基于生命周期的原鎂生產(chǎn)過程碳足跡分析

董書恒，逯承鵬，唐呈瑞，孔云霄，薛 冰

(1.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 污染生態(tài)與環(huán)境工程重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2.遼寧省環(huán)境計算與可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3.中國科學院大學，北京100049)

0 引言

當前，溫室氣體排放增加和溫室效應增強引發(fā)的氣候與環(huán)境問題日益突出，溫室效應已成為全球氣候變化研究的重要內(nèi)容[1].當前，全球氣候變暖已對各國的自然生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)造成了嚴重而深遠的影響，并進一步影響了人類的生產(chǎn)生活[2].工業(yè)碳排放因在溫室氣體的排放中約占全球碳排放總量的21%而被認為是主要的碳排放行業(yè)[3]，工業(yè)作為中國國民經(jīng)濟和實體經(jīng)濟的主體，同樣也是中國能源消費和碳排放的主要來源[4].2010年中國成為全球二氧化碳排放第一大國[5]，如何減少溫室氣體排放，尤其是二氧化碳的排放，已成為我國可持續(xù)發(fā)展主要挑戰(zhàn)[6].能源消耗是碳排放的主要來源之一，因此迫切需要有效控制能源消耗強度和提高能源效率[7].2015年召開的巴黎氣候變化大會通過的《巴黎協(xié)定》對2020年后全球應對氣候變化行動做出了具體安排[8]，中國政府提出了在2030年左右二氧化碳排放達到峰值并爭取通過各種努力使達峰時間盡量提前的應對氣候變化自主行動目標[9].

中國是全球第一大原鎂生產(chǎn)國，也是世界第一大鎂產(chǎn)品出口國，屬于典型的出口導向型產(chǎn)業(yè)[10].中國鎂產(chǎn)業(yè)對外貿(mào)易迅速發(fā)展的同時能源消耗和碳排放問題也日益嚴重[11]，生態(tài)環(huán)境關聯(lián)問題較為嚴重[12，13].有學者認為中國鎂產(chǎn)業(yè)的快速興起與發(fā)展主要是基于資源、能源和勞動力優(yōu)勢并以犧牲資源和污染環(huán)境為代價[14].因此，在當前貿(mào)易保護主義、逆全球化思潮抬頭的背景下，開展金屬鎂冶煉過程中碳排放的科學計算及碳足跡研究，探究影響我國鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中碳足跡生態(tài)壓力的關鍵要素，找出能耗與物耗高并且污染重的關鍵環(huán)節(jié)[15]，并以此作為鎂行業(yè)節(jié)能減排技術改造和低碳發(fā)展的理論與實踐依據(jù)，進而提出促進我國鎂產(chǎn)業(yè)綠色生態(tài)化發(fā)展的對策建議，不僅可為溫室氣體排放、碳核查等領域的研究提供基礎數(shù)據(jù)，還可為我國節(jié)能減排等宏觀決策提供數(shù)據(jù)支撐，這對于我國積極地應對新形勢下金屬鎂國際貿(mào)易市場出現(xiàn)的新情況、新問題，以及實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一、推動中國鎂產(chǎn)業(yè)的綠色健康可持續(xù)發(fā)展、增加在國際碳排放方面的話語權具有重要意義，亦可以產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進鄉(xiāng)村振興重大戰(zhàn)略的實施[16].

1 中國鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

中國是全球菱鎂礦資源最為豐富的國家，已探明菱鎂礦儲量34億t，占全世界總儲量的27%，總保有儲量礦石38億t，居世界第1位.自20世紀90年代以來鎂產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展并迅速占領國際市場，原鎂的產(chǎn)量和出口量連續(xù)多年保持世界第一[17].我國菱鎂礦空間分布表現(xiàn)為大型礦床多且分布相對集中的特征，目前探明儲量的礦區(qū)達到27處，重點分布于遼寧、山東和西藏等9個省區(qū)，占全國總量的85%，其中，遼寧省菱鎂礦儲量最為豐富，達到31萬t，其次分別為山東、西藏和新疆等省區(qū).鎂產(chǎn)業(yè)涉及的冶煉、加工及設備等不同類型的企業(yè)在地理空間上廣泛分布.鎂產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國有色金屬行業(yè)中出口創(chuàng)匯的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，2017年中國原鎂產(chǎn)量為102.2萬t，占全球產(chǎn)量的85%[17].

