Research and Discussion on Green and Low-Carbon Energy Saving and Emission Reduction of Phosphorus Chemical Industry Under the Background of Peak Carbon Dioxide Emissions and Carbon Neutrality
Abstract:
The concepts of peak carbon dioxide emissions, carbon neutrality and carbon trading are briefly introduced. Under the background of peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality, the bottlenecks and current status of the two main production processes of current phosphorus chemical industry, wet method and thermal method, are summarized. Considering that phosphorus chemical enterprises are high energy consuming enterprises with large greenhouse gas emissions, it is suggested to legislate on phosphorus ore for thermal phosphorus production and water discharge loss for hydropower generation, strengthen the normalization and standardization of phosphorus chemical production operation, and strengthen the management of carbon assets and carbon neutrality, so as to achieve the goal of peak carbon dioxide emissions by 2030 and carbon neutrality by 2060.
2015年,为了应对全球气候变化,实现碳中和的目标,全球196个国家和地区签订了《巴黎协定》。
2021年4月22日,在《巴黎协定》签署5周年之际召开的气候峰会上,中国首次提出“人与自然生命共同体”的构建。
从《政府工作报告》到各企业的“十四五”规划中,“碳达峰”“碳中和”是当前出现最多的热门词汇。目前中国是世界上磷肥、磷酸盐产品的生产、消费和出口大国,磷化工产能和产量与日俱增[1-2],要在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和目标,磷化工的“绿色低碳、节能减排”任重而道远。
1
碳达峰、碳中和、碳交易
1.1
碳达峰是实现碳中和的前提条件
广义来说,碳达峰是指某一个时间点,CO2的排放量达到的最高峰值。根据世界资源研究所的介绍,碳达峰是一个过程,即碳排放首先进入平台期并可以在一定范围内波动,之后进入平稳下降阶段[3]。
碳达峰是实现碳中和的前提条件,尽早实现碳达峰可促进碳中和的早日实现。我国承诺在2030年前CO2的排放达到峰值后不再增长,减排逐步深入。
1.2
碳中和与CO2“零排放”
“碳中和”的首次出现实际可追溯至2006年,《新牛津美国字典》当年将“碳中和”评为年度词汇。
简单解释,碳中和是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的CO2或温室气体排放总量,通过一定的技术,消纳自身产生的CO2或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对的“零排放”,如磷化工的热法黄磷尾气用来生产碳一化工产品,磷渣、磷石膏用来制作建材等。
1.3
碳汇、碳源及碳交易
