谷 琳,何 坤,馬明生

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

目前,中國(guó)能源消費(fèi)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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式、加快推進(jìn)非化石能源發(fā)展(風(fēng)能、光能、生物質(zhì)能等)是最重要的途徑。根據(jù)規(guī)劃,到2030年中國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右,風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到12 億kW 以上(為2019年的3 倍)[2-3]。

在我國(guó)整體能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(guó)碳排放交易的重點(diǎn)行業(yè)之一,是國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的減碳行業(yè),而有色金屬行業(yè)碳排放總量的80%來(lái)自有色金屬冶煉過(guò)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(guó)工業(yè)總能耗的7.6%,電耗占全國(guó)工業(yè)電耗總量的13.2%[8]。在我國(guó)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)型升級(jí)是行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì),對(duì)我國(guó)順利實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)有重要意義。

本文在非化石能源迎來(lái)快速發(fā)展期的大背景下,基于能源結(jié)構(gòu)視角對(duì)我國(guó)有色金屬冶煉行業(yè)低碳發(fā)展方向進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容包括:①對(duì)我國(guó)有色金屬冶煉行業(yè)的能耗、能源結(jié)構(gòu)和碳排放情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并針對(duì)產(chǎn)量和碳排放較高的鋁行業(yè)和銅行業(yè)進(jìn)行了深入的研究;②分析了我國(guó)有色金屬冶煉行業(yè)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)途徑;③對(duì)推動(dòng)有色金屬冶煉行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提出了政策建議。目前,關(guān)于有色金屬冶煉行業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的研究較少,希望本文能讓更多相關(guān)從業(yè)人員、研究人員等對(duì)此方面研究進(jìn)行關(guān)注,加速我國(guó)有色金屬冶煉的低碳化發(fā)展,為我國(guó)順利實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

1 有色金屬冶煉行業(yè)能耗和碳排放

我國(guó)有色金屬產(chǎn)量在過(guò)去20年間快速增長(zhǎng)。如圖1所示,2001—2020年中國(guó)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(zhǎng)5 304.71 萬(wàn)t(增長(zhǎng)約600%),2020年產(chǎn)量達(dá)到6 188.42 萬(wàn)t,其中鋁行業(yè)和銅行業(yè)產(chǎn)量占比超過(guò)70% (原鋁(電解鋁)3 708.04 萬(wàn)t,精煉銅1 002.51 萬(wàn)t)[8]。

圖1 中國(guó)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(zhǎng)的同時(shí),其能源消耗量也隨之快速增加(圖2)。2001—2019年間,中國(guó)有色金屬冶煉工業(yè)能源消費(fèi)總量由4 309 萬(wàn)tce增加到24 436 萬(wàn)tce(增長(zhǎng)470%),有色金屬冶煉能耗占全國(guó)工業(yè)總能耗比例由4.0% 上升到7.6%[8-10]。

圖2 中國(guó)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(jì),2020年中國(guó)有色金屬工業(yè)二氧化碳總排放量約為6.6 億t,占全國(guó)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(guò)60%[3-7]。

從能源結(jié)構(gòu)的角度看(圖3),2019年中國(guó)有色金屬冶煉工業(yè)66%的能源消耗來(lái)自電力,煤炭、天然氣和油類(lèi)占比分別為17%、6%和3%,還有8%的能耗來(lái)自其他能源[8]?？梢钥闯?電力是我國(guó)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(guó)電力生產(chǎn)總量的70%來(lái)自火電(如圖4所示)[8-10],其來(lái)源主要為煤炭、石油天然氣等化石燃料。

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

圖4 2019年中國(guó)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(lái)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(yīng)積極推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)非化石能源對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的替代,這是行業(yè)實(shí)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(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(guó)2001年原鋁(電解鋁)產(chǎn)量?jī)H為358 萬(wàn)t,到2020年增長(zhǎng)到3 708 萬(wàn)t(約為2001年的10 倍),而由于其間生產(chǎn)能源強(qiáng)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(zhǎng)到484 772 GW·h(2001年的9.3 倍)[11-12]。表明2001—2020年間我國(guó)鋁行業(yè)在產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)的同時(shí),在節(jié)能降耗方面也取得了進(jìn)步。

目前,中國(guó)原鋁(電解鋁)生產(chǎn)過(guò)程中約90%的碳排放來(lái)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(jì)數(shù)據(jù),2020年中國(guó)原鋁冶煉電耗一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比約為80%,遠(yuǎn)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(guó)以外,世界其他國(guó)家或地區(qū)原鋁冶煉電耗能源結(jié)構(gòu)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(guò)80%。因此,中國(guó)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(guò)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(guó)原鋁冶煉電耗一次能源結(jié)構(gòu)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?jī)H次于電解鋁。過(guò)去20年間,我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量由2001年的475 萬(wàn)t 增長(zhǎng)至2020年的7 313 萬(wàn)t(2001年產(chǎn)量的15 倍),但中國(guó)氧化鋁生產(chǎn)總能耗僅增長(zhǎng)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(qiáng)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(guò)程不同,氧化鋁冶煉過(guò)程的能耗主要來(lái)自化石燃料,對(duì)電力需求較小。從圖6中可以看出,2020年我國(guó)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(guò)程對(duì)化石燃料的依賴是有效的降碳途徑。

