侯欣彤，田馳，韓振南，黃小銳

開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

基于自主生命周期軟件對(duì)原鎂生產(chǎn)的碳足跡評(píng)價(jià)

侯欣彤1，2，田馳1，2，韓振南1，黃小銳1

（1. 沈陽(yáng)化工大學(xué) 資源化工與材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110142； 2. 沈陽(yáng)化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

全球氣候變化已成為21世紀(jì)人類共同面對(duì)的挑戰(zhàn)，建立統(tǒng)一的碳排放交易市場(chǎng)、減少工業(yè)生產(chǎn)的碳排放已經(jīng)成為全球共識(shí)。皮江法煉鎂因存在高能耗、高碳排放量等問(wèn)題飽受詬病。采用生命周期評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用自主生命周期軟件定量評(píng)價(jià)了我國(guó)2011年皮江法、2020年皮江法和電解法生產(chǎn)金屬鎂過(guò)程中的碳足跡，以期為國(guó)內(nèi)鎂行業(yè)的碳減排提供指導(dǎo)以及有效應(yīng)對(duì)碳排放交易市場(chǎng)建立帶來(lái)的挑戰(zhàn)。研究表明，我國(guó)皮江法生產(chǎn)鎂在2020年的資源能源利用效率顯著提高，碳排放為2.5×104kg CO2-eq較2011年皮江法生產(chǎn)鎂的碳排放3.12×104kg CO2-eq相比明顯降低并與電解法生產(chǎn)鎂的碳排放2.38×104kg CO2-eq基本持平。進(jìn)一步研發(fā)新技術(shù)、使用清潔能源和完善碳交易平臺(tái)將推動(dòng)中國(guó)的原鎂產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

生命周期評(píng)價(jià)；鎂生產(chǎn)；碳足跡；碳交易

氣候變化正在以越來(lái)越快的速度，愈演愈烈的強(qiáng)度和規(guī)模對(duì)人類生存環(huán)境的方方面面造成影響。當(dāng)前，面對(duì)全球氣候變化及其影響是如今人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因氣候變化帶來(lái)的全球海平面上升、糧食減產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)惡化、極端天氣頻發(fā)及能耗增加的問(wèn)題將直接影響人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，危害人類生存環(huán)境[1-2]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）的評(píng)估報(bào)告，基于化石燃料為主要能源的生產(chǎn)活動(dòng)排放的溫室氣體與氣候變化有著強(qiáng)相關(guān)性。以CO2為主的溫室氣體由于“溫室效應(yīng)”導(dǎo)致全球氣候變暖已成為全球科學(xué)家們的共識(shí)[3]。為面對(duì)全球氣候變化，控制溫室氣體排放，2015年12月《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》近200個(gè)締約方通過(guò)《巴黎協(xié)定》，同意將21世紀(jì)內(nèi)全球平均升溫控制在工業(yè)化前的2 ℃以內(nèi)，并為控溫1.5 ℃而努力[4-5]。中國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化，堅(jiān)守巴黎協(xié)定承諾，承諾在2020年底建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一的碳排放權(quán)交易市場(chǎng)（電力行業(yè)），二氧化碳排放2030年達(dá)峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和[6-7]。為有效應(yīng)對(duì)碳交易市場(chǎng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響以及工業(yè)產(chǎn)品對(duì)氣候變化的影響，必須對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放、碳足跡進(jìn)行研究并以此為理論依據(jù)指導(dǎo)工業(yè)發(fā)展的節(jié)能減排技術(shù)改造以及低碳發(fā)展[8]。

