拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程的碳排放核算

倪 陽

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

中國已明確提出力爭在2030年實現(xiàn)“碳達(dá)峰”,2060年實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)[1]。通過碳排放核算摸清家底是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的基礎(chǔ),首先需要了解生產(chǎn)過程中碳排放的量及來源才能夠明確碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)的著力點和工作方向。

鋁工業(yè)是發(fā)展國民經(jīng)濟與提高人民生活水平的基礎(chǔ)工業(yè),也是高能耗高碳排放工業(yè)之一。鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋從鋁土礦開采、氧化鋁冶煉、原鋁電解到鋁加工。氧化鋁冶煉作為鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的一個重要環(huán)節(jié),其噸產(chǎn)品的碳排放量在整個鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中僅次于電解鋁。并且近年來國內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能逐年上升,截止到2020年底,國內(nèi)氧化鋁總產(chǎn)能已超過9000萬噸/年,其中拜耳法產(chǎn)能占比超過90%,氧化鋁工業(yè)總的碳排放量相當(dāng)龐大,但目前國內(nèi)系統(tǒng)性分析拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中碳排放的研究較少,本文通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及權(quán)威機構(gòu)指導(dǎo)文件,分析了氧化鋁廠碳排放的核算范圍,總結(jié)了拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程的碳排放計算方式并以某氧化鋁廠為例進(jìn)行了碳排放量計算。

1 研究背景

高天明[2]等人的研究顯示國內(nèi)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁能耗為9～14 GJ/t-Al2O3,國際先進(jìn)水平為8.36 GJ/t-Al2O3,拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的二氧化碳排放量為805 kgCO2/t-Al2O3。李敬[3]的論文中顯示,拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中的碳排放分為直接排放和間接排放,直接排放量為288 kgCO2/t-Al2O3,間接排放量為1583 kgCO2/t-Al2O3,噸氧化鋁產(chǎn)品二氧化碳排放量合計為1871 kgCO2/t-Al2O3。中國鋁業(yè)股份有限公司[4]公開發(fā)布的《2020年度社會責(zé)任暨環(huán)境、社會與管治報告》中顯示,中國鋁業(yè)股份有限公司2020年度氧化鋁綜合能耗為357.40 kg標(biāo)煤/t-Al2O3(折合10.47 GJ/t-Al2O3,包含部分燒結(jié)法產(chǎn)能),噸氧化鋁二氧化碳排放量為1800kgCO2/t-Al2O3。幾份報告因其統(tǒng)計范圍及排放因子的選取不同,結(jié)果有一些差異,但幾份報告中都未顯示具體的計算方式。本文在此基礎(chǔ)上,對拜耳法生產(chǎn)氧化鋁生產(chǎn)過程的碳排放計算方式、參數(shù)選取及統(tǒng)計范圍確定進(jìn)行了更為詳細(xì)的分析,為類似的氧化鋁廠提供可供借鑒的計算方法。

2 拜耳法工藝主要碳排放工序

拜耳法生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的碳排放主要可分為兩大類,第一類為直接排放,指煤炭、石油、天然氣等一次能源和二次能源燃燒后產(chǎn)生CO2氣體(或折算為CO2當(dāng)量)直接向大氣中排放,在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中會產(chǎn)生直接排放的工序只有焙燒和石灰燒制;第二類為耗能工質(zhì)間接排放,指消耗電力、蒸汽或循環(huán)水、壓縮空氣等需要消耗電力來產(chǎn)生的耗能工質(zhì)的排放,在拜耳法生產(chǎn)過程中幾乎所有工序都會有電力和循環(huán)水消耗,并且在預(yù)脫硅、分解分級和焙燒工序除了電力和循環(huán)水消耗外,還需要消耗壓縮空氣,在溶出、蒸發(fā)和熱水站還有蒸汽消耗。間接排放可根據(jù)消耗的耗能工質(zhì)種類,折算為碳排放量。圖1是拜耳法簡要的工藝流程框圖,其中標(biāo)出了各工序需要消耗的能源種類。

