拜耳法生产氧化铝过程的碳排放核算

倪 阳

(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

中国已明确提出力争在2030年实现“碳达峰”,2060年实现“碳中和”的目标[1]。通过碳排放核算摸清家底是实现碳达峰、碳中和的基础,首先需要了解生产过程中碳排放的量及来源才能够明确碳达峰、碳中和任务的着力点和工作方向。

铝工业是发展国民经济与提高人民生活水平的基础工业,也是高能耗高碳排放工业之一。铝工业产业链涵盖从铝土矿开采、氧化铝冶炼、原铝电解到铝加工。氧化铝冶炼作为铝工业产业链的一个重要环节,其吨产品的碳排放量在整个铝工业产业链中仅次于电解铝。并且近年来国内氧化铝产能逐年上升,截止到2020年底,国内氧化铝总产能已超过9000万吨/年,其中拜耳法产能占比超过90%,氧化铝工业总的碳排放量相当庞大,但目前国内系统性分析拜耳法生产氧化铝过程中碳排放的研究较少,本文通过查阅国内外相关文献及权威机构指导文件,分析了氧化铝厂碳排放的核算范围,总结了拜耳法生产氧化铝过程的碳排放计算方式并以某氧化铝厂为例进行了碳排放量计算。

1 研究背景

高天明[2]等人的研究显示国内拜耳法生产氧化铝能耗为9～14 GJ/t-Al2O3,国际先进水平为8.36 GJ/t-Al2O3,拜耳法生产氧化铝的二氧化碳排放量为805 kgCO2/t-Al2O3。李敬[3]的论文中显示,拜耳法生产氧化铝过程中的碳排放分为直接排放和间接排放,直接排放量为288 kgCO2/t-Al2O3,间接排放量为1583 kgCO2/t-Al2O3,吨氧化铝产品二氧化碳排放量合计为1871 kgCO2/t-Al2O3。中国铝业股份有限公司[4]公开发布的《2020年度社会责任暨环境、社会与管治报告》中显示,中国铝业股份有限公司2020年度氧化铝综合能耗为357.40 kg标煤/t-Al2O3(折合10.47 GJ/t-Al2O3,包含部分烧结法产能),吨氧化铝二氧化碳排放量为1800kgCO2/t-Al2O3。几份报告因其统计范围及排放因子的选取不同,结果有一些差异,但几份报告中都未显示具体的计算方式。本文在此基础上,对拜耳法生产氧化铝生产过程的碳排放计算方式、参数选取及统计范围确定进行了更为详细的分析,为类似的氧化铝厂提供可供借鉴的计算方法。

2 拜耳法工艺主要碳排放工序

拜耳法生产过程所产生的碳排放主要可分为两大类,第一类为直接排放,指煤炭、石油、天然气等一次能源和二次能源燃烧后产生CO2气体(或折算为CO2当量)直接向大气中排放,在拜耳法生产氧化铝过程中会产生直接排放的工序只有焙烧和石灰烧制;第二类为耗能工质间接排放,指消耗电力、蒸汽或循环水、压缩空气等需要消耗电力来产生的耗能工质的排放,在拜耳法生产过程中几乎所有工序都会有电力和循环水消耗,并且在预脱硅、分解分级和焙烧工序除了电力和循环水消耗外,还需要消耗压缩空气,在溶出、蒸发和热水站还有蒸汽消耗。间接排放可根据消耗的耗能工质种类,折算为碳排放量。图1是拜耳法简要的工艺流程框图,其中标出了各工序需要消耗的能源种类。

图1 拜耳法简要工艺流程及各工序能源消耗图

图中E表示电力,CW表示循环水,CA表示压缩空气,LS表示新蒸汽,G表示燃气(煤气或天然气),C表示焦炭。

需要注意的是石灰烧制工序,现在新建氧化铝厂大多都不自建石灰烧制工序,而是直接外购成品石灰,在计算碳排放时就不需要计算石灰烧制过程的碳排放。有部分建设较早的氧化铝厂虽然自带石灰烧制工序,但在其产能扩张过程中石灰烧制的能力一般都不继续扩建,石灰烧制能力仅满足部分产能所需,不足部分则外购成品石灰,在计算碳排放时仅计入自行烧制的部分。

