孫志立， 黃 平， 牛仁杰， 李江滔

(1.攀枝花學(xué)院 四川攀枝花 617064； 2.中國無機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會 北京 100013；3.云南天安化工有限公司 云南安寧 650309)

2015年，為了應(yīng)對全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，全球196個(gè)國家和地區(qū)簽訂了《巴黎協(xié)定》。

2021年4月22日，在《巴黎協(xié)定》簽署5周年之際召開的氣候峰會上，中國首次提出“人與自然生命共同體”的構(gòu)建。

從《政府工作報(bào)告》到各企業(yè)的“十四五”規(guī)劃中，“碳達(dá)峰”“碳中和”是當(dāng)前出現(xiàn)最多的熱門詞匯。目前中國是世界上磷肥、磷酸鹽產(chǎn)品的生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國，磷化工產(chǎn)能和產(chǎn)量與日俱增[1-2]，要在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，磷化工的“綠色低碳、節(jié)能減排”任重而道遠(yuǎn)。

1 碳達(dá)峰、碳中和、碳交易

1.1 碳達(dá)峰是實(shí)現(xiàn)碳中和的前提條件

廣義來說，碳達(dá)峰是指某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，CO2的排放量達(dá)到的最高峰值。根據(jù)世界資源研究所的介紹，碳達(dá)峰是一個(gè)過程，即碳排放首先進(jìn)入平臺期并可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，之后進(jìn)入平穩(wěn)下降階段[3]。

碳達(dá)峰是實(shí)現(xiàn)碳中和的前提條件，盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰可促進(jìn)碳中和的早日實(shí)現(xiàn)。我國承諾在2030年前CO2的排放達(dá)到峰值后不再增長，減排逐步深入。

1.2 碳中和與CO2“零排放”

“碳中和”的首次出現(xiàn)實(shí)際可追溯至2006年，《新牛津美國字典》當(dāng)年將“碳中和”評為年度詞匯。

簡單解釋，碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的CO2或溫室氣體排放總量，通過一定的技術(shù)，消納自身產(chǎn)生的CO2或溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對的“零排放”，如磷化工的熱法黃磷尾氣用來生產(chǎn)碳一化工產(chǎn)品，磷渣、磷石膏用來制作建材等。

1.3 碳匯、碳源及碳交易

碳匯(Carbon Sink)一般是指從空氣中清除CO2的過程、活動(dòng)、機(jī)制。主要是指森林吸收并儲存CO2的多少，或者是森林吸收并儲存CO2的能力。

研究數(shù)據(jù)表明：我國的碳匯能力逐步提升，通過大力培育和保護(hù)人工林，2010—2016年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)年均吸收約11.1億t碳，吸收了同時(shí)期人為碳排放的45%?？梢姡謽I(yè)碳匯在碳中和遠(yuǎn)景中扮演著重要角色，碳匯項(xiàng)目將助力我國在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

碳源(Carbon Source)是指CO2產(chǎn)生之源，其與碳匯是兩個(gè)相對的概念，是碳的起始過程。即碳源是指來自地球村和自然界中向大氣層釋放碳的源頭，碳匯是指自然界中碳的寄存體。減少碳源一般通過減排CO2實(shí)現(xiàn)，增加碳匯則主要采用固碳技術(shù)和方法。

碳交易即把CO2排放權(quán)作為一種商品，買方通過向賣方支付一定金額后獲得一定數(shù)量的CO2排放權(quán)，從而形成了CO2排放權(quán)的交易。

碳交易并非是煤炭和碳素的買賣，而是通過市場機(jī)制解決以CO2為代表的溫室氣體減排問題的路徑。

2 碳達(dá)峰、碳中和背景下磷化工的現(xiàn)狀

2.1 磷化工主要生產(chǎn)工藝

濕法和熱法是磷化工的2種主要生產(chǎn)工藝，也是我國磷酸鹽生產(chǎn)存在的重要基礎(chǔ)條件。

濕法又稱酸法，濕法工藝是基于對肥料級磷酸的萃取建立起來的，此反應(yīng)過程中不需要提供熱量，但對原料質(zhì)量及組分要求比熱法工藝高。濕法磷酸生產(chǎn)的系列磷復(fù)肥為農(nóng)作物的增產(chǎn)提供了條件，對國家糧食安全起到了至關(guān)重要的作用。

