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聚焦碳排放|铜冶炼能耗与碳排放差异/相关性分析

来源:中国有色金属报 日期:2021年12月06日 09:00:40 人气:

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能源是发展国民经济的重要物质基础,合理利用能源、降低能源消耗是我国长期的战略任务。实现2030年碳达峰、2060年碳中和,是国家推动生态文明建设和经济高质量发展的重大战略决策。2021年政府工作报告提出,今年单位国内生产总值能耗降低3%左右,“十四五”时期单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低13.5%、18%。

能源消耗与碳排放两个指标经常被同时提及,但两者之间具体有哪些关联和差异,如何通过相关标准的制定将两者更好地关联起来,以实现节能降耗和碳减排目标的协调统一,这是值得研究的问题;特别是在“碳达峰、碳中和”目标背景下,更具有现实指导意义。针对温室气体排放,国家明确了8个重点行业及其18个子行业,铜冶炼作为有色金属行业的子行业之一,被列入其中。

《铜冶炼能耗核算与碳排放量核算差异性和相关性分析》一文(作者 刘诚)结合中国恩菲目前围绕有色行业的“双碳”需求,开展的一系列节能减排技术研究,以铜冶炼行业为例,重点分析了铜冶炼能耗和碳排放的关系,并得出有益的建议供相关部门工作人员参考,助推行业绿色发展。

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作者:刘诚 教授级高级工程师,中国有色工程有限公司党委副书记、中国恩菲工程技术有限公司董事、总经理、总工程师,兼任工业节能与绿色发展评价中心主任、中国矿业信息化协同创新北京市工程研究中心主任、中国有色金属学会创新发展工作委员会秘书处秘书长。刘诚先后荣获全国有色金属行业设计大师、2012年度全国建筑企业优秀项目经理、2014年度优秀高级职业经理人荣誉,获得中国专利奖优秀奖2项,中国有色金属工业科技进步一等奖4项。作为专利主要发明人,“从含镍钴矿石生产镍钴的工艺” 获得2016年中国专利优秀奖。该专利技术实现了技术性突破,获得了工业化应用,填补了我国在红土镍矿湿法高压酸浸技术工业化生产领域的空白,并奠定了我国在红土镍矿湿法冶金领域的国际引领地位。

核算方法

1 铜冶炼综合能耗核算

铜冶炼综合能耗核算相关标准主要包括《综合能耗计算通则》(GB/T 2589-2020)和《铜冶炼企业单位产品能源消耗限额》(GB 21248-2014)。

核算范围

能源种类:一次能源、二次能源和生产使用的耗能工质(包括新水、软化水、压缩空气、氧气、氮气等)所消耗的能源(含用作原料的能源)。

核算边界:主要包括生产系统、辅助生产系统和附属生产系统;不包括生活用能和批准的基建项目用能。

核算方法

企业实际消耗的燃料能源应以其低(位)发热量为计算基础,并折算为标准煤量, 1千克标准煤(1 kgce)=29307.6千焦(kJ) 。二次能源或耗能工质所消耗的各种能源应折算成一次能源的能量。按照不同折算方式,《综合能耗计算通则》(GB/T 2589-2020)明确了“当量值”和“等价值”两个概念。其中,电力当量值系数为0.1229 kgce/kW·h,相当于效率100%时的转化系数,该值是固定不变的;电力等价值系数考虑了电厂的实际转化效率,近些年随着能源转换效率的提高而减小,根据2020年全国电力工业统计数据,电厂供电标准煤耗即电力等价值系数为0.3055 kgce/kW·h,约是当量值系数的2.5倍。《铜冶炼企业单位产品能源消耗限额》(GB 21248-2014)中明确指出,电力按当量值折算,其他二次能源及耗能工质均按相应能源等价值折算。

2 铜冶炼碳排放核算

2013-2015年,国家发展和改革委员会先后分三批发布了24个行业企业的温室气体核算方法与报告指南。2015年11月,中国国家标准化管理委员会发布了《工业企业温室气体排放核算和报告通则》(GB/T 32150-2015),对温室气体核算进行了统一规定。2015年7月,国家发展和改革委员会发布了《其他有色金属冶炼和压延加工业企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》(以下简称《指南》),涉及了铜冶炼企业温室气体排放量核算和报告相关的术语、核算边界、核算方法等内容。

核算范围

温室气体种类:《指南》涉及的温室气体排放只包含二氧化碳(CO2)。

核算边界:以企业法人或视同法人的独立核算单位为边界,包括主要生产系统、辅助生产系统以及直接为生产服务的附属生产系统,涉及燃料燃烧产生的排放、能源作为原材料用途的排放(冶金还原剂消耗)、工业生产过程排放(企业消耗的各种碳酸盐以及草酸分解)以及企业购入电力、热力产生的间接排放。

核算方法

碳排放量核算一般采用排放因子法,即活动水平数据与排放因子的乘积。为了进一步完善数据,为配额分配提供支持,国家要求重点排放企业除按照《指南》规定核算碳排放量外,还需根据《全国碳排放权交易企业碳排放补充数据核算报告模板》(以下简称《补充数据》)的要求核算,并报告其他相关基础数据,包括产品产量、排放强度、不同生产工序CO2排放量等。《补充数据》与《指南》除了核算范围不同外(图1),主要是电力排放因子的差异:《补充数据》采用2015年全国电网平均排放因子0.6101 tCO2/MW·h(目前最新);《指南》依据国家发改委气候司发布的2012年区域电网平均排放因子(目前最新)。由于采用全国电网平均值,《补充数据》消除了区域因素对碳排放核算的影响。

