中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算

陳 舜, 逯 非, 王效科,*

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算

陳 舜1,2, 逯 非1, 王效科1,*

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

通過收集、整合國內相關數(shù)據(jù)，推算了符合中國目前情況的各種氮肥、磷肥和鉀肥的制造過程中的溫室氣體排放系數(shù)(從原料到工廠大門)。結果顯示，我國平均水平的氮肥制造碳排放系數(shù)為：合成氨(液氨)1.672 t CE/t N，尿素2.041 t CE/t N，碳銨1.928 t CE/t N，硝酸銨4.202 t CE/t N，氯化銨2.220 t CE/t N，氮肥綜合系數(shù)為2.116 t CE/t N。我國一般水平的磷肥制造碳排放系數(shù)為：重鈣0.467 t CE/t P2O5，磷酸二銨1.109 t CE/t P2O5，磷酸一銨0.740 t CE/t P2O5，普鈣0.195 t CE/t P2O5，鈣鎂磷肥2.105 t CE/t P2O5，磷肥綜合系數(shù)為0.636 t CE/t P2O5。我國先進水平的鉀肥制造碳排放系數(shù)為：氯化鉀0.168 t CE/t K2O，硫酸鉀0.409 t CE/t K2O(其中羅鉀法硫酸鉀0.443 t CE/t K2O、曼海姆法硫酸鉀0.375 t CE/t K2O)，鉀肥綜合系數(shù)為0.180 t CE/t K2O。我國大部分氮磷鉀肥的溫室氣體排放系數(shù)普遍為歐美平均水平的2倍左右，因此利用國外系數(shù)來估算我國的農業(yè)溫室氣體排放量將嚴重低估化肥施用的影響。

氮肥; 磷肥; 鉀肥; 化肥制造; 溫室氣體排放系數(shù)

隨著我國人口的增加和經(jīng)濟水平的發(fā)展，要想保證我國在只占世界人均耕地面積44%且仍在逐年縮減的耕地中產出更多的農作物，化肥的施用不僅必不可少，而且總需求量有增無減[1]。根據(jù)中國農業(yè)年鑒1981—2011，過去30年間，我國的化肥施用水平已從1980年的86.7 kg/hm2持續(xù)增長到了2010年的346.1 kg/hm2(純養(yǎng)分)；2005年中國施用的化肥總量為4766.2×104t，已逼近當年世界化肥消費總量[1](1.54億t)的1/3。施用量既高，同時又是生產過程中大量消耗化石燃料的高能耗產品，化肥自然成為了農作物種植過程中最重要的非直接碳排放源之一[2]。因此，能否準確估算我國化肥施用的碳排放量將對我國、乃至世界范圍內的農業(yè)生產碳排放估算結果產生很大的影響。但目前國內除了有研究計算過合成氨[3]和氮肥的綜合系數(shù)[4]之外，尚未見到針對中國國情的制造常用化肥品種的溫室氣體排放系數(shù)(簡稱碳排放系數(shù))，因此國內的農業(yè)系統(tǒng)生命周期評價中多使用國外系數(shù)，且不區(qū)分具體化肥類型[5]?？紤]到我國的氮肥磷肥早已實現(xiàn)自給[1, 6]，而國產鉀肥的產能也在不斷擴張、預計2017年實現(xiàn)基本自給[7]，建立在國外系數(shù)基礎上的碳排放模型能反映中國的實際情況嗎？

為了回答這個問題，本文根據(jù)國內各種重要化肥品種的物料消耗指標或能耗限額數(shù)據(jù)，推算了中國的化肥碳排放系數(shù)，并對國內外參數(shù)的大小、差距及其原因進行了比較和分析。

1 研究方法

本文中化肥制造碳排放系數(shù)的計算覆蓋了化肥從上游化石燃料和化肥原料的開采、運輸和制造，到化肥產品在化肥廠內包裝成型為止的過程中，與CO2、CH4和N2O排放相關的主要環(huán)節(jié)(from cradle to factory gate)，但不包括出廠后的運輸和施用后釋放N2O等環(huán)節(jié)(本文系統(tǒng)邊界見圖1)。其中，CO2主要來自于各環(huán)節(jié)化石燃料的燃燒，少部分來自于化學礦石本身的碳酸鹽成分；CH4主要來自于煤炭和石油的開采時的逸散，以及化石燃料的燃燒，均包含在本文所采用的燃料溫室氣體排放因子EF(簡稱燃料碳排放因子)中，本文中并未涉及其直接計算；化石燃料的燃燒時所產生的N2O亦包含在EF內，但本文有涉及硝酸(化肥的上游產品)制造過程中(非燃燒引起的)N2O額外排放量的直接計算。由于EF因子使用的是IPCC第二次評估報告(SAR)中CH4和N2O的GWP(Global Warming Potential)系數(shù)[8](21和310)，本文也與其保持一致。本文中的最終結果均為碳當量(CE=12/44×CO2-eq)。

圖1 本文的系統(tǒng)邊界 Fig.1 System boundary of this study

由于資料的可獲取程度不一，本文主要使用兩種途徑計算特定環(huán)節(jié)的碳成本：

單位產品的能源消耗限額[9](簡稱“能耗限額”)是由國家或地方政府發(fā)布的、針對某一種產品的單位生產能耗的強制性標準，最終目的是淘汰落后產能、促進現(xiàn)有企業(yè)進行節(jié)能改進，反映的是對企業(yè)的一般要求(等于或略低于“平均水平”)；能耗限額的制定過程是由政府部分委托該產品所歸口的行業(yè)協(xié)會和主要企業(yè)，先對行業(yè)內代表性的企業(yè)進行抽樣調查，再以抽樣能耗的均值、或多數(shù)企業(yè)通過努力節(jié)能后能夠達到的水平為限額，所以能耗限額可能是行業(yè)均值或略低于均值，但絕非本國的落后水平。 因此認為基于能耗限額計算的碳排放量能夠反映該產品(環(huán)節(jié))碳排放量的行業(yè)一般水平。