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 碳足跡模型

生態(tài)足跡(Ecological Footprint)的概念由生態(tài)經(jīng)濟學家Rees提出[18]后經(jīng)Wackernagel完善[19]，它將人類對資源能源的利用情況進行量化用以衡量人類對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力，并反映人類生存與發(fā)展對自然生態(tài)環(huán)境的脅迫情況[20，21]，是衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一種重要方法[22].碳足跡(Carbon Footprint)源于生態(tài)足跡，最早由哥倫比亞大學的Wackernagel& Rees提出，目前學術界尚未形成統(tǒng)一定義，但多將其定義為生產(chǎn)活動產(chǎn)生的全部CO2物理排放量或排放當量[23].碳足跡作為一個新興衡量工具，可以為核算溫室氣體提供有效的工具，通過分析當前生產(chǎn)和生活活動對環(huán)境的影響，當前碳足跡方面多集中于研究方法及計算分析的整理與歸納[24].

2.1.1 原鎂生產(chǎn)過程中能源消耗碳排放壓力計算

碳排放壓力即單位森林面積所承擔的碳排放量，主要用來衡量生產(chǎn)活動的碳排放產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響[6].采用《IPCC 國家溫室氣體排放清單指南(2006年)》中各類能源的碳排放系數(shù)的相關核算因子與方法，本文按下述計算公式對原鎂生產(chǎn)過程中能源消耗碳排放壓力進行估算[25].原鎂生產(chǎn)過程中碳排放壓力的計算公式可以表示為：

C=∑iEi·Q

(1)

Cp=C/Lf

(2)

式中，C表示原鎂生產(chǎn)過程中能源消費產(chǎn)生的碳排放量，Ei表示第i類能源的消費量(單位：萬t標準煤)，Q則為碳排放系數(shù)(數(shù)據(jù)來源于2006 年的《IPCC 國家溫室氣體排放清單指南》)；Cp指碳排放壓力(t/hm2)，Lf指森林面積(萬hm2).

2.1.2 原鎂生產(chǎn)過程中能源消耗碳足跡及碳足跡生態(tài)壓力計算

一般認為能源碳足跡是與當前由能源消耗所排放的二氧化碳量相匹配的生產(chǎn)性土地實際存量，而從總體來看，森林和草地的蓄碳能力占總蓄碳能力的93%[26]，被認為是碳排放吸收能力最強的生產(chǎn)性土地.通常情況下，碳足跡生態(tài)壓力主要是用以描述自然生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀的概念，多以能源消費產(chǎn)生的二氧化碳對其造成的影響來衡量.在實踐中，碳足跡生態(tài)壓力則反映了生產(chǎn)活動中能源碳足跡與生產(chǎn)性土地面積的比值[27]，該值越大則表示壓力越大，反之則表示壓力越小.計算公式如下：

Cf=∑iCi/F

(3)

EPICF=Cf/S

(4)

S=Sf+Sg

(5)

式中，EPICF表示原鎂生產(chǎn)過程中的能源消耗產(chǎn)生的碳足跡生態(tài)壓力；Cf為原鎂生產(chǎn)過程中能源消耗的碳足跡，Ci表示第i類能源消費的碳排放量，F(xiàn)為林地面積轉換系數(shù)(F=6.49 t/hm2)；S為生產(chǎn)性土地的面積(hm2)，Sf和Sg分別指森林和草地的面積(hm2).

