谷 琳,何 坤,馬明生

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

目前,中國能源消費總量中化石燃料占比仍然較高,2019年煤炭、石油和天然氣占比分別為57%、19%和8%,其他能源僅占16%[1]。為順利實現(xiàn)“雙碳”目標,轉變能源發(fā)展方式、加快推進非化石能源發(fā)展(風能、光能、生物質能等)是最重要的途徑。根據(jù)規(guī)劃,到2030年中國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右,風電和太陽能發(fā)電裝機容量將達到12 億kW 以上(為2019年的3 倍)[2-3]。

在我國整體能源結構轉型的大背景下,各能源密集型產(chǎn)業(yè)都將受到影響。有色金屬行業(yè)作為納入全國碳排放交易的重點行業(yè)之一,是國家重點關注的減碳行業(yè),而有色金屬行業(yè)碳排放總量的80%來自有色金屬冶煉過程[4-7]。從能耗角度看,2019年有色金屬冶煉行業(yè)能耗占全國工業(yè)總能耗的7.6%,電耗占全國工業(yè)電耗總量的13.2%[8]。在我國轉變能源發(fā)展方式、大力發(fā)展非化石能源的背景下,有色金屬冶煉行業(yè)的能源轉型升級是行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢,對我國順利實現(xiàn)碳中和目標有重要意義。

本文在非化石能源迎來快速發(fā)展期的大背景下,基于能源結構視角對我國有色金屬冶煉行業(yè)低碳發(fā)展方向進行了研究,主要內(nèi)容包括:①對我國有色金屬冶煉行業(yè)的能耗、能源結構和碳排放情況進行了詳細的分析,并針對產(chǎn)量和碳排放較高的鋁行業(yè)和銅行業(yè)進行了深入的研究;②分析了我國有色金屬冶煉行業(yè)能源轉型升級的發(fā)展戰(zhàn)略目標和實現(xiàn)途徑;③對推動有色金屬冶煉行業(yè)的能源結構轉型提出了政策建議。目前,關于有色金屬冶煉行業(yè)能源結構轉型的研究較少,希望本文能讓更多相關從業(yè)人員、研究人員等對此方面研究進行關注,加速我國有色金屬冶煉的低碳化發(fā)展,為我國順利實現(xiàn)“雙碳”目標做出貢獻。

1 有色金屬冶煉行業(yè)能耗和碳排放

我國有色金屬產(chǎn)量在過去20年間快速增長。如圖1所示,2001—2020年中國10 種主要有色金屬產(chǎn)量(包括銅、鋁、鉛、鋅、錫、鎳、鎂、鈦、銻和汞)增長5 304.71 萬t(增長約600%),2020年產(chǎn)量達到6 188.42 萬t,其中鋁行業(yè)和銅行業(yè)產(chǎn)量占比超過70% (原鋁(電解鋁)3 708.04 萬t,精煉銅1 002.51 萬t)[8]。

圖1 中國有色金屬冶煉行業(yè)產(chǎn)量Fig.1 Production of China's nonferrous metal smelting industry

在有色金屬行業(yè)產(chǎn)量快速增長的同時,其能源消耗量也隨之快速增加(圖2)。2001—2019年間,中國有色金屬冶煉工業(yè)能源消費總量由4 309 萬tce增加到24 436 萬tce(增長470%),有色金屬冶煉能耗占全國工業(yè)總能耗比例由4.0% 上升到7.6%[8-10]。

圖2 中國有色金屬冶煉工業(yè)能耗情況Fig.2 Energy consumption of China's nonferrous metal smelting industry

據(jù)統(tǒng)計,2020年中國有色金屬工業(yè)二氧化碳總排放量約為6.6 億t,占全國總排放量的4.7%[3-4]。其中,鋁、銅、鉛、鋅等金屬冶煉環(huán)節(jié)的碳排放量約占有色金屬工業(yè)總排放量的80%,其中僅鋁行業(yè)占比就超過60%[3-7]。