碳汇(Carbon Sink)一般是指从空气中清除CO2的过程、活动、机制。主要是指森林吸收并储存CO2的多少,或者是森林吸收并储存CO2的能力。
研究数据表明:我国的碳汇能力逐步提升,通过大力培育和保护人工林,2010—2016年我国陆地生态系统年均吸收约11.1亿t碳,吸收了同时期人为碳排放的45%。可见,林业碳汇在碳中和远景中扮演着重要角色,碳汇项目将助力我国在2060年实现碳中和目标。
碳源(Carbon Source)是指CO2产生之源,其与碳汇是两个相对的概念,是碳的起始过程。即碳源是指来自地球村和自然界中向大气层释放碳的源头,碳汇是指自然界中碳的寄存体。减少碳源一般通过减排CO2实现,增加碳汇则主要采用固碳技术和方法。
碳交易即把CO2排放权作为一种商品,买方通过向卖方支付一定金额后获得一定数量的CO2排放权,从而形成了CO2排放权的交易。
碳交易并非是煤炭和碳素的买卖,而是通过市场机制解决以CO2为代表的温室气体减排问题的路径。
2
碳达峰、碳中和背景下磷化工的现状
2.1
磷化工主要生产工艺
湿法和热法是磷化工的2种主要生产工艺,也是我国磷酸盐生产存在的重要基础条件。
湿法又称酸法,湿法工艺是基于对肥料级磷酸的萃取建立起来的,此反应过程中不需要提供热量,但对原料质量及组分要求比热法工艺高。湿法磷酸生产的系列磷复肥为农作物的增产提供了条件,对国家粮食安全起到了至关重要的作用。
热法又称火法或电法制磷,生产企业主要集中于水电和磷矿资源相对集中的云、贵、川、鄂等四省[4-6]。
近年来,中国热法制磷产业的创新、崛起为世界黄磷产业的发展做出了巨大贡献,多电极黄磷电炉的创新技术是世界热法黄磷工业发展史上一次重大的技术革命,促进了国内乃至全世界电炉法黄磷生产技术的向前发展[1, 4]。目前东南亚一带新建的黄磷厂都是采用我国的多电极黄磷电炉技术,设计建成、投产的装置产能近200 kt/a。如越南共有7家黄磷厂共13台黄磷电炉,产能约140 kt/a,产量约80 kt/a;马来西亚磷化工(沙拉越)有限公司已建成50 kt/a的黄磷装置,采用的都是中国独创的多电极制磷电炉技术[5]。
2.2
湿法生产工艺的瓶颈及现状
迄今为止,受净化处理难度大、工艺流程复杂和投资大、成本高、经济可行性差等条件的制约,湿法生产工艺的磷石膏处理利用仍然是业内的老大难问题。目前磷石膏主要用作生产水泥缓凝剂、纸面石膏板等建材,属低值产品,几乎无法用于生产高附加值产品,磷石膏资源化综合利用的现状呈现投入产出比例严重失调。
目前缺乏对磷石膏利用技术进行深入的研究和分析,尤其在磷石膏杂质的形成机理及内部结构的影响因素、有害物质对后延产品质量的影响及除杂对策等方面,仍没有全面系统的理论研究成果;在很多技术方面的分析研究还只能借助于对天然石膏的经验和理论研究数据;在主要的生产工艺技术装备方面,仍缺乏系统的基础理论与实际生产相结合的实例工厂的指导[2, 7-8]。
不论是磷化工发展宏观战略的要求,还是基于环境保护的需要,对产排量巨大的磷石膏进行综合处理与资源化利用,都是国内磷化工企业当前亟待解决的迫切任务。以每吨湿法磷酸(以P2O5计)排出4.5~5.0 t磷石膏计,2019年副产的磷石膏约为75 Mt(中国磷复肥工业协会),按运往渣场15元/t计,年运费高达11.25亿元以上;若堆高10 m(占地1 660 hm2)、堆放10年(每吨堆置费3元/a),耗资22.5亿元以上[2, 6-7]。
2.3
热法生产工艺的瓶颈及现状
从20世纪40年代初开始,中国黄磷工业经过81年的努力,从无到有、从小到大,不断引进先进技术和装备,促进了我国黄磷工业的快速发展。然而,由于国内黄磷生产的准入门槛较低,业主的经济实力、管理水平等都还存在一些问题,大部分企业设备陈旧,因资金缺乏而无力改造,导致生产成本增加;有的企业仓促上马,规划设计欠周到,设备选型不配套、不合理,产量和消耗无法达产达标[2, 5]。
一段时间以来,产能、生产的扩大不是依靠技术进步,而是靠老设备、老工艺的简单重复,这种低水平发展不仅浪费了大量的人力、物力和财力,而且破坏生态资源,使黄磷企业整体处于低水平、低效益状况,缺乏国际竞争力及可持续发展能力。
2014年全国黄磷产能超过2 400 kt/a,年产量首次突破百万吨大关,达到1 025 kt,产能、产量分别占世界的88.24%、89.91%。按黄磷产量分析计算,2014年应该是热法制磷的碳达峰时期[1]。
