劉榮明 胡國輝 孫 威 張 康 賈立穎 李青華 李炳山

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北礦磁材(阜陽)有限公司，安徽 阜陽 236000；3.國家磁性材料工程技術(shù)研究中心，北京 102600)

全球變暖、冰川融化、海平面上升、霧霾天氣等一系列全球氣候變化正嚴(yán)重影響著人類未來生存。為應(yīng)對由工業(yè)化帶來的氣候變化，自1997年《京都議定書》通過以來，世界各國均開展了一系列的碳排放規(guī)劃和減排措施。2019年12月11日，歐盟委員會公布“歐洲綠色協(xié)議”首次提出，到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，即二氧化碳凈排放量降為零[1]。中國要在2060年前實(shí)現(xiàn)140～145億t的碳中和目標(biāo)任務(wù)艱巨、挑戰(zhàn)眾多，需要做大量細(xì)致工作。

2021年10月24日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》[2]提出“1+N”政策體系總體設(shè)計，在提升能源利用率、非化石能源消費(fèi)比重、降低二氧化碳排放、提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力等方面提出要求，確保如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和；10月26日印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》部署了能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動、節(jié)能降碳增效行動等十項重點(diǎn)任務(wù)[3]。國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部、工信部、科技部等單位分別牽頭出臺《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南(2022年版)》《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》指導(dǎo)文件以具體落實(shí)“N”政策方針[4-7]。特別值得注意的是，2022年6月22日，歐洲議會正式通過碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制(Carbon Border Adjustment Mechanism，CBAM)，即碳關(guān)稅相關(guān)規(guī)則修正。該機(jī)制將于2023年1月1日開始實(shí)施，于2027年起正式全面開征[8]。鋼鐵、鋁、水泥、化肥、電力、有機(jī)化學(xué)品、塑料、氫和氨九個行業(yè)進(jìn)口商首當(dāng)其沖的為其進(jìn)口產(chǎn)品的直接碳排放支付費(fèi)用，價格掛鉤歐盟政策工具碳排放交易體系(Carbon Emissions Trading System，ETS)。

未來無論是采用碳市場還是碳稅方法以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，還是歐洲及其他潛在地區(qū)可能采取的碳關(guān)稅貿(mào)易挑戰(zhàn)和未來影響，所有涉及到碳排放的單位和機(jī)構(gòu)都應(yīng)未雨綢繆，確立一定的碳排放測算參數(shù)，最終做到各行業(yè)或領(lǐng)域碳排放的可測算與可計劃，以應(yīng)對碳達(dá)峰和碳中和所帶來的影響。

永磁鐵氧體材料是全球生產(chǎn)規(guī)模最大、應(yīng)用最為廣泛的永磁材料。截至2020年底，我國永磁鐵氧體產(chǎn)量(料粉+磁體)超過100萬t[9-11]，國內(nèi)生產(chǎn)高性能永磁鐵氧體預(yù)燒料的主要生產(chǎn)企業(yè)包括北礦科技股份有限公司、橫店集團(tuán)東磁股份有限公司、安徽龍磁科技股份有限公司、寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司、中鋼天源(馬鞍山)通力磁材公司、湖南航天磁電有限責(zé)任公司等。當(dāng)前行業(yè)普遍采用陶瓷工藝制成，耗費(fèi)相當(dāng)數(shù)量的天然氣、電力等資源和能源[12]。燒結(jié)永磁鐵氧體預(yù)燒料的產(chǎn)品配方、生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品性能在持續(xù)不斷進(jìn)步，行業(yè)內(nèi)通常根據(jù)所制成磁體產(chǎn)品性能將其劃分為6系、9系(La、Co離子替代主成分)、12系(La、Co、Ca離子替代主成分)等[13，14]。根據(jù)混料工藝不同可分為干法混合和濕法混合永磁鐵氧體兩類。根據(jù)二次燒結(jié)制成永磁鐵氧體磁體成型方式又可分為干壓和濕壓(磁場成型)永磁鐵氧體兩類[15，16]。本文以濕法混合永磁鐵氧體材料預(yù)燒料為研究對象，探討其生產(chǎn)過程的碳排放核算(測算)方法、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和減控措施，以期為本行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和貢獻(xiàn)力量。

