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聚焦碳排放|銅冶煉能耗與碳排放差異/相關性分析

來源:中國有色金屬報 日期:2021年12月06日 09:00 人氣:

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能源是發展國民經濟的重要物質基礎,合理利用能源、降低能源消耗是我國長期的戰略任務。實現2030年碳達峰、2060年碳中和,是國家推動生態文明建設和經濟高質量發展的重大戰略決策。2021年政府工作報告提出,今年單位國內生產總值能耗降低3%左右,“十四五”時期單位國內生產總值能耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%。

能源消耗與碳排放兩個指標經常被同時提及,但兩者之間具體有哪些關聯和差異,如何通過相關標準的制定將兩者更好地關聯起來,以實現節能降耗和碳減排目標的協調統一,這是值得研究的問題;特別是在“碳達峰、碳中和”目標背景下,更具有現實指導意義。針對溫室氣體排放,國家明確了8個重點行業及其18個子行業,銅冶煉作為有色金屬行業的子行業之一,被列入其中。

《銅冶煉能耗核算與碳排放量核算差異性和相關性分析》一文(作者 劉誠)結合中國恩菲目前圍繞有色行業的“雙碳”需求,開展的一系列節能減排技術研究,以銅冶煉行業為例,重點分析了銅冶煉能耗和碳排放的關系,并得出有益的建議供相關部門工作人員參考,助推行業綠色發展。

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作者:劉誠 教授級高級工程師,中國有色工程有限公司黨委副書記、中國恩菲工程技術有限公司董事、總經理、總工程師,兼任工業節能與綠色發展評價中心主任、中國礦業信息化協同創新北京市工程研究中心主任、中國有色金屬學會創新發展工作委員會秘書處秘書長。劉誠先后榮獲全國有色金屬行業設計大師、2012年度全國建筑企業優秀項目經理、2014年度優秀高級職業經理人榮譽,獲得中國專利獎優秀獎2項,中國有色金屬工業科技進步一等獎4項。作為專利主要發明人,“從含鎳鈷礦石生產鎳鈷的工藝” 獲得2016年中國專利優秀獎。該專利技術實現了技術性突破,獲得了工業化應用,填補了我國在紅土鎳礦濕法高壓酸浸技術工業化生產領域的空白,并奠定了我國在紅土鎳礦濕法冶金領域的國際引領地位。

核算方法

1 銅冶煉綜合能耗核算

銅冶煉綜合能耗核算相關標準主要包括《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2020)和《銅冶煉企業單位產品能源消耗限額》(GB 21248-2014)。

核算范圍

能源種類:一次能源、二次能源和生產使用的耗能工質(包括新水、軟化水、壓縮空氣、氧氣、氮氣等)所消耗的能源(含用作原料的能源)。

核算邊界:主要包括生產系統、輔助生產系統和附屬生產系統;不包括生活用能和批準的基建項目用能。

核算方法

企業實際消耗的燃料能源應以其低(位)發熱量為計算基礎,并折算為標準煤量, 1千克標準煤(1 kgce)=29307.6千焦(kJ) 。二次能源或耗能工質所消耗的各種能源應折算成一次能源的能量。按照不同折算方式,《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2020)明確了“當量值”和“等價值”兩個概念。其中,電力當量值系數為0.1229 kgce/kW·h,相當于效率100%時的轉化系數,該值是固定不變的;電力等價值系數考慮了電廠的實際轉化效率,近些年隨著能源轉換效率的提高而減小,根據2020年全國電力工業統計數據,電廠供電標準煤耗即電力等價值系數為0.3055 kgce/kW·h,約是當量值系數的2.5倍?!躲~冶煉企業單位產品能源消耗限額》(GB 21248-2014)中明確指出,電力按當量值折算,其他二次能源及耗能工質均按相應能源等價值折算。

