李 鵬,李寶寬,孫 毅,許海飛

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著實(shí)體經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,環(huán)境問(wèn)題也日漸暴露。環(huán)境問(wèn)題被認(rèn)為是關(guān)系到居民安定生活和國(guó)家健康發(fā)展的至關(guān)重要的問(wèn)題,也是全世界人類(lèi)所共同面臨的問(wèn)題。從發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展進(jìn)程中可以清晰的看到,伴隨工業(yè)發(fā)展規(guī)模的急劇擴(kuò)張,隨之而來(lái)的海洋污染、大氣污染、水污染等眾多環(huán)境問(wèn)題不可避免,其中二氧化碳的排放問(wèn)題尤為突出,導(dǎo)致全球氣候變暖,影響到人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。據(jù)報(bào)告估算,2020年全球?qū)⑾虼髿庵信欧胚_(dá)到歷史峰值的340億噸二氧化碳,而中國(guó)作為二氧化碳年排放總量最多的國(guó)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(guó)、印度、俄羅斯和日本4個(gè)國(guó)家的總和。這表明,盡管《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》、《巴黎協(xié)定》等國(guó)際公約意在應(yīng)對(duì)和解決全球變暖的問(wèn)題,但是全球二氧化碳排放總量并沒(méi)有從根本上得到有效控制。為此,中國(guó)政府在2020年9月的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式承諾,中國(guó)將盡其所能,使國(guó)內(nèi)二氧化碳排放總量在2030年前達(dá)到峰值,并力爭(zhēng)于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在“雙碳”目標(biāo)的指引下,國(guó)家需要統(tǒng)籌“區(qū)域結(jié)構(gòu)”、“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)”及“能源結(jié)構(gòu)”平衡發(fā)展。從我國(guó)2019年碳排放領(lǐng)域行業(yè)構(gòu)成來(lái)看,能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換、工業(yè)、交通運(yùn)輸及建筑領(lǐng)域碳排放占比較高,分別為47%、36%、9%及8%,其中工業(yè)領(lǐng)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(gè)鋁行業(yè)溫室氣體排放中,電解過(guò)程用電折算溫室氣體占比高達(dá)76.2%,氧化鋁生產(chǎn)折算溫室氣體占比19.6%,炭陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程及電化學(xué)反應(yīng)與副反應(yīng)直排溫室氣體占比3.2%。

而作為預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)的關(guān)鍵工序,石油焦煅燒過(guò)程工藝復(fù)雜、能耗較高、自動(dòng)化水平低的劣勢(shì)[4-5],成為制約電解鋁行業(yè)降低碳排放的問(wèn)題之一。因此,需要結(jié)合《GB/T 32151.4-2015 溫室氣體排放核算與報(bào)告要求第四部分:鋁冶煉企業(yè)》中提供的計(jì)算方法建立適合于石油焦煅燒過(guò)程的碳排放計(jì)算數(shù)學(xué)模型,從微觀層面分析石油焦煅燒過(guò)程碳排放的特點(diǎn),制定相關(guān)可行的碳減排方案,以實(shí)現(xiàn)降低石油焦煅燒過(guò)程“低碳”發(fā)展的要求。

1 碳排放源識(shí)別及歸類(lèi)

碳排放源識(shí)別影響整個(gè)碳排放的核算過(guò)程,通常有兩種識(shí)別方法:活動(dòng)部分法和全生命周期劃分法[6]。

(1) 活動(dòng)部分法

活動(dòng)部分法是對(duì)不同區(qū)域碳排放源的主要?jiǎng)澐址椒?分為企業(yè)、省市及國(guó)家三個(gè)層面,將碳排放源劃分為能源、工業(yè)過(guò)程、農(nóng)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(kāi),具體的劃分為燃料燃燒、過(guò)程排放、購(gòu)入電/熱力產(chǎn)生的排放及特殊排放四大類(lèi),同時(shí)在計(jì)算碳排放總量時(shí),明確規(guī)定可以將碳回收利用量進(jìn)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(nèi)的碳排放,同時(shí)考慮核算邊界范圍內(nèi)物料、資源及能源的上、下游生產(chǎn)過(guò)程,適用于城市級(jí)以上的碳排放源識(shí)別。

本文綜合以上兩種識(shí)別方法,結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程,以石油焦煅燒企業(yè)邊界內(nèi)所有生產(chǎn)系統(tǒng)及生活用水系統(tǒng)所導(dǎo)致的碳排放為核算范圍,對(duì)石油焦煅燒過(guò)程中的碳排放源進(jìn)行識(shí)別,如下:

(1)燃料燃燒碳排放:包括天然氣燃燒碳排放;

(2)生產(chǎn)過(guò)程碳排放:包括炭質(zhì)燒損碳排放、揮發(fā)分燃燒碳排放;

(3)外購(gòu)電力消耗碳排放;

(4)外購(gòu)水消耗碳排放。

圖1 石油焦煅燒工藝中碳排放節(jié)點(diǎn)示意圖

當(dāng)前,大多數(shù)石油焦煅燒企業(yè)會(huì)配置余熱利用單元,來(lái)回收煅燒過(guò)程產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔馕锢頍?減少碳排放,此部分碳回收利用量應(yīng)在煅燒過(guò)程碳排放總量中予以扣除。

2 碳排放計(jì)算理論

(1) 燃料燃燒碳排放計(jì)算

根據(jù)燃料的熱值、實(shí)測(cè)單位熱值含碳量及燃料碳氧化率,采用排放系數(shù)法對(duì)燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的含碳?xì)怏w折算成CO2排放當(dāng)量,是一種應(yīng)用較普遍的碳排放計(jì)算方法,計(jì)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(biāo)系數(shù),其值M=44/12。

