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    鋁合金鑄造企業碳排放核算方法及其影響因素
    河南有色金屬網站 www.joedichiara.com 時間:2022-01-26 14:30 來源: 鑄造工程

        編輯導語:近20年我國鋁合金鑄造行業取得了快速發展,但隨著中國承諾2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和的戰略規劃,該行業面臨設備老舊、能源利用率低、碳排放相對高等問題,已成為鑄造企業實現碳中和目標的巨大挑戰。

        通過對國內鋁合金輪轂生產工廠碳排放量的研究,探索在碳約束條件下的鋁合金鑄造行業碳排放核算方法及其影響因素。從浙江省某鋁合金輪轂生產制造企業2020年的調研數據得知,當年產500萬件鋁合金輪轂時,其全年CO2排放量高達121.7萬t,其中鋁錠制備間接排放112.4萬t,電耗間接排放5.8萬t,天然氣燃燒直接排放3.5萬t,分別占比92.35%、4.77%、2.88%。

        影響CO2排放量的主要因素包括鋁錠制備時清潔電力占比及其電解鋁技術,鋁合金鑄造工廠清潔電力占比及其設備能源利用率和工廠余熱利用率等;其中,提升清潔能源電力占比是減少碳排放量直接方法,同時以清潔電能代替天然氣能是鋁合金鑄造企業實現碳中和目標的必經之路。

        2020年9月,我國在聯合國大會上承諾,中國CO2排放量力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。碳排放是關于溫室氣體排放的一個簡稱,溫室氣體包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫等,其主要的氣體是二氧化碳。為簡化數據統計和分析,將“碳排放量”等同于“二氧化碳排放量”并忽略其他溫室氣體的分析和計算。

        近20年我國鋁合金鑄造和電解鋁產能取得了快速發展,但也面臨設備老舊、能源利用率低、碳排放高等問題,這給碳中和目標的實現造成了巨大的壓力。隨著國家碳排放政策持續向下游產業推進,鋁合金鑄造這種高能耗、高排放行業面臨較大的減排壓力和挑戰;因此,研究在碳排放約束下我國鋁合金鑄造碳排放核算方法及其影響因素具有重要的實際意義。

        1 研究方法和數據來源

        1.1 研究方法

        由于鋁土礦開采、氧化鋁焙燒、電解鋁、鋁合金熔煉、鋁合金鑄造、熱處理、機加工、涂覆等生產過程的碳排放量數據采集困難,因此筆者根據能源消耗估算值進行數據分析說明,根據《中國能源統計年鑒》和《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》核算分析天然氣燃燒和電耗的碳排放量,計算公式如下:

    鋁合金鑄造企業碳排放核算方法及其影響因素

       CO2是碳排放總量,Ei是能源消耗,EFi是碳排放因子,NCVi是平均低熱量值,NCEi是單位熱量值的碳含量,以及COFi是碳氧化率,計算中所需各項因子參考標準來自IPCC 2006年版的《國家溫室氣體排放清單指南》。

        1.2 數據來源

        根據中電聯統計分析,2018年火電機組平均供電煤耗為308 g/kW·h(凈效率為39.9%),火電CO2排放強度約841 g/kW·h,即CO2排放因子為0.841 0 kg CO2/kW·h;根據《關于有色金屬工業節能減排的指導意見》,每噸電解鋁消耗直流電的工信部標桿指標為12 500 kW·h,即全部采用火電的電解鋁每制備一噸鋁錠,其CO2排放量為10.51 t;利用清潔電能如用水、光產生的電進行電解鋁作業所得鋁錠視為清潔鋁錠,在碳排放核算時,清潔電能產生的碳排放視為零;清潔鋁錠碳排放主要來自鋁土礦開采、氧化鋁焙燒、電解鋁作業時石墨陽極和其他熱能產生的碳排放。

        表1為研究過程中的碳排放核算因子。根據表1數據計算得知,每噸清潔鋁錠(全部采用清潔電力)在制備過程中合計排放CO26.05 t (2.9+3.1+0.05);電解鋁全部采用火電,其每噸鋁在生產過程中合計排放CO2 16.56 t(10.51+6.05)。

