基于生命周期的原镁生产过程碳足迹分析

董书恒，逯承鹏，唐呈瑞，孔云霄，薛 冰

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所 污染生态与环境工程重点实验室，辽宁 沈阳 110016；2.辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室，辽宁 沈阳 110016；3.中国科学院大学，北京100049)

0 引言

当前，温室气体排放增加和温室效应增强引发的气候与环境问题日益突出，温室效应已成为全球气候变化研究的重要内容[1].当前，全球气候变暖已对各国的自然生态系统和经济系统造成了严重而深远的影响，并进一步影响了人类的生产生活[2].工业碳排放因在温室气体的排放中约占全球碳排放总量的21%而被认为是主要的碳排放行业[3]，工业作为中国国民经济和实体经济的主体，同样也是中国能源消费和碳排放的主要来源[4].2010年中国成为全球二氧化碳排放第一大国[5]，如何减少温室气体排放，尤其是二氧化碳的排放，已成为我国可持续发展主要挑战[6].能源消耗是碳排放的主要来源之一，因此迫切需要有效控制能源消耗强度和提高能源效率[7].2015年召开的巴黎气候变化大会通过的《巴黎协定》对2020年后全球应对气候变化行动做出了具体安排[8]，中国政府提出了在2030年左右二氧化碳排放达到峰值并争取通过各种努力使达峰时间尽量提前的应对气候变化自主行动目标[9].

中国是全球第一大原镁生产国，也是世界第一大镁产品出口国，属于典型的出口导向型产业[10].中国镁产业对外贸易迅速发展的同时能源消耗和碳排放问题也日益严重[11]，生态环境关联问题较为严重[12，13].有学者认为中国镁产业的快速兴起与发展主要是基于资源、能源和劳动力优势并以牺牲资源和污染环境为代价[14].因此，在当前贸易保护主义、逆全球化思潮抬头的背景下，开展金属镁冶炼过程中碳排放的科学计算及碳足迹研究，探究影响我国镁产业发展过程中碳足迹生态压力的关键要素，找出能耗与物耗高并且污染重的关键环节[15]，并以此作为镁行业节能减排技术改造和低碳发展的理论与实践依据，进而提出促进我国镁产业绿色生态化发展的对策建议，不仅可为温室气体排放、碳核查等领域的研究提供基础数据，还可为我国节能减排等宏观决策提供数据支撑，这对于我国积极地应对新形势下金属镁国际贸易市场出现的新情况、新问题，以及实现经济效益与环境效益的协调统一、推动中国镁产业的绿色健康可持续发展、增加在国际碳排放方面的话语权具有重要意义，亦可以产业发展促进乡村振兴重大战略的实施[16].

1 中国镁产业发展概况

中国是全球菱镁矿资源最为丰富的国家，已探明菱镁矿储量34亿t，占全世界总储量的27%，总保有储量矿石38亿t，居世界第1位.自20世纪90年代以来镁产业得到迅速发展并迅速占领国际市场，原镁的产量和出口量连续多年保持世界第一[17].我国菱镁矿空间分布表现为大型矿床多且分布相对集中的特征，目前探明储量的矿区达到27处，重点分布于辽宁、山东和西藏等9个省区，占全国总量的85%，其中，辽宁省菱镁矿储量最为丰富，达到31万t，其次分别为山东、西藏和新疆等省区.镁产业涉及的冶炼、加工及设备等不同类型的企业在地理空间上广泛分布.镁产业已经成为我国有色金属行业中出口创汇的支柱性产业之一，2017年中国原镁产量为102.2万t，占全球产量的85%[17].