(2) 電力消耗碳排放計(jì)算

電力消耗過(guò)程中產(chǎn)生的含碳?xì)怏w折算成CO2排放當(dāng)量的計(jì)算公式如下:

C2=EFCO2×E×GWPCO2

(2)

式中:C2——電力消耗過(guò)程碳排放量,tCO2;

EFCO2——供電基準(zhǔn)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(lèi)物質(zhì)消耗碳排放計(jì)算

其他能源類(lèi)物質(zhì)(例如水、蒸汽等)消耗碳排放計(jì)算,可以按照對(duì)應(yīng)能源物質(zhì)的折標(biāo)系數(shù),折算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤量,然后按照標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒碳排放計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

以我國(guó)某年產(chǎn)能28萬(wàn)噸煅燒焦的石油焦煅燒企業(yè)為案例,從實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)角度出發(fā),應(yīng)用以上碳排放計(jì)算理論,對(duì)于石油焦煅燒及余熱利用過(guò)程中的總碳排放進(jìn)行計(jì)算。

3.1 數(shù)據(jù)收集

本文計(jì)算所用的數(shù)據(jù)一方面來(lái)自于實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值,另一方面來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值,具體數(shù)據(jù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 石油焦煅燒技術(shù)參數(shù)表

同時(shí),在碳排放量計(jì)算過(guò)程中還需要參照一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定的相關(guān)系數(shù),如表2所示。

表2 其他相關(guān)參數(shù)表

3.2 單耗計(jì)算

石油焦煅燒及余熱利用過(guò)程中的總碳排放是以實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的原料消耗量、燃料消耗量、外購(gòu)能源消耗量及余熱回收量為計(jì)算依據(jù)。因此,首先需要計(jì)算出全廠的物料平衡和能量平衡;然后通過(guò)產(chǎn)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(chǎn)品單耗

表6 產(chǎn)品單耗

3.3 總碳排放計(jì)算

依據(jù)前文所述的計(jì)算方法和中間計(jì)算結(jié)果,結(jié)合煅燒過(guò)程高溫?zé)煔庥酂峄厥绽眠@一減少碳排放的有效措施,對(duì)石油焦煅燒及余熱利用過(guò)程中的總碳排放和凈碳排放進(jìn)行計(jì)算,結(jié)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(guò)程不需要外加燃料,依靠自身的揮發(fā)分、燒損燃燒產(chǎn)生的大量燃燒熱就可以完成煅燒過(guò)程,屬于自給自足的“零”耗能工藝,依據(jù)以往的能量評(píng)價(jià)方法,屬于能源富集生產(chǎn)過(guò)程,節(jié)能措施的研究不是石油焦煅燒領(lǐng)域的主要研究方向。但是,通過(guò)引入“碳”排放這一新概念,從表7可以看出,整個(gè)煅燒過(guò)程的總碳排放為0.509904 tCO2/t煅燒焦,按照2019年國(guó)內(nèi)石油焦總產(chǎn)量約2700萬(wàn)噸計(jì)算,國(guó)內(nèi)煅燒過(guò)程產(chǎn)生的碳排放總量約為1400萬(wàn)噸,基于國(guó)家2030年全社會(huì)碳排放121億噸的“碳達(dá)峰”發(fā)展要求,煅燒企業(yè)必須開(kāi)展節(jié)能減碳方面的相關(guān)研究。

從不同碳排放源產(chǎn)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(dá)到了68.51%;炭質(zhì)燒損碳排放與外購(gòu)電力消耗碳排放占比相當(dāng),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(chǎn)生的碳排放量較少,同時(shí)由于水的折標(biāo)煤系數(shù)較低,且全廠用水單耗也不高,所以外購(gòu)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(lái)的,也是石油焦煅燒的主要能源來(lái)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(lái)減少碳排放,但是在實(shí)際生產(chǎn)中,建議增加原料精確配料系統(tǒng),通過(guò)嚴(yán)格控制原料中的揮發(fā)分含量、減少成分波動(dòng),防止由于揮發(fā)分含量過(guò)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(guò)減少煅燒生產(chǎn)過(guò)程的燒損,加強(qiáng)能源系統(tǒng)管理,優(yōu)化生產(chǎn)工藝,降低過(guò)程耗電水平,共同推進(jìn)煅燒過(guò)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(lái)自于煅燒過(guò)程產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂峄厥账a(chǎn)生的碳減排,占總碳排放的72.16%。這說(shuō)明,現(xiàn)有石油焦煅燒生產(chǎn)過(guò)程,余熱回收利用取得了較好效果,對(duì)絕大部分碳排放進(jìn)行了回收,使整個(gè)煅燒生產(chǎn)過(guò)程的凈碳排放量只有0.141942 tCO2/t煅燒焦,處于行業(yè)領(lǐng)先水平。但是,距離“零”碳排放的終極目標(biāo)還是有一定差距,所以還應(yīng)從煅燒過(guò)程產(chǎn)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(yīng)用,從而達(dá)到煅燒過(guò)程碳減排的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)耦合多種碳排放源識(shí)別方法,分析石油焦煅燒及余熱利用過(guò)程的碳排放源,主要包括天然氣燃燒碳排放、炭質(zhì)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(jì)算模型的搭建,從實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)角度解決了石油焦煅燒及余熱利用過(guò)程的碳排放計(jì)算問(wèn)題。

(3)通過(guò)實(shí)例計(jì)算分析,石油焦煅燒及余熱利用過(guò)程中,揮發(fā)分燃燒碳排放占比最高,達(dá)到了68.51%,其次為炭質(zhì)燒損碳排放與外購(gòu)電力消耗碳排放,占比分別為15.64%和15.48%。

(4)通過(guò)碳排放計(jì)算結(jié)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(qiáng)余熱回收等。