得益于中國(guó)早期較為松懈的環(huán)保政策以及低廉的勞動(dòng)力等，皮江法煉鎂工藝由于其工藝簡(jiǎn)單、投資小、回本快等優(yōu)點(diǎn)，其在中國(guó)得到大規(guī)模的應(yīng)用推廣并且成為中國(guó)最主流的原鎂生產(chǎn)工藝[9-10]。中國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)得以快速興起，自2000年起，中國(guó)已經(jīng)成為全球最大的原鎂生產(chǎn)國(guó)，占全球產(chǎn)量80%以上[11-12]。然而皮江法由于其高能耗，溫室氣體高排放及惡劣的工作環(huán)境的缺點(diǎn)飽受詬病，國(guó)際社會(huì)曾一度掀起抵制皮江鎂的浪潮。Subramania等比較了皮江法煉鎂工藝與電解法煉鎂工藝的碳排放，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)電解工藝的碳排放為24.3 kg CO2-eq/kg 鎂錠而中國(guó)皮江法工藝的碳排放為42.0 kg CO2-eq/kg 鎂錠[13]。Cherubini等基于生命周期觀點(diǎn)對(duì)原鎂從搖籃到大門的碳排放進(jìn)行了研究，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)皮江法生產(chǎn)噸鎂的碳排放約為41.28 t CO2-eq[14]?？紤]到國(guó)內(nèi)原鎂制造業(yè)的高碳排放，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)皮江法做了大量改進(jìn)，廣泛采用回轉(zhuǎn)窯為煅燒設(shè)備，普遍利用高溫蓄熱技術(shù)以及氣體燃料為能源供給等使得皮江法的能耗，碳排放得以大幅度下降。高峰等人用生命周期評(píng)價(jià)法評(píng)估了三種利用不同能源的皮江法的環(huán)境影響[15-21]。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)以焦?fàn)t煤氣為能源的皮江法對(duì)環(huán)境影響最小，生產(chǎn)噸鎂碳排放約為21.7 t CO2-eq。國(guó)際鎂協(xié)對(duì)2011年中國(guó)皮江法工藝進(jìn)行生命周期評(píng)估，其研究結(jié)果表明中國(guó)皮江法工藝的溫室氣體平均排放約為25.8 kg CO2-eq/kg鎂錠。除了對(duì)皮江法進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造，國(guó)內(nèi)也從挪威海德魯鋁業(yè)公司引進(jìn)一條電解鹵水制鎂生產(chǎn)線以期降低鎂生產(chǎn)過(guò)程的碳排放[22-23]。

目前，面對(duì)即將推行的全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)以及嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)，對(duì)我國(guó)原鎂生產(chǎn)工業(yè)的碳足跡，碳排放進(jìn)行準(zhǔn)確的，符合國(guó)內(nèi)實(shí)際情形的客觀評(píng)價(jià)顯得十分必要[24-25]。由于中國(guó)生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷補(bǔ)充以及國(guó)內(nèi)生命周期評(píng)價(jià)軟件的開(kāi)發(fā)，使得完全利用國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)原鎂生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡、碳排放成為可能?；趪?guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的生命周期評(píng)價(jià)在線工業(yè)軟件webLCA，依賴國(guó)內(nèi)生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)，本文對(duì)我國(guó)原鎂從搖籃到大門的全生命周期生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡，碳排放進(jìn)行了評(píng)估以期對(duì)我國(guó)原鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考[26]。

1 研究方法

以2011年陜西皮江鎂平均生產(chǎn)工藝過(guò)程，2020年陜西某企業(yè)皮江法煉鎂工藝以及鹽湖鹵水電解制鎂工藝為研究對(duì)象，基于全生命周期觀點(diǎn)，利用在線webLCA軟件對(duì)三種生產(chǎn)工藝的碳足跡，碳排放進(jìn)行研究。其中2011年陜西皮江鎂生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)鎂協(xié)以及國(guó)際鎂協(xié)，2020年某企業(yè)皮江法煉鎂生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于企業(yè)實(shí)測(cè)，鹽湖鹵水電解制鎂工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于期刊文獻(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

原鎂生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡邊界為搖籃到大門的生命周期過(guò)程，即包括從原料提取到鎂錠生產(chǎn)的全部過(guò)程涉及的碳排放。皮江法工藝的碳排放邊界以及電解法工藝的碳排放邊界分別如圖1、圖2所示。

2.1 皮江法碳排放邊界

皮江法煉鎂技術(shù)是由加拿大皮江教授于20世紀(jì)40年代開(kāi)發(fā)的，是以白云石為鎂源，硅鐵為還原劑在高溫，真空環(huán)境下進(jìn)行還原反應(yīng)的外熱還原制鎂工藝。2018年全球原鎂產(chǎn)量97萬(wàn)t，中國(guó)皮江鎂產(chǎn)量占比82.5%，皮江法已成為中國(guó)以及世界最主流的煉鎂工藝。

如圖1所示，皮江法碳排放邊界主要包括白云石開(kāi)采、原鎂生產(chǎn)、蘭炭生產(chǎn)、電廠發(fā)電、螢石開(kāi)采以及硅鐵生產(chǎn)等過(guò)程。