2 研究方法与数据来源

2.1 碳足迹模型

生态足迹(Ecological Footprint)的概念由生态经济学家Rees提出[18]后经Wackernagel完善[19]，它将人类对资源能源的利用情况进行量化用以衡量人类对生态系统产生的压力，并反映人类生存与发展对自然生态环境的胁迫情况[20，21]，是衡量区域可持续发展的一种重要方法[22].碳足迹(Carbon Footprint)源于生态足迹，最早由哥伦比亚大学的Wackernagel& Rees提出，目前学术界尚未形成统一定义，但多将其定义为生产活动产生的全部CO2物理排放量或排放当量[23].碳足迹作为一个新兴衡量工具，可以为核算温室气体提供有效的工具，通过分析当前生产和生活活动对环境的影响，当前碳足迹方面多集中于研究方法及计算分析的整理与归纳[24].

2.1.1 原镁生产过程中能源消耗碳排放压力计算

碳排放压力即单位森林面积所承担的碳排放量，主要用来衡量生产活动的碳排放产生的生态环境影响[6].采用《IPCC 国家温室气体排放清单指南(2006年)》中各类能源的碳排放系数的相关核算因子与方法，本文按下述计算公式对原镁生产过程中能源消耗碳排放压力进行估算[25].原镁生产过程中碳排放压力的计算公式可以表示为：

C=∑iEi·Q

(1)

Cp=C/Lf

(2)

式中，C表示原镁生产过程中能源消费产生的碳排放量，Ei表示第i类能源的消费量(单位：万t标准煤)，Q则为碳排放系数(数据来源于2006 年的《IPCC 国家温室气体排放清单指南》)；Cp指碳排放压力(t/hm2)，Lf指森林面积(万hm2).

2.1.2 原镁生产过程中能源消耗碳足迹及碳足迹生态压力计算

一般认为能源碳足迹是与当前由能源消耗所排放的二氧化碳量相匹配的生产性土地实际存量，而从总体来看，森林和草地的蓄碳能力占总蓄碳能力的93%[26]，被认为是碳排放吸收能力最强的生产性土地.通常情况下，碳足迹生态压力主要是用以描述自然生态系统现状的概念，多以能源消费产生的二氧化碳对其造成的影响来衡量.在实践中，碳足迹生态压力则反映了生产活动中能源碳足迹与生产性土地面积的比值[27]，该值越大则表示压力越大，反之则表示压力越小.计算公式如下：

Cf=∑iCi/F

(3)

EPICF=Cf/S

(4)

S=Sf+Sg

(5)

式中，EPICF表示原镁生产过程中的能源消耗产生的碳足迹生态压力；Cf为原镁生产过程中能源消耗的碳足迹，Ci表示第i类能源消费的碳排放量，F为林地面积转换系数(F=6.49 t/hm2)；S为生产性土地的面积(hm2)，Sf和Sg分别指森林和草地的面积(hm2).

2.2 数据来源

为了便于比较，将原镁生产过程中使用的各种能源折算为标准煤进行计量，折算系数见表1，其中，标准煤CO2排放系数2.493 kg CO2/kg[28].本文所用数据来源于《中国统计年鉴(2011～2016)》、《中国能源统计年鉴(2011～2016)》、《中国有色金属工业统计年鉴(2011～2016)》、《中国有色金属工业协会统计报告》以及《中国有色金属工业协会镁业分会统计报告》等.采用王晓霞[6]、孙丽文[23]、高峰[27]和申明亮[28]等学者的相关研究成果中的模型参数计算原镁生产过程中的碳排放压力、碳足迹及碳足迹生态压力.

表1 各能源标准煤折算系数

3 结果与分析

3.1 原镁生产过程中经济技术指标

3.1.1 电解镁冶炼技术经济指标

电解镁冶炼的过程通常是将各种原料以不同的处理方法之后制备成无水或者少量水的氯化镁，之后将氧化镁置入电解槽，经过电解之后获得镁金属.通过实地调研可知，我国的镁冶炼工业中电解镁冶炼的生产工艺通常是直接采用卤水与菱镁矿或蛇纹石酸反应而得到氯化镁水合物，之后在 HCl气氛中进一步脱水和熔炼镁，这种工艺过程也是我国电解镁冶炼的主要过程[28].该工艺过程中的主要单耗指标和吨镁综合能耗见表2.经核算可知，电解法炼镁过程中的综合能耗一般为9.371 0 t标煤.