圖1 拜耳法簡要工藝流程及各工序能源消耗圖

圖中E表示電力,CW表示循環(huán)水,CA表示壓縮空氣,LS表示新蒸汽,G表示燃?xì)?煤氣或天然氣),C表示焦炭。

需要注意的是石灰燒制工序,現(xiàn)在新建氧化鋁廠大多都不自建石灰燒制工序,而是直接外購成品石灰,在計算碳排放時就不需要計算石灰燒制過程的碳排放。有部分建設(shè)較早的氧化鋁廠雖然自帶石灰燒制工序,但在其產(chǎn)能擴張過程中石灰燒制的能力一般都不繼續(xù)擴建,石灰燒制能力僅滿足部分產(chǎn)能所需,不足部分則外購成品石灰,在計算碳排放時僅計入自行燒制的部分。

3 拜耳法生產(chǎn)過程碳排放核算

3.1 碳排放及溫室氣體排放

狹義上的碳排放是指CO2氣體排放,廣義上的碳排放是指溫室氣體排放(GHG)。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)排放因子數(shù)據(jù)庫中共包含81種溫室氣體[5],分為九大類,包括二氧化碳(CO2),甲烷(CH4),氧化亞氮(N2O),氫氟碳化物(HFCs),全氟碳化物(PFCs),六氟化硫(SF6),三氟化氮(NF3),其它鹵化物(OHs)和前體物(Precursors)。其中前六種,即CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6是《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》中溫室氣體清單中的內(nèi)容[7]。所以,目前在國內(nèi)所說的碳排放量一般就是指CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6六種氣體折算為二氧化碳當(dāng)量的排放量。

3.2 氧化鋁廠碳排放量核算

3.2.1 碳排放與碳足跡的差異

在進(jìn)行碳排放核算前應(yīng)先明確兩個概念,即“碳排放”和“碳足跡”的差異。在《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱《2006年IPCC指南》)[6]中,溫室氣體排放量的核算是以國家、部門(行業(yè))和企業(yè)進(jìn)行劃分,僅指國家、部門(行業(yè))或企業(yè)在社會經(jīng)濟或生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的碳排放量。在《ISO:14067-2018 溫室氣體-產(chǎn)品碳足跡要求和量化導(dǎo)則》[8]中對碳足跡的定義是:基于全生命周期(life cycle assessment)的產(chǎn)品體系溫室氣體二氧化碳當(dāng)量排放量與清除量之和。全生命周期指從原料獲取、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、銷售、使用直至報廢處理的整個過程。碳排放概念用于核算某個國家、部門(行業(yè))或企業(yè)碳排放量是否達(dá)標(biāo)以及需要交易的碳排放量。碳足跡概念則用于衡量一種產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用直至報廢全過程對環(huán)境的影響程度。具體到拜耳法生產(chǎn)氧化鋁生產(chǎn)過程而言,例如某氧化鋁企業(yè)通過工藝優(yōu)化及管理水平提升降低了噸產(chǎn)品的堿耗,對于該企業(yè)單位產(chǎn)品的碳排放量影響甚微(僅通過影響流量對電耗產(chǎn)生影響帶來差異),但對于噸氧化鋁的碳足跡降低就有較大的影響,因為碳足跡包含原料獲取所產(chǎn)生的碳排放量,而堿的生產(chǎn)過程會發(fā)生大量的碳排放消耗大量的能源。

本文主要是討論氧化鋁廠生產(chǎn)噸氧化鋁產(chǎn)品的碳排放量核算,因此本文中所說碳排放均是基于《2006年IPCC指南》中的碳排放概念。

3.2.2 碳排放量核算范圍的確定

為了避免部門或企業(yè)間對碳排放量的重復(fù)計算或遺漏,《2006年IPCC指南》中對于碳排放的產(chǎn)生部門都有嚴(yán)格的定義。

氧化鋁生產(chǎn)歸屬于金屬冶煉中的鋁冶煉類目,編號為2C7。在氧化鋁生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的直接排放(按第2章所述,包含石灰燒制和氧化鋁焙燒)需要統(tǒng)計進(jìn)噸氧化鋁產(chǎn)品的碳排放量。