3 拜耳法生产过程碳排放核算

3.1 碳排放及温室气体排放

狭义上的碳排放是指CO2气体排放,广义上的碳排放是指温室气体排放(GHG)。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)排放因子数据库中共包含81种温室气体[5],分为九大类,包括二氧化碳(CO2),甲烷(CH4),氧化亚氮(N2O),氢氟碳化物(HFCs),全氟碳化物(PFCs),六氟化硫(SF6),三氟化氮(NF3),其它卤化物(OHs)和前体物(Precursors)。其中前六种,即CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6是《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》中温室气体清单中的内容[7]。所以,目前在国内所说的碳排放量一般就是指CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6六种气体折算为二氧化碳当量的排放量。

3.2 氧化铝厂碳排放量核算

3.2.1 碳排放与碳足迹的差异

在进行碳排放核算前应先明确两个概念,即“碳排放”和“碳足迹”的差异。在《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(以下简称《2006年IPCC指南》)[6]中,温室气体排放量的核算是以国家、部门(行业)和企业进行划分,仅指国家、部门(行业)或企业在社会经济或生产过程中所产生的碳排放量。在《ISO:14067-2018 温室气体-产品碳足迹要求和量化导则》[8]中对碳足迹的定义是:基于全生命周期(life cycle assessment)的产品体系温室气体二氧化碳当量排放量与清除量之和。全生命周期指从原料获取、产品设计、产品生产、运输、销售、使用直至报废处理的整个过程。碳排放概念用于核算某个国家、部门(行业)或企业碳排放量是否达标以及需要交易的碳排放量。碳足迹概念则用于衡量一种产品从生产到使用直至报废全过程对环境的影响程度。具体到拜耳法生产氧化铝生产过程而言,例如某氧化铝企业通过工艺优化及管理水平提升降低了吨产品的碱耗,对于该企业单位产品的碳排放量影响甚微(仅通过影响流量对电耗产生影响带来差异),但对于吨氧化铝的碳足迹降低就有较大的影响,因为碳足迹包含原料获取所产生的碳排放量,而碱的生产过程会发生大量的碳排放消耗大量的能源。

本文主要是讨论氧化铝厂生产吨氧化铝产品的碳排放量核算,因此本文中所说碳排放均是基于《2006年IPCC指南》中的碳排放概念。

3.2.2 碳排放量核算范围的确定

为了避免部门或企业间对碳排放量的重复计算或遗漏,《2006年IPCC指南》中对于碳排放的产生部门都有严格的定义。

氧化铝生产归属于金属冶炼中的铝冶炼类目,编号为2C7。在氧化铝生产过程中所产生的直接排放(按第2章所述,包含石灰烧制和氧化铝焙烧)需要统计进吨氧化铝产品的碳排放量。

但对于电和蒸汽这类能源的间接排放量是否需统计进吨产品的碳排放量则需区分情况。

如用电或用汽来源为公用电厂,《2006年IPCC指南》中对公用电厂的定义:“主要活动是提供公共服务的企业,他们可能是公有或私有的,燃料自身现场使用产生的排放应该包括在内”[6],则该电力或蒸汽的碳排放已计入在能源活动中(即计入电厂的碳排放,《2006年IPCC指南》中分类编号1A1a),为避免重复计算,在氧化铝厂中不应再计算。

如果用电或用汽来源为自供生产工厂(即自备电厂),《2006年IPCC指南》对自供生产工厂的定义:“自供生产工厂(作为支持其主要活动的一项活动,发电/产热完全或部分为其自身使用的企业),其产生的排放应该分配给产生排放的部门,不列在1A1a下。自供生产工厂可以是公有或私有的。”对于这类电力或蒸汽所产生的碳排放则应计入氧化铝厂。

简言之,明确碳排放核算范围的主要目的和原则是避免不同部门(行业)间的重复计算,同一能源只计算一次碳排放。

3.2.3 碳排放量的计算方法

对于碳排放量的计算,《2006年IPCC指南》推荐了三种层级方法。第一层级方法计算方式如公式(1)、(2),第二及第三层级的计算公式也与此一致,三个层级的主要差异在于排放因子的取值。

排放GHG,HG=燃料热量×排放因子GHG,HG

(1)

排放总GHG=∑燃料排放GHG.HG

(2)

式中:排放GHG,HG——按燃料类型的温室气体排放,kg;

燃料热量——燃料燃烧所产生的热量,TJ;

排放因子GHG,HG——按燃料类型给出的温室气体排放因子,kgGHG/TJ。

在第一层级方法中排放因子取值采用缺省排放因子,即《2006年IPCC指南》针对不同燃料所给的排放系数。在第二层级方法中排放因子取值则是根据不同国家或地区情况,由当地政府部门或权威机构制定符合该国家或地区的排放因子。在第三层级方法中,排放因子的取值则需根据各企业情况,进一步综合考虑燃料类型、燃烧技术、运行条件、控制技术、设备维护情况、设备使用年限等条件制定,或由排放监控设备直接测量排放量。这三种层级方法的计算精确程度依次递增,所需要的输入条件复杂程度也依次递增。