表2 HCl气氛中脱水电解炼镁工艺过程的主要单耗指标和综合能耗

3.1.2 皮江法炼镁工艺主要技术经济指标

我国采用的皮江法炼镁生产工艺过程中的主要能源消耗指数和综合能耗见表3.经计算，皮江法炼镁生产工艺过程中的综合能耗为9.467 7 t标煤.

表3 皮江法炼镁的综合能耗

3.2 原镁生产过程中的碳排放压力

3.2.1 碳排放量

在电解法冶炼镁的过程中，其排放的二氧化碳主要是由电、煤气、锅炉用煤等能源消耗所产生的，因此电解法冶炼镁过程中二氧化碳排放只有能源消耗产生二氧化碳排放，通过计算可知，每电解生产1 t镁产生的二氧化碳排放量为：9.371 0×2.493=23.361 9 t.在皮江法镁冶炼过程中，排放的二氧化碳既包括电、煤气、锅炉用煤等能源消耗所产生的，也包括白云石在煅烧过程中产生的，其中每吨镁能耗产生的二氧化碳排放量为：9.467 7×2.493=23.603 0 t；由于在白云石中含有47.83 %的二氧化碳，白云石煅烧分解产生的每吨镁二氧化碳排放量为：10.6×47.83%=5.070 0 t；综上可得，采用皮江法生产工艺每生产1 t镁的二氧化碳排放量为：23.603 0+5.070 0=28.673 0 t.

2010～2015年间，我国原镁生产过程中的碳排放量总体上呈现持续上升趋势(表4)，表明在现有工艺技术条件下，其碳排放量随着中国原镁产量的增加而增大，碳排放量与中国原镁产量成正比例关系.因此，在保持现有产量不变情况下要想实现减少碳排放量的目标，必须加快产业低碳化与生态化发展，加快推动中国原镁生产过程中的节能减排新技术、减少能源消耗的科技创新途径.

表4 2010～2015年中国原镁生产过程中能源消费碳排放量

3.2.2 碳排放压力

根据公式(2)计算可得我国原镁生产过程中的碳排放压力，计算结果如表5和图1所示.2010～2015年间，原镁生产过程中的能源消费碳排放压力总体上依然呈上升趋势.这说明随着我国原镁产量的增加，由能源消费所产生的的碳排放对环境产生的压力越来越大；2015年由于中国原镁产量的减少，碳排放压力较2014年有所降低.因此，在今后的生产活动中，应一方面保护好现有植被，增加森林和草原等植被覆盖面积，在可促进经济增长的同时保护环境；另一方面需要平衡好低碳与经济增长之间的关系，在促进经济健康快速发展的同时，减少碳排放、改善生产环境[24].

表5 2010～2015年原镁生产过程中碳排放压力

图1 2010～2015年中国原镁生产过程碳排放压力变化趋势

3.3 原镁生产过程中的碳足迹

根据公式(3)计算可得我国原镁生产过程中能源消费碳足迹，计算结果如表6所示.可知，在电解法炼镁过程中的镁能源消费碳足迹为：23.361 9 t标煤/6.49 t/hm2=3.599 7 hm2，而在皮江法炼镁工艺过程中的镁能源消费碳足迹为：28.673 0 t标煤/6.49 t/hm2=4.418 0 hm2.

由表6可知，2010～2015年间，我国原镁生产过程中的碳足迹总体上呈现出逐年增加趋势，且这种增长趋势逐渐加大，并在2014年达到385.375 7万hm2的最大值；2015年碳足迹较2014年有所下降，这是由于全球经济虽然缓慢复苏，但消费市场整体低迷趋势未改，需求缩减，中国镁出口量首次出现负增长所致.数据显示[17]，2015年全球的原镁产量约为100.2万t，同比下降了2.14%，实际上其主要的减产来自中国，在中国原镁三大产地中，陕西地区产量同比下降4.88%，山西地区产量同比下降19.38%.