白云石經(jīng)過(guò)采礦設(shè)備開(kāi)采，破碎后經(jīng)公路運(yùn)輸?shù)芥V廠。原鎂廠生產(chǎn)過(guò)程主要包括煅燒、制球、還原和精煉及澆注等過(guò)程。到廠白云石首先經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)窯煅燒成為煅白，煅燒過(guò)程中白云石熱解以及蘭炭尾氣燃燒排放大量溫室氣體CO2。煅白再與還原劑硅鐵以及催化劑螢石在制球車間壓塊成型，成型后進(jìn)入還原罐中在蓄熱式高溫爐中經(jīng)高溫，真空還原成鎂蒸汽，還原過(guò)程消耗大量蘭炭尾氣，釋放大量CO2。鎂蒸汽冷凝成塊后取出進(jìn)行精煉及澆注成型為鎂錠，精煉過(guò)程采用蘭炭尾氣為燃料，排放CO2。原鎂生產(chǎn)所需的螢石來(lái)自螢石礦石開(kāi)采，篩選后經(jīng)公路運(yùn)輸?shù)綇S。所需的硅鐵來(lái)自硅鐵廠生產(chǎn)后經(jīng)公路運(yùn)輸?shù)綇S。原鎂生產(chǎn)需要的氣體燃料來(lái)源于當(dāng)?shù)靥m炭生產(chǎn)產(chǎn)生的蘭炭尾氣，所需的電力供應(yīng)來(lái)源于西北電網(wǎng)。

圖1 皮江法煉鎂過(guò)程碳排放邊界

2.2 電解法碳排放邊界

電解法煉鎂工藝是世界上最早的煉鎂技術(shù)，2000年以前一直是全球主導(dǎo)煉鎂工藝，主要應(yīng)用于國(guó)外。電解法即利用電解技術(shù)電解無(wú)水氯化鎂制備金屬鎂以及氯氣。國(guó)內(nèi)引進(jìn)的海德魯電解鎂技術(shù)采用電解鹽湖鹵水在HCl氣氛下脫水制得的無(wú)水氯化鎂制取金屬鎂工藝。

如圖2所示，電解法碳排放邊界主要包括鹽湖鹵水抽取，原鎂生產(chǎn)，鍋爐蒸汽生產(chǎn)，煤氣生產(chǎn)，精煉保護(hù)劑R134a生產(chǎn)以及電廠發(fā)電等過(guò)程。

圖2 電解法煉鎂過(guò)程碳排放邊界

經(jīng)提鉀后鹽湖鹵水或海水曬鹽后所得的廢鹵經(jīng)泵抽取到電解鎂廠。在電解鎂廠首先經(jīng)蒸發(fā)濃縮以及噴灑造粒得到氯鎂石固體顆粒，隨后固體顆粒輸送到沸騰床中進(jìn)行脫水提純。脫水后的氯鎂石在HCl氣氛中進(jìn)一步進(jìn)行脫水，制得無(wú)水氯化鎂顆粒。無(wú)水氯化鎂進(jìn)入電解槽里電解制得氯氣以及金屬鎂，金屬鎂經(jīng)過(guò)精煉及澆注成型為鎂錠，精煉過(guò)程使用四氟乙烷（R134a）為氣體保護(hù)劑。電解鎂生產(chǎn)過(guò)程中蒸發(fā)濃縮過(guò)程所需的蒸汽來(lái)源鍋爐燃煤生產(chǎn)，脫水提純過(guò)程所需燃料來(lái)源煤氣生產(chǎn)過(guò)程，所需電力供應(yīng)來(lái)自西北電網(wǎng)供給，主要用于電解過(guò)程。

2.3 鎂錠生命周期清單

2020年皮江法生產(chǎn)鎂錠，2011年皮江法生產(chǎn)鎂錠以及鹽湖鹵水電解生產(chǎn)鎂錠的生命周期清單數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鎂錠不同生產(chǎn)工藝的生命周期清單

如表1所示，皮江法與電解法工藝的區(qū)別直接表現(xiàn)在原料以及能源的區(qū)別。皮江法原料主要有白云石、硅鐵、螢石而電解法原料則是用鹽湖鹵水為原料。皮江法的能源主要來(lái)源于化石氣體燃料燃燒而電解法的能源供應(yīng)主要來(lái)自于電力。皮江法使用的煉鎂反應(yīng)罐由于在高溫，真空環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用，容易發(fā)生形變導(dǎo)致反應(yīng)的真空度下降影響鎂生產(chǎn)過(guò)程，需要定期回爐重鑄，回爐重鑄過(guò)程主要消耗電力。在原鎂熔融精煉時(shí)，皮江法利用在表面噴灑硫磺粉的方法來(lái)隔絕空氣，防止鎂氧化，電解法則利用四氟乙烷（R134a）作為保護(hù)氣氛。電解時(shí)，石墨電極隨電解進(jìn)行發(fā)生損耗。對(duì)于皮江法而言，不同技術(shù)水平下的鎂錠生產(chǎn)的生命周期清單也不同。2011年皮江法采用臥式橫罐反應(yīng)器，2020年皮江法則采用豎罐反應(yīng)器，由于反應(yīng)器的不同，鎂錠生產(chǎn)中的原鎂生產(chǎn)單元過(guò)程所需的能耗、物料有所不同。與此同時(shí)，硅鐵的生產(chǎn)工藝也發(fā)生了變化。2011年皮江法所用的硅鐵來(lái)自內(nèi)蒙，以硅石和焦炭為原料，電力為能源。而2020年皮江法所用硅鐵則是來(lái)自于當(dāng)?shù)仄髽I(yè)自產(chǎn)，以硅石和蘭炭為原料，電力為能源。由于技術(shù)水平的改進(jìn)和提高，與2011年相比，2020年硅鐵生產(chǎn)過(guò)程所需的能耗，物料均有所下降，如表2所示。