2018年10月22日、2019年7月3日,中央电视台先后曝光《中胜磷化:谁为违法企业开绿灯》《黄磷行业污染是谁在背后纵容?》。中央电视台2次曝光热法制磷后,黄磷行业的碳达峰峰值逐步下降;“三磷治理”和目前业内开展的一系列技改整治工作,使热法制磷进入了一个艰难的碳中和过程,任重而道远。
3
热法制磷工艺节能减排措施与碳中和
3.1
黄磷产业近年CO2减排的业绩
改革开放40年来,中国的热法黄磷企业在向生态环境、清洁生产迈进的同时,采用净化后的尾气生产碳一化工产品(甲酸、甲酸钠等)、发电或作为燃料提供热源;黄磷生产过程中的污水通过封闭沉降后,水和污泥经板框压滤、离心分离等工艺处理,含磷污水在系统内循环使用,实现了污水系统全封闭零排放;磷泥回收改变传统落后的转锅、烧酸处理方式,通过全密闭生产工艺连续蒸磷处理,消除了生产过程中的碳排放和二次污染问题;磷渣外售给水泥企业或生产微粉,用于生产水泥熟料等建材和用作硅肥。这些措施使黄磷生产装置的生态环境和节能减排得到了进一步改善,黄磷企业积极向清洁生产、绿色低碳转型升级。其中湖北兴发集团的黄磷生产企业、云南宣威磷电有限责任公司、云南弥勒磷电有限责任公司和贵州瓮安成功磷业有限责任公司对黄磷尾气灭火、出渣出铁烟气(汽)分别进行了较好的集中收集处理,达到了清洁生产、节能减排和低碳的目标[5]。
3.2
热法制磷用矿立法与碳中和
有资料介绍:由于我国磷矿资源日益紧张,适合用于热法黄磷生产的优质磷矿供应趋紧,而大量的粉状磷矿主要用于生产化肥,磷矿增值较低,从某种意义上讲是对磷资源的浪费。还有资料介绍:湿法工艺可以充分利用粉矿磷资源,热法对磷矿的质量要求较高。其实不然,这些都是对湿、热法生产工艺技术用矿要求的一种误解[4, 8]。
热法工艺对磷矿的适应性很强,高低品位的范围很宽,P2O5在20%(质量分数,下同)左右的中低品位磷矿都可以生产黄磷。对于热法制磷,单纯追求高品位磷矿并非唯一指标,还必须看入炉原料的化学组分是否符合热法黄磷生产特殊工艺要求以及经济技术指标的优劣[4]。2种不同化学组分的磷矿见表 1。
表 1
磷矿 |
w(P2O5)/ % |
w(CaO)/ % |
w(SiO2)/ % |
w(CO2)/ % |
w(Fe2O3)/ % |
w(MgO)/ % |
w(Al2O3)/ % |
酸度指标(Mk) |
第一种 |
29.69 |
46.81 |
9.01 |
8.69 |
1.03 |
1.74 |
2.00 |
0.19 |
第二种 |
25.14 |
34.70 |
27.05 |
4.43 |
1.29 |
1.99 |
2.29 |
0.78 |
表 1中第一种磷矿品位相对较高(P2O5接近30%),经计算配料后入炉品位仅22.85%,下降6.84%(入炉品位每降低1%,吨磷电耗增加300~350 kW ·h),因此适用于湿法工艺,不适用于热法工艺;第二种磷矿品位为25.14%,经计算配料后入炉品位为24.94%,反而比第一种磷矿的入炉品位提高2.09%。说明湿热法工艺是可以互补的,以物尽其用。
因此,建议对高品位的磷矿立法,不允许用来生产黄磷。热法制磷只能利用中低品位及其他行业用不了的矿(如垃圾矿),但国家应在产业政策、生产用电等方面给予企业实实在在的鼓励和优惠,这样就可以充分利用水能和矿藏资源,为碳中和做贡献。
3.3
水力发电弃水立法与碳中和
2009年,中国政府在哥本哈根气候大会上向国际社会承诺:到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%~45%。2019年我国提前完成了2020年应达到的目标,CO2排放量已下降48%。然而要实现2030年前CO2排放达峰,未来要更加强化我国的各项政策措施和实际行动。
目前,我国的风电、水电和新能源发展迅速,但风电、水电的利用率有下降趋势,弃风弃水问题仍然明显。水电资源丰富的云、贵、川都存在不同程度的弃水问题,四川省的弃水问题更加突出。国家电网四川电力公司的数据显示,2012—2017年,四川电网调峰弃水电量分别为76、26、97、102、141、140亿kW ·h。有业内人士表示,调峰弃水仅仅是装机弃水中的一小部分,若按装机容量统计弃水,2017年四川省弃水电量高达500亿kW ·h[9]。
