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管道施工中的碳足迹Carbon Footprint of Pipeline Projects: A cradle-to-gate research荷兰NACPA公司Syamak Nazary, Alfred Griffioen摘要：本项研究报告的目的是研究和了解管道施工对环境的影响，增强人们对碳排放的认识和透明度。这是一项系统评价。这种方法容易掌握，与使用周期评价方法相比较，可以在更短的时间内得出比较可靠的结论。本项研究中涉及的管径包括16英寸、20英寸、24英寸、36英寸、48英寸，因为这些是管道工程中常用的管径。碳排放量是按每公里施工管段为单位计算的。结果包括管道生产中的碳排放，管道和设备运输过程中的碳排放，设备燃料的碳排放，焊接和防腐层施工等其他活动的碳排放，使用能源的管理经营以及荷兰Nacap公司人员出差航空和陆上交通的碳排放。本项研究结果表明，在48英寸管道每公里施工过程中，从管子生产到现场完成安装大约要排放出1260吨二氧化碳。尽管钢管生产过程构成了碳排放的主要部分，但是，本报告对施工单位确实很有启发，使他们认识到应当从何处着手减少碳排放。引言作为管道施工承包商，应当了解管道工程的实施过程会对环境产生怎样的影响。只有保证提供给Nacap公司和用户的信息是有用的，Nacap公司才能够采取措施减少碳排放，通过节能降耗，降低施工成本；用户才能在选择生产工艺时充分考虑本项研究的结果。尽管有人对管道工业中使用的某些钢材和塑料的碳排放问题做过些研究，但尚未有人对管道施工过程中的二氧化碳排放问题做过深入研究。本项研究所采用的数据是Nacap公司、Europipe公司和Corus公司提供的。英国环境、食品和乡村事务部提供了计算碳排放所用的换算系数。过去进行的研究与英国环境、食品和乡村事务部的换算系数研究报告结合在一起有力地支持本项研究的实施。1. 研究背景和方法在此解释了研究背景和方法,从而澄清本项研究的范围和所用的数据。1.1 碳足迹的定义在叙述研究结果之前，有必要澄清碳足迹（carbon footprint）的定义。这很重要，因为发现有关碳足迹的定义太多了。在所有定义中选择一个适用本项研究的定义，其集中了有关碳足迹的不同观点和看法。以下是CenSa（可持续性会计中心）引用的定义：“碳足迹是表达人类活动直接或者间接造成的二氧化碳排放量的专一量值”（The Carbon Footprint is a measure of exclusive amount of carbon dioxide emissions that is directly and indirectly caused by an activity.）在本项研究中，人类活动就是直接或者间接排放二氧化碳的管道工程。但是，所谓的直接或者间接排放二氧化碳的内容缩小到下文解释的范围。1.2 研究的范围管道工程的范围包括五大主要活动。管道工程中发生的所有碳足迹均按收集数据的分类纳入各项活动之中。这些活动包括：1） 管子生产（生产钢管过程的碳排放）2） 运输（设备和管子运输过程中的碳排放）3） 设备（施工中用的所有设备，如吊管机、吊车等）4） 管理经营（办公室、出差航行、员工陆上交通）5） 易耗品（构成管道一部分的小材料）将本项研究与ISO 14040-44标准的生命周期评价区分开来是非常重要的，因为生命周期评价是调查和评定指定产品或服务的存在对环境所造成的必然冲击的程度，并且，这是一项“从生至死”的评价，与本项研究的目的是全然不同的，这需要更长的时间和更多的投入才能进行。本项研究仅仅是从生产到安装完成的施工过程的系统评价。1.3 管径本项研究涉及五种管径：16英寸、20英寸、24英寸、36英寸、48英寸。这样选择的目的是要说明每种管径施工中碳排放量的不同，从而建立起不同管径施工过程中碳排放的变化趋势。选择这些管径是因为这些是管道工程中常用的管径。2 管子生产过程的碳排放本章叙述钢管的生产和生产过程的碳排放。正如上文提到的，钢管的生产过程是管道工程的碳足迹中，排放二氧化碳最多的部分。因为需要消耗大量能量把铁矿石炼成钢并最终制造成管线钢管。表1所示是从高炉炼铁开始的生产过程，最终炼成锰碳钢（钢里含有1%至1.8%的锰以增加深度和改善强度和硬度）。下文主要分三步计算钢管生产的碳排放量。