劉楠楠 楊曉松 楚敬龍 譚海偉 劉 芳

(礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

統計數據顯示2019年我國二氧化碳排放量約101.7億t，占全球總量的28%。和其他國家對比，在建筑、交通和農業(yè)部門排放占比明顯偏低，而我國工業(yè)部門占比高。國內工業(yè)結構對能源有很強的依賴性，單位GDP對應碳排放量顯示，我國仍處于世界高位水平。作為全球經濟體量最大、發(fā)展速度最快的發(fā)展中國家，中國在減少碳排放方面的積極措施對全球發(fā)展起著重要作用。

我國政府陸續(xù)出臺了一系列碳減排的政策。2020年12月25日生態(tài)環(huán)境部正式審議通過《碳排放權交易管理辦法(試行)》[1]；2021年政府工作報告中明確制定2030年前碳排放達峰行動方案；2021年3月30日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布關于公開征求《碳排放權交易管理暫行條例(修改意見稿)》的通知[2]。建立全國碳排放權交易制度，覆蓋電力、石油、化工、建材、鋼鐵、有色金屬、造紙和國內民用航空等工業(yè)行業(yè)的碳排放權總量設定與配額分配方案。碳排放配額分配包括免費分配和有償分配兩種方式，初期以免費分配為主，根據國家要求適時引入有償分配，并逐步擴大有償分配比例，實施碳排放權交易體系管理。

有色金屬冶煉行業(yè)作為納入全國碳排放交易的重點工業(yè)行業(yè)之一，2020年中國有色金屬工業(yè)協會初步統計顯示有色金屬工業(yè)二氧化碳總排放量約6.6億t，占全國總排放量的4.7%，有色金屬行業(yè)按照主體流程主要分為采礦、選礦、冶煉和壓延加工業(yè)。其中有色金屬冶煉行業(yè)，特別是電解鋁二氧化碳排放量約4.2億t，是有色金屬工業(yè)實現“碳達峰”的重要領域。有色金屬冶煉業(yè)碳排放量在全國排放總量中具有舉足輕重的地位。因此，亟待開展有色金屬冶煉業(yè)碳減排研究，探索低碳發(fā)展的具體措施，對削減我國碳排放，實現碳中和意義重大。

1 有色金屬冶煉企業(yè)碳排放類型

有色金屬冶煉企業(yè)由于原材料、所處生產環(huán)節(jié)不同，生產工藝流程和技術參數差異較大，但從碳排放角度分析，其排放類型和核算方法較為統一。學者對有色金屬行業(yè)的能源消耗及二氧化碳排放數據核算顯示，2000—2011年消耗持續(xù)上升，其中電力和原煤能源消耗占到總能源消耗的85%[3]，占主導地位。針對有色金屬冶煉業(yè)等重點領域，國家發(fā)展改革委先后印發(fā)《中國電解鋁生產企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》《中國鎂冶煉企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》《其他有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》[4-6](以下統稱《指南》)。梳理分析可知，有色金屬冶煉企業(yè)核算邊界應以企業(yè)法人或視同法人的獨立核算單位為界。生產系統涉及主體和輔助生產系統、以及直接為生產服務的附屬生產系統，其中輔助生產系統包括動力、供電、供水、化驗、機修、庫房、運輸等，附屬生產系統包括生產指揮系統(廠部)和廠內為生產服務的部門和單位。二氧化碳排放源主要包含：燃料燃燒排放、能源作為原材料用途的排放、工業(yè)生產過程排放、凈購入熱力產生的排放和凈購入電力產生的排放。對于其他產品生產過程的企業(yè)，應參考其相應行業(yè)排放要求核算后計入企業(yè)總排放量。以銅冶煉為例，目前以火法冶煉為主，主要工序為造锍熔煉、銅锍(冰銅)吹煉、粗銅火法精煉和陽極銅電解精煉，主流工藝銅冶煉企業(yè)碳排放示意圖見圖1。

圖1 主流工藝銅冶煉企業(yè)碳排放示意圖

2 碳排放量核算及影響因素分析

對有色金屬冶煉企業(yè)的碳排放源分析，主要核算邊界范圍包括以下5種類型[4-6]：

1)燃料燃燒排放

有色金屬冶煉企業(yè)所涉及的燃料燃燒排放是指煤炭、燃氣、柴油等燃料在各種類型的固定或移動燃燒設備(如鍋爐、煅燒爐、窯爐、熔爐、內燃機等)中與氧氣充分燃燒產生的二氧化碳排放。廠內運輸車輛、應急設備等使用的燃料(柴油等)燃燒產生的排放量亦在統計范圍。