    鋁合金鑄造企業碳排放核算方法及其影響因素

        2 企業調研和減排措施

        2.1 企業調研

        以浙江某鋁合金鑄造輪轂工廠為例,其2020年生產輪轂500萬件;鋁錠消耗8.13萬t,其中電解鋁生產采用清潔電力占比26%;總計用電8 286萬kW·h,其中清潔電力占比16.35%,天然氣消耗1 612萬m3。

    鋁合金鑄造企業碳排放核算方法及其影響因素

        由表2可見,該鋁合金輪轂鑄造企業2020年合計CO2排放121.7萬t,其中鋁錠制備間接排放CO2 112.4萬t,電力消耗碳排放5.8萬t,天然氣消耗碳排放3.5萬t,分別占比92.35%、4.77%、2.88%,其中制備鋁錠時的碳排放包括從鋁土礦開采到電解鋁完成合計產生的碳排放。

        隨著國家碳達峰和碳中和戰略的推進,清潔電力和清潔鋁錠價格將逐年提高。2021年以前,清潔電力和清潔鋁錠基本保持著同等的定價機制,但從2021年開始,受國家碳中和政策影響,國內清潔電力和清潔鋁錠價格逐步提升,出現了等同于非清潔電力和非清潔鋁錠的價格差異;如浙江省局部地區出臺新政策:提升10%清潔電力占比(購買綠色電力)將增加電力成本6.9%;同時,各地清潔鋁錠特別是云南地區生產的水電鋁價格高于行業平均價格1.6%(企業大宗采購價格對比)。

        若中國鋁錠生產企業能源結構和生產工藝達到歐美國家水平,即清潔電力占比80%,電解鋁采用環保惰性陽極等新技術和新工藝,如表3所示,同樣產能的鋁合金鑄造工廠CO2排放將降至61.3萬t,降低49.63%;同時,其對應的電力采購成本和鋁錠采購成本也將隨之增加。

    鋁合金鑄造企業碳排放核算方法及其影響因素

        由表3可見,提升清潔電力占比及采用環保電解鋁新工藝后,碳排放量降低效果,但若進一步降低碳排放量,需要在清潔電能代替天然氣能的技術和工藝上做出重大突破。

        2.2 鋁合金鑄造企業減少碳排放的措施

        對于鋁合金鑄造企業來說,可采取以下措施來減少碳排放。

        (1)提升清潔原生鋁錠和再生鋁的采購占比

        國際鋁協會IAI數據顯示,中國電解鋁行業在電解環節上的用電排碳量要高于全球平均水平,高可達到11.2t(按噸鋁),因為國內的電力能源嚴重依賴火電(即煤電,占比可達到85%左右),水電占比僅略高于10%,遠遠低于全球水電能源占比接近25%的水平。隨著越來越多的在用鋁存量進入報廢期,鋁廢料的產生量將持續增加,并使得再生鋁產量可在2040年前后超過原生鋁產量。由于再生鋁生產的能耗僅為原生鋁的4.9%,碳排放僅為原生鋁的4.2%,隨著原生鋁逐步被再生鋁替代,原生鋁產量在2030年前的達峰將推動碳排放達峰的實現。

        由于各個國家和地區電解鋁或原鋁生產的電源結構、工藝技術等不同,鋁錠生產所產生的碳排放也有比較大的差異;當然,電源結構是重要的影響因素。目前,水電是清潔的能源,水電鋁企業的碳排放是低的,而煤電鋁的碳排放是高的,如云南省部分水電鋁企業,其電源結構中水電占比達到90%以上。