原則上應該將每一種能源的能耗利用對應的TCEF各自換算成對應的碳排放量再加和，但實際上能耗限額呈現(xiàn)的是一個總值，并未提供足以將其還原為各組分能源消耗量的信息。又因為煤、氣、油這些化石能源的TCEF之間差距較小，而它們和電力的TCEF則差距太大(電能的TCEF是前者的3倍左右，因為將一次能源變?yōu)殡娔艿霓D換效率遠低于前者)，因此本文在將能量值(tce)轉化為碳排放量(t CE)時，只將電力單獨計算、其余化石能源(煤、氣、油)合并，如式(1)：

(1)

1.1 氮肥的碳排放系數(shù)

本文計算的氮肥種類是：合成氨(液氨)、尿素、碳酸氫銨(碳銨)、硝酸銨、氯化銨。

氮肥的主要耗能原料是煤、重油、天然氣、電和蒸汽。前4種能源物質的上游碳成本(包括煤炭石油采選、煉制、運輸過程中的溫室氣體排放量)已經(jīng)包含在歐訓民[10]的全生命周期燃料碳排放因子里了(表1的EFi)，蒸汽一般自產[11]，因此不必再計算氮肥的上游采礦和運輸環(huán)節(jié)的碳排放量。另外由于硝酸是化工業(yè)N2O的主要來源[12]，所以硝酸銨的排放系數(shù)里將硝酸制造所產生的N2O計入考慮。

表1 不同能源的低位發(fā)熱量、燃料碳排放因子和單位tce碳排放因子

a: 蒸汽低位發(fā)熱量來自遼寧華錦集團實測值[11]，其余低位發(fā)熱量來自中國能源統(tǒng)計年鑒2012(附錄4); 另外，標煤的低位發(fā)熱量是29271 MJ/t(即1 tce = 29271 MJ)，電力是當量值; b: 除蒸汽外，其他燃料的全生命周期GHGs排放因子均取自歐訓民[10]，天然氣指的是經(jīng)過油氣企業(yè)處理和運輸后的商品天然氣;c: TCEFi=EFi×29271÷106

氮肥的碳排放系數(shù)按公式(2)計算：

XN=XHNO3+∑MNi×Qneti×EFi

(2)

式中，XN為1 t某種氮肥N的碳排放系數(shù)(t CE/t氮肥產品)；XHNO3是原料硝酸的碳排放系數(shù)(t CE/t氮肥產品)，通過公式(3)計算；MNi為每生產1 t該氮肥所消耗的能源i的用量(t/t氮肥產品)，根據(jù)表2中的總消耗量除以總產量而得；Qneti為能源i的低位發(fā)熱量(MJ/ t，MJ/m3，MJ/kWh)，EFi為能源i的燃料碳排放因子(gCE/MJ)，取值見表1。

硝酸的碳排放系數(shù)按公式(3)計算：

XHNO3=MNNH3×XNH3+ESN2O+PEHNO3

(3)

式中，MNNH3是制造1t硝酸的液氨用量(t/t HNO3)，取值0.3[13]；XNH3為合成氨的碳排放系數(shù)(t CE/t NH3)，通過公式(2)計算；ESN2O是制造1t硝酸時逸出的N2O的碳當量(t CE/t HNO3)，取值0.880。PEHNO3是稀硝酸生產工序的碳排放量(tCE/t HNO3)，計算方法見公式(14)，所用參數(shù)取值為：稀硝酸工序綜合能耗QuotaHNO3=0.160 tce/t HNO3，取自《稀硝酸單位產品能源消耗限額》(GB 29441—2012)；稀硝酸工序電耗占比EHNO3=8.8%=EUHNO3×0.1229÷QuotaHNO3÷1000，其中EUHNO3是制造1t硝酸的平均電耗，取值114 kWh/t HNO3；0.1229是電力折標煤系數(shù)當量值(kgce/kWh)，取自中國能源統(tǒng)計年鑒2012附錄4。

ESN2O的取值依據(jù)《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》對于50家硝酸企業(yè)的調查統(tǒng)計(http://nc.ccchina.gov.cn/WebSite/NationalCCC/UpFile/File115.pdf)，2005年我國因生產硝酸所排放的N2O達4.68×104t。由于缺乏當年全國硝酸的實際總產量，故按2005年全國硝酸產能544.7×104t HNO3[14]、2010年產量產能比82.5%[15]計算，相當于10.414 kg N2O /t HNO3(折0.880 tCE/t HNO3)，超過了IPCC硝酸N2O排放量缺省值[12](2—9 kg N2O/t HNO3)的上限。

EUHNO3的取值依據(jù)為常用的3種工藝高壓法、中壓法和雙壓法的噸硝酸電耗分別為348、154和11 kWh/t HNO3[13]，2006年硝酸行業(yè)產能為86、105、236×104t[14]，加權平均得到噸硝酸電耗為114 kWh/t HNO3。

表2 2005年各種N肥(包括合成氨)的主要生產物料總消耗量

1.2 磷肥的碳排放系數(shù)