2 銅冶煉碳排放核算

2013-2015年,國家發展和改革委員會先后分三批發布了24個行業企業的溫室氣體核算方法與報告指南。2015年11月,中國國家標準化管理委員會發布了《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》(GB/T 32150-2015),對溫室氣體核算進行了統一規定。2015年7月,國家發展和改革委員會發布了《其他有色金屬冶煉和壓延加工業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》(以下簡稱《指南》),涉及了銅冶煉企業溫室氣體排放量核算和報告相關的術語、核算邊界、核算方法等內容。

核算范圍

溫室氣體種類:《指南》涉及的溫室氣體排放只包含二氧化碳(CO2)。

核算邊界:以企業法人或視同法人的獨立核算單位為邊界,包括主要生產系統、輔助生產系統以及直接為生產服務的附屬生產系統,涉及燃料燃燒產生的排放、能源作為原材料用途的排放(冶金還原劑消耗)、工業生產過程排放(企業消耗的各種碳酸鹽以及草酸分解)以及企業購入電力、熱力產生的間接排放。

核算方法

碳排放量核算一般采用排放因子法,即活動水平數據與排放因子的乘積。為了進一步完善數據,為配額分配提供支持,國家要求重點排放企業除按照《指南》規定核算碳排放量外,還需根據《全國碳排放權交易企業碳排放補充數據核算報告模板》(以下簡稱《補充數據》)的要求核算,并報告其他相關基礎數據,包括產品產量、排放強度、不同生產工序CO2排放量等?!堆a充數據》與《指南》除了核算范圍不同外(圖1),主要是電力排放因子的差異:《補充數據》采用2015年全國電網平均排放因子0.6101 tCO2/MW·h(目前最新);《指南》依據國家發改委氣候司發布的2012年區域電網平均排放因子(目前最新)。由于采用全國電網平均值,《補充數據》消除了區域因素對碳排放核算的影響。

表1 銅冶煉企業綜合能耗與碳排放量核算

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差異性與相關性

1 差異性分析

通過對比分析綜合能耗與碳排放量核算范圍,研究兩者的差異性。從核算邊界看,兩者基本一致,都包括主要生產系統、輔助生產系統和附屬生產系統;但統計類別方面存在差異,見表2。

表2 綜合能耗與碳排放核算范圍差異

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從《指南》碳排放核算范圍來看,其包含工業生產過程中的草酸、碳酸鹽分解,但不包含耗能工質?;阢~冶煉碳排放的結構特征,草酸、碳酸鹽分解所占比重非常小,不足5%,對綜合能耗與碳排放的換算關系影響不大;但是耗能工質影響較大,特別是銅冶煉過程中消耗的氧氣。根據測算,銅冶煉中氧氣對應的碳排放占比約25%。根據《指南》核算規定,如果氧氣為自產,則計入核算范圍;如氧氣為外購,則不計入核算范圍。這將導致兩種經營模式,綜合能耗基本相同,碳排放量卻存在很大差異。因此,目前的核算標準不利于行業碳排放的統計對標,也不利于推動行業企業實施碳減排。

2 相關性分析

通過對比分析能耗與碳排放量核算公式,發現兩者之間呈近線性相關性。燃料燃燒碳排放量與能耗的比值為 EFi(排放因子)× Qce(標煤的低位發熱量),電力排放量與能耗的比值為EF電(排放因子)/K電(折標煤系數),可見對于同一能源品種,碳排放量與能耗比值為常量,即兩者線性相關。我國銅冶煉碳排放中,95%以上來自于能源消費,且消費結構相對穩定,由此可以推斷其碳排放和綜合能耗近線性相關。

根據《指南》所列的常用化石燃料相關參數的推薦值、2015年全國電力碳排放因子平均值、2015年全國電力工業統計標準煤耗值,計算出主要能源的碳排放與能耗比值見表3。計算出的平均比值碳排放/標煤能耗恰好為2.60 tCO2/tce,這與國家設定重點控排企業門檻“年度溫室氣體排放量達到2.6萬噸二氧化碳當量(綜合能源消費量約1萬噸標準煤)”的說法相對應。