1 測算方法

1.1 碳排放核算方法

根據(jù)《2019年中國溫室氣體公報》，二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)分別是影響地球輻射平衡的主要和次要長壽命溫室氣體，在全部長壽命溫室氣體濃度升高所產(chǎn)生的總輻射強(qiáng)迫中的貢獻(xiàn)率分別約為66%、17%[17]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change)提出了二氧化碳當(dāng)量(CO2e)這一概念，以統(tǒng)一衡量這些氣體排放對環(huán)境的影響[18]?，F(xiàn)有的溫室氣體排放量核算方法可以概括為三種：排放因子法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測法。目前，國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與改革委員會公布的24個指南采用的溫室氣體量化方法只包含排放因子法和質(zhì)量平衡法，排放因子法是適用范圍最廣、應(yīng)用最為普遍的一種碳核算辦法。本文采用排放因子法并適當(dāng)結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會提供的碳核算基本方程：

GHG=AD×EF

(1)

式中，GHG是溫室氣體排放總量；AD是活動量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)致溫室氣體排放的生產(chǎn)或消費(fèi)活動的活動量，如每種化石燃料的消耗量；EF是排放因子，表征單位生產(chǎn)或消費(fèi)活動量的溫室氣體排放系數(shù)，包括單位熱值含碳量或元素碳含量、氧化率等。EF可采用IPCC、美國環(huán)境保護(hù)署、歐洲環(huán)境機(jī)構(gòu)、或者我國提供的常見化石燃料特性參數(shù)。我國常用原煤與標(biāo)準(zhǔn)煤的折算比率是0.714 3，1 kW·h電量等價于0.122 9 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于0.172 1 kg原煤[19]。

永磁鐵氧體預(yù)燒料主要由鐵紅和碳酸鍶等通過高溫?zé)贫?，生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)中電力消耗、天然氣消耗和物料損耗參照《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》(GB/T 32150—2015)等文獻(xiàn)折算成二氧化碳當(dāng)量[20-22]，而且高溫合成過程直接排放二氧化碳，所以永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程的碳排放核算還需要進(jìn)一步確定碳排放核算邊界和排放源。

1.2 碳排放核算邊界

參照生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施》(2022修訂版)制定本文碳排放核算邊界[23]。如圖1所示，核算邊界為永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)設(shè)施，主要包括配料、球團(tuán)、預(yù)燒結(jié)、電氣、控制等系統(tǒng)，不包含廠區(qū)內(nèi)其他輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)，也不包含各個預(yù)燒料粉生產(chǎn)企業(yè)差異較大的窯尾除塵系統(tǒng)。

圖1 永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)碳排放核算邊界示意圖Fig.1 Schematic diagram of carbon emission accounting boundary in the preparation process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

1.3 碳排放產(chǎn)生源

針對目前國內(nèi)采用的濕法混合永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)工藝流程，分別確定制備工序中的三類碳排放產(chǎn)生源。表1為鐵氧體預(yù)燒料制備工序中的碳排放產(chǎn)生源。

表1 永磁鐵氧體預(yù)燒料制備工序中碳排放產(chǎn)生源Table 1 Carbon emission sources in the preparation process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

2 結(jié)果與討論

以1萬t預(yù)燒料產(chǎn)成品為計算基準(zhǔn)，設(shè)定Fe2O3和SrCO3摩爾比為6∶1，分別測算各工序中產(chǎn)生的電力消耗、天然氣消耗和高溫固態(tài)反應(yīng)形成的碳排放。

碳酸鍶在預(yù)燒結(jié)過程中分解產(chǎn)生氧化鍶和排放二氧化碳CO2，物料損耗3.979%。

6Fe2O3+SrCO3=SrFe12O19+CO2↑

(2)

經(jīng)計算可知，每投放1萬t原材料和每產(chǎn)出1萬t預(yù)燒料產(chǎn)品，可排放二氧化碳分別為397.9 t和414.40 t。

表2和表3分別為燒結(jié)永磁鐵氧體材料預(yù)燒料生產(chǎn)過程電力和天然氣的碳排放測算數(shù)據(jù)。由此可測算出，每1萬t鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程的碳排放總量是5 351.12 t。

圖2為永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程碳排放整體比較圖。由表2、表3和圖2可知，預(yù)燒結(jié)、球磨和干燥工序的碳排放量分別為2 616.53、1 412.82、886.28 t，占CO2e排放總量分別為48%、26%、16%，而且鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的碳排放不容小覷。這可為永磁鐵氧體產(chǎn)品制定可測算和可計劃的碳減排提供基礎(chǔ)依據(jù)。