2.2 數(shù)據(jù)來源

為了便于比較，將原鎂生產(chǎn)過程中使用的各種能源折算為標準煤進行計量，折算系數(shù)見表1，其中，標準煤CO2排放系數(shù)2.493 kg CO2/kg[28].本文所用數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒(2011～2016)》、《中國能源統(tǒng)計年鑒(2011～2016)》、《中國有色金屬工業(yè)統(tǒng)計年鑒(2011～2016)》、《中國有色金屬工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計報告》以及《中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鎂業(yè)分會統(tǒng)計報告》等.采用王曉霞[6]、孫麗文[23]、高峰[27]和申明亮[28]等學者的相關研究成果中的模型參數(shù)計算原鎂生產(chǎn)過程中的碳排放壓力、碳足跡及碳足跡生態(tài)壓力.

表1 各能源標準煤折算系數(shù)

3 結果與分析

3.1 原鎂生產(chǎn)過程中經(jīng)濟技術指標

3.1.1 電解鎂冶煉技術經(jīng)濟指標

電解鎂冶煉的過程通常是將各種原料以不同的處理方法之后制備成無水或者少量水的氯化鎂，之后將氧化鎂置入電解槽，經(jīng)過電解之后獲得鎂金屬.通過實地調(diào)研可知，我國的鎂冶煉工業(yè)中電解鎂冶煉的生產(chǎn)工藝通常是直接采用鹵水與菱鎂礦或蛇紋石酸反應而得到氯化鎂水合物，之后在 HCl氣氛中進一步脫水和熔煉鎂，這種工藝過程也是我國電解鎂冶煉的主要過程[28].該工藝過程中的主要單耗指標和噸鎂綜合能耗見表2.經(jīng)核算可知，電解法煉鎂過程中的綜合能耗一般為9.371 0 t標煤.

表2 HCl氣氛中脫水電解煉鎂工藝過程的主要單耗指標和綜合能耗

3.1.2 皮江法煉鎂工藝主要技術經(jīng)濟指標

我國采用的皮江法煉鎂生產(chǎn)工藝過程中的主要能源消耗指數(shù)和綜合能耗見表3.經(jīng)計算，皮江法煉鎂生產(chǎn)工藝過程中的綜合能耗為9.467 7 t標煤.

表3 皮江法煉鎂的綜合能耗

3.2 原鎂生產(chǎn)過程中的碳排放壓力

3.2.1 碳排放量

在電解法冶煉鎂的過程中，其排放的二氧化碳主要是由電、煤氣、鍋爐用煤等能源消耗所產(chǎn)生的，因此電解法冶煉鎂過程中二氧化碳排放只有能源消耗產(chǎn)生二氧化碳排放，通過計算可知，每電解生產(chǎn)1 t鎂產(chǎn)生的二氧化碳排放量為：9.371 0×2.493=23.361 9 t.在皮江法鎂冶煉過程中，排放的二氧化碳既包括電、煤氣、鍋爐用煤等能源消耗所產(chǎn)生的，也包括白云石在煅燒過程中產(chǎn)生的，其中每噸鎂能耗產(chǎn)生的二氧化碳排放量為：9.467 7×2.493=23.603 0 t；由于在白云石中含有47.83 %的二氧化碳，白云石煅燒分解產(chǎn)生的每噸鎂二氧化碳排放量為：10.6×47.83%=5.070 0 t；綜上可得，采用皮江法生產(chǎn)工藝每生產(chǎn)1 t鎂的二氧化碳排放量為：23.603 0+5.070 0=28.673 0 t.

2010～2015年間，我國原鎂生產(chǎn)過程中的碳排放量總體上呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(表4)，表明在現(xiàn)有工藝技術條件下，其碳排放量隨著中國原鎂產(chǎn)量的增加而增大，碳排放量與中國原鎂產(chǎn)量成正比例關系.因此，在保持現(xiàn)有產(chǎn)量不變情況下要想實現(xiàn)減少碳排放量的目標，必須加快產(chǎn)業(yè)低碳化與生態(tài)化發(fā)展，加快推動中國原鎂生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排新技術、減少能源消耗的科技創(chuàng)新途徑.