表1 铜冶炼企业综合能耗与碳排放量核算

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差异性与相关性

1 差异性分析

通过对比分析综合能耗与碳排放量核算范围,研究两者的差异性。从核算边界看,两者基本一致,都包括主要生产系统、辅助生产系统和附属生产系统;但统计类别方面存在差异,见表2。

表2 综合能耗与碳排放核算范围差异

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从《指南》碳排放核算范围来看,其包含工业生产过程中的草酸、碳酸盐分解,但不包含耗能工质。基于铜冶炼碳排放的结构特征,草酸、碳酸盐分解所占比重非常小,不足5%,对综合能耗与碳排放的换算关系影响不大;但是耗能工质影响较大,特别是铜冶炼过程中消耗的氧气。根据测算,铜冶炼中氧气对应的碳排放占比约25%。根据《指南》核算规定,如果氧气为自产,则计入核算范围;如氧气为外购,则不计入核算范围。这将导致两种经营模式,综合能耗基本相同,碳排放量却存在很大差异。因此,目前的核算标准不利于行业碳排放的统计对标,也不利于推动行业企业实施碳减排。

2 相关性分析

通过对比分析能耗与碳排放量核算公式,发现两者之间呈近线性相关性。燃料燃烧碳排放量与能耗的比值为 EFi(排放因子)× Qce(标煤的低位发热量),电力排放量与能耗的比值为EF电(排放因子)/K电(折标煤系数),可见对于同一能源品种,碳排放量与能耗比值为常量,即两者线性相关。我国铜冶炼碳排放中,95%以上来自于能源消费,且消费结构相对稳定,由此可以推断其碳排放和综合能耗近线性相关。

根据《指南》所列的常用化石燃料相关参数的推荐值、2015年全国电力碳排放因子平均值、2015年全国电力工业统计标准煤耗值,计算出主要能源的碳排放与能耗比值见表3。计算出的平均比值碳排放/标煤能耗恰好为2.60 tCO2/tce,这与国家设定重点控排企业门槛“年度温室气体排放量达到2.6万吨二氧化碳当量(综合能源消费量约1万吨标准煤)”的说法相对应。

表3 主要能源消耗的碳排放系数与折标煤系数

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案例分析

1 典型工艺分析

基于国内常用的几种铜冶炼工艺选取项目案例,对其综合能耗和碳排放量进行估算和对比分析,结果见表4。不同的铜冶炼工艺,按同等口径核算的碳排放量与综合能耗比值差别不大。按《指南》范围并基于全国电网排放因子核算的碳排放量 E全国电网 与按全国电力工业统计标准煤耗值核算的综合能耗 E等价值 的比值基本维持在2.0左右。

表4 典型铜冶炼项目的能耗和碳排放

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基于上述某案例,按《指南》区域电网排放因子核算的碳排放结构与按当量值核算的能耗结构(图1):①铜冶炼碳排放95%以上来自能源消耗的排放;②各类能源的占比排序基本一致,显示综合能耗与碳排放具有较强的相关性。

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图1 按区域电网排放因子核算的碳排放与按当量值核算的综合能耗结构对比

从理论上讲,电力排放因子与电力等价值都是转换至一次能源进行核算,两者在相同口径下应该具有更强的相关性。因此,基于上述案例将电力排放因子调整为2015年全国电网平均排放因子(目前最新),电力折标煤系数按照等价值(2015年全国电力工业统计标准煤耗值),对比分析碳排放结构与能耗结构(图2):两者按能源品种划分的结构几乎是一致的(差异在于碳排放包含石灰石分解,综合能耗计入耗能工质水),进一步验证了碳排放量与综合能耗的近线性相关性。

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图2 按全国电网排放因子核算的碳排放与按等价值核算的综合能耗结构对比

2 行业数据分析

为验证上述特征的普遍性,对2016-2019年铜冶炼行业的综合能耗和碳排放量进行估算和分析对比,结果见表5。其中,能耗当量值来源于有色金属工业协会发布的《统计资料汇编》;能耗等价值与碳排放量依据其中的行业能源消费清单进行估算。

从表5的行业统计数据来看,我国铜冶炼碳排放与能耗比值稳定,按全国电网排放因子核算的碳排放量E全国电网与按全国电力工业统计标准煤耗值核算的综合能耗E等价值比值仍然是2.0左右。不同工艺案例和行业统计数据分析都说明该比值对铜冶炼行业具有普遍适用性。

表5 铜冶炼行业能耗和碳排放统计

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结论与建议

对铜冶炼能耗核算与碳排放核算进行对比分析,发现同等口径核算的碳排放与综合能耗呈近线性相关,按全国电网排放因子核算的碳排放量 E全国电网 与按全国电力工业统计标准煤耗值核算的综合能耗 E等价值 比值基本为2.0左右。

为便于开展行业对标,推动行业企业碳减排,建议尽快修订《重点排放行业的温室气体核算方法与报告指南》,在旧指南基础上整合《补充数据》的相关内容和要求,结合综合能耗,统一企业温室气体的核算范围、核算方法等,为碳排放基准的制定、碳排放指标的分配、碳交易市场的发展创造基础条件。

1)统一碳排放和综合能耗核算边界。铜冶炼企业碳排放核算范围,应包含外购耗能工质(如氧气、氮气、压缩空气等)导致的间接碳排放。

2)综合能耗应以等价值为主要参考。对于二次能源(特别是电力)和耗能工质,其当量值不能反应实际的能源消耗,也不便于与碳排放量对应转换;而以等价值为参考则可以实现能耗值与碳排放量的对应换算。

3)碳排放行业统计对标应采用全国电网平均排放因子。由于电力碳排放在铜冶炼中占比2/3以上,其排放因子对企业碳排放总量影响很大,行业对标时,应剔除区域因素,采用全国电网平均排放因子进行核算。

来源:恩菲期刊