表2 硅鐵生產(chǎn)不同技術(shù)水平的生命周期清單

如表3所示，蘭炭生產(chǎn)單元過(guò)程是多產(chǎn)品輸出，產(chǎn)品主要有蘭炭，焦油以及蘭炭尾氣，各個(gè)產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度按質(zhì)量分配原則分配。

表3 蘭炭生產(chǎn)的生命周期清單

2.4 碳排放計(jì)算

鎂錠生產(chǎn)生命周期的碳排放可分為直接碳排放和間接碳排放。間接碳排放來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中能源，上游原材料等生產(chǎn)過(guò)程中。原鎂生產(chǎn)單元過(guò)程中因生產(chǎn)能源如電力、蘭炭尾氣和因生產(chǎn)上游原料如硅鐵、白云石等而排放的二氧化碳即為間接碳排放。間接碳排放數(shù)據(jù)由webLCA根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程生命清單數(shù)據(jù)在分配原則下計(jì)算得到，數(shù)據(jù)庫(kù)采用中國(guó)生命清單數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD。

鎂錠生產(chǎn)過(guò)程的直接碳排放則來(lái)自原鎂生產(chǎn)單元過(guò)程中的過(guò)程排放以及燃料燃燒產(chǎn)生的排放。對(duì)皮江法而言，原鎂生產(chǎn)單元的過(guò)程排放來(lái)源于白云石原料煅燒釋放的二氧化碳。因此可以根據(jù)白云石純度和白云石中CO2含量來(lái)計(jì)算得到過(guò)程碳排放量，以白云石純度為98%，完全煅燒計(jì)。對(duì)電解法來(lái)說(shuō)，原鎂生產(chǎn)單元的過(guò)程排放來(lái)源于氣體保護(hù)劑。電解法采用四氟乙烷（R134a）作為原鎂精煉氣體保護(hù)劑，R134a是強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體，其全球變暖潛力（GWP）為CO2的1430倍，其中CO2的GWP為1。因此電解法的過(guò)程碳排放可以根據(jù)R134a的溫室效應(yīng)轉(zhuǎn)化為等效的CO2。

燃料燃燒的碳排放由燃料的消耗以及燃料種類決定，可由公式（1）計(jì)算得到。

其中：EFC—燃料燃燒排放的二氧化碳量，kg CO2-eq；

M —燃料消耗質(zhì)量，kg；

Q —燃料熱值，MJ/kg；

K —燃料燃燒碳排放因子，kg C/MJ；

α—燃料碳氧化率。

原鎂生產(chǎn)涉及的燃料的相應(yīng)參數(shù)如表4所示。

表4 蘭炭尾氣，煙煤以及發(fā)生爐煤氣相應(yīng)參數(shù)

注：a數(shù)據(jù)來(lái)源企業(yè)實(shí)測(cè)；b，d數(shù)據(jù)來(lái)源2006IPCC值；c數(shù)據(jù)來(lái)源論文值。

2.5 碳足跡評(píng)價(jià)

圖3為2011年技術(shù)水平下皮江法生產(chǎn)鎂工藝的各過(guò)程碳排放的帕累托圖。如圖3所示，在鎂生產(chǎn)過(guò)程中，碳足跡主要來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中的直接碳排放以及硅鐵生產(chǎn)，蘭炭尾氣生產(chǎn)，發(fā)電過(guò)程等間接碳排放。其中直接碳排放約為1.37×104kg CO2-eq,占總碳排放的43.87 %。間接碳排放約為1.75×104kg CO2-eq ，占總碳排放的56.13%。間接碳排放中，碳足跡主要來(lái)源于硅鐵生產(chǎn)過(guò)程，蘭炭尾氣生產(chǎn)過(guò)程以及發(fā)電過(guò)程中。硅鐵生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量為1.16×104kg CO2-eq，蘭炭尾氣的碳排放量為4.54×103kg CO2-eq，發(fā)電過(guò)程排放為1.11×103kg CO2-eq。三者的碳排放占間接碳排放的99%以上，而來(lái)源于還原罐生產(chǎn)過(guò)程，白云石開(kāi)采過(guò)程，白云石運(yùn)輸過(guò)程，硅鐵運(yùn)輸過(guò)程，螢石以及硫磺生產(chǎn)過(guò)程的碳排放因此貢獻(xiàn)比例太低可忽略不計(jì)。