圖6 2001—2020年中國(guó)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(dòng)力制氧、選礦等配套生產(chǎn)工序[14]。其中,從銅精礦到陽(yáng)極銅是銅冶煉的火法精煉段,在此過(guò)程中可選擇不同的生產(chǎn)工藝(如側(cè)吹熔煉+頂吹吹煉+陽(yáng)極爐精煉、雙閃速爐+陽(yáng)極爐精煉和底吹熔煉+ 側(cè)吹爐吹煉+ 陽(yáng)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(guò)程二氧化碳排放等因素[15-16]。研究顯示,我國(guó)銅生產(chǎn)過(guò)程中約80%的碳排放來(lái)自電力消耗,其余主要來(lái)自煤炭、天然氣等化石燃料消耗,還有很小部分來(lái)自石灰石[5]。因此,對(duì)銅行業(yè)而言,通過(guò)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(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)途徑

4.1 戰(zhàn)略目標(biāo)

初步看來(lái),能應(yīng)用于有色金屬冶煉行業(yè)的非化石能源主要包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和氫能。為實(shí)現(xiàn)清潔低碳、可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),有色金屬冶煉行業(yè)應(yīng)該加快布局,將能耗結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)作為行業(yè)節(jié)能降耗發(fā)展的重要方向:①實(shí)現(xiàn)非化石能源對(duì)傳統(tǒng)化石能源和火電的替代,逐步提高太陽(yáng)能、風(fēng)能等非化石能源在生產(chǎn)能耗結(jié)構(gòu)中的占比;②推廣生物質(zhì)能在有色金屬冶煉行業(yè)中的應(yīng)用;③探索和研究氫能和氫冶金技術(shù)。

4.2 實(shí)現(xiàn)途徑

有色金屬冶煉行業(yè)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)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(shí)間尺度間歇性的特點(diǎn),如何將這些不穩(wěn)定的非化石能源應(yīng)用于有色金屬冶煉的生產(chǎn)過(guò)程,是要研究的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)有色金屬冶煉生產(chǎn)過(guò)程對(duì)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(diǎn),對(duì)有色冶煉行業(yè)的非化石能源推廣應(yīng)用給出以下建議。

1)因地制宜開(kāi)展分布式能源站的建設(shè)。沿海地區(qū)可考慮海上風(fēng)電;西北部地區(qū)發(fā)展陸上風(fēng)電;西部、南部有色冶煉廠可考慮太陽(yáng)能,但同時(shí)要考慮可用場(chǎng)地面積。生物質(zhì)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(zhì)炭、生物質(zhì)熱解氣)用于冶煉過(guò)程,日本、加拿大的鋼鐵企業(yè)目前已有生物質(zhì)作為還原劑用于高爐煉鐵的案例[17-18]。

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

3)建立能源信息化管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)的靈活控制和優(yōu)化。通過(guò)大數(shù)據(jù)、信息化、智能化等手段,建立多元融合、供需互動(dòng)、高效配置的智慧能源管理系統(tǒng),實(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)、自備電廠等能源元件間的優(yōu)化調(diào)度,推動(dòng)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(bǔ)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(chǔ)運(yùn)要求高、難度大的特點(diǎn),但氫冶金是當(dāng)前冶金領(lǐng)域低碳發(fā)展的重要方向。目前,氫冶金在鋼鐵領(lǐng)域研究較多,國(guó)外的比如瑞典的HYBRIT 項(xiàng)目、日本的COURSE50 項(xiàng)目、美國(guó)的Midrex 項(xiàng)目等,國(guó)內(nèi)的中國(guó)寶武鋼鐵基團(tuán)有限公司、河鋼集團(tuán)有限公司也開(kāi)始了相關(guān)的研究[24-26];對(duì)有色金屬冶煉而言,氫冶金仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,而且僅能作用于氧化礦物的冶金過(guò)程[27],因此氫冶金應(yīng)用于有色金屬冶煉的可行性和經(jīng)濟(jì)性仍需進(jìn)一步研究。

5 政策建議

為推動(dòng)有色金屬冶煉行業(yè)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,鼓勵(lì)有色金屬冶煉企業(yè)發(fā)展非化石能源,助力我國(guó)順利實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo),本文提出如下政策建議。

1)完善碳交易市場(chǎng)和制度,提高企業(yè)碳減排積極性。通過(guò)市場(chǎng)化機(jī)制增強(qiáng)有色金屬冶煉行業(yè)的低碳發(fā)展意識(shí),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(dòng)有色金屬冶煉行業(yè)的生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

2)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),強(qiáng)化戰(zhàn)略引導(dǎo)。根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況,對(duì)非化石能源利用進(jìn)行整體規(guī)劃,充分發(fā)揮地域自然條件優(yōu)勢(shì),鼓勵(lì)有色冶煉企業(yè)因地制宜發(fā)展非化石能源。

3)通過(guò)政策導(dǎo)向和金融支持引導(dǎo)有色冶煉企業(yè)發(fā)展非化石能源。如:采用風(fēng)、光、水力、生物質(zhì)等能源發(fā)電可獲得額外發(fā)電小時(shí)數(shù),通過(guò)綠色信貸業(yè)務(wù)獲得更多非化石能源利用融資,推進(jìn)有色冶煉工業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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(tái),推進(jìn)行業(yè)間的信息、咨詢共享,提高有色金屬冶煉行業(yè)對(duì)非化石能源資源應(yīng)用的意識(shí),推動(dòng)傳統(tǒng)有色金屬冶煉行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。

5)推動(dòng)有色冶煉行業(yè)能源管控平臺(tái)數(shù)字化升級(jí)。推動(dòng)信息化、智能化能源管控系統(tǒng)的應(yīng)用和升級(jí),增強(qiáng)有色冶煉企業(yè)多能源系統(tǒng)管控和調(diào)度,完善有色冶煉行業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)的搭建和優(yōu)化。