国家发改委、能源局多次印发了关于解决弃水弃风弃光问题的实施方案, 各省市每年度都出台确保弃水弃风弃光电量和限电比例逐年下降的工作目标,然而这一问题并没有从根本上得到解决。
生产1 t黄磷耗电14 000 kW ·h左右,若每年弃水电量高达500亿kW ·h,相当于黄磷行业4年生产的用电量,少生产黄磷约3 570 kt,不利于2030年前的碳达峰。
综上所述,建议政府立法,国家水力发电不能弃水。黄磷生产对国家电网来说是一个很好的“调峰储能”载体,而且热法黄磷生产可减轻产地磷矿外运(生产1 t黄磷消耗磷矿10 t左右)带来的运输压力,生产工艺路线解决并弥补了湿法产品不能达到的内在质量要求及磷资源综合利用等方面的很多难题[4, 10],对地方经济的可持续发展起到了极积的助推作用。作为水电行业“调峰储能”的重要载体,黄磷装置开车季节性很强,开车主要集中在丰水期,与电力行业可以实现优势互补。水力发电弃水立法可以起到促进“碳中和”少花钱、多办事、立竿见影的效果,可以将资源的优化配置和CO2减排做到极致,彻底改变多年来云、贵、川等地区水力发电弃水的尴尬局面。
3.4
磷化工规范化、标准化与碳中和是永恒的主题
由中国热法制磷自行设计技术到从国外引进生产技术,并将装置安装、操作、运行、管理好的实例工厂不多。黄磷生产管理与操作的确需要经验,因为核心电炉的技术、生产控制还存在着相当多的“奥秘”,有时用基础理论来对照分析可能还解释不清楚[4, 8]。如原始开车试生产中漂砖、炉底烧穿、死炉等事故经常发生,新建装置的筑炉施工、烘炉方案仍然是“百家争鸣、百花齐放”,木柴烘炉、电阻丝烘炉、电极烘炉同时并存。
国家标准《黄磷生产技术规范》(GB/T 33321—2016)明确了黄磷生产技术的术语和定义、基本生产要求、设计要求、生产过程控制、生产设备维护和保养、产品品质要求、生产工艺安全、污染物控制,规范了操作要点、工艺指标等技术参数。通过近年的生产实践,证明了该规范的科学性、正确性和可行性,规范总体达到了国内外先进水平,为黄磷行业绿色低碳、循环发展的规范化、标准化生产评价体系提供了指导[11]。
然而,目前的生产工艺控制出现了一些误区,应该引起高度重视和防范,如许多黄磷企业都反映尾气锅炉腐蚀堵塞加重、烟气排放超标。与GB/T 33321—2016 表 3中的“磷炉气除尘收磷工序工艺控制指标”对照,发现3座喷淋塔的温度出现了很大的变化,如要求3#塔喷淋水温度≤40 ℃,而现在普遍升高了10~25 ℃,这是导致事故出现的根源所在。因此,在当前加强“三磷治理”、环保技改中要强调和注意以下两点[11]:
(1) 充分认识前端防范的重要性,加强工艺指标和规范生产操作的基础管理,杜绝重治轻防、基础软件缺失的“一味救火”现象,从源头上减少污染物的产生,才能起到事半功倍的效果。
(2) 在后端加大环保治理设施投入的同时,杜绝硬件投入的比拼,坚持因地制宜、科学合理、标本兼治的原则。
4
结语
(1) 人类在推进工业化生产的过程中,创造了巨大的精神文明和物质财富,同时也付出了巨大的资源和环境代价。人们越来越感到自然资源并非取之不尽、用之不竭,自然生态环境的承载能力也不是无限的。由于热法工艺对物料、能耗和生产工艺有特殊性要求,我国黄磷生产企业今后仍然只会集中在磷矿与电力资源(特别是水电资源)丰富的云、贵、川、鄂等省。热法制磷生产1 t黄磷耗电14 000 kW ·h左右,对于水电行业具有很好的“调峰储能”功能,水力发电弃水立法可以起到“碳中和”少花钱、多办事,彻底改变云、贵、川等省丰水期弃水不发电的尴尬局面[4, 6, 8]。
(2) 生态环境是人类赖以生存的基本条件,也是国民经济发展的物质基础,保护和建设好生态环境,绿色低碳,不仅关系着当代经济的腾飞,同时也关系到可持续发展和子孙后代的长远利益。需通过废弃物资源化利用、生态工业链网等的构建,减少生产过程中的原料消耗,严格控制CO2排放总量。磷化工企业均为高耗能企业,温室气体排放量相对较高,必然将纳入全国碳市场,成为重点控排企业。在全国碳市场来临之际,磷化工生产企业应该加强对碳资产、碳中和的管理,评估自身碳排放水平,采用信息化的手段对碳资产进行规划和管理。对2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标,建立资源节约型、技术创新型、环境友好型的磷化工行业绿色工厂评价体系,具有重要的现实和社会意义[3, 6]。