表3 主要能源消耗的碳排放系數與折標煤系數

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案例分析

1 典型工藝分析

基于國內常用的幾種銅冶煉工藝選取項目案例,對其綜合能耗和碳排放量進行估算和對比分析,結果見表4。不同的銅冶煉工藝,按同等口徑核算的碳排放量與綜合能耗比值差別不大。按《指南》范圍并基于全國電網排放因子核算的碳排放量 E全國電網 與按全國電力工業統計標準煤耗值核算的綜合能耗 E等價值 的比值基本維持在2.0左右。

表4 典型銅冶煉項目的能耗和碳排放

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基于上述某案例,按《指南》區域電網排放因子核算的碳排放結構與按當量值核算的能耗結構(圖1):①銅冶煉碳排放95%以上來自能源消耗的排放;②各類能源的占比排序基本一致,顯示綜合能耗與碳排放具有較強的相關性。

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圖1 按區域電網排放因子核算的碳排放與按當量值核算的綜合能耗結構對比

從理論上講,電力排放因子與電力等價值都是轉換至一次能源進行核算,兩者在相同口徑下應該具有更強的相關性。因此,基于上述案例將電力排放因子調整為2015年全國電網平均排放因子(目前最新),電力折標煤系數按照等價值(2015年全國電力工業統計標準煤耗值),對比分析碳排放結構與能耗結構(圖2):兩者按能源品種劃分的結構幾乎是一致的(差異在于碳排放包含石灰石分解,綜合能耗計入耗能工質水),進一步驗證了碳排放量與綜合能耗的近線性相關性。

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圖2 按全國電網排放因子核算的碳排放與按等價值核算的綜合能耗結構對比

2 行業數據分析

為驗證上述特征的普遍性,對2016-2019年銅冶煉行業的綜合能耗和碳排放量進行估算和分析對比,結果見表5。其中,能耗當量值來源于有色金屬工業協會發布的《統計資料匯編》;能耗等價值與碳排放量依據其中的行業能源消費清單進行估算。

從表5的行業統計數據來看,我國銅冶煉碳排放與能耗比值穩定,按全國電網排放因子核算的碳排放量E全國電網與按全國電力工業統計標準煤耗值核算的綜合能耗E等價值比值仍然是2.0左右。不同工藝案例和行業統計數據分析都說明該比值對銅冶煉行業具有普遍適用性。

表5 銅冶煉行業能耗和碳排放統計

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結論與建議

對銅冶煉能耗核算與碳排放核算進行對比分析,發現同等口徑核算的碳排放與綜合能耗呈近線性相關,按全國電網排放因子核算的碳排放量 E全國電網 與按全國電力工業統計標準煤耗值核算的綜合能耗 E等價值 比值基本為2.0左右。

為便于開展行業對標,推動行業企業碳減排,建議盡快修訂《重點排放行業的溫室氣體核算方法與報告指南》,在舊指南基礎上整合《補充數據》的相關內容和要求,結合綜合能耗,統一企業溫室氣體的核算范圍、核算方法等,為碳排放基準的制定、碳排放指標的分配、碳交易市場的發展創造基礎條件。

1)統一碳排放和綜合能耗核算邊界。銅冶煉企業碳排放核算范圍,應包含外購耗能工質(如氧氣、氮氣、壓縮空氣等)導致的間接碳排放。

2)綜合能耗應以等價值為主要參考。對于二次能源(特別是電力)和耗能工質,其當量值不能反應實際的能源消耗,也不便于與碳排放量對應轉換;而以等價值為參考則可以實現能耗值與碳排放量的對應換算。

3)碳排放行業統計對標應采用全國電網平均排放因子。由于電力碳排放在銅冶煉中占比2/3以上,其排放因子對企業碳排放總量影響很大,行業對標時,應剔除區域因素,采用全國電網平均排放因子進行核算。

來源:恩菲期刊

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