碳中和背景下電池鎳行業(yè)發(fā)展趨勢及應(yīng)對措施

吳 琦,馬文軍

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

工業(yè)革命以來,人類行為排放了大量溫室氣體,據(jù)英國石油公司的數(shù)據(jù)顯示,2013年以來,全球碳排放量保持持續(xù)增長,2019年,全球碳排放量達(dá)343.6 億t,創(chuàng)歷史新高,2020年,全球碳排放量下降至322.8 億t[1]。 溫室氣體排放對全球氣候造成重大影響,全球氣候變化成為國際社會普遍關(guān)注的重大問題。

自1992年《聯(lián)合國氣體變化框架公約》簽署后,全球應(yīng)對氣候變化取得了實質(zhì)性的進展,1997年簽訂的《京都議定書》確定了碳減排約束指標(biāo),2015年簽署的《巴黎協(xié)定》確定了將全球氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平2 ℃之內(nèi)的目標(biāo)。 2020年9月,我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。 據(jù)統(tǒng)計,1990—2030年期間全球共有38 個經(jīng)濟體已實現(xiàn)碳達(dá)峰或承諾實現(xiàn)碳達(dá)峰[2],電動汽車作為應(yīng)對全球氣候變化的重要舉措,在全球取得了良好的發(fā)展,2020年全球在冊電動汽車超過1 000 萬輛[3],歐盟第一次取代中國成為全球最大的電動汽車市場。 未來隨著電動汽車市場的進一步發(fā)展,對電池鎳產(chǎn)品的需求將持續(xù)增加,但在碳中和約束下,未來電池鎳產(chǎn)品生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展也必將隨著碳中和政策的發(fā)展而演變。

1 電池材料未來面臨的政策環(huán)境

電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈的碳減排一直是各方關(guān)注的焦點,尤其是電池材料的碳排放水平及其碳減排趨勢已成為包括監(jiān)管機構(gòu)在內(nèi)的各方關(guān)注的重點。 歐盟作為世界第一大電動汽車市場,已在其2020年提出的《電池法案》(草案)中對電池價值鏈引入碳排放量、原材料供應(yīng)、可再利用原材料使用比率等具體環(huán)保規(guī)定,計劃建立新的電池監(jiān)管框架。 該草案旨在解決以下問題:①缺乏鼓勵投資與可持續(xù)電池生產(chǎn)能力的框架;②回收市場的持續(xù)運營和循環(huán)利用未形成閉環(huán);③歐盟環(huán)境法未能涵蓋社會和環(huán)境風(fēng)險。草案的第一個變化是提高了管控層級,將管控形式從原來的“指令”改為“法案”,第二是強化了碳中和要求。

根據(jù)草案,從2024年7月起,工業(yè)及電動汽車電池制造商和供應(yīng)商須提供碳足跡聲明,包括以下內(nèi)容:①電池生產(chǎn)者的信息;②聲明適用的電池信息;③電池生產(chǎn)設(shè)施的地理位置信息;④電池的總碳足跡;⑤電池在不同生命周期階段的碳足跡;⑥獨立的第三方驗證聲明;⑦可以訪問支持碳足跡申報結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)連接地址。

從歐盟出臺的這一政策來看,碳排放指標(biāo)將成為電池能否進入歐盟市場的重要影響因素;此外,從全球發(fā)展趨勢來看,電池材料碳排放未來將成為各國監(jiān)管的重點,推動電池材料實現(xiàn)全壽命周期內(nèi)的低碳排放甚至碳中和將成為未來各國政策監(jiān)管的主要方向。 這無疑將對今后電池材料的生產(chǎn)流程及生產(chǎn)工藝技術(shù)路線產(chǎn)生重要影響,電池用鎳原料的全生命周期將必須考慮碳排放強度是否符合下游市場需求。