熱法又稱火法或電法制磷，生產(chǎn)企業(yè)主要集中于水電和磷礦資源相對集中的云、貴、川、鄂等四省[4-6]。

近年來，中國熱法制磷產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新、崛起為世界黃磷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，多電極黃磷電爐的創(chuàng)新技術(shù)是世界熱法黃磷工業(yè)發(fā)展史上一次重大的技術(shù)革命，促進(jìn)了國內(nèi)乃至全世界電爐法黃磷生產(chǎn)技術(shù)的向前發(fā)展[1,4]。目前東南亞一帶新建的黃磷廠都是采用我國的多電極黃磷電爐技術(shù)，設(shè)計(jì)建成、投產(chǎn)的裝置產(chǎn)能近200 kt/a。如越南共有7家黃磷廠共13臺黃磷電爐，產(chǎn)能約140 kt/a，產(chǎn)量約80 kt/a；馬來西亞磷化工(沙拉越)有限公司已建成50 kt/a的黃磷裝置，采用的都是中國獨(dú)創(chuàng)的多電極制磷電爐技術(shù)[5]。

2.2 濕法生產(chǎn)工藝的瓶頸及現(xiàn)狀

迄今為止，受凈化處理難度大、工藝流程復(fù)雜和投資大、成本高、經(jīng)濟(jì)可行性差等條件的制約，濕法生產(chǎn)工藝的磷石膏處理利用仍然是業(yè)內(nèi)的老大難問題。目前磷石膏主要用作生產(chǎn)水泥緩凝劑、紙面石膏板等建材，屬低值產(chǎn)品，幾乎無法用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，磷石膏資源化綜合利用的現(xiàn)狀呈現(xiàn)投入產(chǎn)出比例嚴(yán)重失調(diào)。

目前缺乏對磷石膏利用技術(shù)進(jìn)行深入的研究和分析，尤其在磷石膏雜質(zhì)的形成機(jī)理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響因素、有害物質(zhì)對后延產(chǎn)品質(zhì)量的影響及除雜對策等方面，仍沒有全面系統(tǒng)的理論研究成果；在很多技術(shù)方面的分析研究還只能借助于對天然石膏的經(jīng)驗(yàn)和理論研究數(shù)據(jù)；在主要的生產(chǎn)工藝技術(shù)裝備方面，仍缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的實(shí)例工廠的指導(dǎo)[2,7-8]。

不論是磷化工發(fā)展宏觀戰(zhàn)略的要求，還是基于環(huán)境保護(hù)的需要，對產(chǎn)排量巨大的磷石膏進(jìn)行綜合處理與資源化利用，都是國內(nèi)磷化工企業(yè)當(dāng)前亟待解決的迫切任務(wù)。以每噸濕法磷酸(以P2O5計(jì))排出4.5～5.0 t磷石膏計(jì)，2019年副產(chǎn)的磷石膏約為75 Mt(中國磷復(fù)肥工業(yè)協(xié)會)，按運(yùn)往渣場15元/t計(jì)，年運(yùn)費(fèi)高達(dá)11.25億元以上；若堆高10 m(占地1 660 hm2)、堆放10年(每噸堆置費(fèi)3元/a)，耗資22.5億元以上[2,6-7]。

2.3 熱法生產(chǎn)工藝的瓶頸及現(xiàn)狀

從20世紀(jì)40年代初開始，中國黃磷工業(yè)經(jīng)過81年的努力，從無到有、從小到大，不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和裝備，促進(jìn)了我國黃磷工業(yè)的快速發(fā)展。然而，由于國內(nèi)黃磷生產(chǎn)的準(zhǔn)入門檻較低，業(yè)主的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、管理水平等都還存在一些問題，大部分企業(yè)設(shè)備陳舊，因資金缺乏而無力改造，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加；有的企業(yè)倉促上馬，規(guī)劃設(shè)計(jì)欠周到，設(shè)備選型不配套、不合理，產(chǎn)量和消耗無法達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)[2,5]。

一段時(shí)間以來，產(chǎn)能、生產(chǎn)的擴(kuò)大不是依靠技術(shù)進(jìn)步，而是靠老設(shè)備、老工藝的簡單重復(fù)，這種低水平發(fā)展不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，而且破壞生態(tài)資源，使黃磷企業(yè)整體處于低水平、低效益狀況，缺乏國際競爭力及可持續(xù)發(fā)展能力。

