張士察

(中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會 北京 100020)

建筑陶瓷行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,是改善民生,滿足人民日益增長的美好生活需求不可或缺的基礎(chǔ)制品行業(yè)。經(jīng)過近40年的高速發(fā)展,中國成為世界上最大的建筑陶瓷生產(chǎn)國和消費(fèi)國,建筑陶瓷的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上,產(chǎn)量、消費(fèi)量多年穩(wěn)居世界第一。

高速發(fā)展的同時,我國建筑陶瓷行業(yè)消耗了大量的資源和能源,并產(chǎn)生了大量的溫室氣體。據(jù)行業(yè)測算,建筑陶瓷行業(yè)每年消耗原料1.5～2億t,消耗4000～6000萬t標(biāo)煤,二氧化碳直接排放量為0.9～1.4億t,間接排放量約為0.4億t。

1 建筑陶瓷行業(yè)用能發(fā)展的歷程

建筑陶瓷行業(yè)使用的燃料經(jīng)歷了煤(碳)、油、煤(制氣)、天然氣(液化石油氣)等的用能過程。

我國陶瓷燒成傳統(tǒng)上使用的燃料是木柴和煤炭。從20世紀(jì)50年代初開始,在沈陽、唐山等地開始使用發(fā)生爐煤氣燒成建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品。20世紀(jì)50年代我國從蘇聯(lián)引進(jìn)常壓固定床煤氣發(fā)生爐。到20世紀(jì)80年代初,我國煤氣發(fā)生爐主要是國產(chǎn)的常壓固定床煤氣發(fā)生爐。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展,從1971年開始,重油逐漸代替發(fā)生爐煤氣。到20世紀(jì)80年代初,隨著油燒隔焰輥道窯的普遍應(yīng)用,重油成為建筑陶瓷的主要燃料。到20世紀(jì)90年代,由于對環(huán)境保護(hù)的要求提高,燒重油的企業(yè)后來改為燒輕柴油。

20世紀(jì)80年代,我國先后從意大利、美國、法國、英國等國家引進(jìn)兩段式煤氣發(fā)生爐。隨著其使用量的增加,煤氣化技術(shù)日趨成熟,明焰輥道窯逐漸代替隔焰輥道窯,并且具有高效、安全、節(jié)能等特點(diǎn)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,其成本僅為燃油成本的1/3～2/3,經(jīng)濟(jì)效益顯著,煤氣化技術(shù)在陶瓷行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì),國家對環(huán)境保護(hù)的力度加大。由于在煤制氣過程中產(chǎn)生硫化氫、焦油、酚水等污染物,如果處理不好,會嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐目諝夂退馁|(zhì)量。很多地方政府從環(huán)境和飲用水安全考慮,要求將煤制氣改為清潔的天然氣。但由于天然氣的供應(yīng)量有限,到2015年底,我國建筑陶瓷行業(yè)的燃料主要還是以煤制氣為主。據(jù)我國建筑陶瓷產(chǎn)能調(diào)查,截止到2017年,國家建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)窯爐用燃料中天然氣占比已達(dá)到34%,2020年達(dá)到50%。

當(dāng)前,建筑陶瓷生產(chǎn)用能主要有煤炭、天然氣(含液化石油氣)、電能等。據(jù)行業(yè)測算,2020年建筑陶瓷行業(yè)用能結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,煤炭占比為56%,天然氣占比為28%。且電能占比為15%,其他1%。

圖1 2020年建筑陶瓷行業(yè)用能結(jié)構(gòu)

2 行業(yè)未來可用能源的分析

根據(jù)國家有關(guān)部門發(fā)布的數(shù)據(jù),2020年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化,消費(fèi)總量49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤,煤炭消費(fèi)比例進(jìn)一步降至57%以下,天然氣占比提高至8.4%,水核風(fēng)光電等清潔能源的消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比例已接近16%。

圖2 中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)(預(yù)期)