本文計算的磷肥種類為重過磷酸鈣(重鈣)、磷酸二銨、磷酸一銨、過磷酸鈣(普鈣)和鈣鎂磷肥。

我國95%以上的磷肥以硫酸為原料[16]，例如前4種磷肥，其原材料為磷礦石和硫酸；而鈣鎂磷肥主要以高爐法生產，原料是磷礦石、焦炭和助熔劑[17-18]。2009年全國98.6%的磷礦石產自滇、鄂、黔、川(產磷4省)，但此4省的磷肥產量只占全國的59.2%[19]，意味著仍有大量磷礦石需要長途運輸；另外由于貧礦多富礦少的國情，大部分磷礦石需經(jīng)過洗選工序才能使用[20]。硫酸根據(jù)原材料的不同分為3類，分別是硫磺制酸、硫鐵礦制酸和冶煉煙氣制酸：硫磺大量依賴中東和北美的進口[21]；硫鐵礦雖然資源豐富但品位不高(需要選礦富集)，另外分布集中于安徽廣東兩省[22]，因而仍需長距離運輸；煙氣硫酸主要靠當?shù)仄渌髽I(yè)消化(硫酸是危險物品，其運輸半徑受限)。

磷肥的碳排放系數(shù)按公式(4)計算，包括了上游原材料的采選、運輸和制造：

XP=PEP+UP磷礦石+UPH2SO4+UPNH3+UP焦炭+UP助熔劑+CB磷礦石+CB助熔劑

(4)

式中，XP為1 t某種磷肥的碳排放系數(shù)(t CE/t磷肥產品)；PE表示某個制造工序的碳排放量，PEP是原料進入磷肥廠后，磷肥工序所產生的碳排放量(t CE/t磷肥產品)，通過公式(14)計算；UP表示某種原料的上游碳排放量，UP磷礦石是原料磷礦石的上游碳排放量(t CE/t磷肥產品)；UPH2SO4是原料硫酸的上游碳排放量(t CE/t磷肥產品)；UPNH3是原料液氨的上游碳排放量(t CE/t磷肥產品)；UP焦炭是原料焦炭的上游碳排放量(t CE/t磷肥產品)；UP助熔劑是原料助熔劑的上游碳排放量(t CE/t磷肥產品)；CB磷礦石是原料磷礦石自身攜帶的碳酸鹽在遇酸后會釋放出的CO2的碳當量(t CE/t磷肥產品)；CB助熔劑是助熔劑受熱分解后會釋放出來的CO2的碳當量(t CE/t磷肥產品)。前述各UP和CB的計算見公式(5—11)。

原料磷礦石的上游碳排放量UP磷礦石考慮采選和運輸兩個環(huán)節(jié)，通過公式(5)計算：

(5)

式中，MP表示制造1 t磷肥所消耗的原料量：MP磷礦石是磷礦石用量(t/t磷肥產品，折含30% P2O5的磷標礦)，取值見表3；PE磷礦石采選表示1t磷礦石的采選工序碳排放量(t CE/t)，通過公式(14)計算；TR表示每噸物料運輸碳排放量，TR磷礦石表示1t磷標礦的運輸碳排放量(t CE/t)，通過公式(16)計算。此處鈣鎂磷肥較為特殊——和其余對磷礦石品位要求較高的濕法磷肥不同，鈣鎂磷肥使用的是難以選礦的的低品位磷礦(P2O5<20%)[23]，又因為采礦能耗遠低于選礦能耗[24]，所以在計算時，鈣鎂磷肥不計算磷礦石的采選碳排放量，只考慮磷礦石的運輸碳排放量(即UP磷礦石=MP磷礦石×TR磷礦石，且MP磷礦石取值為0.947=0.600×30%÷19%，式中0.600是磷標礦消耗量，19%是低品位磷礦石的P2O5含量[23])；另外MP焦炭取全國1980—1989年鈣鎂磷肥的焦耗[25]均值(原單位是t/tP2O5，通過15%換算為t/t肥)。

表3 單位磷肥產品的工序能耗和原料消耗量

原料硫酸的上游碳排放量UPH2SO4通過公式(6)計算，考慮3個環(huán)節(jié)：硫酸的制造工序、硫酸上游原料(硫鐵礦、冶煉煙氣、硫磺)的運輸，以及硫鐵礦的采選——不考慮冶煉煙氣和硫磺本身的制造碳排放量，因為冶煉煙氣是有色金屬冶煉企業(yè)必須處理的廢氣，大部分硫磺是天然氣凈化和石油煉精環(huán)節(jié)中環(huán)保裝置的副產品。

UPH2SO4=MPH2SO4×PEH2SO4+MP硫鐵礦×(PE硫鐵礦采選+TR硫鐵礦)+ MP煙氣制酸+98%×TR煙氣制酸+MP硫磺×TR硫磺

(6)

式中，MPH2SO4是制造1 t磷肥的硫酸用量(t H2SO4/t磷肥產品，H2SO4指100%H2SO4)，取值見表3；PEH2SO4是硫酸制造工序的碳排放量(t CE/t H2SO4)，由公式(15)計算；MP硫鐵礦是1 t磷肥的硫鐵礦石用量(t/t磷肥產品)，通過公式(12)計算；PE硫鐵礦采選是1t硫鐵礦的采選工序碳排放量(t CE/t)，取值為0.050 tCE/t，根據(jù)文獻[26]供的采選環(huán)節(jié)消耗表計算而得；TR硫鐵礦是1t硫鐵礦石的運輸碳排放量(t CE/t)，通過公式(16)計算；MP煙氣制酸是1 t磷肥的煙氣硫酸用量(t H2SO4/t磷肥產品)，通過公式(13)計算；TR煙氣制酸是煙氣硫酸的運輸碳排放量(t CE/t 98%H2SO4)，通過公式(16)計算；MP硫磺是1t磷肥的硫磺用量(t/t磷肥產品)，通過公式(12)計算；TR硫磺是1t硫磺的運輸碳排放量(t CE/t)，通過公式(17)計算。