2 紅土鎳礦生產(chǎn)電池鎳原料主要工藝及其碳排放

2.1 紅土鎳礦生產(chǎn)電池鎳原料主要工藝

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù),全球陸地上鎳資源量超過3 億t(金屬量),紅土鎳礦資源量約占全球鎳資源60%左右,隨著硫化鎳礦資源的消耗和紅土鎳礦冶煉技術(shù)的成熟,紅土鎳礦產(chǎn)鎳已成為全球鎳供應(yīng)的主要來源,在未來電動汽車原料供應(yīng)鏈中,紅土鎳礦仍然將是電池鎳原料供應(yīng)當(dāng)仁不讓的主導(dǎo)力量。

紅土鎳礦生產(chǎn)電池材料主要工藝路線有兩種:一種是火法生產(chǎn)工藝,一種是濕法生產(chǎn)工藝。 紅土鎳礦的火法工藝是在高溫條件下使紅土鎳礦經(jīng)受一系列的物理化學(xué)變化過程,實現(xiàn)鎳與其他雜質(zhì)分離的冶金工藝技術(shù);紅土鎳礦的濕法工藝?yán)媒鰟⒓t土鎳礦中的鎳鈷有價元素溶解在溶液中,實現(xiàn)鎳鈷與其他雜質(zhì)分離的冶煉工藝技術(shù)。

2.1.1 火法工藝

火法工藝中間產(chǎn)品生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)主要包括:原礦干燥、焙燒預(yù)還原、電爐熔煉、?；淞?、鎳鐵硫化和鎳锍吹煉等工序。

1)原礦干燥。 紅土礦在回轉(zhuǎn)窯中以焙燒煙氣和煤氣作為熱源對紅土鎳礦進行干燥,將紅土鎳礦從含水約30% ～40%干燥到含水20% ～22%左右。干燥后礦石供焙燒使用。

2)焙燒預(yù)還原。 干燥后的紅土礦通過焙燒窯進一步干燥并脫除其結(jié)晶水,在蘭炭作為還原劑的氛圍下,還原紅土鎳礦中部分鐵、鎳和鈷氧化物;生成的高溫焙砂從回轉(zhuǎn)窯連續(xù)排出進入焙砂中間料倉。

3)電爐熔煉。 將部分還原的焙砂采用高電壓熔煉模式進行熔煉,在電爐內(nèi)熔化后分成渣和金屬兩相,焙砂中殘留的碳將鎳和部分鐵還原成金屬,形成鎳鐵。 爐渣通過電爐的排渣孔排出,通過流槽流入渣水碎系統(tǒng)。 熔融金屬通過電爐的鎳鐵放出口定期放出進行水碎。

4)?；淞?。 熱態(tài)鎳鐵經(jīng)水碎后形成粒狀物料,并與各種物料進行配料后,經(jīng)過計量輸送到下個工序。

5)鎳鐵硫化。 配好的原料加入硫化轉(zhuǎn)爐熔池中,與液態(tài)硫磺和空氣在爐體內(nèi)發(fā)生硫化反應(yīng),大部分的鎳、鈷以及小部分鐵與硫磺發(fā)生硫化反應(yīng),生成金屬化中鎳锍;約70% ～80%的鐵與鼓入的空氣發(fā)生氧化反應(yīng),并與石英石造渣生成硫化轉(zhuǎn)爐渣。

6)鎳锍吹煉。 硫化產(chǎn)出的中鎳锍通過由鎳锍包加入到吹煉轉(zhuǎn)爐中,與配入的各種冷料、熔劑等在轉(zhuǎn)爐中進行反應(yīng),中鎳锍中超過90%的鐵與鼓入的空氣發(fā)生氧化反應(yīng),并與石英石造渣生成爐渣;大部分的鎳和鈷保留在锍相中生成高鎳锍。 高鎳锍水碎后得到高鎳锍粒化產(chǎn)品;爐渣由冶金橋式起重機傾倒至渣場,冷卻破碎后返回硫化或吹煉。

2.1.2 濕法工藝

濕法工藝中間產(chǎn)品生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)主要包括:礦漿制備、礦漿濃密、高壓酸浸、逆流洗滌、除鐵鋁、鎳鈷沉淀和尾渣中和等工序。