《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略》(2016～2030)提出,2021～2030 年,可再生能源、天然氣和核能利用持續(xù)增長,高碳化石能源利用大幅減少。能源消費(fèi)總量控制在60億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi),非化石能源占能源消費(fèi)總量比例達(dá)到20%左右,天然氣占比達(dá)到15%左右,新增能源需求主要依靠清潔能源滿足。展望2050年,能源消費(fèi)總量基本穩(wěn)定,非化石能源占比超過一半。

為實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰、2060碳中和目標(biāo),我國建筑陶瓷行業(yè)用能須向低碳、零碳能源轉(zhuǎn)型升級。

2.1 2030年前,天然氣將成為行業(yè)使用的主要能源,但其價格和供應(yīng)量等因素制約了天然氣在行業(yè)的應(yīng)用

天然氣是清潔低碳的化石能源,將在全球能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。當(dāng)前及未來較長時期,我國能源發(fā)展進(jìn)入增量替代和存量替代并存的發(fā)展階段,推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型,有序擴(kuò)大天然氣利用規(guī)模,是助力能源碳達(dá)峰,構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重要實(shí)現(xiàn)途徑之一。

未來15年,天然氣的供應(yīng)量和消費(fèi)量將呈上升的趨勢。

2020年,我國天然氣產(chǎn)量1 925億m3,同比增長9.8%。天然氣產(chǎn)量增速連續(xù)兩年快于消費(fèi)增速,供應(yīng)安全保障能力持續(xù)提升。天然氣進(jìn)口量1 404億m3,同比增加3.6%。中國天然氣消費(fèi)量3 280億m3,增量約220億m3,同比增長6.9%,占一次能源消費(fèi)總量的8.4%。

通過合理引導(dǎo)和市場建設(shè),預(yù)計2025年天然氣消費(fèi)規(guī)模達(dá)到4 300億～4 500億m3,2030年達(dá)到5 500億～6 000億m3,其后天然氣消費(fèi)穩(wěn)步可持續(xù)增長,2040年前后進(jìn)入發(fā)展平臺期。此后,隨著電能、氫能替代加速,終端天然氣消費(fèi)量穩(wěn)步下降,2060年下降至500億～1 600億m3。

在發(fā)熱量相同的情況下,天然氣的碳排放量比標(biāo)準(zhǔn)煤低近40%國家發(fā)改委《節(jié)能低碳技術(shù)推廣管理暫行辦法》推薦的排放因子,煤炭取2.64 t CO2/tce、天然氣取1.63 t CO2/tce。采用天然氣代替煤炭,可減排二氧化碳接近40%。

建筑陶瓷輥道窯采用天然氣代替煤制氣,具有很好的節(jié)能效果。

窯爐使用煤制氣時,由于煤制氣的熱值較低,為獲得同樣的窯內(nèi)溫度和保證窯內(nèi)橫向溫差一致,所使用的窯爐煤制氣燒嘴所配置風(fēng)燃比較大,導(dǎo)致窯爐排煙量增加而增加了熱量損失,因而煤制氣的燃燒效率比使用天然氣的燃燒效率低。窯爐從原來使用煤制氣改為使用天然氣之后,由于降低窯爐燃燒過程空氣系數(shù),減少了入窯的助燃風(fēng)量和減少了出窯的排煙量,可以減少排煙熱量損失,具有很好的節(jié)能效果。

天然氣占比提升空間較大。

2020年,建筑陶瓷產(chǎn)量85.69億m2,消耗能源4 700萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。經(jīng)測算,其中天然氣約100 億m3。天然氣消費(fèi)量占占全國消費(fèi)量的3%,占工業(yè)用天然氣消費(fèi)量的8.1%。隨著“煤改氣”政策的深入推進(jìn)及“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施,以及天然氣“節(jié)能降碳”的優(yōu)勢,建筑陶瓷行業(yè)用能結(jié)構(gòu)中天然氣占比將進(jìn)一步提升,成為行業(yè)主要的能源之一。