2014年全國黃磷產(chǎn)能超過2 400 kt/a，年產(chǎn)量首次突破百萬噸大關(guān)，達(dá)到1 025 kt，產(chǎn)能、產(chǎn)量分別占世界的88.24%、89.91%。按黃磷產(chǎn)量分析計(jì)算，2014年應(yīng)該是熱法制磷的碳達(dá)峰時(shí)期[1]。

2018年10月22日、2019年7月3日，中央電視臺先后曝光《中勝磷化：誰為違法企業(yè)開綠燈》《黃磷行業(yè)污染是誰在背后縱容？》。中央電視臺2次曝光熱法制磷后，黃磷行業(yè)的碳達(dá)峰峰值逐步下降；“三磷治理”和目前業(yè)內(nèi)開展的一系列技改整治工作，使熱法制磷進(jìn)入了一個(gè)艱難的碳中和過程，任重而道遠(yuǎn)。

3 熱法制磷工藝節(jié)能減排措施與碳中和

3.1 黃磷產(chǎn)業(yè)近年CO2減排的業(yè)績

改革開放40年來，中國的熱法黃磷企業(yè)在向生態(tài)環(huán)境、清潔生產(chǎn)邁進(jìn)的同時(shí)，采用凈化后的尾氣生產(chǎn)碳一化工產(chǎn)品(甲酸、甲酸鈉等)、發(fā)電或作為燃料提供熱源；黃磷生產(chǎn)過程中的污水通過封閉沉降后，水和污泥經(jīng)板框壓濾、離心分離等工藝處理，含磷污水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)了污水系統(tǒng)全封閉零排放；磷泥回收改變傳統(tǒng)落后的轉(zhuǎn)鍋、燒酸處理方式，通過全密閉生產(chǎn)工藝連續(xù)蒸磷處理，消除了生產(chǎn)過程中的碳排放和二次污染問題；磷渣外售給水泥企業(yè)或生產(chǎn)微粉，用于生產(chǎn)水泥熟料等建材和用作硅肥。這些措施使黃磷生產(chǎn)裝置的生態(tài)環(huán)境和節(jié)能減排得到了進(jìn)一步改善，黃磷企業(yè)積極向清潔生產(chǎn)、綠色低碳轉(zhuǎn)型升級。其中湖北興發(fā)集團(tuán)的黃磷生產(chǎn)企業(yè)、云南宣威磷電有限責(zé)任公司、云南彌勒磷電有限責(zé)任公司和貴州甕安成功磷業(yè)有限責(zé)任公司對黃磷尾氣滅火、出渣出鐵煙氣(汽)分別進(jìn)行了較好的集中收集處理，達(dá)到了清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排和低碳的目標(biāo)[5]。

3.2 熱法制磷用礦立法與碳中和

有資料介紹：由于我國磷礦資源日益緊張，適合用于熱法黃磷生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)磷礦供應(yīng)趨緊，而大量的粉狀磷礦主要用于生產(chǎn)化肥，磷礦增值較低，從某種意義上講是對磷資源的浪費(fèi)。還有資料介紹：濕法工藝可以充分利用粉礦磷資源，熱法對磷礦的質(zhì)量要求較高。其實(shí)不然，這些都是對濕、熱法生產(chǎn)工藝技術(shù)用礦要求的一種誤解[4,8]。

熱法工藝對磷礦的適應(yīng)性很強(qiáng)，高低品位的范圍很寬，P2O5在20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)左右的中低品位磷礦都可以生產(chǎn)黃磷。對于熱法制磷，單純追求高品位磷礦并非唯一指標(biāo)，還必須看入爐原料的化學(xué)組分是否符合熱法黃磷生產(chǎn)特殊工藝要求以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣[4]。2種不同化學(xué)組分的磷礦見表1。

表1 2種不同化學(xué)組分的磷礦

表1中第一種磷礦品位相對較高(P2O5接近30%)，經(jīng)計(jì)算配料后入爐品位僅22.85%，下降6.84%(入爐品位每降低1%，噸磷電耗增加300～350 kW·h)，因此適用于濕法工藝，不適用于熱法工藝；第二種磷礦品位為25.14%，經(jīng)計(jì)算配料后入爐品位為24.94%，反而比第一種磷礦的入爐品位提高2.09%。說明濕熱法工藝是可以互補(bǔ)的，以物盡其用。