1)礦漿處理。 礦石經(jīng)篩分、洗礦工序?qū)崿F(xiàn)礦石不同粒度的分級,將巖石及粗粒級物料分離,細(xì)物料與水漿化形成礦漿。

2)高壓酸浸。 礦漿經(jīng)預(yù)熱后泵入高壓釜,并向高壓釜內(nèi)加入適量的濃硫酸、高壓蒸汽等進行酸性浸出。 浸出后,礦漿經(jīng)過閃蒸槽對高壓釜排料礦漿進行降溫降壓,最終從低壓閃蒸槽排出。

3)逆流洗滌。 包含富液和浸出渣的高壓酸浸礦漿溶液,通過逆流洗滌工序?qū)崿F(xiàn)固液分離并分離出浸出渣中的有價金屬。

4)除鐵鋁。 中和逆流洗滌溢流液中的游離酸,通過控制pH,可去除溶液中大部分的鐵、鋁雜質(zhì)。

5)鎳鈷沉淀。 采用氫氧化鈉與溶液中的鎳鈷反應(yīng),生成氫氧化鎳鈷混合物,沉淀后經(jīng)過濾及包裝生成鎳鈷中間產(chǎn)品。

6)尾渣中和。 逆流洗滌的濃密機底流、鐵鋁渣、高壓酸浸尾氣洗滌洗水、二段氫氧化鎳鈷沉淀濃密溢流液以及冶煉廠其他廢水等進入尾渣中和槽,經(jīng)堿性藥劑中和后,中和礦漿送尾渣庫或進行深海填埋。

由于兩種工藝技術(shù)處理紅土鎳礦在原料處理和生產(chǎn)過程等方面存在諸多差異,為了使兩者的碳排放對比具有更好的可比性,比較范圍界定為從紅土鎳礦生產(chǎn)出鎳中間產(chǎn)品并經(jīng)后續(xù)加工產(chǎn)出硫酸鎳產(chǎn)品。 據(jù)此將比較范圍劃分為兩個大的階段:一是紅土鎳礦采用火法或濕法工藝生產(chǎn)出鎳中間產(chǎn)品,二是鎳中間產(chǎn)品加工生產(chǎn)出硫酸鎳產(chǎn)品。

兩種工藝鎳中間產(chǎn)品生產(chǎn)的簡化流程圖分別見圖1和圖2[4]。 兩種工藝主要特點對比見表1。

圖1 火法工藝流程簡圖

圖2 濕法工藝流程簡圖

表1 紅土鎳礦工藝對比表

對應(yīng)兩種不同工藝的中間產(chǎn)品,后續(xù)硫酸鎳生產(chǎn)工藝以濕法工藝為主,主要工藝流程包括中間產(chǎn)品處理后,采用濕法浸出工藝,使中間產(chǎn)品中鎳元素形成硫酸鎳溶液,溶液經(jīng)凈化萃取,實現(xiàn)硫酸鎳產(chǎn)品與其他元素的分離,形成高純硫酸鎳溶液,蒸發(fā)結(jié)晶后,生產(chǎn)出硫酸鎳產(chǎn)品。 硫酸鎳生產(chǎn)過程的主要排碳介質(zhì)涉及電、蒸汽等能源和中和用石灰石。

2.2 兩種工藝生產(chǎn)電池鎳碳排放強度分析

從未來電池用鎳原料發(fā)展趨勢來看,印度尼西亞作為全球少數(shù)具有鎳和煤炭資源優(yōu)勢的國家,將成為全球電池用鎳原料的重要基地,因此本文以印度尼西亞電池鎳產(chǎn)業(yè)為對象,即以紅土鎳礦為原料,計算火法工藝和濕法工藝兩種不同工藝生產(chǎn)電池鎳產(chǎn)品的碳排放強度(噸鎳產(chǎn)品產(chǎn)生的二氧化碳量)。