2030年,按天然氣在建筑陶瓷生產(chǎn)綜合能耗中的占比達(dá)到60%計算,天然氣需求量約為300億m3,約占全國需求量的5%。

天然氣價格和供應(yīng)量等因素限制了其在建筑陶瓷行業(yè)的應(yīng)用。

天然氣價格波動很大,特別是到了冬季供暖季,價格成倍上漲。

燃料成本占陶瓷磚生產(chǎn)成本的30%以上,普通陶瓷磚對天然氣價格波動非常敏感,微薄的利潤很容易被上漲的氣價抵消。天然氣供應(yīng)量不能保證,斷供現(xiàn)象頻發(fā),陶瓷企業(yè)損失慘重。以上因素導(dǎo)致陶瓷企業(yè)應(yīng)用天然氣的意愿降低。雖然“煤改氣”政策深入推進(jìn),層層加碼,甚至“一刀切”,但天然氣替代煤制氣進(jìn)展依然緩慢。充足的供應(yīng)量,穩(wěn)定的價格,成為陶瓷企業(yè)共同的心聲。據(jù)報道,液化天然氣期貨于2021年底正式獲得證監(jiān)會立項(xiàng)批復(fù),正在加快推進(jìn)上市工作。天然氣期貨上市以后,有助于形成我國天然氣基準(zhǔn)價格,減少天然氣價格波動。

2.2 2030年前,可用氫能不能滿足行業(yè)大范圍應(yīng)用,局部有條件的地區(qū)可使用

氫能有“灰氫”、“藍(lán)氫”、“綠氫”之分。目前國際上主要使用天然氣制氫,我國則以煤制氫為主。全球制氫技術(shù)的主流選擇是化石能源制氫,主要是由于化石能源制氫的成本較低,其中天然氣制氫由于清潔性好、效率高、成本相對較低,占全球48%。我國能源結(jié)構(gòu)為“富煤少氣”,煤制氫成本要低于天然氣制氫,因而國內(nèi)煤制氫占比最大(64%),其次為工業(yè)副產(chǎn)品(21%)。

2020年我國氫氣產(chǎn)量約3 342萬t,占世界氫氣產(chǎn)量的近1/3,是世界第一產(chǎn)氫大國,來源主要是化石能源制氫,電解水制氫不足1%。在終端消費(fèi)領(lǐng)域,氫作為工業(yè)原料利用占比99%以上,氫作為能源利用占比不足0.1%,主要以氫燃料電池汽車的形式在交通部門利用。

預(yù)計到2030年,我國氫氣年產(chǎn)量將達(dá)到3 700萬t,電解水制氫占比達(dá)到15%左右。大部分氫氣用于工業(yè)原料,最為能源利用的消費(fèi)量為320萬t,折合標(biāo)煤1 300萬t,其中有1 000萬t標(biāo)煤左右用于氫燃料電池汽車。

2030年前,可作為能源用于建筑陶瓷行業(yè)的的氫能遠(yuǎn)低于行業(yè)用能年消耗量,無法在行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用,且不考慮運(yùn)輸、儲存以及成本問題。但是某些靠近氫資源豐富(如工業(yè)副產(chǎn)氫)的產(chǎn)區(qū)或企業(yè),可考慮采用氫能作為主要能源,并加大氫能在建筑陶瓷產(chǎn)品方面的研發(fā)應(yīng)用力度。

2.3 綠色電力及窯爐電氣化是行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和關(guān)鍵

天然氣雖然“節(jié)能降碳”,但還屬于化石能源,仍有碳排放。2030年之后,行業(yè)能源結(jié)構(gòu)將逐步向零碳能源轉(zhuǎn)變。摻氫天然氣或是一個過渡,氫能、生物質(zhì)能等可作為補(bǔ)充。隨著工業(yè)部門電氣化水平的提升,建筑陶瓷行業(yè)用能將最終選用綠色電力。

根據(jù)溫室氣體排放報告補(bǔ)充數(shù)據(jù)表,2015年全國電網(wǎng)平均排放因子為0.610 1 t CO2/MWh,這一數(shù)據(jù)在此后的幾年中一直被采用。2021年12月,在生態(tài)環(huán)境部辦公廳最新發(fā)布的關(guān)于公開征求《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施(2021 年修訂版)》(征求意見稿)中,當(dāng)全國電網(wǎng)平均排放因子調(diào)整為最新的0.583 9 t CO2/MW·h,下降約4.3%。這一數(shù)字的下降體現(xiàn)出近年我國風(fēng)電、光伏等清潔能源的飛速發(fā)展和火電廠平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的不斷降低。

