李 鵬,李寶寬,孫 毅,許海飛

(1.東北大學 冶金學院,遼寧 沈陽 110819;2.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

進入21世紀以來,隨著實體經濟的迅猛發(fā)展,環(huán)境問題也日漸暴露。環(huán)境問題被認為是關系到居民安定生活和國家健康發(fā)展的至關重要的問題,也是全世界人類所共同面臨的問題。從發(fā)達國家發(fā)展進程中可以清晰的看到,伴隨工業(yè)發(fā)展規(guī)模的急劇擴張,隨之而來的海洋污染、大氣污染、水污染等眾多環(huán)境問題不可避免,其中二氧化碳的排放問題尤為突出,導致全球氣候變暖,影響到人類的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。據報告估算,2020年全球將向大氣中排放達到歷史峰值的340億噸二氧化碳,而中國作為二氧化碳年排放總量最多的國家,以28.8%的全球占比,不僅位居首位,而且體量接近排名第2至第5位的美國、印度、俄羅斯和日本4個國家的總和。這表明,盡管《聯合國氣候變化框架公約》、《巴黎協定》等國際公約意在應對和解決全球變暖的問題,但是全球二氧化碳排放總量并沒有從根本上得到有效控制。為此,中國政府在2020年9月的聯合國大會上正式承諾,中國將盡其所能,使國內二氧化碳排放總量在2030年前達到峰值,并力爭于2060年前實現碳中和。

在“雙碳”目標的指引下,國家需要統籌“區(qū)域結構”、“產業(yè)結構”及“能源結構”平衡發(fā)展。從我國2019年碳排放領域行業(yè)構成來看,能源生產與轉換、工業(yè)、交通運輸及建筑領域碳排放占比較高,分別為47%、36%、9%及8%,其中工業(yè)領域碳排放較高的行業(yè)為鋼鐵、水泥、石化、化工及電解鋁[3]。在整個鋁行業(yè)溫室氣體排放中,電解過程用電折算溫室氣體占比高達76.2%,氧化鋁生產折算溫室氣體占比19.6%,炭陽極生產過程及電化學反應與副反應直排溫室氣體占比3.2%。

而作為預焙陽極生產的關鍵工序,石油焦煅燒過程工藝復雜、能耗較高、自動化水平低的劣勢[4-5],成為制約電解鋁行業(yè)降低碳排放的問題之一。因此,需要結合《GB/T 32151.4-2015 溫室氣體排放核算與報告要求第四部分:鋁冶煉企業(yè)》中提供的計算方法建立適合于石油焦煅燒過程的碳排放計算數學模型,從微觀層面分析石油焦煅燒過程碳排放的特點,制定相關可行的碳減排方案,以實現降低石油焦煅燒過程“低碳”發(fā)展的要求。

1 碳排放源識別及歸類

碳排放源識別影響整個碳排放的核算過程,通常有兩種識別方法:活動部分法和全生命周期劃分法[6]。

(1) 活動部分法

活動部分法是對不同區(qū)域碳排放源的主要劃分方法,分為企業(yè)、省市及國家三個層面,將碳排放源劃分為能源、工業(yè)過程、農業(yè)林業(yè)和土地利用及廢棄物四部分。其中企業(yè)層面,又將碳排放源展開,具體的劃分為燃料燃燒、過程排放、購入電/熱力產生的排放及特殊排放四大類,同時在計算碳排放總量時,明確規(guī)定可以將碳回收利用量進行扣除。

(2) 全生命周期劃分法

全生命周期劃分法,不僅包括核算邊界范圍內的碳排放,同時考慮核算邊界范圍內物料、資源及能源的上、下游生產過程,適用于城市級以上的碳排放源識別。

本文綜合以上兩種識別方法,結合工業(yè)生產實際過程,以石油焦煅燒企業(yè)邊界內所有生產系統及生活用水系統所導致的碳排放為核算范圍,對石油焦煅燒過程中的碳排放源進行識別,如下:

(1)燃料燃燒碳排放:包括天然氣燃燒碳排放;

(2)生產過程碳排放:包括炭質燒損碳排放、揮發(fā)分燃燒碳排放;

(3)外購電力消耗碳排放;

(4)外購水消耗碳排放。

圖1 石油焦煅燒工藝中碳排放節(jié)點示意圖

當前,大多數石油焦煅燒企業(yè)會配置余熱利用單元,來回收煅燒過程產生的大量高溫煙氣物理熱,減少碳排放,此部分碳回收利用量應在煅燒過程碳排放總量中予以扣除。

2 碳排放計算理論

(1) 燃料燃燒碳排放計算

根據燃料的熱值、實測單位熱值含碳量及燃料碳氧化率,采用排放系數法對燃料燃燒過程中產生的含碳氣體折算成CO2排放當量,是一種應用較普遍的碳排放計算方法,計算公式如下:

C1=V×q×I×ω×M

(1)

式中:C1——燃料燃燒碳排放量,tCO2;

V——燃料消耗量,t;

q——燃料熱值,GJ/t;

I——單位熱值含碳量,tCO2/GJ;

Ω——燃料碳氧化率,%;

M——CO2折標系數,其值M=44/12。

(2) 電力消耗碳排放計算

電力消耗過程中產生的含碳氣體折算成CO2排放當量的計算公式如下:

C2=EFCO2×E×GWPCO2

(2)

式中:C2——電力消耗過程碳排放量,tCO2;

EFCO2——供電基準值,tCO2/MWh;