從能源結構的角度看(圖3),2019年中國有色金屬冶煉工業(yè)66%的能源消耗來自電力,煤炭、天然氣和油類占比分別為17%、6%和3%,還有8%的能耗來自其他能源[8]?？梢钥闯?電力是我國有色金屬冶煉行業(yè)消耗量最大的能源,其原因是產(chǎn)量較高的鋁和銅的生產(chǎn)工藝中電力占比較高(均在60%以上)[9-10]。而目前,我國電力生產(chǎn)總量的70%來自火電(如圖4所示)[8-10],其來源主要為煤炭、石油天然氣等化石燃料。

圖3 2019年中國有色金屬冶煉工業(yè)能源結構Fig.3 Energy composition of China's nonferrous metal smelting industry in 2019

圖4 2019年中國電力生產(chǎn)量組成Fig.4 Composition of China's power production in 2019

因此,從一次能源消耗的角度,有色金屬冶煉行業(yè)能耗主要來自化石燃料,這顯然不利于行業(yè)的低碳化發(fā)展,所以有色金屬冶煉行業(yè)應積極推動能源結構的轉型升級,實現(xiàn)非化石能源對傳統(tǒng)化石燃料的替代,這是行業(yè)實現(xiàn)碳減排的重要途徑。

2 鋁行業(yè)能耗和碳排放

2.1 鋁行業(yè)碳排放情況

根據(jù)International Aluminum Institute (IAI)機構的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2018年全球鋁行業(yè)的溫室氣體排放量約為11 億t,占全球人為排放量的2%[11-12]。鋁行業(yè)全生命周期碳排放如表1所示[12],其中電解鋁和鋁冶煉是碳排放最高的環(huán)節(jié),二者碳排放占比分別為73%和18%。

表1 2018年全球鋁行業(yè)總碳排放量(Mt CO2當量)Tab.1 Total carbon emissions of global aluminum industry in 2018 (million tons of carbon dioxide equivalent)[13]

2.2 電解鋁碳排放情況

中國2001年原鋁(電解鋁)產(chǎn)量僅為358 萬t,到2020年增長到3 708 萬t(約為2001年的10 倍),而由于其間生產(chǎn)能源強度的持續(xù)降低(2020年為2001年的87%),原鋁(電解鋁)生產(chǎn)電耗漲幅略小于其產(chǎn)量的變化,由52 149 GW·h 增長到484 772 GW·h(2001年的9.3 倍)[11-12]。表明2001—2020年間我國鋁行業(yè)在產(chǎn)量大幅增長的同時,在節(jié)能降耗方面也取得了進步。

目前,中國原鋁(電解鋁)生產(chǎn)過程中約90%的碳排放來自消耗電力的間接排放[14],原因是其耗電量中火電比例較高(圖5)。根據(jù)IAI 的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2020年中國原鋁冶煉電耗一次能源結構中煤炭占比約為80%,遠高于55%的世界平均水平,水能和其他可再生能源占比不足20%;除了中國以外,世界其他國家或地區(qū)原鋁冶煉電耗能源結構中煤炭占比僅為21%,天然氣占比為24%,水能占比為51%[11-12],而歐洲平均水能的占比超過80%。因此,中國原鋁(電解鋁)冶煉電力一次能源中火電比例偏高,而水能和其他可再生他能源比例過低,這種現(xiàn)象不利于行業(yè)的低碳化生產(chǎn)。

圖5 2001—2020年中國原鋁冶煉電耗一次能源結構Fig.5 Primary aluminium smelting power consumption in China from 2001 to 2020