因此，建議對高品位的磷礦立法，不允許用來生產(chǎn)黃磷。熱法制磷只能利用中低品位及其他行業(yè)用不了的礦(如垃圾礦)，但國家應(yīng)在產(chǎn)業(yè)政策、生產(chǎn)用電等方面給予企業(yè)實(shí)實(shí)在在的鼓勵(lì)和優(yōu)惠，這樣就可以充分利用水能和礦藏資源，為碳中和做貢獻(xiàn)。

3.3 水力發(fā)電棄水立法與碳中和

2009年，中國政府在哥本哈根氣候大會上向國際社會承諾：到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%～45%。2019年我國提前完成了2020年應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，CO2排放量已下降48%。然而要實(shí)現(xiàn)2030年前CO2排放達(dá)峰，未來要更加強(qiáng)化我國的各項(xiàng)政策措施和實(shí)際行動(dòng)。

目前，我國的風(fēng)電、水電和新能源發(fā)展迅速，但風(fēng)電、水電的利用率有下降趨勢，棄風(fēng)棄水問題仍然明顯。水電資源豐富的云、貴、川都存在不同程度的棄水問題，四川省的棄水問題更加突出。國家電網(wǎng)四川電力公司的數(shù)據(jù)顯示，2012—2017年，四川電網(wǎng)調(diào)峰棄水電量分別為76、26、97、102、141、140億kW·h。有業(yè)內(nèi)人士表示，調(diào)峰棄水僅僅是裝機(jī)棄水中的一小部分，若按裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)棄水，2017年四川省棄水電量高達(dá)500億kW·h[9]。

國家發(fā)改委、能源局多次印發(fā)了關(guān)于解決棄水棄風(fēng)棄光問題的實(shí)施方案,各省市每年度都出臺確保棄水棄風(fēng)棄光電量和限電比例逐年下降的工作目標(biāo)，然而這一問題并沒有從根本上得到解決。

生產(chǎn)1 t黃磷耗電14 000 kW·h左右，若每年棄水電量高達(dá)500億kW·h，相當(dāng)于黃磷行業(yè)4年生產(chǎn)的用電量，少生產(chǎn)黃磷約3 570 kt，不利于2030年前的碳達(dá)峰。

綜上所述，建議政府立法，國家水力發(fā)電不能棄水。黃磷生產(chǎn)對國家電網(wǎng)來說是一個(gè)很好的“調(diào)峰儲能”載體，而且熱法黃磷生產(chǎn)可減輕產(chǎn)地磷礦外運(yùn)(生產(chǎn)1 t黃磷消耗磷礦10 t左右)帶來的運(yùn)輸壓力，生產(chǎn)工藝路線解決并彌補(bǔ)了濕法產(chǎn)品不能達(dá)到的內(nèi)在質(zhì)量要求及磷資源綜合利用等方面的很多難題[4,10]，對地方經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到了極積的助推作用。作為水電行業(yè)“調(diào)峰儲能”的重要載體，黃磷裝置開車季節(jié)性很強(qiáng)，開車主要集中在豐水期，與電力行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。水力發(fā)電棄水立法可以起到促進(jìn)“碳中和”少花錢、多辦事、立竿見影的效果，可以將資源的優(yōu)化配置和CO2減排做到極致，徹底改變多年來云、貴、川等地區(qū)水力發(fā)電棄水的尷尬局面。

3.4 磷化工規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化與碳中和是永恒的主題

由中國熱法制磷自行設(shè)計(jì)技術(shù)到從國外引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，并將裝置安裝、操作、運(yùn)行、管理好的實(shí)例工廠不多。黃磷生產(chǎn)管理與操作的確需要經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)楹诵碾姞t的技術(shù)、生產(chǎn)控制還存在著相當(dāng)多的“奧秘”，有時(shí)用基礎(chǔ)理論來對照分析可能還解釋不清楚[4,8]。如原始開車試生產(chǎn)中漂磚、爐底燒穿、死爐等事故經(jīng)常發(fā)生，新建裝置的筑爐施工、烘爐方案仍然是“百家爭鳴、百花齊放”，木柴烘爐、電阻絲烘爐、電極烘爐同時(shí)并存。