(1)

式中，E燃燒—燃料燃燒產生的二氧化碳排放量，tCO2；ADi—第i種燃料活動水平，即導致碳排放的生產或消費活動的活動量，GJ；EFi—第i種燃料的二氧化碳排放因子，tCO2/GJ；i—燃料類型代號。

對于有色金屬冶煉企業(yè)多數燃料種類比較固定，燃料低位發(fā)熱值、單位熱值含碳量與燃料碳氧化率(燃料中碳在燃燒中被氧化的百分比)僅在小范圍內波動。因此燃料排放因子在具體企業(yè)表現較為穩(wěn)定，呈現出有色金屬冶煉企業(yè)燃料燃燒排放量和燃料活動水平數據正相關的特征。

2)能源作為原材料用途的排放

有色金屬冶煉企業(yè)所涉及的能源作為原材料用途的排放主要是工業(yè)生產中，能源作為原材料(冶金還原劑)被消耗，發(fā)生物理或化學變化而產生的碳排放。具體來講，電解鋁企業(yè)主要是炭陽極(能源產品，作為電解鋁生產的還原劑)消耗所導致的二氧化碳排放。鎂冶煉企業(yè)廠界內的自有硅鐵生產工序消耗藍炭(能源產品，作為還原劑)所導致的二氧化碳排放；若硅鐵全部外購，則不涉及此類排放。銅冶煉、鉛鋅冶煉等子行業(yè)的企業(yè)使用焦炭、藍炭、無煙煤、天然氣等(能源產品，作為還原劑)導致的二氧化碳排放。

E原材料=AD還原劑×EF還原劑

(2)

式中，E原材料—能源作為原材料用途(冶金還原劑)導致的二氧化碳排放量，tCO2；AD還原劑—還原劑活動水平，即導致碳排放的還原劑消耗量，固體或液體能源單位為t，氣體能源單位為萬Nm3；EF還原劑—能源產品作為還原劑用途的二氧化碳排放因子，tCO2/t還原劑)。

對于有色金屬冶煉企業(yè)，多數冶金還原劑種類比較固定，因此排放因子在具體企業(yè)表現較為穩(wěn)定。還原劑消耗量與企業(yè)生產效率直接相關，且在一定范圍內波動，呈現出有色金屬冶煉企業(yè)原材料用途排放量和還原劑活動水平數據正相關的特征。

3)工業(yè)生產過程排放

工業(yè)生產中，除能源之外的原材料發(fā)生化學反應造成的碳排放。電解鋁企業(yè)所涉及的工業(yè)生產過程主要為陽極效應所導致的全氟化碳排放，如涉及石灰石煅燒窯，還應考慮煅燒過程二氧化碳的排放。鎂冶煉企業(yè)所涉及的工業(yè)生產過程主要為白云石煅燒分解所導致的二氧化碳排放。對于有色金屬冶煉企業(yè)，指使用石灰石(主要成分為碳酸鈣)或白云石(主要成分為碳酸鎂和碳酸鈣)作為生產原料或脫硫劑，碳酸鹽發(fā)生分解反應導致的二氧化碳排放。稀土冶煉企業(yè)使用純堿、碳酸鹽或草酸為原料，生成碳酸鹽或草酸鹽，而后經煅燒分解后導致二氧化碳的排放?？筛攀鰹楣?3)：

E過程=E草酸+∑E碳酸鹽=AD草酸×EF草酸+∑(AD碳酸鹽×EF碳酸鹽)

(3)

式中，E過程—過程導致的二氧化碳排放量，tCO2；E草酸—草酸分解(僅涉及稀土等少數有色金屬冶煉過程)所導致的過程排放量，tCO2；E碳酸鹽—某種碳酸鹽(含石灰石和白云石等)分解所導致的過程排放量，tCO2；AD草酸—草酸(僅涉及稀土等少數有色金屬冶煉過程)消耗量，t；AD碳酸鹽—碳酸鹽消耗量，t；EF草酸—草酸分解的二氧化碳排放因子，tCO2/t草酸；EF碳酸鹽—某種碳酸鹽分解的二氧化碳排放因子，tCO2/t碳酸鹽。

基于中國有色金屬工業(yè)協會及行業(yè)經驗統計數據確定二氧化碳排放因子推薦值，具體見《指南》附錄二。歸一化分析顯示生產過程二氧化碳排放量與碳酸鹽或草酸原料消耗量呈正比例關系。