原料液氨的上游碳排放量UPNH3通過公式(7)計算：

UPNH3=MPNH3×XNH3

(7)

式中，MPNH3是1t磷肥的液氨用量(t/t磷肥產品)，取值見表3；XNH3是合成氨的碳排放系數(shù)(t CE/t NH3)，取值見表6。

原料焦炭的上游碳排放量UP焦炭通過公式(8)計算：

UP焦炭=MP焦炭×(PE焦炭+TR焦炭)

(8)

式中，MP焦炭是1 t磷肥所消耗的焦炭量(t/t磷肥產品)，取值見表3；PE焦炭是1 t焦炭的制造工序碳排放量(t CE/t)，通過公式(14)計算；TR焦炭是1t焦炭的運輸碳排放量(t CE/t)，通過公式(16)計算。

原料助熔劑的上游碳排放量UP助熔劑通過公式(9)計算。助熔劑通常優(yōu)先使用蛇紋石(3MgO·2SiO2·2H2O)，但由于經(jīng)濟因素，它常被分布更為廣泛的白云石(CaCO3·MgCO3)+硅石(SiO2)部分或全部代替，例如貴州[27-28]、湖南[29]、云南[30]，因此助熔劑考慮蛇紋石、白云石和硅石。而蛇紋石和白云石是我國儲量豐富的礦石品種且品質良好簡單加工即可使用[31-32]，并沒有相應的采選能耗限額，故只考慮運輸環(huán)節(jié)：

UP助熔劑=MP助熔劑×TR助熔劑

(9)

式中，MP助熔劑是助熔劑(蛇紋石+白云石+硅石)的用量(t/t磷肥產品)，取值0.5[17, 27]；TR助熔劑是助熔劑的運輸碳排放量(t CE/t)，通過公式(16)計算。

原料磷礦石遇酸分解后釋放的CO2碳當量CB磷礦石通過公式(10)計算：

(10)

式中，5%是磷礦石自身CO2含量[20]。

原料助熔劑中的白云石的主要成分是碳酸鈣和碳酸鎂，在高爐中受熱會分解釋放出CO2[30]，其碳當量CB助熔劑通過公式(11)計算：

CB助熔劑=MP白云石×0.123

(11)

式中，MP白云石是白云石用量(t/t磷肥產品)，取值0.15,以0.3為上限)；0.123是消耗1t白云石會釋放的碳當量(tCE·t白云石-1)，按其含31%CaO和19%MgO[28]計算：0.123=31%÷56×12+19%÷40×12。

平均每噸磷肥消耗的硫磺、硫鐵礦石用量(MP硫磺、MP硫鐵礦)按公式(12)計算，每噸磷肥消耗的煙氣硫酸量(MP煙氣制酸)按公式(13)計算：

MP硫磺、硫鐵礦=MPH2SO4×SA硫磺、硫鐵礦×M硫磺、硫鐵礦

(12)

MP煙氣制酸=MPH2SO4×SA煙氣制酸

(13)

式中，SA硫磺是硫磺制硫酸占總硫酸產量的比例，SA硫鐵礦是硫鐵礦制酸的比例，SA煙氣制酸是煙氣制酸的比例，三者分別取值43.2%、35.3%、21.5%[33](忽略1.3%的其它制酸方式)；M硫磺是硫磺制酸時每產1t硫酸消耗的硫磺量(t/H2SO4)，取值為0.334；M硫鐵礦是硫鐵礦制酸時每噸硫酸消耗的硫鐵礦量(t·H2SO4-1)，取值為0.98(M硫磺和M硫鐵礦均取自《云南省硫酸行業(yè)清潔生產合格單位評價指標體系(暫行)》)。

稀硝酸、各種磷肥的制造工序、磷礦石采選工序、焦炭制造工序的碳排放量(PEHNO3、PEP、PE磷礦石采選、PE焦炭)按公式(14)計算：

PEj=Quotaj×[Ej×TCEF電力+(1-Ej)×TCEF非電力]

(14)

式中，Quotaj是j環(huán)節(jié)的單位產品綜合能耗限額(tce/t),5種磷肥各自的Quotap取值見表3；采選磷礦石的能耗限額Quota磷礦石采選=0.006 tce/t(參考自《云南省磷礦采選行業(yè)清潔生產評價指標體系(試行)》)；制焦炭的能耗限額Quota焦炭=0.165 tce/t，取自《焦炭單位產品能耗限額》(GB 21342—2008)。Ej是電耗(當量值)在綜合能耗Quotaj中所占的比例(%)：重鈣的Ep=10%(噸重鈣的電耗取值150 kWh/t[18]，折標煤為18.4 kgce/t，約占重鈣Quotap的10%)；磷酸二銨的Ep=10%、磷酸一銨的Ep=12%、普鈣的Ep=22%*根據(jù)《四川省主要工業(yè)產品能耗限額表》http://admin.scsn.gov.cn/jw/ShowArticle.asp?ArticleID=2054，磷銨電耗先進值為116 kWh/t、過磷酸鈣電耗先進值為27 kWh/t，折標煤后分別占各自Quotap的10%、12%、22%；鈣鎂磷肥的Ep=3%(取全國1980—1989年鈣鎂磷肥的電耗均值75kWh/t[25]，折標煤后占鈣鎂磷肥Quotap的3%)；E磷礦石采選=90%(采礦能耗中電耗占75%—85%，選礦能耗中電耗占90%—93%，而礦石采選主要能耗來自選礦[24])；E焦炭=0，因為Quota焦炭(0.165tce/t)所使用的電力折標煤系數(shù)是等價值而非當量值，等價值已將電力與一次能源的效率差距考慮在內故無需再單算電力能耗。TCEF電力=2.38(表1)；TCEF非電力=0.81(是除天然氣外其余非電力燃料的TCEFi的算術均值——考慮到中國天然氣資源緊缺、化工領域的天然氣本就多用作原料而很少用作燃料[34]、且不少氮肥企業(yè)甚至連原料天然氣都無法得到足量供應因而不得不進行“氣改煤”的現(xiàn)狀[35]，認為天然氣在氮磷肥的生產過程中很少用作燃料)。

