近20年我國(guó)鋁合金鑄造行業(yè)取得了快速發(fā)展，但隨著中國(guó)承諾2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略規(guī)劃，該行業(yè)面臨設(shè)備老舊、能源利用率低、碳排放相對(duì)高等問題，已成為鑄造企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的巨大挑戰(zhàn)。

    通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)鋁合金輪轂生產(chǎn)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(yè)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(chǎn)制造企業(yè)2020年的調(diào)研數(shù)據(jù)得知，當(dāng)年產(chǎn)500萬(wàn)件鋁合金輪轂時(shí)，其全年CO2排放量高達(dá)121.7萬(wàn)t，其中鋁錠制備間接排放112.4萬(wàn)t，電耗間接排放5.8萬(wàn)t，天然氣燃燒直接排放3.5萬(wàn)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(shí)清潔電力占比及其電解鋁技術(shù)，鋁合金鑄造工廠清潔電力占比及其設(shè)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(shí)以清潔電能代替天然氣能是鋁合金鑄造企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必經(jīng)之路。

    2020年9月，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上承諾，中國(guó)CO2排放量力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳排放是關(guān)于溫室氣體排放的一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)算。

    近20年我國(guó)鋁合金鑄造和電解鋁產(chǎn)能取得了快速發(fā)展，但也面臨設(shè)備老舊、能源利用率低、碳排放高等問題，這給碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)造成了巨大的壓力。隨著國(guó)家碳排放政策持續(xù)向下游產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，鋁合金鑄造這種高能耗、高排放行業(yè)面臨較大的減排壓力和挑戰(zhàn);因此，研究在碳排放約束下我國(guó)鋁合金鑄造碳排放核算方法及其影響因素具有重要的實(shí)際意義。

    1 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)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(jī)加工、涂覆等生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量數(shù)據(jù)采集困難，因此筆者根據(jù)能源消耗估算值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》和《其他有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》核算分析天然氣燃燒和電耗的碳排放量，計(jì)算公式如下：

   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(jì)算中所需各項(xiàng)因子參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自IPCC 2006年版的《國(guó)家溫室氣體排放清單指南》。

    1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

    根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析，2018年火電機(jī)組平均供電煤耗為308 g/kW·h(凈效率為39.9%)，火電CO2排放強(qiáng)度約841 g/kW·h，即CO2排放因子為0.841 0 kg CO2/kW·h;根據(jù)《關(guān)于有色金屬工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見》，每噸電解鋁消耗直流電的工信部標(biāo)桿指標(biāo)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(chǎn)生的電進(jìn)行電解鋁作業(yè)所得鋁錠視為清潔鋁錠，在碳排放核算時(shí)，清潔電能產(chǎn)生的碳排放視為零;清潔鋁錠碳排放主要來(lái)自鋁土礦開采、氧化鋁焙燒、電解鋁作業(yè)時(shí)石墨陽(yáng)極和其他熱能產(chǎn)生的碳排放。

    表1為研究過(guò)程中的碳排放核算因子。根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算得知，每噸清潔鋁錠(全部采用清潔電力)在制備過(guò)程中合計(jì)排放CO2 6.05 t (2.9+3.1+0.05);電解鋁全部采用火電，其每噸鋁在生產(chǎn)過(guò)程中合計(jì)排放CO2 16.56 t(10.51+6.05)。

    2 企業(yè)調(diào)研和減排措施

    2.1 企業(yè)調(diào)研

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

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

    隨著國(guó)家碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略的推進(jìn)，清潔電力和清潔鋁錠價(jià)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(jià)機(jī)制，但從2021年開始，受國(guó)家碳中和政策影響，國(guó)內(nèi)清潔電力和清潔鋁錠價(jià)格逐步提升，出現(xiàn)了等同于非清潔電力和非清潔鋁錠的價(jià)格差異;如浙江省局部地區(qū)出臺(tái)新政策：提升10%清潔電力占比(購(gòu)買綠色電力)將增加電力成本6.9%;同時(shí)，各地清潔鋁錠特別是云南地區(qū)生產(chǎn)的水電鋁價(jià)格高于行業(yè)平均價(jià)格1.6%(企業(yè)大宗采購(gòu)價(jià)格對(duì)比)。

    若中國(guó)鋁錠生產(chǎn)企業(yè)能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝達(dá)到歐美國(guó)家水平，即清潔電力占比80%，電解鋁采用環(huán)保惰性陽(yáng)極等新技術(shù)和新工藝，如表3所示，同樣產(chǎn)能的鋁合金鑄造工廠CO2排放將降至61.3萬(wàn)t，降低49.63%;同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電力采購(gòu)成本和鋁錠采購(gòu)成本也將隨之增加。

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

    2.2 鋁合金鑄造企業(yè)減少碳排放的措施

    對(duì)于鋁合金鑄造企業(yè)來(lái)說(shuō)，可采取以下措施來(lái)減少碳排放。

    (1)提升清潔原生鋁錠和再生鋁的采購(gòu)占比

    國(guó)際鋁協(xié)會(huì)IAI數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)電解鋁行業(yè)在電解環(huán)節(jié)上的用電排碳量要高于全球平均水平，高可達(dá)到11.2t(按噸鋁)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)的電力能源嚴(yán)重依賴火電(即煤電，占比可達(dá)到85%左右)，水電占比僅略高于10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全球水電能源占比接近25%的水平。隨著越來(lái)越多的在用鋁存量進(jìn)入報(bào)廢期，鋁廢料的產(chǎn)生量將持續(xù)增加，并使得再生鋁產(chǎn)量可在2040年前后超過(guò)原生鋁產(chǎn)量。由于再生鋁生產(chǎn)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(chǎn)量在2030年前的達(dá)峰將推動(dòng)碳排放達(dá)峰的實(shí)現(xiàn)。