4)凈購入電力產生的排放

有色金屬冶煉企業(yè)電力根據來源一般分為余熱發(fā)電、太陽能發(fā)電和購入網電。余熱發(fā)電和太陽能發(fā)電等電力排放因子可記為零，為資源有效利用，未直接消耗能源。實際核算生產企業(yè)消費的購入電力所對應的電力生產環(huán)節(jié)產生的二氧化碳排放。實際發(fā)生在電力生產企業(yè)，以凈購入的每千瓦時電量所對應的二氧化碳排放量來表征電力排放因子(式4)。

E電=AD電×EF電

(4)

式中，E電—冶煉生產過程消耗的凈購入電力對應的電力生產環(huán)節(jié)導致的二氧化碳排放量，tCO2；AD電—企業(yè)的凈外購電量，即企業(yè)購買的總電量扣減企業(yè)外銷電量，MW·h；EF電—區(qū)域電網年平均供電的二氧化碳排放因子，tCO2/MW·h。

區(qū)域電網供電排放因子與有色金屬冶煉企業(yè)生產無直接關系，且相對固定，根據企業(yè)生產地及目前電網劃分情況，選用相應區(qū)域電網排放因子。冶煉企業(yè)凈電力消耗產生的二氧化碳排放量和生產過程消耗的電力數量呈成比例關系。

5)凈購入熱力產生的排放

有色金屬冶煉企業(yè)熱力根據來源一般分為余熱利用和購入外部集中供熱等。余熱利用的熱力排放因子可記為零，為資源有效利用，未直接消耗能源。企業(yè)購入熱力(蒸汽、熱水)所對應的熱力生產環(huán)節(jié)產生的二氧化碳排放，實際發(fā)生在熱力生產企業(yè)，以凈購入的每百萬千焦熱量所對應的二氧化碳排放量來表征熱力排放因子(式5)。

E熱=AD熱×EF熱

(5)

式中，E熱—冶煉生產過程消耗的凈購入熱力對應的熱力生產環(huán)節(jié)導致的二氧化碳排放量，tCO2；AD熱—企業(yè)冶煉生產過程消耗的凈外購熱力數量，GJ；EF熱—供熱的二氧化碳排放因子，tCO2/GJ。

統計數據分析顯示，熱力消費的排放因子采用《指南》推薦值0.11 tCO2/GJ，有色金屬冶煉企業(yè)消耗熱力產生的二氧化碳排放量和生產過程消耗的熱力數量呈正比。

基于上述分析，有色金屬冶煉企業(yè)二氧化碳排放總量等于企業(yè)邊界內所有生產系統的燃料燃燒排放量、能源作為原材料用途的排放量、工業(yè)生產過程排放量、以及企業(yè)凈購入的電力和熱力消費排放量之和，核算有色金屬冶煉企業(yè)碳排放量(式6)。

E=E燃燒+E原材料+E過程+E電+E熱

(6)

式中，E—有色金屬冶煉企業(yè)碳排放總量，tCO2；E燃燒—有色金屬冶煉企業(yè)燃料燃燒碳排放量，tCO2；E原材料—有色金屬冶煉企業(yè)能源作為原材料用途的碳排放量，tCO2；E過程—有色金屬冶煉企業(yè)工業(yè)生產過程碳排放量，tCO2；E電—有色金屬冶煉企業(yè)凈購入的電力消費碳排放量，tCO2；E熱—有色金屬冶煉企業(yè)凈購入的熱力消費碳排放量，tCO2。

學者以“閃速熔煉-PS轉爐吹煉”生產的某銅冶煉企業(yè)碳排放總量測算[8]顯示其碳排放強度為1 407～1 480 t/t粗銅；其中凈購入電力產生的排放占比85%左右，為主要排放源；燃料燃燒排放占比約10%。對該銅冶煉企業(yè)的碳排放源分析顯示，主要核算邊界范圍內5種類型排序為凈購入電力產生的排放>燃料燃燒排放>凈購入熱力產生的排放>工業(yè)生產過程排放>能源作為原材料用途的排放。企業(yè)規(guī)模、生產工藝、清潔生產水平和綜合能耗等因素均會影響其碳排放強度。