圖3 皮江法生產(chǎn)鎂帕累托圖

圖4以及圖5分別表示硅鐵生產(chǎn)過(guò)程以及蘭炭尾氣生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡。

圖4 硅鐵生產(chǎn)碳排放圖

從圖4可以看出，硅鐵生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡主要來(lái)源于發(fā)電過(guò)程，焦炭生產(chǎn)過(guò)程，鐵屑生產(chǎn)過(guò)程，石墨電極生產(chǎn)，硅石生產(chǎn)以及硅鐵生產(chǎn)中的過(guò)程排放造成的直接碳排放。其中，發(fā)電過(guò)程中排放碳排放約為1.05×104kg CO2-eq，焦炭生產(chǎn)過(guò)程中碳排放約為 5.52×102kg CO2-eq，鐵屑生產(chǎn)過(guò)程中碳排放約為 4.59×102kg CO2-eq。發(fā)電過(guò)程中的碳排放占硅鐵生產(chǎn)過(guò)程總碳排放的90.68%，為其最主要的碳足跡來(lái)源。如圖5所示，蘭炭尾氣生產(chǎn)過(guò)程中碳足跡主要來(lái)源于煤炭開(kāi)采，發(fā)電以及煤炭運(yùn)輸。其中，煤炭開(kāi)采過(guò)程的碳排放為3.27×103kg CO2-eq，占比72.03%，為蘭炭尾氣生產(chǎn)過(guò)程中最主要的碳足跡來(lái)源，發(fā)電過(guò)程的碳排放為1.12×103kg CO2-eq，占比 24.67%，煤炭運(yùn)輸過(guò)程的碳排放為 1.50×102kg CO2-eq，占比3.3%。

圖5 蘭炭尾氣生產(chǎn)的碳排放圖

圖6為2020年技術(shù)水平下新皮江法生產(chǎn)鎂工藝的各過(guò)程帕累托圖。

圖6 新皮江法生產(chǎn)鎂帕累托圖

如圖6所示，在鎂生產(chǎn)過(guò)程中，碳足跡主要來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中的直接碳排放以及硅鐵生產(chǎn)，煤氣生產(chǎn)和發(fā)電過(guò)程等間接碳排放。其中直接碳排放約為1.10×104kg CO2-eq，占總碳排放的44.08%。間接碳排放約為1.40×104kg CO2-eq，占總碳排放量的55.92%。間接碳排放中，碳足跡主要來(lái)源于硅鐵生產(chǎn)過(guò)程，煤氣生產(chǎn)過(guò)程，發(fā)電過(guò)程和還原罐及中心管生產(chǎn)過(guò)程中。硅鐵生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量為8.22×103kg CO2-eq，煤氣的碳排放量為3.03×103kg CO2-eq，發(fā)電過(guò)程的碳排放量為2.44×103kg CO2-eq，還原罐及中心管生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量為1.73×102kg CO2-eq。四者的碳排放占間接碳排放的99%以上，而來(lái)源于白云石開(kāi)采過(guò)程，白云石運(yùn)輸過(guò)程，螢石開(kāi)采過(guò)程和螢石運(yùn)輸過(guò)程的碳排放因此貢獻(xiàn)太低而忽略不計(jì)。

圖7、圖8分別表示新的硅鐵工藝生產(chǎn)過(guò)程和蘭炭生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡。從圖7中可以看出，新硅鐵生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡主要來(lái)源于發(fā)電過(guò)程，鋼屑生產(chǎn)過(guò)程，蘭炭生產(chǎn)過(guò)程，電極糊生產(chǎn)，硅鐵生產(chǎn)中的過(guò)程排放造成的直接碳排放，其中，發(fā)電過(guò)程中碳排放約為7.53×103kg CO2-eq，鋼屑生產(chǎn)過(guò)程中碳排放約為4.12×102kg CO2-eq，蘭炭生產(chǎn)過(guò)程中碳排放約為2.04×102kg CO2-eq。發(fā)電過(guò)程中的碳排放占硅鐵生產(chǎn)過(guò)程總碳排放的91.71%，為其最主要的碳足跡來(lái)源。如圖8所示，蘭炭生產(chǎn)過(guò)程中碳足跡主要來(lái)源于洗精煤和電力。其中，洗精煤生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放為1.52×102kg CO2-eq，占總碳排放的74.26%，為蘭炭尾氣生產(chǎn)過(guò)程中最主要的碳足跡來(lái)源，發(fā)電過(guò)程的碳排放為52.7 kg CO2-eq，占比 25.74%。