3.2.4 计算案例

以某企业为例,核算其吨氧化铝碳排放量。该氧化铝厂全部氧化铝产能均采用拜耳法进行生产,矿石为国内一水硬铝石矿,采用高温溶出工艺,少部分石灰自制,大部分石灰外购,焙烧采用循环流化床煤气炉煤气与天然气混合燃料,蒸汽及电来源为其自备电厂。该厂涉及碳排放核算的吨产品单耗情况如表1。

表1 某氧化铝厂涉碳排放单耗指标

采用层级一即按《2006年IPCC指南》推荐排放因子计算方法,根据《2006年IPCC指南》中对石灰的分类,该氧化铝厂自制石灰类型为水硬石灰(CaO:65%～92%),其缺省排放因子为0.59 tCO2/t石灰。自制石灰部分的CO2排放量为10.7×0.59=6.31 kgCO2/t-Al2O3。

焙烧所用煤气为循环流化床煤气炉煤气,热值为5.23 MJ/Nm3(1250 kCal/Nm3),天然气热值为35.59 MJ/Nm3(8500 kCal/Nm3)。

《2006年IPCC指南》推荐的天然气及煤气的三种温室气体的缺省排放因子和排放因子上限及下限如表2。

表2 天然气和煤气排放因子[6] kg/GJ

CH4折CO2当量系数为21,N2O折CO2当量系数为310[7]。如全部按缺省排放因子计算,焙烧吨氧化铝的二氧化碳排放当量为:

525×5.23×(44.4+0.001×21+0.001×310)÷1000+14×35.59×(56.1+0.001×21+0.0001×310)÷1000=150.03 kgCO2/t-Al2O3

如分别按排放因子下限和上限计算,对应的吨氧化铝焙烧二氧化碳排放当量分别为129.52 kgCO2/t-Al2O3和178.10 kgCO2/t-Al2O3。

电力产生的间接排放采用生态环境部发布的《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》[10]中推荐的排放因子进行计算,该氧化铝厂所在位置属于南方区域电网,南方区域电网用电量边际排放因子为0.8042 tCO2/MWh,吨氧化铝电力消耗230 kWh,对应温室气体排放量为184.97 kgCO2/t-Al2O3。

蒸汽消耗产生的间接排放首先需要将蒸汽消耗折算为标煤,根据《2019年中国能源统计年鉴》,热力折标煤系数为0.03412 kgce/MJ[9]。蒸汽回水温度均按100 ℃计,扣除回水热量后,高压蒸汽净热量为2356 MJ/t,低压蒸汽净热量为2337 MJ/t。吨氧化铝蒸汽消耗折标煤量为:

1.6×2356×0.03412+0.37×2337×0.03412=158.12 kg标煤/t-Al2O3

158.12 kg标煤耗折合热量为4.63 GJ,该氧化铝厂自备电厂煤种采用褐煤,褐煤的排放因子如表3。

表3 褐煤排放因子[6] kg/GJ

如按缺省排放因子计算,吨氧化铝蒸汽消耗对应的二氧化碳排放当量为:

4.63×(101+0.001×21+0.0015×310)=469.88 kgCO2/t-Al2O3

如分别按排放因子下限和上限计算,对应的吨氧化铝焙烧二氧化碳排放当量分别为421.61kgCO2/t-Al2O3和539.92 kgCO2/t-Al2O3。

根据以上温室气体二氧化碳排放当量计算汇总如表4。

表4 二氧化碳排放当量汇总

从汇总表中可以看到,按《2006年IPCC指南》缺省因子计算,该氧化铝厂吨氧化铝CO2排放当量为811.19 kgCO2/t-Al2O3,如果分别按排放因子下限和上限计算的对应排放下限和上限分别为742.42 kgCO2/t-Al2O3和909.30 kgCO2/t-Al2O3。

4 结 论

温室气体排放对环境的影响日益突出,在此背景下我国提出了2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和的目标[1]。氧化铝行业作为有色冶金行业中的重要环节,未来所面临的节能减排任务也非常严峻,一方面需要采用更先进的技术降低消耗,另一方面也需要按国际国内公认的核算方式和核算范围将氧化铝生产过程的碳排放量仔细核算,既要做到不遗漏碳排放点,也要做到不重复计算,避免因为核算方式和核算范围导致的氧化铝生产过程碳排放量不清。