永磁铁氧体预烧料的碳排放估算及减控措施

刘荣明 胡国辉 孙 威 张 康 贾立颖 李青华 李炳山

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北矿磁材(阜阳)有限公司，安徽 阜阳 236000；3.国家磁性材料工程技术研究中心，北京 102600)

全球变暖、冰川融化、海平面上升、雾霾天气等一系列全球气候变化正严重影响着人类未来生存。为应对由工业化带来的气候变化，自1997年《京都议定书》通过以来，世界各国均开展了一系列的碳排放规划和减排措施。2019年12月11日，欧盟委员会公布“欧洲绿色协议”首次提出，到2050年实现碳中和，即二氧化碳净排放量降为零[1]。中国要在2060年前实现140～145亿t的碳中和目标任务艰巨、挑战众多，需要做大量细致工作。

2021年10月24日，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[2]提出“1+N”政策体系总体设计，在提升能源利用率、非化石能源消费比重、降低二氧化碳排放、提升生态系统碳汇能力等方面提出要求，确保如期实现碳达峰碳中和；10月26日印发的《2030年前碳达峰行动方案》部署了能源绿色低碳转型行动、节能降碳增效行动等十项重点任务[3]。国家发改委、生态环境部、工信部、科技部等单位分别牵头出台《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》《减污降碳协同增效实施方案》《工业领域碳达峰实施方案》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》指导文件以具体落实“N”政策方针[4-7]。特别值得注意的是，2022年6月22日，欧洲议会正式通过碳边境调节机制(Carbon Border Adjustment Mechanism，CBAM)，即碳关税相关规则修正。该机制将于2023年1月1日开始实施，于2027年起正式全面开征[8]。钢铁、铝、水泥、化肥、电力、有机化学品、塑料、氢和氨九个行业进口商首当其冲的为其进口产品的直接碳排放支付费用，价格挂钩欧盟政策工具碳排放交易体系(Carbon Emissions Trading System，ETS)。

未来无论是采用碳市场还是碳税方法以实现碳达峰碳中和目标，还是欧洲及其他潜在地区可能采取的碳关税贸易挑战和未来影响，所有涉及到碳排放的单位和机构都应未雨绸缪，确立一定的碳排放测算参数，最终做到各行业或领域碳排放的可测算与可计划，以应对碳达峰和碳中和所带来的影响。

永磁铁氧体材料是全球生产规模最大、应用最为广泛的永磁材料。截至2020年底，我国永磁铁氧体产量(料粉+磁体)超过100万t[9-11]，国内生产高性能永磁铁氧体预烧料的主要生产企业包括北矿科技股份有限公司、横店集团东磁股份有限公司、安徽龙磁科技股份有限公司、宝武集团环境资源科技有限公司、中钢天源(马鞍山)通力磁材公司、湖南航天磁电有限责任公司等。当前行业普遍采用陶瓷工艺制成，耗费相当数量的天然气、电力等资源和能源[12]。烧结永磁铁氧体预烧料的产品配方、生产技术和产品性能在持续不断进步，行业内通常根据所制成磁体产品性能将其划分为6系、9系(La、Co离子替代主成分)、12系(La、Co、Ca离子替代主成分)等[13，14]。根据混料工艺不同可分为干法混合和湿法混合永磁铁氧体两类。根据二次烧结制成永磁铁氧体磁体成型方式又可分为干压和湿压(磁场成型)永磁铁氧体两类[15，16]。本文以湿法混合永磁铁氧体材料预烧料为研究对象，探讨其生产过程的碳排放核算(测算)方法、基准数据和减控措施，以期为本行业实现碳达峰、碳中和贡献力量。

1 测算方法

1.1 碳排放核算方法

根据《2019年中国温室气体公报》，二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)分别是影响地球辐射平衡的主要和次要长寿命温室气体，在全部长寿命温室气体浓度升高所产生的总辐射强迫中的贡献率分别约为66%、17%[17]。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change)提出了二氧化碳当量(CO2e)这一概念，以统一衡量这些气体排放对环境的影响[18]。现有的温室气体排放量核算方法可以概括为三种：排放因子法、质量平衡法、实测法。目前，国家经济发展与改革委员会公布的24个指南采用的温室气体量化方法只包含排放因子法和质量平衡法，排放因子法是适用范围最广、应用最为普遍的一种碳核算办法。本文采用排放因子法并适当结合实测数据。

根据联合国政府间气候变化专门委员会提供的碳核算基本方程：

GHG=AD×EF

(1)

式中，GHG是温室气体排放总量；AD是活动量数据，指导致温室气体排放的生产或消费活动的活动量，如每种化石燃料的消耗量；EF是排放因子，表征单位生产或消费活动量的温室气体排放系数，包括单位热值含碳量或元素碳含量、氧化率等。EF可采用IPCC、美国环境保护署、欧洲环境机构、或者我国提供的常见化石燃料特性参数。我国常用原煤与标准煤的折算比率是0.714 3，1 kW·h电量等价于0.122 9 kg标准煤，相当于0.172 1 kg原煤[19]。

永磁铁氧体预烧料主要由铁红和碳酸锶等通过高温烧制而成，生产过程各环节中电力消耗、天然气消耗和物料损耗参照《工业企业温室气体排放核算和报告通则》(GB/T 32150—2015)等文献折算成二氧化碳当量[20-22]，而且高温合成过程直接排放二氧化碳，所以永磁铁氧体预烧料生产过程的碳排放核算还需要进一步确定碳排放核算边界和排放源。