圖7 新硅鐵生產(chǎn)的碳排放圖

圖8 蘭炭生產(chǎn)碳排放圖

圖9為電解鹽湖鹵水制鎂的電解工藝生產(chǎn)過(guò)程的碳排放帕累托圖。如圖9所示，電解法生產(chǎn)過(guò)程中碳足跡主要來(lái)源與發(fā)電，煤氣生產(chǎn)過(guò)程，煤炭開(kāi)采過(guò)程，四氟乙烷生產(chǎn)，含鎂鹵水提取以及石墨生產(chǎn)等程的間接碳排放和因化石燃料燃燒以及四氟乙烷溫室效應(yīng)造成的直接碳排放。每生產(chǎn)1 t金屬鎂，電解法生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放為2.38×104kg CO2-eq。其中，直接碳排放約為6.37×103kg CO2-eq，占總碳排放的26.74%，間接碳排放約為1.74×104kg CO2-eq，占總碳排放的73.26%。間接碳排放中，碳足跡主要來(lái)源于發(fā)電以及煤氣生產(chǎn)過(guò)程。發(fā)電過(guò)程的碳排放約為1.56×104kg CO2-eq，占總碳排放65.49%，煤氣生產(chǎn)過(guò)程的碳排放為1.54×103kg CO2-eq，占總碳排放6.47%，而來(lái)源于煤炭開(kāi)采，四氟乙烷生產(chǎn)，含鎂鹵水提取以及石墨生產(chǎn)的碳排放因其比例占比太小可忽略。可以看出，在電解鎂生產(chǎn)過(guò)程中，碳足跡主要來(lái)源于發(fā)電，這與電解法的主要能源為電力供給相一致。

圖9 電解鎂帕累托圖

圖10表示以2011年皮江法，2020年皮江法以及鹽湖鹵水電解法生產(chǎn)1 t金屬鎂的碳排放。2011年皮江法，2020年皮江法以及電解法的碳排放分別為3.12×104kg CO2-eq，2.5×104kg CO2-eq 和2.38×104kg CO2-eq。

圖10 三種工藝碳排放對(duì)比圖

近年來(lái)，由于工業(yè)節(jié)能減排不斷推進(jìn)以及嚴(yán)峻的環(huán)境治理形勢(shì)，高排放的工業(yè)行業(yè)不得不進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)來(lái)適應(yīng)環(huán)保壓力，尤其是我國(guó)2060年需達(dá)碳中和的碳排放壓力。2020年技術(shù)水平的皮江法通過(guò)改進(jìn)煉鎂還原罐設(shè)計(jì)，改進(jìn)主要原料硅鐵的生產(chǎn)工藝使得金屬鎂生產(chǎn)的全生命周期的碳排放較2011年技術(shù)水平的皮江法有顯著降低，降低約20%，已經(jīng)與電解鎂的二氧化碳排放基本持平，僅比電解法多排放5%的二氧化碳。

值得注意的是2011年技術(shù)水平皮江法的直接碳排放為1.37×104kg CO2-eq ，2020年技術(shù)水平皮江法的直接碳排放為1.10×104kg CO2-eq ，而電解法的直接碳排放為6.37×103kg CO2-eq ，明顯小于皮江法的直接碳排放。對(duì)皮江法而言，其生產(chǎn)過(guò)程的直接碳排放主要來(lái)源于碳酸鹽煅燒過(guò)程的過(guò)程碳排放以及化石燃料燃燒的碳排放，2020年技術(shù)水平的直接碳排放的減小是由于其生產(chǎn)所需的化石燃料消耗降低引起的。電解法生產(chǎn)過(guò)程中的直接碳排放主要來(lái)源于化石燃料燃燒的碳排放以及氣體保護(hù)劑四氟乙烯的溫室效應(yīng)，由于電解法的主要能源為電力，所以其化石燃料消耗低，直接碳排放較皮江法有明顯的減少。然而，我國(guó)電力生產(chǎn)主要來(lái)源于燃煤火力發(fā)電，因此我國(guó)電解鎂的全生命周期的碳排放仍較大。