但對于電和蒸汽這類能源的間接排放量是否需統(tǒng)計進(jìn)噸產(chǎn)品的碳排放量則需區(qū)分情況。

如用電或用汽來源為公用電廠,《2006年IPCC指南》中對公用電廠的定義:“主要活動是提供公共服務(wù)的企業(yè),他們可能是公有或私有的,燃料自身現(xiàn)場使用產(chǎn)生的排放應(yīng)該包括在內(nèi)”[6],則該電力或蒸汽的碳排放已計入在能源活動中(即計入電廠的碳排放,《2006年IPCC指南》中分類編號1A1a),為避免重復(fù)計算,在氧化鋁廠中不應(yīng)再計算。

如果用電或用汽來源為自供生產(chǎn)工廠(即自備電廠),《2006年IPCC指南》對自供生產(chǎn)工廠的定義:“自供生產(chǎn)工廠(作為支持其主要活動的一項活動,發(fā)電/產(chǎn)熱完全或部分為其自身使用的企業(yè)),其產(chǎn)生的排放應(yīng)該分配給產(chǎn)生排放的部門,不列在1A1a下。自供生產(chǎn)工廠可以是公有或私有的。”對于這類電力或蒸汽所產(chǎn)生的碳排放則應(yīng)計入氧化鋁廠。

簡言之,明確碳排放核算范圍的主要目的和原則是避免不同部門(行業(yè))間的重復(fù)計算,同一能源只計算一次碳排放。

3.2.3 碳排放量的計算方法

對于碳排放量的計算,《2006年IPCC指南》推薦了三種層級方法。第一層級方法計算方式如公式(1)、(2),第二及第三層級的計算公式也與此一致,三個層級的主要差異在于排放因子的取值。

排放GHG,HG=燃料熱量×排放因子GHG,HG

(1)

排放總GHG=∑燃料排放GHG.HG

(2)

式中:排放GHG,HG——按燃料類型的溫室氣體排放,kg;

燃料熱量——燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量,TJ;

排放因子GHG,HG——按燃料類型給出的溫室氣體排放因子,kgGHG/TJ。

在第一層級方法中排放因子取值采用缺省排放因子,即《2006年IPCC指南》針對不同燃料所給的排放系數(shù)。在第二層級方法中排放因子取值則是根據(jù)不同國家或地區(qū)情況,由當(dāng)?shù)卣块T或權(quán)威機構(gòu)制定符合該國家或地區(qū)的排放因子。在第三層級方法中,排放因子的取值則需根據(jù)各企業(yè)情況,進(jìn)一步綜合考慮燃料類型、燃燒技術(shù)、運行條件、控制技術(shù)、設(shè)備維護(hù)情況、設(shè)備使用年限等條件制定,或由排放監(jiān)控設(shè)備直接測量排放量。這三種層級方法的計算精確程度依次遞增,所需要的輸入條件復(fù)雜程度也依次遞增。

3.2.4 計算案例

以某企業(yè)為例,核算其噸氧化鋁碳排放量。該氧化鋁廠全部氧化鋁產(chǎn)能均采用拜耳法進(jìn)行生產(chǎn),礦石為國內(nèi)一水硬鋁石礦,采用高溫溶出工藝,少部分石灰自制,大部分石灰外購,焙燒采用循環(huán)流化床煤氣爐煤氣與天然氣混合燃料,蒸汽及電來源為其自備電廠。該廠涉及碳排放核算的噸產(chǎn)品單耗情況如表1。

表1 某氧化鋁廠涉碳排放單耗指標(biāo)

采用層級一即按《2006年IPCC指南》推薦排放因子計算方法,根據(jù)《2006年IPCC指南》中對石灰的分類,該氧化鋁廠自制石灰類型為水硬石灰(CaO:65%～92%),其缺省排放因子為0.59 tCO2/t石灰。自制石灰部分的CO2排放量為10.7×0.59=6.31 kgCO2/t-Al2O3。