硫酸的制造工序碳排放量(PEH2SO4)按公式(15)計算，等于制酸電耗的碳排放量減去廢熱蒸汽的碳排放量(廢熱被回收為蒸汽，是負的碳排放量)：

(15)

式中，括號內是根據(jù)“綜合能耗=電耗折標煤-廢熱蒸汽折標煤”反推得到的廢熱蒸汽折標煤量(制硫酸絕大部分的能耗是電力[26])；EUH2SO4是硫酸3種工藝(分別以硫磺、硫鐵礦和冶煉煙氣為原料)的加權平均噸酸電耗(kWh/t)，取值為110.55=85×SA硫磺+130×SA硫鐵礦+130×SA煙氣，其中85、130、130分別是《工業(yè)硫酸單位產品能源消耗限額》(GB29141—2012)中3種工藝的噸酸電耗限額(kWh/t)，其中冶煉煙氣取銅鎳煙氣為代表——煙氣制酸產量前10名的大型企業(yè)以煉銅居多、尤其是在湖北云南這樣的磷肥大省[36]； QuotaH2SO4是三種工藝的加權平均噸酸綜合能耗(tce/t)，取值為-0.082=-0.115×SA硫磺+ (-0.100)×SA硫鐵礦+0.016×SA煙氣，其中-0.115、-0.100和0.016分別是GB29141—2012中3種工藝(硫磺制酸、硫鐵礦制酸、煙氣制酸)的綜合能耗限額(tce/t)。綜上可得PEH2SO4=-0.044 tCE/t H2SO4。

每噸磷礦石、硫鐵礦石、煙氣硫酸、焦炭、助熔劑從產地運到磷肥廠家的運輸碳排放量(TR磷礦石、TR硫鐵礦、TR煙氣制酸、TR焦炭、TR助熔劑)按公式(16)計算，每噸硫磺的運輸碳排放量單獨按公式(17)計算：

TRk=Dk×UDEk

(16)

TR硫磺=89.3%×(進口硫磺海運距離×UDE遠洋+進口硫磺國內運距×UDE長途公路)+ 11.7%×國產硫磺國內運距×UDE短途公路

(17)

式中，k為磷礦石、硫鐵礦、煙氣制酸、焦炭、助熔劑；Dk表示各材料的運距(km)；UDEk是每噸各材料的單位運距碳排放量(t CE km-1t-1)，依各自的Dk而定，Dk低于300 km的取UDE短途公路，超過300 km的取UDE長途公路(不考慮鐵路、水路方式)，具體取值見表4。公式(17)中，89.3%是硫磺進口比例，11.7%是國產硫磺比例[21]。各種運距的取值見表4。

表4 不同運輸方式的單位運量每公里碳排放量*

進口硫磺海運距離=9200 km(防城港到阿聯(lián)酋約9000 km、沙特9400 km，青島和南通至溫哥華9400 km，查詢自www.searates.com/reference/portdistance/)；D硫鐵礦=600 km，D磷礦石=150 km，進口硫磺國內運距=750 km，國產硫磺國內運距=200 km(選取2010年占全國磷肥產量87.6%的前9名省份的知名企業(yè)共17家，通過百度地圖查找與其最近的硫磺進口港、有萬噸級硫磺回收裝置的煉油廠或天然氣凈化廠、大型硫鐵礦、磷礦的最短公路距離，一省運距取算省內各企業(yè)與資源運距的算術平均，全國運距取各省份運距與其磷肥產量占全國比例的加權平均，最后向下取整)；D煙氣制酸=200(硫酸的經(jīng)濟運距為150—250 km， www.ccin.com.cn/ccin/news/2011/08/03/192151.shtm)；D助熔劑=150，D焦炭=100(選取滇桂豫鄂湘贛共15家鈣鎂磷肥企業(yè)，通過百度地圖查詢與其最近的蛇紋石或白云石礦、煉焦廠的距離，取算術平均，最后向下取整)。

1.3 鉀肥的碳排放系數(shù)

鉀肥的最主要品種是氯化鉀(占95%)，其次是硫酸鉀[37]。國產鉀肥主要集中在青海和新疆，青海鹽湖集團和新疆羅布泊鉀肥公司分別是我國最大的氯化鉀和硫酸鉀生產企業(yè)，同時代表了各自工藝的國內最先進水平[38]。我國鉀肥的生產和礦產地重合性很高(青海和新疆的鉀資源合計占全國的95.7%[39]，2009年青海新疆的鉀肥產量合占全國的87.1%[19])，因此鉀肥的生產中沒有考慮運輸環(huán)節(jié)。

1.3.1 氯化鉀的碳排放系數(shù)

由于缺乏氯化鉀的物料消耗指標或單位產品能耗限額，故在鹽湖集團的單位產品綜合能耗的基礎上，結合以色列DSW公司的KCl碳足跡數(shù)據(jù)(鹽湖集團的百萬噸鉀肥項目與DSW公司是同一技術路線[40])，按公式(18)推算中國的氯化鉀碳排放系數(shù)(先進水平)：

