張偉偉

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量,通過植樹造林、節(jié)能減排等形式,以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量,實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”[1]。

2006 年,“碳中和”被《新牛津英語字典》公布為年度字匯。2007 年,“碳中和”被正式編寫入新版《新牛津英語字典》。隨著全球變暖趨勢(shì)日益顯著,碳中和作為一種新型環(huán)保形式和遏制全球變暖的重要舉措,越來越受到人們的關(guān)注。

2015 年12 月,世界各國(guó)在《巴黎協(xié)定》中承諾,把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平以上低于2 ℃之內(nèi),并努力將氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上1.5 ℃之內(nèi),并在2050—2100 年實(shí)現(xiàn)全球“碳中和”目標(biāo),即溫室氣體排放與吸收之間的平衡。

2020 年9 月22 日,習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話,“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[2]。

從提出至今的十多年間,碳中和引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,有色金屬工業(yè)作為高能耗、高排放行業(yè),在實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程中任重道遠(yuǎn)。本文對(duì)有色金屬工業(yè)碳排放現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并就有色金屬工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的途徑進(jìn)行了研究探討。

1 有色金屬工業(yè)碳排放現(xiàn)狀

有色金屬工業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。近年來,我國(guó)有色金屬工業(yè)發(fā)展迅速,2020 年我國(guó)十種有色金屬產(chǎn)量為6 168 萬t,其中精煉銅產(chǎn)量為1 002.5 萬t,同比增長(zhǎng)7.4%;原鋁產(chǎn)量為3 708.0 萬t,同比增長(zhǎng)4.9%;鉛產(chǎn)量644.3 萬t,同比增長(zhǎng)9.4%;鋅產(chǎn)量642.5 萬t,同比增長(zhǎng)2.7%。

有色金屬工業(yè)是我國(guó)七大工業(yè)耗能大戶之一,是推進(jìn)節(jié)能降耗的重點(diǎn)行業(yè)[3]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2019 年全球因使用化石燃料排放的二氧化碳為368 億t,其中,我國(guó)碳排放量為103 億t,占全球總排放量的28%,居全球第一。我國(guó)有色金屬工業(yè)碳排放量約占碳排放總量的6%,約6 億t,是我國(guó)碳排放的主要來源之一。

有色金屬工業(yè)的二氧化碳排放主要由能源消耗產(chǎn)生,主要集中在鋁、銅、鉛、鋅等金屬的冶煉環(huán)節(jié)。這些金屬的冶煉環(huán)節(jié)的二氧化碳排放量約占有色金屬工業(yè)總排放量的80%,其中鋁行業(yè)的排放量占到65%左右[4],而深加工過程基本不產(chǎn)生二氧化碳。由此可見,有色金屬工業(yè)碳減排的主要目標(biāo)在冶煉環(huán)節(jié),尤其是鋁冶煉環(huán)節(jié)。

有色金屬冶煉工藝主要包括火法冶金、濕法冶金、電冶金等。在這三種冶金工藝中,濕法冶金能耗較低,環(huán)境影響較小;火法冶金和電冶金能耗較大,環(huán)境影響也較大,是有色金屬工業(yè)主要的碳排放和污染物排放來源。有色冶煉環(huán)節(jié)的碳排放通過直接或間接消耗化石燃料產(chǎn)生:火法冶金直接消耗化石燃料,向大氣中直接排放二氧化碳?xì)怏w;電冶金直接消耗電能,而我國(guó)的電力系統(tǒng)以火電為主,火電約占全國(guó)總發(fā)電量的70%,因此電冶金過程間接消耗化石燃料,向大氣中間接排放二氧化碳?xì)怏w。

2 有色金屬工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的途徑

有色金屬工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑有使用清潔能源、提高能源利用率和發(fā)展CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage)技術(shù)等。

2.1 使用清潔能源替代傳統(tǒng)化石能源

有色金屬工業(yè)的碳排放主要由化石能源消耗引起,礦石自身產(chǎn)生的碳排放相對(duì)較少。2020 年,我國(guó)一次能源消耗總量將近50 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤,有色金屬工業(yè)能耗約占全國(guó)總能耗的6%,約3 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。有色金屬工業(yè)消耗的能源主要為煤、石油、天然氣等化石能源,其中還包括相當(dāng)一部分的電能。清潔能源如氫能、太陽能等在有色金屬工業(yè)中還鮮有大規(guī)模應(yīng)用。清潔能源不產(chǎn)生溫室氣體,對(duì)環(huán)境友好,因此大力推廣清潔能源在有色金屬工業(yè)中的應(yīng)用可從根本上解決碳排放的問題。

清潔能源具有可再生、無污染的優(yōu)良特性,近些年來,世界各國(guó)均不斷加大清潔能源規(guī)?；瘧?yīng)用的開發(fā)力度。目前,風(fēng)能、水能、太陽能、核能在電力行業(yè)已有廣泛應(yīng)用。隨著清潔能源在電力行業(yè)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,電冶金工藝間接消耗化石燃料造成的碳排放問題將逐步得到解決。對(duì)于直接消耗化石燃料的冶金工藝,發(fā)展替代能源將成為解決碳排放問題的必由之路。有色金屬工業(yè)往往規(guī)模較小、分布較廣,風(fēng)能、水能、太陽能由于受地理位置、氣候條件、資源條件的限制,難以在有色金屬工業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用;核能因其核輻射的特性和巨大的建設(shè)成本,也難以在有色金屬工業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。氫能具有質(zhì)量輕、熱值高、燃燒性能好的優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。相比其他清潔能?氫能更易在有色金屬工業(yè)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用,成為未來有色金屬工業(yè)發(fā)展清潔能源的首選。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030)》,至2030 年,非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將由2020 年的15%升至20%;2050 年,非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到50%。隨著清潔能源利用技術(shù)的不斷完善,清潔能源必將得到大力推廣,有色金屬工業(yè)也將順應(yīng)時(shí)代潮流,逐步發(fā)展清潔能源冶金技術(shù),從源頭控制,減少碳排放。