焙燒所用煤氣為循環(huán)流化床煤氣爐煤氣,熱值為5.23 MJ/Nm3(1250 kCal/Nm3),天然氣熱值為35.59 MJ/Nm3(8500 kCal/Nm3)。

《2006年IPCC指南》推薦的天然氣及煤氣的三種溫室氣體的缺省排放因子和排放因子上限及下限如表2。

表2 天然氣和煤氣排放因子[6] kg/GJ

CH4折CO2當(dāng)量系數(shù)為21,N2O折CO2當(dāng)量系數(shù)為310[7]。如全部按缺省排放因子計算,焙燒噸氧化鋁的二氧化碳排放當(dāng)量為:

525×5.23×(44.4+0.001×21+0.001×310)÷1000+14×35.59×(56.1+0.001×21+0.0001×310)÷1000=150.03 kgCO2/t-Al2O3

如分別按排放因子下限和上限計算,對應(yīng)的噸氧化鋁焙燒二氧化碳排放當(dāng)量分別為129.52 kgCO2/t-Al2O3和178.10 kgCO2/t-Al2O3。

電力產(chǎn)生的間接排放采用生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年度減排項目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》[10]中推薦的排放因子進(jìn)行計算,該氧化鋁廠所在位置屬于南方區(qū)域電網(wǎng),南方區(qū)域電網(wǎng)用電量邊際排放因子為0.8042 tCO2/MWh,噸氧化鋁電力消耗230 kWh,對應(yīng)溫室氣體排放量為184.97 kgCO2/t-Al2O3。

蒸汽消耗產(chǎn)生的間接排放首先需要將蒸汽消耗折算為標(biāo)煤,根據(jù)《2019年中國能源統(tǒng)計年鑒》,熱力折標(biāo)煤系數(shù)為0.03412 kgce/MJ[9]。蒸汽回水溫度均按100 ℃計,扣除回水熱量后,高壓蒸汽凈熱量為2356 MJ/t,低壓蒸汽凈熱量為2337 MJ/t。噸氧化鋁蒸汽消耗折標(biāo)煤量為:

1.6×2356×0.03412+0.37×2337×0.03412=158.12 kg標(biāo)煤/t-Al2O3

158.12 kg標(biāo)煤耗折合熱量為4.63 GJ,該氧化鋁廠自備電廠煤種采用褐煤,褐煤的排放因子如表3。

表3 褐煤排放因子[6] kg/GJ

如按缺省排放因子計算,噸氧化鋁蒸汽消耗對應(yīng)的二氧化碳排放當(dāng)量為:

4.63×(101+0.001×21+0.0015×310)=469.88 kgCO2/t-Al2O3

如分別按排放因子下限和上限計算,對應(yīng)的噸氧化鋁焙燒二氧化碳排放當(dāng)量分別為421.61kgCO2/t-Al2O3和539.92 kgCO2/t-Al2O3。

根據(jù)以上溫室氣體二氧化碳排放當(dāng)量計算匯總?cè)绫?。

表4 二氧化碳排放當(dāng)量匯總

從匯總表中可以看到,按《2006年IPCC指南》缺省因子計算,該氧化鋁廠噸氧化鋁CO2排放當(dāng)量為811.19 kgCO2/t-Al2O3,如果分別按排放因子下限和上限計算的對應(yīng)排放下限和上限分別為742.42 kgCO2/t-Al2O3和909.30 kgCO2/t-Al2O3。

4 結(jié) 論

溫室氣體排放對環(huán)境的影響日益突出,在此背景下我國提出了2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1]。氧化鋁行業(yè)作為有色冶金行業(yè)中的重要環(huán)節(jié),未來所面臨的節(jié)能減排任務(wù)也非常嚴(yán)峻,一方面需要采用更先進(jìn)的技術(shù)降低消耗,另一方面也需要按國際國內(nèi)公認(rèn)的核算方式和核算范圍將氧化鋁生產(chǎn)過程的碳排放量仔細(xì)核算,既要做到不遺漏碳排放點,也要做到不重復(fù)計算,避免因為核算方式和核算范圍導(dǎo)致的氧化鋁生產(chǎn)過程碳排放量不清。