    由于各個(gè)國(guó)家和地區(qū)電解鋁或原鋁生產(chǎn)的電源結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)等不同，鋁錠生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放也有比較大的差異;當(dāng)然，電源結(jié)構(gòu)是重要的影響因素。目前，水電是清潔的能源，水電鋁企業(yè)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(yè)，其電源結(jié)構(gòu)中水電占比達(dá)到90%以上。

    在鋁錠采購(gòu)方面，鋁合金鑄造企業(yè)應(yīng)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(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電，都只適合集中發(fā)電，不適合作為企業(yè)的發(fā)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(guī)模的集中發(fā)電、技術(shù)要求高;相比之下，太陽(yáng)能是目前能夠小型化發(fā)電，又沒有地域限制的可再生能源方式，且中國(guó)在光伏發(fā)電上有技術(shù)、制造和應(yīng)用規(guī)模的核心優(yōu)勢(shì)。其中，廠房頂部光伏發(fā)電項(xiàng)目基本在5～8年可以收回投入成本，項(xiàng)目持續(xù)收益可長(zhǎng)達(dá)25年;廠房頂部光伏發(fā)電已成為鋁合金鑄造工廠清潔電力的主要來(lái)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(chǎn)生的碳排放量通常占整個(gè)工廠直接碳排放量的80%。相比外購(gòu)鋁錠和電力產(chǎn)生的間接碳排放，廠區(qū)內(nèi)鑄造生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的直接碳排放量受制于企業(yè)自身設(shè)備能源利用率大小、生產(chǎn)工藝性、生產(chǎn)制造管理水平等因素的影響。

    根據(jù)調(diào)研工廠開展的各項(xiàng)節(jié)能減排措施和實(shí)施效果得知，通過(guò)對(duì)老舊熔煉爐的智能化、節(jié)能化改造，如保溫材料、蓄熱燒嘴和智能溫控系統(tǒng)的應(yīng)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(wàn)m3計(jì)算，每年可減少CO2排放3 414 t，每年節(jié)省天然氣成本400余萬(wàn)元，設(shè)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?zé)煔饩哂泻芨叩挠酂崂脙r(jià)值，通過(guò)余熱回收裝置，其產(chǎn)生的熱水可供給到機(jī)加工清洗線、涂裝清洗線、員工洗浴等設(shè)備，以減少天然氣消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。以調(diào)研的工廠為例，該廠通過(guò)對(duì)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(wàn)m3，減少CO2排放2 214 t，每年節(jié)省天然氣成本達(dá)250余萬(wàn)元，設(shè)備投資回收期僅2.4年。

    (5)提升鑄造工藝設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)制成合格率

    鑄造工藝設(shè)計(jì)水平以及生產(chǎn)制成合格率不僅決定企業(yè)的生產(chǎn)成本和盈利水平，還對(duì)鑄件的直接碳排放影響較大。根據(jù)調(diào)研工廠數(shù)據(jù)得知，通過(guò)提升鑄造模具設(shè)計(jì)水平達(dá)到提高鑄件工藝出品率以及減少鑄件縮松、漏氣等不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少鑄件毛坯報(bào)廢率。同時(shí)，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(jié)能減排年度目標(biāo)，也降低了生產(chǎn)成本。

    3 結(jié)論和建議

    以往的碳排放核算研究大多集中在鋼鐵、發(fā)電、水泥、汽車制造等產(chǎn)業(yè)的全生命周期碳排放核算方法的構(gòu)建，對(duì)細(xì)分行業(yè)特別是鋁合金鑄造碳排放量的研究較少;筆者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)鋁合金輪轂生產(chǎn)工廠碳排放數(shù)據(jù)的詳細(xì)調(diào)研，探索鋁合金鑄造行業(yè)碳排放核算方法及其影響因素，從而提出實(shí)現(xiàn)鋁合金鑄造企業(yè)碳中和目標(biāo)的政策建議。

    (1)通過(guò)對(duì)調(diào)研工廠碳排放數(shù)據(jù)分析得知，鋁合金鑄造工廠間接碳排放如鋁錠和電力產(chǎn)生的CO2排放，占比94.29%;直接碳排放主要指天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，占比5.71%。

    (2)調(diào)研企業(yè)通過(guò)熔煉設(shè)備改造和工廠余熱利用等措施，預(yù)計(jì)未來(lái)5年將合計(jì)減少CO2排放量2.8萬(wàn)t，綜合成本合計(jì)可降低1 800余萬(wàn)元;但隨著鋁合金鑄造生產(chǎn)企業(yè)對(duì)清潔電力和清潔鋁錠或再生鋁錠需求量的增大，勢(shì)必驅(qū)動(dòng)其價(jià)格的上漲，導(dǎo)致清潔電力和清潔鋁錠采購(gòu)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(shí)清潔電力的占比及其電解鋁技術(shù)，鋁合金鑄造工廠清潔電力占比及其設(shè)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(shí)以清潔電能代替天然氣能是鋁合金鑄造企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必經(jīng)之路。