2020年皮江法生產(chǎn)鎂碳排放的降低顯示了我國(guó)皮江法資源能源的利用效率提高和技術(shù)攻關(guān)方面的進(jìn)步，也展示了我國(guó)對(duì)于環(huán)保治理的決心。但我國(guó)鎂工業(yè)在節(jié)能減排等方面仍有提升的空間，這關(guān)系到我們國(guó)家的利益和國(guó)際地位等問(wèn)題。首先煉鎂過(guò)程中的碳排放壓力不容忽視，要進(jìn)一步加大節(jié)能減排的投入，使用清潔能源。其次要提高資源利用效率，提升皮江法生產(chǎn)鎂的技術(shù)水平和加強(qiáng)電解法煉鎂工藝的技術(shù)攻關(guān)，形成皮江法生產(chǎn)鎂和電解法生產(chǎn)鎂并重的格局。

3 結(jié) 論

應(yīng)用國(guó)內(nèi)LCA軟件對(duì)國(guó)內(nèi)皮江法和電解法生產(chǎn)鎂進(jìn)行評(píng)價(jià)，克服了國(guó)外對(duì)中國(guó)鎂工業(yè)碳排放認(rèn)識(shí)的局限性。通過(guò)評(píng)價(jià)分析，2011年皮江法生產(chǎn)鎂、2020年皮江法生產(chǎn)鎂和電解鎂相比，2020年皮江鎂碳排放量為2.5×104kg CO2-eq，較2011年的3.12×104kg CO2-eq明顯下降，與電解法生產(chǎn)噸鎂碳排放量2.38×104kg CO2-eq基本持平。對(duì)于皮江法，碳足跡主要來(lái)源碳酸鹽分解，燃料燃燒以及硅鐵生產(chǎn)，硅鐵生產(chǎn)的碳足跡主要來(lái)源發(fā)電，碳捕集技術(shù)，燃料節(jié)能以及發(fā)電方式?jīng)Q定著皮江法的碳排放；而對(duì)于電解法，碳足跡主要來(lái)源于發(fā)電，電力生產(chǎn)的方式直接決定電解法的碳排放。電解法較皮江法更容易實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，但是在技術(shù)人口程度、投資成本、碳市場(chǎng)等背景下，二者仍存在博弈。

但在節(jié)能減排，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的背景下，LCA的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)進(jìn)一步降低皮江法生產(chǎn)鎂的碳排放起著積極推動(dòng)的作用，通過(guò)研發(fā)節(jié)能減排的新技術(shù)、改善工藝和使用清潔能源，完善碳排放交易市場(chǎng)將有助于我國(guó)原鎂工業(yè)的發(fā)展，未來(lái)中國(guó)原鎂工業(yè)的低碳化發(fā)展是令人期待的。

［1］傅才武, 錢珊. 人類命運(yùn)共同體視野下人口—資源環(huán)境問(wèn)題的歷史鏡鑒[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2020, 48 (03): 8-19.

［2］滕吉文, 阮小敏, 張永謙, 等. 節(jié)能高效、減排低碳與責(zé)任和速工業(yè)化及經(jīng)濟(jì)騰飛[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2011, 26 (03): 761-793.

［3］方精云, 朱江玲, 王少鵬, 等. 全球變暖、碳排放及不確定性[J].中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 2011, 41 (10): 1385-1395.

［4］李強(qiáng). “后巴黎時(shí)代”中國(guó)的全球氣候治理話語(yǔ)權(quán)構(gòu)建：內(nèi)涵、挑戰(zhàn)與路徑選擇[J]. 國(guó)際論壇, 2019, 21(06): 3-14.

［5］FRED K, NATHANIEL K, ERIC P. “Less Than Zero: Can Carbon-Removal Technologies Curb Climate Change ?” ［J］., 2019，98（2）144.

［6］習(xí)近平. 在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話[R].2020.

［7］張耀宗,張勃,劉艷艷,等.中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化與氣候變化外交[J].中國(guó)軟科學(xué),2014(11):9-16.

［8］李堃,王奇.基于文獻(xiàn)計(jì)量方法的碳排放責(zé)任分配研究發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2019,39(07):2410-2433.

［9］劉紅湘,戴永年,田陽(yáng),等.中國(guó)皮江法煉鎂工業(yè)環(huán)保問(wèn)題的探討[J].輕金屬,2010(11):43-48.

［10］邵瑞.皮江法煉鎂的工藝現(xiàn)狀及節(jié)能優(yōu)化分析[J].中國(guó)高新區(qū), 2018 (10):162-163.

［11］林如海，孫前．走向新時(shí)代的中國(guó)鎂工業(yè)［J］．中國(guó)有色金屬，2019(3) : 38-41．

［12］董書恒,逯承鵬,邢冉,等.中國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流與價(jià)值流的生命周期分析[J].中國(guó)環(huán)境管理,2019,11(06):50-56.