表6 2010～2015年中国原镁生产过程中能源消费碳足迹

3.4 原镁生产过程中的碳足迹压力

图2 2010～2015年中国原镁生产过程碳足迹生态压力变化趋势

根据公式(4)和(5)计算可得我国原镁生产过程中能源消费碳足迹，计算结果如表7和图2所示.可以看出，2010～2015年间，我国原镁生产过程产生的碳足迹生态压力总体上逐年增长，表明随着我国原镁产量的不断增加，其能源消费碳足迹同步逐渐增加，然而，研究期内，我国的生产性土地面积的增加速度要低于碳足迹的增长速度，从而使得生产性土地的压力越来越大.因此，在当前特定资源禀赋及产业结构在短期内难以完成重大调整的情况下，大力发展清洁能源，科学合理的调整与优化能源消费结构，将有利于实现我国镁产业的低碳化、生态化与可持续发展.

表7 原镁生产过程中碳足迹生态压力

4 结论与建议

4.1 主要结论

本文主要结论如下：1)从原镁生产过程中的碳足迹来看，近年来由于国际市场对原镁需求的增长，导致我国原镁产量的迅速增加，进而使得我国原镁产业对能源的消费量日益扩大.2010～2015年，中国原镁生产过程中能源消费的碳足迹总体上两个阶段，即先上升然后下降.其中，2010～2014年，原镁生产过程的能源消费碳足迹稳步上升，并于2014年达到最大值；2015年较2014年有所降低，这是由于2015年全球镁市场低迷、需求缩减，导致中国原镁产量同比下降0.83%，因此中国能源消费碳足迹相应降低；2)从能源消费构成的比例来看，电力是原镁生产过程中消费的最主要的能源，随后依次是煤气、焦炭、锅炉用煤以及新水.因此，在全球气候变化的背景下，着力提高原镁生产过程中清洁能源的使用比例并通过科技创新大力研发与推广节能减排与低碳发展的新技术与新工艺，将有助于实现我国原镁生产的低碳化与生态化发展；3)从生态压力的角度来看，由于中国原镁产业的飞速增长，而生产性土地面积的增加往往需要更长的时间，使得生产性土地所承受的碳足迹压力起来越大，由2010年的0.004 1升至2015年的0.008 0，增长1.95倍，年均增幅19.02%，表明中国原镁产量快速增长的同时生态压力也在同步增加.

4.2 对策建议

基于研究结果对今后中国的原镁生产提出以下四条对策建议：1)加快科技创新，积极推动节能减排与低碳发展新技术，逐步减少能源消耗.提高镁产业环境管理水平实现镁产业的绿色发展，都必须依靠技术进步、增强镁产业科技创新能力.通过科技创新改善镁冶炼技术，降低冶炼成本、减少生产能耗，可以有效促进镁产业结构调整、优化布局、转型升级和节能减排，实现绿色低碳化发展；2)加快生态建设，增加林地与草地面积，以增加碳汇储量.森林不仅承载着世界上大部分的生物多样性，而且还储存了大量的碳，更为数十亿人提供了水、食物和原材料.因此，通过增加林地与草地面积，可增加碳汇储量，减少碳排放对环境带来的生态压力；3)制定政策体系，完善碳排放交易市场，促进碳排放交易.碳排放交易已经成为国际政治经济关系的重要组成部分，“碳关税”、“碳排放”在一定程度上影响到国家外交和经济发展[29].因此应持续完善我国碳排放交易市场，加快形成镁产业领域的碳排放交易；4)平衡环境与发展的关系，改善生产生活环境.贯彻新发展理念，加快推进生态文明建设，以产业生态化和生态产业化为手段，处理好镁产业发展与生态环境保护之间的关系，改善镁产业发展生产与生活环境.