        在鋁錠采購方面,鋁合金鑄造企業應逐步提升水電占比較高的原生鋁廠鋁錠的比重,或研究使用再生鋁替代原生鋁的可行性,逐步提升再生鋁的使用比例。

        (2)提升清潔能源電力占比

        目前主要的可再生能源方式里,水力發電、風力發電和生物質發電,都只適合集中發電,不適合作為企業的發電能源。核電,從碳排放角度是綠色能源,但并不是可再生能源,且只適用大規模的集中發電、技術要求高;相比之下,太陽能是目前能夠小型化發電,又沒有地域限制的可再生能源方式,且中國在光伏發電上有技術、制造和應用規模的核心優勢。其中,廠房頂部光伏發電項目基本在5~8年可以收回投入成本,項目持續收益可長達25年;廠房頂部光伏發電已成為鋁合金鑄造工廠清潔電力的主要來源。

        (3)提升能源利用率

        在鋁合金鑄造工廠的鋁液熔煉工序,天然氣燃燒產生的碳排放量通常占整個工廠直接碳排放量的80%。相比外購鋁錠和電力產生的間接碳排放,廠區內鑄造生產過程中產生的直接碳排放量受制于企業自身設備能源利用率大小、生產工藝性、生產制造管理水平等因素的影響。

        根據調研工廠開展的各項節能減排措施和實施效果得知,通過對老舊熔煉爐的智能化、節能化改造,如保溫材料、蓄熱燒嘴和智能溫控系統的應用,其熔化爐和靜置爐的能源利用率提升16.5%,以年天然氣消耗958萬m3計算,每年可減少CO2排放3 414 t,每年節省天然氣成本400余萬元,設備投資回收期僅1.8年。

        (4)熔煉和熱處理的余熱利用

        鋁合金鑄造工廠的熔煉爐、靜置爐和熱處理爐的高溫煙氣具有很高的余熱利用價值,通過余熱回收裝置,其產生的熱水可供給到機加工清洗線、涂裝清洗線、員工洗浴等設備,以減少天然氣消耗,實現節能減排。以調研的工廠為例,該廠通過對熔煉爐和熱處理爐余熱的利用,每年可減少天然氣消耗102.5萬m3,減少CO2排放2 214 t,每年節省天然氣成本達250余萬元,設備投資回收期僅2.4年。

        (5)提升鑄造工藝設計水平和生產制成合格率

        鑄造工藝設計水平以及生產制成合格率不僅決定企業的生產成本和盈利水平,還對鑄件的直接碳排放影響較大。根據調研工廠數據得知,通過提升鑄造模具設計水平達到提高鑄件工藝出品率以及減少鑄件縮松、漏氣等不良現象的產生,減少鑄件毛坯報廢率。同時,提升涂裝一次合格率等措施,使工廠直接碳排放減少9%,不僅完成了節能減排年度目標,也降低了生產成本。

        3 結論和建議

        以往的碳排放核算研究大多集中在鋼鐵、發電、水泥、汽車制造等產業的全生命周期碳排放核算方法的構建,對細分行業特別是鋁合金鑄造碳排放量的研究較少;筆者通過對國內鋁合金輪轂生產工廠碳排放數據的詳細調研,探索鋁合金鑄造行業碳排放核算方法及其影響因素,從而提出實現鋁合金鑄造企業碳中和目標的政策建議。

        (1)通過對調研工廠碳排放數據分析得知,鋁合金鑄造工廠間接碳排放如鋁錠和電力產生的CO2排放,占比94.29%;直接碳排放主要指天然氣燃燒產生的CO2排放量,占比5.71%。

        (2)調研企業通過熔煉設備改造和工廠余熱利用等措施,預計未來5年將合計減少CO2排放量2.8萬t,綜合成本合計可降低1 800余萬元;但隨著鋁合金鑄造生產企業對清潔電力和清潔鋁錠或再生鋁錠需求量的增大,勢必驅動其價格的上漲,導致清潔電力和清潔鋁錠采購成本的增加。

        (3)影響鋁合金鑄造工廠CO2排放量的主要因素包括鋁錠制備時清潔電力的占比及其電解鋁技術,鋁合金鑄造工廠清潔電力占比及其設備能源利用率和工廠余熱利用率等;其中,提升清潔能源電力占比是減少碳排放量直接有效的方法,同時以清潔電能代替天然氣能是鋁合金鑄造企業實現碳中和目標的必經之路。


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