［13］Ramakrishnan, S;Koltun, P.A COMPARISON OF THE GREENHOUSE IMPACTS OF MAGNESIUM PRODUCED BY ELECTROLYTIC AND PIDGEON PROCESSES[C]//Magnesium Technology 2004.Warrendale, PA:A.A. Luo, Editor ,2004：173-178.

［14］CHERUBINI F，RAUGEI M，ULGIATI S. LCA of magnesium production. Technological overview and worldwide estimation of environmental burdens(Article)[J].，2008，52(8-9)：1093-1100.

［15］高峰,聶祚仁,王志宏,等.皮江法煉鎂能源利用方案的環(huán)境影響[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(06):646-651.

［16］沈萬(wàn)霞. 鎂合金材料的全生命周期評(píng)價(jià)[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué), 2011.

［17］高峰,聶祚仁,王志宏,等.中國(guó)皮江法煉鎂的資源消耗和環(huán)境影響分析[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2006(08):1456-1461.

［18］高楓,馮乃祥,任保軼,等.金屬鎂熱法生產(chǎn)生命周期評(píng)價(jià)研究[J].輕金屬,2009(08):65-67.

［19］高峰. 生命周期評(píng)價(jià)研究及其在中國(guó)鎂工業(yè)中的應(yīng)用[D].北京工業(yè)大學(xué),2008.

［20］沈萬(wàn)霞,高峰,王志宏,等.原鎂及鎂合金生產(chǎn)的環(huán)境影響分析[J].輕金屬,2011(01):43-47.

［21］高楓,馮乃祥,畢穎,等.皮江法煉鎂過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)[J].有色金屬,2009,61(04):185-188.

［22］申明亮. 電解法與皮江法煉鎂的效益比較及分析[J].有色冶金節(jié)能, 2009, 25 (05): 6-9.

［23］馬培華.科學(xué)開(kāi)發(fā)我國(guó)的鹽湖資源[J].化學(xué)進(jìn)展, 2009, 21(11) :2349-2357.

［24］楊博文.環(huán)境責(zé)任下我國(guó)碳審計(jì)與鑒證制度框架的構(gòu)建[J].南京審計(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,14(06):75-84.

［25］王微,林劍藝,崔勝輝,等.碳足跡分析方法研究綜述[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(07):71-78.

［26］鄭秀君,胡彬.我國(guó)生命周期評(píng)價(jià)(LCA)文獻(xiàn)綜述及國(guó)外最新研究進(jìn)展[J].科技進(jìn)步與對(duì)策,2013,30(06):155-160.

Carbon Footprint Evaluation of Primary Magnesium Production Based on Autonomous Life Cycle Software

1,2,1,2,1,1

（1.Key Laboratory on Resources Chemicals and Materials of Ministry of Education, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China; 2. School of Environment and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Liaoning 110142, China）

Global climate change has become a common challenge to mankind in the 21st century. It has become a global consensus to establish a unified carbon emission trading market and reduce the carbon emission from industrial production. Magnesium produced by Pidgeon method has been criticized for its high energy consumption and carbon emission. In this paper, the life cycle assessment method and the independent life cycle software were used to quantitatively evaluate the carbon footprint in the process of producing magnesium by Pidgeon method in 2011, Pidgeon method in 2020 and the electrolysis method in China, so as to provide guidance for the carbon emission reduction of the domestic magnesium industry and effectively deal with the challenges brought by the establishment of the carbon emission trading market. The results showed that the resource and energy utilization efficiency of magnesium produced by the Pidgeon method in China were significantly improved in 2020, and the carbon emission of 2.5×104kg CO2-eq produced by the Pidgeon method in 2020 was significantly reduced compared with the carbon emission of3.12×104kg CO2-eqproduced by the Pidgeon method in 2011, which was basically equal to the carbon emission of 2.38×104kg CO2-eq produced by the electrolysis method. The further research and development of new technologies, the use of clean energy and the improvement of carbon trading platform will promote the sustainable and healthy development of Chinese original magnesium industry.

Life cycle assessment (LCA); Magnesium production; Carbon footprint; Carbon trading

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2020YFC1909304）。

2020-11-14

侯欣彤（1996-），女，遼寧省遼陽(yáng)市人，研究方向：安全工程、低碳發(fā)展、工業(yè)碳足跡研究。

黃小銳（1994-），男，助教，碩士學(xué)位，研究方向：菱鎂固廢處理、鎂冶煉、碳足跡研究。

TQ127.1+1

A

1004-0935（2020）12-1522-07