E——耗電量,MWh;

M——CO2全球變暖潛能值,其值1。

(3) 其他能源類物質消耗碳排放計算

其他能源類物質(例如水、蒸汽等)消耗碳排放計算,可以按照對應能源物質的折標系數,折算成相應的標準煤量,然后按照標準煤的燃燒碳排放計算公式進行計算。

3 實例應用與分析

以我國某年產能28萬噸煅燒焦的石油焦煅燒企業(yè)為案例,從實際工業(yè)生產角度出發(fā),應用以上碳排放計算理論,對于石油焦煅燒及余熱利用過程中的總碳排放進行計算。

3.1 數據收集

本文計算所用的數據一方面來自于實際生產經驗值,另一方面來自于現場實測值,具體數據參數見表1。

表1 石油焦煅燒技術參數表

同時,在碳排放量計算過程中還需要參照一些國家標準里規(guī)定的相關系數,如表2所示。

表2 其他相關參數表

3.2 單耗計算

石油焦煅燒及余熱利用過程中的總碳排放是以實際生產過程中的原料消耗量、燃料消耗量、外購能源消耗量及余熱回收量為計算依據。因此,首先需要計算出全廠的物料平衡和能量平衡;然后通過產品折算,得出各單耗值。

(1)物料與能量平衡

表3 罐式爐物料與能量平衡

表4 余熱鍋爐物料與能量平衡

表5 熱力除氧器物料與能量平衡

(2)產品單耗

表6 產品單耗

3.3 總碳排放計算

依據前文所述的計算方法和中間計算結果,結合煅燒過程高溫煙氣余熱回收利用這一減少碳排放的有效措施,對石油焦煅燒及余熱利用過程中的總碳排放和凈碳排放進行計算,結果如表7所示。

表7 總碳排放和凈碳排放

4 節(jié)能減碳分析

石油焦煅燒過程不需要外加燃料,依靠自身的揮發(fā)分、燒損燃燒產生的大量燃燒熱就可以完成煅燒過程,屬于自給自足的“零”耗能工藝,依據以往的能量評價方法,屬于能源富集生產過程,節(jié)能措施的研究不是石油焦煅燒領域的主要研究方向。但是,通過引入“碳”排放這一新概念,從表7可以看出,整個煅燒過程的總碳排放為0.509904 tCO2/t煅燒焦,按照2019年國內石油焦總產量約2700萬噸計算,國內煅燒過程產生的碳排放總量約為1400萬噸,基于國家2030年全社會碳排放121億噸的“碳達峰”發(fā)展要求,煅燒企業(yè)必須開展節(jié)能減碳方面的相關研究。

從不同碳排放源產生的碳排放占比中(即圖2)可以看出,揮發(fā)分燃燒碳排放占比最高,達到了68.51%;炭質燒損碳排放與外購電力消耗碳排放占比相當,分別為15.64%和15.48%;而天然氣由于只是罐式爐烘爐期間使用,其產生的碳排放量較少,同時由于水的折標煤系數較低,且全廠用水單耗也不高,所以外購水消耗碳排放量也較少。因此,從降低碳排放角度考慮,減少揮發(fā)分燃燒碳排放是碳減排最大潛力所在,由于揮發(fā)分是原料帶來的,也是石油焦煅燒的主要能源來源,基于罐式爐的熱平衡不能單純依靠降低石油焦中的揮發(fā)分含量來減少碳排放,但是在實際生產中,建議增加原料精確配料系統,通過嚴格控制原料中的揮發(fā)分含量、減少成分波動,防止由于揮發(fā)分含量過高而造成的燃燒碳排放急劇增加的情況發(fā)生;其次,可以通過減少煅燒生產過程的燒損,加強能源系統管理,優(yōu)化生產工藝,降低過程耗電水平,共同推進煅燒過程的碳減排。

圖2 碳排放占比示意圖

另外,從余熱回收減少總碳排放角度考慮,目前來自于煅燒過程產生的高溫煙氣余熱回收所產生的碳減排,占總碳排放的72.16%。這說明,現有石油焦煅燒生產過程,余熱回收利用取得了較好效果,對絕大部分碳排放進行了回收,使整個煅燒生產過程的凈碳排放量只有0.141942 tCO2/t煅燒焦,處于行業(yè)領先水平。但是,距離“零”碳排放的終極目標還是有一定差距,所以還應從煅燒過程產生的高溫余熱,例如高溫煅燒焦余熱、高溫冷卻閘板熱源、高溫吹掃氣熱源等方面做研究,尋找回收這些部分余熱的有效方法,并推廣應用,從而達到煅燒過程碳減排的目的。

5 結 語

(1)耦合多種碳排放源識別方法,分析石油焦煅燒及余熱利用過程的碳排放源,主要包括天然氣燃燒碳排放、炭質燒損碳排放、揮發(fā)分燃燒碳排放、電耗碳排放及水耗碳排放。

(2)碳排放計算模型的搭建,從實際工業(yè)生產角度解決了石油焦煅燒及余熱利用過程的碳排放計算問題。

(3)通過實例計算分析,石油焦煅燒及余熱利用過程中,揮發(fā)分燃燒碳排放占比最高,達到了68.51%,其次為炭質燒損碳排放與外購電力消耗碳排放,占比分別為15.64%和15.48%。

(4)通過碳排放計算結果分析,今后煅燒企業(yè)節(jié)能減碳的發(fā)展方向主要包括減少揮發(fā)分燃燒減排和加強余熱回收等。