2.2 提高能源利用率

2.2.1 開發(fā)新工藝,淘汰落后工藝

有色冶金工藝可謂百花齊放、百家爭(zhēng)鳴。我國(guó)有色金屬工業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,基本上擁有世界上所有已知的冶金工藝,但各冶金企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r不同,部分企業(yè)仍使用落后的生產(chǎn)工藝,造成能源大量浪費(fèi)。在實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程中,有色冶金企業(yè)應(yīng)逐步淘汰落后工藝,采用新工藝,降低能源消耗,提高能源利用率。例如,銅熔煉應(yīng)優(yōu)先采用先進(jìn)的富氧閃速及富氧熔池熔煉工藝,替代反射爐、鼓風(fēng)爐和電爐等傳統(tǒng)工藝;氧化鋁優(yōu)先發(fā)展選礦拜耳法等技術(shù),逐步淘汰直接加熱熔出技術(shù);電解鋁生產(chǎn)優(yōu)先采用大型預(yù)焙電解槽,淘汰自焙電解槽和小預(yù)焙槽;鉛熔煉優(yōu)先采用氧氣底吹煉鉛工藝及其他氧氣直接煉鉛技術(shù),改造燒結(jié)鼓風(fēng)爐工藝,淘汰土法煉鉛工藝;鋅冶煉優(yōu)先發(fā)展新型濕法工藝,淘汰土法煉鋅工藝。

2.2.2 提升關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平

擴(kuò)大有色金屬工業(yè)單體規(guī)模,采用大型、高效的節(jié)能設(shè)備,提高能源效率;優(yōu)化核心設(shè)備結(jié)構(gòu),改進(jìn)爐內(nèi)燃燒氣氛,保證燃料充分燃燒,提升燃燒效率和傳熱效率;加強(qiáng)爐窯保溫,降低散熱損失。

2.2.3 發(fā)展熱能梯級(jí)利用技術(shù)

發(fā)展熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)熱能梯級(jí)利用技術(shù),充分回收不同品位的熱能并加以利用,最大限度地節(jié)約能源,降低能耗。

2.3 發(fā)展碳捕集、利用與封存技術(shù)

碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS 技術(shù))是指將二氧化碳從工業(yè)排放源中分離,然后直接封存利用,以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的工業(yè)過程。作為一項(xiàng)有望實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的新興技術(shù),碳捕集、利用與封存技術(shù)是未來減少二氧化碳排放、保障國(guó)際能源安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[5]。

政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的《全球升溫1.5 ℃特別報(bào)告》對(duì)90 種建模情景進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示,幾乎所有情形都需要部署CCUS 技術(shù)才能將全球升溫幅度控制在1.5 ℃以內(nèi)。根據(jù)清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院編制的《中國(guó)低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究項(xiàng)目成果》,2050 年,由CCUS 技術(shù)所減排的二氧化碳量將達(dá)到7～8.8億t/a。由此可見,CCUS 技術(shù)在實(shí)現(xiàn)碳中和的道路上必不可少。

2006 年以來,國(guó)家發(fā)改委、科技部、財(cái)政部等十多個(gè)部委相繼參與并制定了十多項(xiàng)政策措施,鼓勵(lì)和支持CCUS 技術(shù)的發(fā)展,將CCUS 技術(shù)列為中長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的前沿技術(shù)。2015 年至今,發(fā)改委和科技部先后制定和更新了《中國(guó)碳捕集利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖》,足可以看出我國(guó)對(duì)CCUS 技術(shù)的重視程度。

目前,CCUS 技術(shù)發(fā)展尚不成熟,處于起步階段。全球共有65 個(gè)商業(yè)CCUS 設(shè)施,其中26 個(gè)在運(yùn)行,3 個(gè)在建,2 個(gè)暫停運(yùn)行,13 個(gè)處于高級(jí)開發(fā)階段,21 個(gè)處于開發(fā)早期階段。由于CCUS 技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng),規(guī)模大,投資成本高,目前其商業(yè)應(yīng)用主要位于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)只有3 個(gè)在運(yùn)行項(xiàng)目、2 個(gè)在建項(xiàng)目、1 個(gè)處于早期開發(fā)階段的項(xiàng)目,且CCUS項(xiàng)目主要集中在電力和石化行業(yè),鋼鐵、有色等行業(yè)還鮮有CCUS 技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道。

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030)》,2050 年,化石能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比重仍將達(dá)到50%左右。從當(dāng)前形勢(shì)看,未來,有色金屬工業(yè)完全實(shí)現(xiàn)清潔能源替代的難度較大,化石燃料仍將占據(jù)一定的比例。只要存在化石能源的消耗,實(shí)現(xiàn)碳中和必將依賴CCUS 技術(shù),有色金屬工業(yè)應(yīng)加緊布局CCUS 技術(shù),以中和化石能源消耗帶來的碳排放。

3 結(jié)束語

綜上所述,有色金屬工業(yè)作為碳排放的主要行業(yè),在實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程中將扮演重要的角色。有色金屬工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的途徑有:使用清潔能源、提高能源利用率和發(fā)展CCUS 技術(shù)等。隨著碳中和目標(biāo)的臨近,有色金屬工業(yè)應(yīng)積極響應(yīng)政府號(hào)召,加緊制定本行業(yè)的政策措施,確保各階段碳中和目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)。