2.3 鋁冶煉碳排放情況

氧化鋁冶煉碳排放量僅次于電解鋁。過去20年間,我國氧化鋁產(chǎn)量由2001年的475 萬t 增長至2020年的7 313 萬t(2001年產(chǎn)量的15 倍),但中國氧化鋁生產(chǎn)總能耗僅增長330% (由2001年的161 313 TJ上升到2020年的698 161 TJ),其原因是氧化鋁生產(chǎn)能源強度由2001年的34 691 MJ/t 下降到2020年的10 349 MJ/t(降低70%)[11-12],如圖6所示。

與電解鋁生產(chǎn)過程不同,氧化鋁冶煉過程的能耗主要來自化石燃料,對電力需求較小。從圖6中可以看出,2020年我國氧化鋁生產(chǎn)能耗中化石燃料占比為90%,因此,降低氧化鋁生產(chǎn)過程對化石燃料的依賴是有效的降碳途徑。

圖6 2001—2020年中國氧化鋁冶煉能耗情況Fig.6 Metallurgical alumina refining fuel consumption in Chian from 2001—2020

3 銅行業(yè)碳排放情況

銅的主要生產(chǎn)流程包括熔煉、吹煉和精煉工序(圖7),此外還包括制酸、動力制氧、選礦等配套生產(chǎn)工序[14]。其中,從銅精礦到陽極銅是銅冶煉的火法精煉段,在此過程中可選擇不同的生產(chǎn)工藝(如側吹熔煉+頂吹吹煉+陽極爐精煉、雙閃速爐+陽極爐精煉和底吹熔煉+ 側吹爐吹煉+ 陽極爐精煉),但最終決定碳排放量的是能源消耗情況、資源消耗情況和工業(yè)生產(chǎn)過程二氧化碳排放等因素[15-16]。研究顯示,我國銅生產(chǎn)過程中約80%的碳排放來自電力消耗,其余主要來自煤炭、天然氣等化石燃料消耗,還有很小部分來自石灰石[5]。因此,對銅行業(yè)而言,通過發(fā)展非化石能源替代傳統(tǒng)化石燃料和火電是有效的降碳途徑。

圖7 銅冶煉流程和主要碳排放源Fig.7 Copper smelting process and main carbon emission sources

4 有色金屬冶煉行業(yè)能源轉型升級的戰(zhàn)略目標與實現(xiàn)途徑

4.1 戰(zhàn)略目標

初步看來,能應用于有色金屬冶煉行業(yè)的非化石能源主要包括風能、太陽能、生物質能和氫能。為實現(xiàn)清潔低碳、可持續(xù)發(fā)展的目標,有色金屬冶煉行業(yè)應該加快布局,將能耗結構轉型升級作為行業(yè)節(jié)能降耗發(fā)展的重要方向:①實現(xiàn)非化石能源對傳統(tǒng)化石能源和火電的替代,逐步提高太陽能、風能等非化石能源在生產(chǎn)能耗結構中的占比;②推廣生物質能在有色金屬冶煉行業(yè)中的應用;③探索和研究氫能和氫冶金技術。

4.2 實現(xiàn)途徑

有色金屬冶煉行業(yè)能源轉型升級的關鍵是如何利用非化石能源替代傳統(tǒng)化石燃料和火電。有色金屬冶煉廠是連續(xù)生產(chǎn)的,而一些非化石能源呈現(xiàn)多時間尺度間歇性的特點,如何將這些不穩(wěn)定的非化石能源應用于有色金屬冶煉的生產(chǎn)過程,是要研究的關鍵問題。針對有色金屬冶煉生產(chǎn)過程對于能源需求穩(wěn)定性較高、不同非化石能源地域分布不同等特點,對有色冶煉行業(yè)的非化石能源推廣應用給出以下建議。

1)因地制宜開展分布式能源站的建設。沿海地區(qū)可考慮海上風電;西北部地區(qū)發(fā)展陸上風電;西部、南部有色冶煉廠可考慮太陽能,但同時要考慮可用場地面積。生物質除了作為燃料利用,還可以替代部分化石燃料作為還原劑(如生物質炭、生物質熱解氣)用于冶煉過程,日本、加拿大的鋼鐵企業(yè)目前已有生物質作為還原劑用于高爐煉鐵的案例[17-18]。