按0.583 9 t CO2/MW·h進(jìn)行折算,當(dāng)前電力的二氧化碳排放因子為4.75 kg CO2/kgce,其排放量是煤炭的1.8倍左右,天然氣的2.8倍左右。因此當(dāng)前階段,行業(yè)電氣化程度越高,對應(yīng)的間接二氧化碳排放量也越高。當(dāng)綠色電力占比提高到一定程度,全國電網(wǎng)平均排放因子下降到0.2 t CO2/MW·h以下時,采用電力的排放量才與等熱值的天然氣相當(dāng)。

2.3.1 綠色電力在電力中的占比將大幅度提高

2020年,全國全口徑發(fā)電量為76 264億k W·h,比上年增長4.1%,其中,水電13 553億k W·h,比上年增長4.1%;火電51 770億k W·h,比上年增長2.6%;核電3 662億k W·h,比上年增長5.0%;并網(wǎng)風(fēng)電4 665億k W·h,比上年增長15.1%;并網(wǎng)太陽能發(fā)電2 611億k W·h,比上年增長16.6%,如圖3所示。

圖3 2020年發(fā)電結(jié)構(gòu)

在“雙碳”目標(biāo)下,我國能源電力低碳化發(fā)展要求日益凸顯,非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量將持續(xù)增長,電源結(jié)構(gòu)朝著更加清潔低碳的方向發(fā)展。從發(fā)電量角度,非化石能源發(fā)電量占比由2020年的32%逐步提升至2030年的50%,2060年約90%。

2.3.2 水電仍是可再生能源發(fā)電的主力軍

水力發(fā)電是再生能源發(fā)電的“領(lǐng)頭羊”,遠(yuǎn)比風(fēng)力和太陽能的發(fā)電量多。水力發(fā)電在中國的地位大大提升,目前在中國發(fā)電份額中燃煤發(fā)電居首,水力發(fā)電居第二位。截至2020 年底,中國水電裝機(jī)約為3.7 億k W,約占全國發(fā)電總裝機(jī)容量的19%;發(fā)電量約為13 553億k W·h,占全部可再生能源發(fā)電量的60%以上。2020年,全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)220 058萬k W,全國全口徑水電裝機(jī)容量達(dá)37 016萬k W,占全部裝機(jī)容量的16.82%。

根據(jù)中國水電發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃,到2030年水電裝機(jī)容量約為5.2億k W,水電開發(fā)程度約60%。到2060年,水電裝機(jī)約為7.0億k W,水電開發(fā)程度為73%。

2.3.3 風(fēng)電是第三大常規(guī)電源

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔無污染、可永續(xù)利用的能源利用形式。經(jīng)過40年的發(fā)展,風(fēng)電已經(jīng)發(fā)展成為中國繼火電、水電之后的第三大常規(guī)電源,且在各類電源之中已具備一定的成本優(yōu)勢。

目前,全國風(fēng)電累計并網(wǎng)規(guī)模達(dá)到2.82億k W,年發(fā)電量約為0.5萬億k W·h。陸上風(fēng)電的發(fā)電成本已降至與燃煤發(fā)電成本相當(dāng)?shù)乃?有些地區(qū)每千瓦時電甚至比煤電還低0.1元,海上風(fēng)電有望在2025年前后實(shí)現(xiàn)平價上網(wǎng)。

截至2020年底,全國風(fēng)電累計裝機(jī)容量為28 153萬k W,是2005年的225倍,占我國全部發(fā)電裝機(jī)容量的12.8%。然而,風(fēng)電在我國電力結(jié)構(gòu)的比例仍然很低。2020年,全國風(fēng)電發(fā)電量達(dá)到4 665億k W·h,占全國總發(fā)電量的6.1%。