表2 永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程消耗電力而產(chǎn)生的碳排放測算Table 2 Estimation of carbon emissions from power consumption in the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

表3 永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程天然氣燃燒產(chǎn)生的碳排放測算Table 3 Calculation of carbon emissions from natural gas combustion during the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

圖2 永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程中碳排放構(gòu)成圖Fig.2 Composition diagram of carbon emission during the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

如前所述，永磁鐵氧體預(yù)燒料劃分為6系、9系、12系等，其中9系中的La、Co主要是分別離子替代主成分Sr和Fe，均以氧化物(La以La2O3、Co以C2O3或Co3O4)形式作為原材料引入，所以本文碳排放核算方法適用于6系和9系。12系中的Ca則以碳酸鹽CaCO3形式作為原材料引入，主要取代主成分Sr元素進(jìn)入晶粒并部分進(jìn)入M相的晶界處，并且12系和6系、9系在混料方式、預(yù)燒溫度等工藝上也有顯著區(qū)別，所以本文碳排放核算方法用于12系永磁鐵氧體預(yù)燒料時需要進(jìn)行調(diào)整。

針對上述永磁鐵氧體預(yù)燒料的生產(chǎn)碳排放實(shí)際情況，遵循《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達(dá)峰行動方案》《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南(2022年版)》《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》等“1+N”政策文件和實(shí)施方案，并追蹤前沿科技技術(shù)和管理創(chuàng)新思路[24]，提出基于“源頭治理、科技支撐、管理創(chuàng)新、協(xié)同增效”原則和以提升“能源利用效率、勞動生產(chǎn)率、生態(tài)碳匯能力”為主體目標(biāo)的永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程碳排放開源節(jié)流綜合減控措施及愿景。表4為永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程中碳排放的減控措施及愿景。

表4 永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程中碳排放的減控措施及愿景Table 4 Reduction control measures of carbon emissions during the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

近幾年，永磁鐵氧體、稀土永磁等磁性材料及器件企業(yè)作為有色金屬工業(yè)行業(yè)重要組成部分，在新項目投資和新廠房建設(shè)中，將環(huán)保理念擺在了重要位置，提升企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)保意識的同時，磁性材料產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電、新能源汽車等市場，應(yīng)當(dāng)充分考慮和加大宣傳力度，以產(chǎn)品全生命周期的視野，系統(tǒng)協(xié)同增強(qiáng)碳匯能力，實(shí)現(xiàn)相互成就“碳達(dá)峰、碳中和”目的[25]。值得關(guān)注的是，2021年11月工信部、市場監(jiān)管總局電機(jī)能效提升計劃(2021—2023年)鼓勵使用2級及以上能效的節(jié)能電機(jī)、擴(kuò)大綠色供給，2023年高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到1.7億kW、在役比例到20%以上、年節(jié)電量490億kW·h[26]，這給予具有節(jié)能減排獨(dú)特效用的包括永磁鐵氧體、釹鐵硼等高效永磁節(jié)能電機(jī)的巨大產(chǎn)業(yè)機(jī)會，也有利于便于磁性材料產(chǎn)品在國際貿(mào)易中沖抵碳排放和碳泄漏，有利于磁性材料行業(yè)完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念、圓滿達(dá)成碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)。

3 結(jié)論

1)永磁鐵氧體預(yù)燒料的碳排放主要由各工序中產(chǎn)生的電力消耗、天然氣消耗和資源消耗形成。

2)采用排放因子法進(jìn)行計算時，在選定碳排放源和核算邊界條件下，每生產(chǎn)1萬t永磁鐵氧體預(yù)燒料產(chǎn)生碳排放總量為5 351.12 t，其中，預(yù)燒結(jié)、球磨、干燥的碳排放量分別為2 616.53、1 412.82、886.28 t，占CO2e排放總量分別為48%、26%和16%。

3)提出的碳排放測算方法適用于濕法混料的6系和9系永磁鐵氧體預(yù)燒料，對12系永磁鐵氧體預(yù)燒料有一定的借鑒意義。

4)提出基于“源頭治理、科技支撐、管理創(chuàng)新、協(xié)同增效”原則和以提升“能源利用效率、勞動生產(chǎn)率、生態(tài)碳匯能力”為主體目標(biāo)的永磁鐵氧體預(yù)燒料生產(chǎn)過程碳排放開源節(jié)流綜合減控措施及愿景。