XKCl=PEKCl÷α÷β=QuotaKCl×(EKCl×TCEF電力+(1-EKCl)×TCEF天然氣)÷α÷β

(18)

式中，XKCl是氯化鉀肥料的碳排放系數(shù)(t CE/t KCl)；PEKCl是KCl工序(從光鹵石進廠到KCl成品出廠)消耗的化石燃料的碳排放量(t CE/t KCl)；因為鹽湖集團生產鉀肥的主要能源是電和天然氣[41]，所以原本的TCEF非電力變?yōu)門CEF天然氣；α是KCl工序占總碳足跡(制光鹵石+KCl工序)的比例，取值76%；β是電和化石燃料的碳排放量占總碳足跡的比例(除化石燃料外，原材料對總碳排放量的貢獻)，取值97%；QuotaKCl是鹽湖集團的氯化鉀單位產品綜合能耗(tce/t 肥)，取值0.04[41]；EKCl是KCl工序的電耗占比，取值70%(α、β和EKCl均參考自DSW公司“從搖籃到工廠門口”的KCl碳足跡清單[42])。

1.3.2 硫酸鉀的碳排放系數(shù)

我國目前硫酸鉀工藝的主流是曼海姆法(引進國際先進工藝)和羅鉀公司的硫酸鹽型鹽湖鹵水法(國內領先水平)，芒硝法由于能耗高、流程多，正在被逐步淘汰[43]，且目前所占產能比例已經(jīng)很小，故只計算了前兩種工藝的碳排放系數(shù)，見公式(19)：

XPS=MKKCl×XKCl+MKH2SO4×UPH2SO4+MK石灰石×UP石灰石+∑MKi×Qneti×EFj

(19)

式中，XPS是某種工藝的硫酸鉀碳排放系數(shù)(t CE/t K2SO4)；MKKCl是曼海姆法的KCl用量(t/t K2SO4)，MKH2SO4是曼海姆法的硫酸消耗量(t/t K2SO4)，MKi是每噸硫酸鉀其余的能源物料消耗量，以上取值均見表5。UPH2SO4為-0.014 t CE/t H2SO4(計算自磷肥部分)，UP石灰石=0.108 t CE/t石灰石(按含90%的純CaCO3計算)。

表5 不同工藝的每噸硫酸鉀物料消耗量

1.4 不同化肥的單位純養(yǎng)分量碳排放系數(shù)

單位純養(yǎng)分量的化肥碳排放系數(shù)按公式(20)計算：

Yfert=Xfert+η

(20)

式中，Yfert是不同化肥的單位純養(yǎng)分量碳排放系數(shù)(t CE/t純養(yǎng)分)；Xfert是對應化肥的單位實物量的碳排放系數(shù)(t CE/t產品，即XN、Xp、XKCl、Xps)；η是單位化肥實物量的純養(yǎng)分含量(%)。液氨、尿素、碳銨、硝銨、氯化銨的產品純養(yǎng)分(N)含量分別為82.35%、46.8%、17.7%、35.0%、26.2%；重鈣、磷酸二銨、磷酸一銨、普鈣和鈣鎂磷肥的產品純養(yǎng)分(P2O5)含量分別為46%、45%、46%、16%和15%；KCl 和K2SO4純養(yǎng)分(K2O)含量分別為60%和50%。

2 結果與分析

2.1 我國的化肥碳排放系數(shù)

我國硝酸(100%HNO3)的制造碳排放量(XHNO3)是1.445 t CE/tHNO3，其中生產過程中N2O泄漏的貢獻超過60%。

通過1.1和1.4的計算，氮肥的純養(yǎng)分碳排放系數(shù)分別為(表6)：硝酸銨4.202 t CE/t N(最高)，氯化銨2.220 t CE/t N，尿素 2.041 t CE/t N，碳銨 1.928 t CE/t N，合成氨1.672 t CE/t N(最低)。我國氮肥綜合碳排放系數(shù)為2.116 t CE/t N。

通過1.2和1.4的計算，磷肥的純養(yǎng)分碳排放系數(shù)差異很大(表7)：最高的是鈣鎂磷肥2.105 t CE/t P2O5，其次是磷酸二銨1.109 t CE/t P2O5，磷酸一銨0.740 t CE/t P2O5，重鈣0.467 t CE/t P2O5，最低的是普鈣0.195 t CE/t P2O5。我國磷肥的綜合碳排放系數(shù)為0.636 t CE/t P2O5。

按環(huán)節(jié)來看(表7)：對于上游原料包含了合成氨的磷酸二銨和磷酸一銨來說，整個制造流程中最大的碳排放環(huán)節(jié)是原料制造，分別占總排放量的54.8%和38.1%，其次才是磷肥工序本身；對于上游原料只有磷礦石和硫酸的重鈣和鈣鎂磷肥來說，磷肥工序是最大的碳排放環(huán)節(jié)，分別占總排放量的81.1%和78.8%；單位產品和單位純養(yǎng)分，普鈣都是碳排放量最低的磷肥，由于其上游原料沒有大的排放源，因此礦石采選和磷肥工序是最大的排放來源，硫酸的負能耗特性也抵消了很大一部分的碳排放量。原材料的運輸環(huán)節(jié)和礦石自帶CO2一般分別貢獻不到10%，對碳排放系數(shù)最小的普鈣影響較大。

通過1.3和1.4的計算，鉀肥的純養(yǎng)分碳排放系數(shù)分別為(表8)：氯化鉀0.168 t CE/t K2O，硫酸鉀綜合0.409 t CE/t K2O，其中羅鉀法硫酸鉀0.443 t CE/t K2O、曼海姆法硫酸鉀0.375 t CE/t K2O。我國鉀肥的綜合碳排放系數(shù)為0.180 t CE/t K2O。