國家標(biāo)準(zhǔn)《黃磷生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 33321—2016)明確了黃磷生產(chǎn)技術(shù)的術(shù)語和定義、基本生產(chǎn)要求、設(shè)計(jì)要求、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)、產(chǎn)品品質(zhì)要求、生產(chǎn)工藝安全、污染物控制，規(guī)范了操作要點(diǎn)、工藝指標(biāo)等技術(shù)參數(shù)。通過近年的生產(chǎn)實(shí)踐，證明了該規(guī)范的科學(xué)性、正確性和可行性，規(guī)范總體達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平，為黃磷行業(yè)綠色低碳、循環(huán)發(fā)展的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)評價(jià)體系提供了指導(dǎo)[11]。

然而，目前的生產(chǎn)工藝控制出現(xiàn)了一些誤區(qū)，應(yīng)該引起高度重視和防范，如許多黃磷企業(yè)都反映尾氣鍋爐腐蝕堵塞加重、煙氣排放超標(biāo)。與GB/T 33321—2016表3中的“磷爐氣除塵收磷工序工藝控制指標(biāo)”對照，發(fā)現(xiàn)3座噴淋塔的溫度出現(xiàn)了很大的變化，如要求3#塔噴淋水溫度≤40 ℃，而現(xiàn)在普遍升高了10～25 ℃，這是導(dǎo)致事故出現(xiàn)的根源所在。因此，在當(dāng)前加強(qiáng)“三磷治理”、環(huán)保技改中要強(qiáng)調(diào)和注意以下兩點(diǎn)[11]：

(1)充分認(rèn)識前端防范的重要性，加強(qiáng)工藝指標(biāo)和規(guī)范生產(chǎn)操作的基礎(chǔ)管理，杜絕重治輕防、基礎(chǔ)軟件缺失的“一味救火”現(xiàn)象，從源頭上減少污染物的產(chǎn)生，才能起到事半功倍的效果。

(2)在后端加大環(huán)保治理設(shè)施投入的同時(shí)，杜絕硬件投入的比拼，堅(jiān)持因地制宜、科學(xué)合理、標(biāo)本兼治的原則。

4 結(jié)語

(1)人類在推進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)的過程中，創(chuàng)造了巨大的精神文明和物質(zhì)財(cái)富，同時(shí)也付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)。人們越來越感到自然資源并非取之不盡、用之不竭，自然生態(tài)環(huán)境的承載能力也不是無限的。由于熱法工藝對物料、能耗和生產(chǎn)工藝有特殊性要求，我國黃磷生產(chǎn)企業(yè)今后仍然只會集中在磷礦與電力資源(特別是水電資源)豐富的云、貴、川、鄂等省。熱法制磷生產(chǎn)1 t黃磷耗電14 000 kW·h左右，對于水電行業(yè)具有很好的“調(diào)峰儲能”功能，水力發(fā)電棄水立法可以起到“碳中和”少花錢、多辦事，徹底改變云、貴、川等省豐水期棄水不發(fā)電的尷尬局面[4,6,8]。

(2)生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的基本條件，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，保護(hù)和建設(shè)好生態(tài)環(huán)境，綠色低碳，不僅關(guān)系著當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的騰飛，同時(shí)也關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展和子孫后代的長遠(yuǎn)利益。需通過廢棄物資源化利用、生態(tài)工業(yè)鏈網(wǎng)等的構(gòu)建，減少生產(chǎn)過程中的原料消耗，嚴(yán)格控制CO2排放總量。磷化工企業(yè)均為高耗能企業(yè)，溫室氣體排放量相對較高，必然將納入全國碳市場，成為重點(diǎn)控排企業(yè)。在全國碳市場來臨之際，磷化工生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)對碳資產(chǎn)、碳中和的管理，評估自身碳排放水平，采用信息化的手段對碳資產(chǎn)進(jìn)行規(guī)劃和管理。對2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，建立資源節(jié)約型、技術(shù)創(chuàng)新型、環(huán)境友好型的磷化工行業(yè)綠色工廠評價(jià)體系，具有重要的現(xiàn)實(shí)和社會意義[3,6]。