表4 2010～2015年中國原鎂生產(chǎn)過程中能源消費碳排放量

3.2.2 碳排放壓力

根據(jù)公式(2)計算可得我國原鎂生產(chǎn)過程中的碳排放壓力，計算結果如表5和圖1所示.2010～2015年間，原鎂生產(chǎn)過程中的能源消費碳排放壓力總體上依然呈上升趨勢.這說明隨著我國原鎂產(chǎn)量的增加，由能源消費所產(chǎn)生的的碳排放對環(huán)境產(chǎn)生的壓力越來越大；2015年由于中國原鎂產(chǎn)量的減少，碳排放壓力較2014年有所降低.因此，在今后的生產(chǎn)活動中，應一方面保護好現(xiàn)有植被，增加森林和草原等植被覆蓋面積，在可促進經(jīng)濟增長的同時保護環(huán)境；另一方面需要平衡好低碳與經(jīng)濟增長之間的關系，在促進經(jīng)濟健康快速發(fā)展的同時，減少碳排放、改善生產(chǎn)環(huán)境[24].

表5 2010～2015年原鎂生產(chǎn)過程中碳排放壓力

圖1 2010～2015年中國原鎂生產(chǎn)過程碳排放壓力變化趨勢

3.3 原鎂生產(chǎn)過程中的碳足跡

根據(jù)公式(3)計算可得我國原鎂生產(chǎn)過程中能源消費碳足跡，計算結果如表6所示.可知，在電解法煉鎂過程中的鎂能源消費碳足跡為：23.361 9 t標煤/6.49 t/hm2=3.599 7 hm2，而在皮江法煉鎂工藝過程中的鎂能源消費碳足跡為：28.673 0 t標煤/6.49 t/hm2=4.418 0 hm2.

由表6可知，2010～2015年間，我國原鎂生產(chǎn)過程中的碳足跡總體上呈現(xiàn)出逐年增加趨勢，且這種增長趨勢逐漸加大，并在2014年達到385.375 7萬hm2的最大值；2015年碳足跡較2014年有所下降，這是由于全球經(jīng)濟雖然緩慢復蘇，但消費市場整體低迷趨勢未改，需求縮減，中國鎂出口量首次出現(xiàn)負增長所致.數(shù)據(jù)顯示[17]，2015年全球的原鎂產(chǎn)量約為100.2萬t，同比下降了2.14%，實際上其主要的減產(chǎn)來自中國，在中國原鎂三大產(chǎn)地中，陜西地區(qū)產(chǎn)量同比下降4.88%，山西地區(qū)產(chǎn)量同比下降19.38%.

表6 2010～2015年中國原鎂生產(chǎn)過程中能源消費碳足跡

3.4 原鎂生產(chǎn)過程中的碳足跡壓力

圖2 2010～2015年中國原鎂生產(chǎn)過程碳足跡生態(tài)壓力變化趨勢

根據(jù)公式(4)和(5)計算可得我國原鎂生產(chǎn)過程中能源消費碳足跡，計算結果如表7和圖2所示.可以看出，2010～2015年間，我國原鎂生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳足跡生態(tài)壓力總體上逐年增長，表明隨著我國原鎂產(chǎn)量的不斷增加，其能源消費碳足跡同步逐漸增加，然而，研究期內(nèi)，我國的生產(chǎn)性土地面積的增加速度要低于碳足跡的增長速度，從而使得生產(chǎn)性土地的壓力越來越大.因此，在當前特定資源稟賦及產(chǎn)業(yè)結構在短期內(nèi)難以完成重大調(diào)整的情況下，大力發(fā)展清潔能源，科學合理的調(diào)整與優(yōu)化能源消費結構，將有利于實現(xiàn)我國鎂產(chǎn)業(yè)的低碳化、生態(tài)化與可持續(xù)發(fā)展.