須注意的是，以上鉀肥的系數(shù)代表的是我國的鉀肥行業(yè)的先進水平(而氮肥磷肥系數(shù)是平均或一般水平)。

表6 氮肥碳排放系數(shù)

2.2 中外系數(shù)的差距

將本文的中國N、P、K肥系數(shù)與國外系數(shù)相比(表6—表8)，大多為后者的兩倍左右，也高于中國學者早期計算的中國氮肥系數(shù),我國合成氨、尿素、硝酸銨的碳排放系數(shù)為歐美平均水平(20世紀90年代)的2.3、1.9、2.2倍，氮肥綜合系數(shù)是國外的1.6倍(也是周文戟[3]計算值1.31t CE/t N的1.6倍，是逯非等[4]計算值1.74 t CE/t N的1.2倍)；重鈣、磷酸二銨、磷酸一銨的碳排放系數(shù)分別為歐洲平均水平的1.6、2.2、2.0倍，更不用提和歐洲現(xiàn)代水平(都是負值)相比了，但普鈣是個例外(低于國外系數(shù))，磷肥綜合系數(shù)是國外的3.2倍；氯化鉀的碳排放系數(shù)為以色列DSW公司的2.3倍，鉀肥綜合系數(shù)是國外均值的1.2倍，略低于其上限(NPK的國外綜合系數(shù)和具體化肥的國外系數(shù)并不來出自同一篇文獻)。

表7 磷肥碳排放系數(shù)

表8 鉀肥碳排放系數(shù)

國內外碳排放系數(shù)的差距可能來自于：(1)EF不同——本文采用了符合中國情況并考慮了循環(huán)迭代的全生命周期的燃料碳排放系數(shù)(EFi)，因此要普遍高于只考慮了直接燃燒過程的基于IPCC缺省值的碳排放系數(shù)[3-4]。(2)考慮環(huán)節(jié)不同——例如Sam Wood[45]文中并沒有提及礦石采選和磷礦石自帶CO2這兩個環(huán)節(jié)，所以可能歐洲參數(shù)沒有在計算中考慮這兩點；而逯非沒有計入蒸汽消耗以及碳銨上游的合成氨碳排放量[4]。(3)資源分布不同，我國多煤、少油、貧氣、多磷(但貧礦多)、缺鉀、缺硫，從而導致了能源結構、原料和技術路線的差異——我國燃料以煤為主，天然氣很少作為化工燃料[34]；我國大部分合成氨以煤為原料而非天然氣[47]；世界上制鉀原料98%是鉀石鹽和光鹵石，但我國缺少此種固體鉀礦石，因此大規(guī)模的鉀肥生產只能以鹽湖鹵水作為原料[37]。(4)技術管理水平、生產效率不同——例如硝酸生產是否采用了N2O吸收技術；我國有些氣頭合成氨的裝置還是70年代從歐美引進的[3]；鹽湖集團最先進的反浮選-冷結晶工藝是以色列1979年發(fā)明的[40]。(5)考慮的化肥品種不同——例如歐美不常用碳銨、氯銨和鈣鎂磷肥，我國不常用硝酸銨鈣、硝酸磷肥和液體肥料(比如液氨、尿素硝銨)[45, 47]。

本文的中國氮肥綜合系數(shù)雖然比早期的研究結果高，但卻和一份應屬同期的研究結果非常接近：若只考慮相同的環(huán)節(jié)(即氮肥產品出廠前的部分)，則張衛(wèi)峰[48]估算的氮肥制造碳排放系數(shù)=合成氨的制造+化肥廠內的工序+化石燃料的上游≤5.1+0.9+2.2=8.2 t CO2/t N= 2.236 t CE/t N，和本文的2.116 t CE/t N非常接近*“≤”是因為在張衛(wèi)峰的文中，2.2即“化石燃料的上游”里還包含了化肥產品在出廠分銷時使用的化石燃料的上游碳排放量，而本文不包含任何和化肥出廠后的分銷相關的部分。本文和張衛(wèi)峰結果相近的原因主要有二：(1)本文的氮肥物料消耗量(表2)來自于曹侖2007年的碩士論文[11]，其實和張衛(wèi)峰數(shù)據(jù)源是相同的，都是氮肥工業(yè)協(xié)會2005年所做的230個樣本的調查。(2)本文的EF全部取自歐訓民[10]2009年通過與政府部門合作獲取大量本國數(shù)據(jù)、并考慮了迭代追溯后計算而來的中國化石燃料全生命周期碳排放因子，張衛(wèi)峰化石燃料EF則是通過IPCC缺省的直接燃燒碳排放量和袁寶榮[49]計算的化石燃料上游碳排放量兩者加和而來(例如無煙煤30.1 gCE/MJ、天然氣15.8 gCE/MJ)，張衛(wèi)峰電力EF(85.04 gCE/MJ)取自馬忠海2002年基于90年代中期數(shù)據(jù)的計算結果，因此與本文的EF有些出入且各有高低，所以互相抵消了一些差異。

3 結論和討論

我國的平均或一般水平的N、P肥綜合碳排放系數(shù)分別為2.116 t CE/t N和0.636 tCE/t P2O5，分別是國外平均水平(1.3、0.2)的1.6倍和3.2倍；我國先進水平的K肥綜合碳排放系數(shù)為0.180 tCE/t K2O，仍是國外平均水平(0.15)的1.2倍。因此，利用國外系數(shù)會嚴重低估化肥施用對我國農業(yè)溫室氣體排放量的影響。