根據(jù)預(yù)測,2030年中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量為4.45億k W,2050年為12.54億k W(大約是2020年實(shí)際風(fēng)電累計裝機(jī)容量的4.5倍);2030年風(fēng)電發(fā)電量為0.84萬億k W·h,2050 年為2.45 萬億k W·h(大約是2020年的5倍)。2050年中國電力消費(fèi)預(yù)計達(dá)到8萬億k W·h(2020年全社會用電量7.51萬億k W·h),這意味著屆時風(fēng)電在電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的占比將達(dá)到30.6%。

2.3.4 光伏發(fā)電是增長最快的電源類型

近年來我國光伏發(fā)電保持快速增長,2020年裝機(jī)容量已達(dá)2.5億k W。在“整縣光伏開發(fā)”等相關(guān)政策激勵下,光伏發(fā)電發(fā)展將進(jìn)一步提速。未來光伏發(fā)電將長期作為“雙碳”目標(biāo)下非化石能源發(fā)展的領(lǐng)跑者,在當(dāng)前至2060年將保持強(qiáng)勁的增長勢頭,成為增長幅度最大的電源。預(yù)計2025年和2030年裝機(jī)容量將分別達(dá)到約5.5億k W 和8.0億～8.3億k W,2060年增長至20億k W 左右。光伏發(fā)電裝機(jī)容量當(dāng)前低于煤電、水電、風(fēng)電,預(yù)計將于2030～2035年期間成為容量最大的電源。

2.3.5 核電容量將穩(wěn)步增長

核電是清潔、可靠電源,且其利用小時數(shù)較高,在風(fēng)電、光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展情況下能夠?qū)ο到y(tǒng)電力電量平衡作出較大貢獻(xiàn),是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要力量,應(yīng)當(dāng)在確保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電。2020年我國核電裝機(jī)容量約為5 000萬k W。我國核電發(fā)展受到電站選址空間及規(guī)劃建設(shè)周期等因素影響,在不發(fā)展內(nèi)陸核電的情況下,預(yù)計2025年、2030年、2050年裝機(jī)容量將分別達(dá)到約0.8億k W、1.2億k W、2.3億k W,2050年后裝機(jī)容量保持穩(wěn)定。

2.3.6 行業(yè)用能設(shè)備電氣化發(fā)展成為必然趨勢

據(jù)《中國能源電力發(fā)展展望》(2021),電能將逐步占據(jù)終端用能的核心地位,電氣化率不斷提升,2025年約為30%,2050 年超過50%,2060 年有望達(dá)到70%。

我國建筑陶瓷行業(yè),2020年電能在綜合能耗中的占比約為15%,提升空間很大。建筑陶瓷行業(yè)電氣化率提升的關(guān)鍵在于窯爐設(shè)備的電氣化。窯爐用能占比約60%,目前主要能源是煤制氣和天然氣。將氣燒輥道窯改成電燒輥道窯將成為提高行業(yè)電氣化率的重要途徑。

2.3.7 電燒輥道窯比氣燒更節(jié)能降碳

我國建筑陶瓷行業(yè)傳統(tǒng)的燒成窯爐主要采用氣燒輥道窯。電加熱輥道窯是目前正在研發(fā)的新型窯爐,通過采用電燒輥道窯技術(shù),無需助燃空氣,煙氣量下降80%以上,理論上燒成能耗降低50%左右?？紤]到氣燒輥道窯余熱利用,電燒輥道窯綜合節(jié)能可達(dá)到20%以上。

氣燒輥道窯改為電燒,按電力中綠色電力占比80%計,碳排放量降低約85%,減排效果十分顯著。

3 結(jié)語

我國建筑陶瓷行業(yè)使用的燃料經(jīng)歷了煤(碳)、油、煤(制氣)、天然氣(液化石油氣)的過程。2030年之前天然氣將成為行業(yè)發(fā)展的主要能源。2030年之后,隨著電力結(jié)構(gòu)綠色化程度提高,建筑陶瓷窯爐電氣化成為行業(yè)碳中和的關(guān)鍵。陶瓷窯爐裝備企業(yè)需提前布局,加大電燒輥道窯的研發(fā)力度,為行業(yè)實(shí)現(xiàn)2060年碳中和做出貢獻(xiàn)。