表7 原鎂生產(chǎn)過程中碳足跡生態(tài)壓力

4 結論與建議

4.1 主要結論

本文主要結論如下：1)從原鎂生產(chǎn)過程中的碳足跡來看，近年來由于國際市場對原鎂需求的增長，導致我國原鎂產(chǎn)量的迅速增加，進而使得我國原鎂產(chǎn)業(yè)對能源的消費量日益擴大.2010～2015年，中國原鎂生產(chǎn)過程中能源消費的碳足跡總體上兩個階段，即先上升然后下降.其中，2010～2014年，原鎂生產(chǎn)過程的能源消費碳足跡穩(wěn)步上升，并于2014年達到最大值；2015年較2014年有所降低，這是由于2015年全球鎂市場低迷、需求縮減，導致中國原鎂產(chǎn)量同比下降0.83%，因此中國能源消費碳足跡相應降低；2)從能源消費構成的比例來看，電力是原鎂生產(chǎn)過程中消費的最主要的能源，隨后依次是煤氣、焦炭、鍋爐用煤以及新水.因此，在全球氣候變化的背景下，著力提高原鎂生產(chǎn)過程中清潔能源的使用比例并通過科技創(chuàng)新大力研發(fā)與推廣節(jié)能減排與低碳發(fā)展的新技術與新工藝，將有助于實現(xiàn)我國原鎂生產(chǎn)的低碳化與生態(tài)化發(fā)展；3)從生態(tài)壓力的角度來看，由于中國原鎂產(chǎn)業(yè)的飛速增長，而生產(chǎn)性土地面積的增加往往需要更長的時間，使得生產(chǎn)性土地所承受的碳足跡壓力起來越大，由2010年的0.004 1升至2015年的0.008 0，增長1.95倍，年均增幅19.02%，表明中國原鎂產(chǎn)量快速增長的同時生態(tài)壓力也在同步增加.

4.2 對策建議

基于研究結果對今后中國的原鎂生產(chǎn)提出以下四條對策建議：1)加快科技創(chuàng)新，積極推動節(jié)能減排與低碳發(fā)展新技術，逐步減少能源消耗.提高鎂產(chǎn)業(yè)環(huán)境管理水平實現(xiàn)鎂產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展，都必須依靠技術進步、增強鎂產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新能力.通過科技創(chuàng)新改善鎂冶煉技術，降低冶煉成本、減少生產(chǎn)能耗，可以有效促進鎂產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、優(yōu)化布局、轉型升級和節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色低碳化發(fā)展；2)加快生態(tài)建設，增加林地與草地面積，以增加碳匯儲量.森林不僅承載著世界上大部分的生物多樣性，而且還儲存了大量的碳，更為數(shù)十億人提供了水、食物和原材料.因此，通過增加林地與草地面積，可增加碳匯儲量，減少碳排放對環(huán)境帶來的生態(tài)壓力；3)制定政策體系，完善碳排放交易市場，促進碳排放交易.碳排放交易已經(jīng)成為國際政治經(jīng)濟關系的重要組成部分，“碳關稅”、“碳排放”在一定程度上影響到國家外交和經(jīng)濟發(fā)展[29].因此應持續(xù)完善我國碳排放交易市場，加快形成鎂產(chǎn)業(yè)領域的碳排放交易；4)平衡環(huán)境與發(fā)展的關系，改善生產(chǎn)生活環(huán)境.貫徹新發(fā)展理念，加快推進生態(tài)文明建設，以產(chǎn)業(yè)生態(tài)化和生態(tài)產(chǎn)業(yè)化為手段，處理好鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的關系，改善鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展生產(chǎn)與生活環(huán)境.