离运输的成本，很快就会超过材料本身的价值。在许多情况下，运输成本会达到产品价格的三到五倍，使得该项目在经济上变得无法实现。此外，研究表明，建筑行业正趋于饱和，这意味着它无法吸收如此巨大的废弃物量，尤其是当这些废弃物必须与其他工业副产品（如粉煤灰和钢渣）竞争时。
当研究人员调整模型以考虑这些空间现实时，他们发现很大一部分废弃物根本无法用于制造砖块或水泥。在一种情景下，这种空间错位导致建筑材料的使用潜力减少了三分之一以上。然而，这项研究并未止步于死胡同。通过根据质量将无法用于建筑的废弃物重新定向到其他路径，团队找到了回收大量损失潜力的途径。高碳岩石被送往发电厂发电，而高铝岩石则被用于提取金属。这种转变使得系统能够利用约6000万吨原本无法使用的废弃物。当他们再次运行数据以查看这种新的分配是否会产生进一步的运输问题时，他们发现系统甚至可以回收更多，最终实现的累计重新定向超过了最初的损失。这一过程表明，采用针对不同类型岩石在不同地点使用不同方法的多元化方案，比试图将所有废弃物强行挤入单一的建筑材料路径要有效得多。
研究人员还观察了这些不同选择对环境的影响。他们发现，仅仅计算废弃物替代了多少新材料是不够的。当他们把长距离运输沉重岩石产生的排放量，以及加工含铝岩石所需的化学品纳入考量时，总体的气候效益明显低于之前的估计。事实上，如果仅看替代原生资源的减排量，净二氧化碳减排量会减少近20%。这凸显出，将废弃物运送得太远或使用高能耗的化学工艺，会抵消掉大部分的环境收益。研究测试了政府政策（如碳税或补贴）是否能迫使系统使用更多废弃物。结果显示，虽然这些财务工具可以略微推动数据变化，但它们无法打破物理和地理的限制。研究发现，对于所提供的气候效益而言，补贴的成本非常高昂，而碳定价带来的使用量增加也相对有限。
最终，研究得出结论，优先考虑将所有煤矸石作为建筑材料的旧策略在国家层面已不再可行。解决方案在于采取一种定制化的方法，即每个省份根据其当地条件使用最合适的废弃物。在靠近建筑市场的地区，制造砖块仍然是一个不错的选择。在高碳地区，通过燃烧岩石发电是逻辑上的必然选择。在含铝丰富的地区，提取金属是前进的方向，前提是需要开发出更清洁的化学方法以减少排放。此外，利用废弃物填充采空区并修复景观也是一种方法，这完全避免了长距离运输。研究表明，仅靠政策手段将更多废弃物推向建筑材料领域是适得其反的。相反，一个尊重地理限制和岩石特定品质的、灵活的多路径系统，才是管理中国庞大煤矸石堆积量的最现实且最具环境可持续性的方式。
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