1.2 碳排放核算边界

参照生态环境部发布的《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》(2022修订版)制定本文碳排放核算边界[23]。如图1所示，核算边界为永磁铁氧体预烧料生产设施，主要包括配料、球团、预烧结、电气、控制等系统，不包含厂区内其他辅助生产系统和附属生产系统，也不包含各个预烧料粉生产企业差异较大的窑尾除尘系统。

图1 永磁铁氧体预烧料生产碳排放核算边界示意图Fig.1 Schematic diagram of carbon emission accounting boundary in the preparation process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

1.3 碳排放产生源

针对目前国内采用的湿法混合永磁铁氧体预烧料生产工艺流程，分别确定制备工序中的三类碳排放产生源。表1为铁氧体预烧料制备工序中的碳排放产生源。

表1 永磁铁氧体预烧料制备工序中碳排放产生源Table 1 Carbon emission sources in the preparation process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

2 结果与讨论

以1万t预烧料产成品为计算基准，设定Fe2O3和SrCO3摩尔比为6∶1，分别测算各工序中产生的电力消耗、天然气消耗和高温固态反应形成的碳排放。

碳酸锶在预烧结过程中分解产生氧化锶和排放二氧化碳CO2，物料损耗3.979%。

6Fe2O3+SrCO3=SrFe12O19+CO2↑

(2)

经计算可知，每投放1万t原材料和每产出1万t预烧料产品，可排放二氧化碳分别为397.9 t和414.40 t。

表2和表3分别为烧结永磁铁氧体材料预烧料生产过程电力和天然气的碳排放测算数据。由此可测算出，每1万t铁氧体预烧料生产过程的碳排放总量是5 351.12 t。

图2为永磁铁氧体预烧料生产过程碳排放整体比较图。由表2、表3和图2可知，预烧结、球磨和干燥工序的碳排放量分别为2 616.53、1 412.82、886.28 t，占CO2e排放总量分别为48%、26%、16%，而且鼓风机产生的碳排放不容小觑。这可为永磁铁氧体产品制定可测算和可计划的碳减排提供基础依据。

表2 永磁铁氧体预烧料生产过程消耗电力而产生的碳排放测算Table 2 Estimation of carbon emissions from power consumption in the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

表3 永磁铁氧体预烧料生产过程天然气燃烧产生的碳排放测算Table 3 Calculation of carbon emissions from natural gas combustion during the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

图2 永磁铁氧体预烧料生产过程中碳排放构成图Fig.2 Composition diagram of carbon emission during the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

如前所述，永磁铁氧体预烧料划分为6系、9系、12系等，其中9系中的La、Co主要是分别离子替代主成分Sr和Fe，均以氧化物(La以La2O3、Co以C2O3或Co3O4)形式作为原材料引入，所以本文碳排放核算方法适用于6系和9系。12系中的Ca则以碳酸盐CaCO3形式作为原材料引入，主要取代主成分Sr元素进入晶粒并部分进入M相的晶界处，并且12系和6系、9系在混料方式、预烧温度等工艺上也有显著区别，所以本文碳排放核算方法用于12系永磁铁氧体预烧料时需要进行调整。

针对上述永磁铁氧体预烧料的生产碳排放实际情况，遵循《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》《减污降碳协同增效实施方案》《工业领域碳达峰实施方案》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》等“1+N”政策文件和实施方案，并追踪前沿科技技术和管理创新思路[24]，提出基于“源头治理、科技支撑、管理创新、协同增效”原则和以提升“能源利用效率、劳动生产率、生态碳汇能力”为主体目标的永磁铁氧体预烧料生产过程碳排放开源节流综合减控措施及愿景。表4为永磁铁氧体预烧料生产过程中碳排放的减控措施及愿景。

表4 永磁铁氧体预烧料生产过程中碳排放的减控措施及愿景Table 4 Reduction control measures of carbon emissions during the production process of permanent magnetic ferrite pre-sintering materials

近几年，永磁铁氧体、稀土永磁等磁性材料及器件企业作为有色金属工业行业重要组成部分，在新项目投资和新厂房建设中，将环保理念摆在了重要位置，提升企业产品生产环保意识的同时，磁性材料产品也被广泛应用于光伏发电、新能源汽车等市场，应当充分考虑和加大宣传力度，以产品全生命周期的视野，系统协同增强碳汇能力，实现相互成就“碳达峰、碳中和”目的[25]。值得关注的是，2021年11月工信部、市场监管总局电机能效提升计划(2021—2023年)鼓励使用2级及以上能效的节能电机、扩大绿色供给，2023年高效节能电机年产量达到1.7亿kW、在役比例到20%以上、年节电量490亿kW·h[26]，这给予具有节能减排独特效用的包括永磁铁氧体、钕铁硼等高效永磁节能电机的巨大产业机会，也有利于便于磁性材料产品在国际贸易中冲抵碳排放和碳泄漏，有利于磁性材料行业完整准确全面贯彻新发展理念、圆满达成碳达峰和碳中和目标。

3 结论

1)永磁铁氧体预烧料的碳排放主要由各工序中产生的电力消耗、天然气消耗和资源消耗形成。

2)采用排放因子法进行计算时，在选定碳排放源和核算边界条件下，每生产1万t永磁铁氧体预烧料产生碳排放总量为5 351.12 t，其中，预烧结、球磨、干燥的碳排放量分别为2 616.53、1 412.82、886.28 t，占CO2e排放总量分别为48%、26%和16%。

3)提出的碳排放测算方法适用于湿法混料的6系和9系永磁铁氧体预烧料，对12系永磁铁氧体预烧料有一定的借鉴意义。

4)提出基于“源头治理、科技支撑、管理创新、协同增效”原则和以提升“能源利用效率、劳动生产率、生态碳汇能力”为主体目标的永磁铁氧体预烧料生产过程碳排放开源节流综合减控措施及愿景。