表1钢管生产的二氧化碳排放量管径（英寸）壁厚（mm）重量(吨/km管)二氧化碳排放量（吨/km管）高炉连续浇铸轧钢制管合计167.9577.9120.71.111.9133.7209.82120.3186.41.718.4206.42410.25150.6233.52.123.0258.63614.35316.3490.34.448.3543.04819.30567.2879.27.986.7973.7高炉高炉炼成的铁里含有4%至4.5%的碳，因此，虽然可以用来生产铸件，但生铁很脆，不能锻制或者轧制成其他产品，因为这些产品的刚性和可机加工性能是非常重要的。所以，大多数生铁进一步炼成了钢。铁矿石在高炉里化成铁水以及其他还原过程几乎完全靠焦炭燃烧产生的高温，因此，钢铁工业排放出大量二氧化碳。从全球的二氧化碳排放状况来看，每生产一吨钢，平均要排放1.6吨的二氧化碳。在欧洲，每生产一吨钢要排放1.5吨的二氧化碳，而在中国，每生产一吨钢要排放1.8吨的二氧化碳。在本项研究中取1.55吨作为平均值。由于没有其他办法可以生产出钢管，所以，这个生产过程的碳排放是无法避免的。尽管还有其他工艺，如电弧炉也可以把铁炼成钢，但是，同样会排放出大量二氧化碳和其他温室气体，而且，其他工艺未必能够生产出满足钢管质量要求的钢材。现在不知道钢铁工业是否有其他能够减少碳排放的生产流程。连续浇铸与轧钢在连续浇铸过程中，钢水被直接注入浇铸机，生产出一定形状的钢坯（见图1）图1钢管生产流程在三辊机中，钢管开始形成理想的形状。图表1所示是各加工过程不同的碳排放量。连续浇铸的碳排放量仅占总量的1%，而在高炉里从铁矿石炼成生铁的过程占了总的碳排放量的90%。图表1钢管生产过程的二氧化碳排放量3.运输过程的碳排放表2形象地说明了一定管径的钢管运输1000 km的过程中排放的二氧化碳量（kg）。在此取1000 kM为平均运输距离。并且仅指管道工程中钢管本身的运输。有关人员的出差航行和使用交通工具造成的碳排放已经纳入“管理经营”部分。在此运输活动包括管子和设备两部分。用一定管径的管道工程所用设备的的平均吨数除以类似项目平均长度的管道工程所用设备的平均吨数，就得出每公里管子相应的设备重量。表2管子和设备运输过程的二氧化碳排放量管径（英寸）重量（吨/km管子）二氧化碳排放量（吨/km管子）管子设备管子运输设备运输合计1677.916.87.792.079.8520120.332.012.033.9415.9624150.658.715.067.2222.2836316.3139.231.6317.1248.7548567.2234.756.7228.8685.59由表可见，管子和设备运输过程的碳排放量是不同的，因为通常设备重量比满载管子的车辆要重得多，而且需要在更长距离上使用。提高海运、铁路和公路运输的每吨公里的平均二氧化碳排放量为0.1 kg，因为管道工程所在地点的不同，施工承包商可能选择全部三种运输路径。表2显示运输活动中的碳排放量几乎成直线增长。管径越大，管道施工所需要的设备越多。类似壁厚的管子重量与它们的碳排放量或多或少也成正比。4. 设备燃料的碳排放所用施工机具设备是管道施工中二氧化碳排放的重要来源。这些设备可以分为五大类：挖土机和推土机、重型吊运设备、管道专用施工机具、运输设备和其他（压缩机、泵等）。表3所示是各类设备的碳排放量。这是按照每公里管道的碳排放量来计算的，即将施工机具设备的燃料用量乘以柴油的二氧化碳换算系数，就计算出设备燃料的碳排放量。表3不同类型设备的二氧化碳排放量管径（英寸）二氧化碳排放量（吨/km管子）挖土机具吊装设备专用机具运输设备其他设备合计1627.91.33.415.93.349.22024.210.511.23.44.353.42437.35.57.46.527.384.03654.125.514.618.07.6119.74868.625.810.824.98.5138.6尽管24英寸和36英寸管道的管径相差12英寸，36英寸和48英寸管道的管径相差也是12英寸，但是图表3形象地说明了24英寸和36英寸管道施工过程中施工机具设备的碳排放量的差距比36英寸和48英寸管道施工过程中施工机具设备的碳排放量的差距大。这是因为在大型管道施工过程中需要更多使用重型机具设备。例如，在管径30英寸以下管道施工中，很少使用吊管机作业，所以吊装设备的燃料使用量和使用时间都很少。