2)構建多能互補能源創(chuàng)新體系。在傳統(tǒng)化石燃料和火電的基礎上,將非化石能源(風、光、水力、生物質)納入生產(chǎn)能源體系中,并通過儲能裝置提高能源系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性,構建多能互補的能源創(chuàng)新體系[19-20]。

3)建立能源信息化管控系統(tǒng),實現(xiàn)多能源系統(tǒng)的靈活控制和優(yōu)化。通過大數(shù)據(jù)、信息化、智能化等手段,建立多元融合、供需互動、高效配置的智慧能源管理系統(tǒng),實現(xiàn)化石燃料、電網(wǎng)電力、非化石能源、余熱余能在生產(chǎn)工序、儲能系統(tǒng)、自備電廠等能源元件間的優(yōu)化調度,推動非化石能源與有色金屬冶煉工業(yè)的深度融合[21-23]。

圖8 多能互補智慧能源管理系統(tǒng)Fig.8 Multi energy complementary intelligent energy management system

4)氫冶金的探索。氫能具有生產(chǎn)成本高、儲運要求高、難度大的特點,但氫冶金是當前冶金領域低碳發(fā)展的重要方向。目前,氫冶金在鋼鐵領域研究較多,國外的比如瑞典的HYBRIT 項目、日本的COURSE50 項目、美國的Midrex 項目等,國內(nèi)的中國寶武鋼鐵基團有限公司、河鋼集團有限公司也開始了相關的研究[24-26];對有色金屬冶煉而言,氫冶金仍處于實驗室研究階段,而且僅能作用于氧化礦物的冶金過程[27],因此氫冶金應用于有色金屬冶煉的可行性和經(jīng)濟性仍需進一步研究。

5 政策建議

為推動有色金屬冶煉行業(yè)進行能源結構轉型,鼓勵有色金屬冶煉企業(yè)發(fā)展非化石能源,助力我國順利實現(xiàn)碳中和的目標,本文提出如下政策建議。

1)完善碳交易市場和制度,提高企業(yè)碳減排積極性。通過市場化機制增強有色金屬冶煉行業(yè)的低碳發(fā)展意識,利用碳排放成本倒逼有色冶煉企業(yè)使用非化石能源替代化石燃料,推動有色金屬冶煉行業(yè)的生產(chǎn)能源結構轉型。

2)加強頂層設計,強化戰(zhàn)略引導。根據(jù)地區(qū)實際情況,對非化石能源利用進行整體規(guī)劃,充分發(fā)揮地域自然條件優(yōu)勢,鼓勵有色冶煉企業(yè)因地制宜發(fā)展非化石能源。

3)通過政策導向和金融支持引導有色冶煉企業(yè)發(fā)展非化石能源。如:采用風、光、水力、生物質等能源發(fā)電可獲得額外發(fā)電小時數(shù),通過綠色信貸業(yè)務獲得更多非化石能源利用融資,推進有色冶煉工業(yè)能源結構轉型升級。

4)增加有色冶煉行業(yè)與非化石能源行業(yè)的交流合作。建立有色冶煉行業(yè)與非化石能源行業(yè)的交流平臺,推進行業(yè)間的信息、咨詢共享,提高有色金屬冶煉行業(yè)對非化石能源資源應用的意識,推動傳統(tǒng)有色金屬冶煉行業(yè)的能源結構升級和高質量發(fā)展。

5)推動有色冶煉行業(yè)能源管控平臺數(shù)字化升級。推動信息化、智能化能源管控系統(tǒng)的應用和升級,增強有色冶煉企業(yè)多能源系統(tǒng)管控和調度,完善有色冶煉行業(yè)能量流網(wǎng)絡的搭建和優(yōu)化。