能源結構取決于我國自然資源的分布，在新能源技術發(fā)展到一定程度之前，恐怕難以改變，所以要減小我國因化肥使用帶來的碳排放量，要么制定有效政策改變農民的施肥習慣，要么降低化肥制造鏈各環(huán)節(jié)的能耗，或者干脆進口國外的低能耗產品(如果運輸環(huán)節(jié)在總碳排放量中占的比重較小的話)。

但相比通常比較困難、緩慢或難以預料的經(jīng)濟、政治和技術上的改進，目前最能有效降低化肥施用造成的溫室氣體碳排放的方法應該仍是指導農民合理施肥，例如使用碳排放系數(shù)更低的化肥種類，或改善施肥時機[6]。

另外，本文研究方法中的第二種途徑(tce → t CE)是在缺乏如氮肥那樣的行業(yè)調查數(shù)據(jù)的情況下、不得已而為之的、探索性質的粗略方法，本研究所提示的“更好的估算方法”，仍然是第一種途徑(t、m3、kWh → t CE)：由政府能源部門或各類行業(yè)協(xié)會定期去做大規(guī)模的企業(yè)調查，以獲得各種產品的物料消耗指標，從而直接、準確地估算各產品的碳排放系數(shù)。但在計算碳排放系數(shù)時，最好由科研工作者挑選排放因子并從旁監(jiān)督。無論是通過論文或公報的形式，調查和計算結果都應向社會公布。

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Estimation of greenhouse gases emission factors for China′s nitrogen, phosphate,and potash fertilizers

CHEN Shun1,2, LU Fei1, WANG Xiaoke1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

As fossil fuel based chemical products, synthetic fertilizers are highly energy-intensive and therefore highly carbon-intensive products as well. Fertilizers are one of the most important modern agricultural materials for enhancing crop yields. The manufacture of fertilizers is also a considerable indirect greenhouse gases (GHGs) emission source related to agricultural activities. To feed its huge population, China has raised its average fertilizer application level from 86.7 kg/hm2in 1980 to 346.1 kg/hm2in 2010 (total N, P2O5and K2O). China has been the largest fertilizer producer and consumer worldwide for ten years, and its fertilizer consumption has exceeded 4.76 ×107t, almost one third of the world′s total, since 2005. Thus, it is essential to evaluate the GHGs emission related to the production and consumption of synthetic fertilizers in China. However, most current Life-Cycle Analysis (LCA) studies on China′s agricultural GHGs emission use foreign fertilizer emission factors (GHGs per unit of fertilizer product) because the actual domestic factors were not available, which might result in significant miscalculations and uncertainties. To solve this problem, we collected data specific to China′s fertilizer manufacture and consumption, and then estimated GHGs emission factors for several types of nitrogen, phosphate, potash and compound fertilizer currently in use in China. These fertilizers were: ammonia, urea, ammonium bicarbonate(AB), ammonium nitrate(AN), ammonia chloride(AC), general nitrogen fertilizer (General-N), triple superphosphate (TSP), monoammonium phosphate (DAP), monoammonium phosphate (MAP), superphosphate (SSP), fused calcium magnesium phosphate (FCMP), general phosphate fertilizer (General-P), potassium chloride (PC), general potassium sulphate (PS), Lop-Lake-method potassium sulphate (PS-LopLake), (PS-Mannheim) and general potash fertilizer (General-K). Our emission factors accounted for CO2, CH4and N2O released not only during manufacturing, but also from feedstock production and transportation outside factories (i.e. “from cradle to factory gate”). Due to the availability of different data, emission factors for N/P/K fertilizers were calculated using different methods, and thus represent different technological scenarios (N fertilizers: China′s current average technical level. P fertilizers: China′s current ordinary technological level, slightly behind the “average level”, representing the nation′s target for energy-saving. K fertilizers: China′s current advanced technological level, representing the best potash factories with highest energy efficiency in China). China′s average-level nitrogen fertilizer manufacturing GHGs emission factors were: ammonia 1.672 t CE/t N, urea 2.041 t CE/t N, AB 1.928 t CE/t N, AN 4.202 t CE/t N, AC 2.220 t CE/t N and General-N 2.116 t CE/t N. China′s ordinary-level phosphate fertilizer manufacturing GHGs emission factors were: TSP 0.467 t CE/t P2O5, DAP 1.109 t CE/t P2O5, MAP 0.740 t CE/t P2O5, SSP 0.195 t CE/t P2O5, FCMP 2.105 t CE/t P2O5and General-P 0.636 t CE/t P2O5. China′s advanced-level potash fertilizer manufacturing GHGs emission factors were: PC 0.168 t CE/t K2O, PS 0.409 t CE/t K2O, PS-LopLake 0.443 t CE/t K2O, PS-Mannheim 0.375 t CE/t K2O and General-K 0.180 t CE/t K2O. As a result of the more complete LCA chain investigated in this study, different natural resource availability and distribution traits, energy structure, and technological levels, most fertilizers′ GHGs emission factors in China were about 2-fold of those in western countries. Thus, the models using western factors to calculate China′s agricultural GHGs emissions will significantly underestimate the impact of fertilizer application.

nitrogen; phosphate; potash; fertilizer production; greenhouse gas emission factor

國家自然科學基金青年基金項目(71003092); 科技部973專題項目(2010CB833504-2); 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項子課題(XDA05050602, XDA05060102)

2014-02-21; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201402210304

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

陳舜, 逯非, 王效科.中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算.生態(tài)學報,2015,35(19):6371-6383.

Chen S, Lu F, Wang X K.Estimation of greenhouse gases emission factors for China′s nitrogen, phosphate, and potash fertilizers.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6371-6383.