影響有色金屬冶煉企業(yè)邊界內二氧化碳排放量主要的因素有燃料消耗量、原料(冶金還原劑)消耗量、電力消耗量、熱力消耗量等，見表1。

表1 有色金屬冶煉企業(yè)碳排放影響因素分析

3 有色金屬冶煉企業(yè)碳減排對策

有色金屬冶煉業(yè)碳減排發(fā)展研究包括發(fā)展目標的確定以及發(fā)展路徑的探索，需在對碳排放現狀測算和影響因素分解的基礎上，通過設定不同的發(fā)展情景，深入開展碳減排趨勢預測，分析不同技術措施和政策組合的減排潛力。結合《有色金屬行業(yè)碳達峰實施方案》征求意見，初步提出：到2025年有色金屬行業(yè)力爭率先實現碳達峰，2040年力爭實現減排40%[10]。結合碳排放達峰的時間、峰值量和達峰路徑，最終確定有色金屬冶煉業(yè)發(fā)展規(guī)劃及路線圖(圖2)。

圖2 有色金屬冶煉企業(yè)碳減排發(fā)展研究思路

隨著我國有色金屬工業(yè)發(fā)展方式的轉變以及碳排放交易的實施，基于有色金屬冶煉企業(yè)碳排放量核算及影響因素分析，開展有色金屬冶煉企業(yè)碳排放趨勢和演化、減排潛力分析等，有色金屬冶煉業(yè)應扎實推進，逐步實施近期和中長期減排對策(表2)。

表2 有色金屬冶煉企業(yè)碳減排對策

受資源稟賦、能源結構、發(fā)展階段等因素影響，未來我國有色金屬冶金廢渣等大宗工業(yè)固體廢物仍將面臨產生強度高、利用不充分、綜合利用產品附加值低的嚴峻挑戰(zhàn)[7]。把握國內外冶金行業(yè)發(fā)展趨勢，向高端制造和服務邁進，打造產品綠色產業(yè)鏈，由單純金屬生產向高端合金和高附加值材料演示，將資源綜合利用和碳減排統一考慮，開發(fā)“城市礦產資源”等。實現加大資源綜合利用效率，支撐資源綜合利用企業(yè)的界定，規(guī)范資源綜合利用企業(yè)的生產和運營；基于企業(yè)技術工藝路線摸底、信息收集和數據統計，了解資源綜合利用技術發(fā)展趨勢、監(jiān)測資源綜合利用行業(yè)發(fā)展水平，引導資源綜合利用行業(yè)健康發(fā)展；支撐資源綜合利用行業(yè)稅收等優(yōu)惠政策的實施。

有色金屬冶煉業(yè)碳排放系數的改變受電力碳排放系數變化明顯，而電力產生過程中二氧化碳排放主要來自燃料的消耗。所在區(qū)域政府供電機構應加快電力技術的發(fā)展革新，鼓勵電廠采用可再生能源替代活力或者研發(fā)新的發(fā)電技術，降低單位電能的標準煤耗率。

持續(xù)調整優(yōu)化產業(yè)結構、能源結構，推動電解鋁等重點行業(yè)率先達峰。能源強度改善主要源于節(jié)能減排技術創(chuàng)新的研發(fā)推廣和產業(yè)結構調整。鼓勵先進技能技術的研發(fā)投入，扎實推進清潔生產，發(fā)展壯大綠色產業(yè)，加強節(jié)能改造管理，完善能源消費雙控制度。有色金屬冶煉企業(yè)絕大多數已完成退城入園工作，由監(jiān)管地扎實開展低碳工業(yè)園區(qū)建設，推進綠色建筑、綠色工廠、綠色產品、綠色園區(qū)、綠色供應鏈建設。加強先進適用綠色技術和裝備研發(fā)制造、產業(yè)化及示范應用。

4 結語

結合有色金屬冶煉行業(yè)實際，加快碳排放重點行業(yè)優(yōu)先級識別，摸清底數，分級分類施策。抓緊抓實行業(yè)自身碳減排潛力，推動產業(yè)轉型升級、結構優(yōu)化，提升能源利用效率，推動能源資源高效配置、高效利用，有序推進有色、鋼鐵和化工等行業(yè)間聯合創(chuàng)新聯合研發(fā)，區(qū)域流程優(yōu)化整合、互融相嵌。在有色金屬冶煉碳減排領域，積極構建長效的評價體系和機制，變革性技術的預見和評估、跨行業(yè)領域的協同戰(zhàn)略研究等都是亟待深化的方向。在碳排放測算和影響因素分解的基礎上，本研究嘗試提出了不同時期有色金屬冶煉業(yè)碳減排的措施，希望能為有色冶煉企業(yè)實現綠色低碳發(fā)展提供參考。