而在这些管道施工中，挖土机和推土机的工作量相当大，所以挖土机具的燃料使用量和使用时间都很高。1500L履带式液压挖土机和2000L履带式液压挖土机是挖土机具中碳排放量最大的设备。1500L履带式液压挖土机每小时作业消耗柴油9升，而2000L履带式液压挖土机每小时作业消耗柴油13升，由于强大的挖土功能，所以在施工过程中使用频率非常高。在吊装设备中，吊装管子和重型设备的吊管机和履带起重机的碳排放量最多。图表3设备的二氧化碳排放量管径20英寸以下的管子施工时，由于管径较小，管子重量相对也较轻，所以吊装采用其他设备。例如可以用车载起重机，它们的燃料消耗低，所以二氧化碳排放量比较少。离心泵、焊接设备和弯管机是管道专用施工机具中碳排放量最大的设备，它们是管道施工中不可或缺的。管道施工现场需要用到水泵、全套焊接设备和弯管设备，不管什么管径，每条管道施工都离不开这些基本施工设备。5. 其他事项其他事项包括在管道工程生产和施工过程中需要消耗的、破坏的、废弃的、用尽的材料和设备。在本项研究中，主要关注的是管道焊接后的补口防腐材料以及焊接过程用的焊条。表4是它们的碳排放量。表4其他事项的二氧化碳排放量管径（英寸）重量（吨/km）二氧化碳排放量（吨/km管子）补口涂料焊条补口涂料焊条合计164.00.046.80.066.9205.00.078.50.128.6246.00.0910.20.1610.4369.00.2715.30.4715.84812.00.6620.41.1321.5防腐层是管道的一个重要材料，管道防腐层主要采用聚乙烯或者聚丙烯塑料。目前正在开发一种叫做STOPAQ的粘弹性防腐材料，对其特性不甚了解。所以，本项研究只涉及常用防腐层。每生产一吨聚丙烯或者聚乙烯要排放1.7吨的二氧化碳。焊条的生产过程也要用到钢材，主要是铸钢。管道的焊接通常采用自动保护金属极电弧焊。也有用金属极惰性气体保护焊来增强精度的。焊接用电是由发电机产生的，涉及的燃料消耗已经纳入设备燃料消耗数据之中。我们已经选择计算焊条产生的二氧化碳影响来说明管道施工过程只有某些阶段才有这样的影响。焊条代表了许多钢材和重量，它们是非常消耗能量的。其他消耗品有纸质咖啡杯、打印纸、笔和在管道工程实施过程中用的其他办公用品，但是，本项研究没有考虑在内，因为与管道和设备比，它们的碳排放量实在太少了。6. 管理经营的碳排放计算管理经营的碳排放量时，考虑到出差乘飞机航行，八个地区办公室人员上下班的交通，以及所用设施的碳排放。二氧化碳排放量是以Nacap公司2008年的业务活动为基础计算出来的。这部分数据没有按管径来区分，因为这些活动与管径大小没有直接关系。表5Nacap公司管理经营的二氧化碳排放量二氧化碳排放量（吨/km管子）办公设施出差飞机上下班汽车合计二氧化碳总量（吨）96713681440017701每公里管道数2.43.335.040.7表5说明员工上下班交通的碳排放量是公司管理经营中碳排放量的最大一部分。Nacap公司约有三千员工，每个人每天上下班行程距离平均为120 km。这个平均值比较高，因为有的员工住得比较远。大约55%的员工开柴油发动机的小汽车。2008年，Nacap公司有600人次的业务出差飞行，仅此一项产生的二氧化碳排放量为342吨。82%的出差飞行距离比较短（在欧洲范围内），并且都是经济舱。（经济舱的碳足迹比商务舱低一点）。估计这些短程飞行的碳排放量占世界各地飞行碳的总排放量的四分之一。Nacap公司总部大楼平均每年的二氧化碳排放量为121吨，主要是用电用气造成的。上述设施的耗能量产生的碳排放量乘以8就得出Nacap公司在世界各地（澳大利亚、英国等）八家业务分公司的总的碳排放量。7. 结论表6把上述各项数据综合在一起（根据所做的假设），说明了铺设一公里不同管径的管道所产生的全部二氧化碳排放量。表6铺设管道的全部二氧化碳排放量管径（英寸）二氧化碳排放量（吨/km管子）炼铁炼钢轧制钢管运输（1000 km）设备燃料消耗防腐层与焊接公司管理经营合计16133.79.8549.26.940.7240.420206.415.9653.48.640.7325.124258.622.2884.010.440.7415.936543.048.75119.715.840.7768.048973.785.59138.621.540.71260.1图表6形象地说