2.2.1 碳排放強度計算基本原則

為了使不同工藝生產(chǎn)電池鎳原料的碳排放強度具有可比性,碳排放強度計算過程按以下原則進行。

1)計算范圍包括從接收紅土鎳礦到生產(chǎn)出硫酸鎳產(chǎn)品為止。

2)生產(chǎn)所需電力按企業(yè)自建燃煤電廠考慮。

3)其他排碳介質(zhì)如煤、蘭炭、石灰石等按外購考慮。

3)計算只考慮二氧化碳排放,暫不考慮除二氧化碳外的其他溫室氣體。

4)計算界線為廠區(qū)內(nèi),不包括外部運輸產(chǎn)生的二氧化碳。

2.2.2 碳排放計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

兩種工藝進行碳排放計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳見表2[3]。

表2 兩種工藝排碳介質(zhì)情況對比

2.3 碳排放強度分析

根據(jù)上述對兩種電池材料生產(chǎn)工藝碳排放強度的計算范圍和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計算兩種不同工藝的碳排放強度,結(jié)果見表3[5]。

表3 兩種工藝噸鎳碳(CO2)排放量對比tCO2

火法工藝生產(chǎn)電池鎳產(chǎn)品噸鎳碳排放量為74.6 t CO2,而濕法工藝噸鎳碳排放量僅為20.5 t CO2,為前者的27.4%。 從生產(chǎn)環(huán)節(jié)來看,中間產(chǎn)品火法工藝噸鎳碳排放量達(dá)到69.9 t CO2,占其總量的93.7%,濕法工藝則為14.8,占其總量的72.3%。

總體來看,濕法工藝生產(chǎn)電池鎳產(chǎn)品,具有較低的能耗水平,碳排放強度也大大低于火法工藝,是具有競爭力的低碳電池鎳生產(chǎn)工藝技術(shù);而火法工藝受限于能耗水平和碳中和壓力,仍需進一步完善。

3 電池鎳生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展趨勢及應(yīng)對措施

電池鎳作為新能源汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料,電池材料生產(chǎn)過程的低碳綠色化將受到更多關(guān)注,無論是重要電池鎳供應(yīng)地區(qū)還是電池生產(chǎn)企業(yè)都將面臨更大的碳減排壓力,降低產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的碳排放強度,推動碳中和將是行業(yè)未來發(fā)展必須面對的挑戰(zhàn)。 電池材料行業(yè)對于碳中和帶來的挑戰(zhàn),需要采取措施積極應(yīng)對。

1)推動節(jié)能低碳技術(shù)的推廣應(yīng)用。 單純從技術(shù)來看,紅土鎳礦的火法處理工藝和濕法處理工藝都是生產(chǎn)電池鎳產(chǎn)品的成熟工藝技術(shù),影響電池鎳產(chǎn)業(yè)工藝技術(shù)發(fā)展的因素除能源外,實現(xiàn)生產(chǎn)過程和全產(chǎn)業(yè)鏈的低碳或無碳排放將是未來較長時期內(nèi)技術(shù)進步的目標(biāo)與重點。 推廣節(jié)能低碳技術(shù),降低工藝過程能源消耗,降低工藝過程碳排放將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)對碳中和的重要手段。

2)優(yōu)化電池原料供應(yīng)結(jié)構(gòu)降低產(chǎn)品碳排放?；鸱üに囂寂欧艔姸燃s為濕法工藝碳排放強度的3倍,要保證企業(yè)電池鎳原料碳排放達(dá)到行業(yè)平均水平,就必須優(yōu)化企業(yè)電池鎳供應(yīng)結(jié)構(gòu),可通過提高濕法工藝電池鎳原料占比,來降低整體電池原料碳排放強度。

3)優(yōu)化企業(yè)能源結(jié)構(gòu)降低碳排放。 無論是火法工藝還是濕法工藝,能源消耗是企業(yè)生產(chǎn)必不可少的基礎(chǔ)。 在碳中和約束下,電池鎳生產(chǎn)企業(yè)依托生產(chǎn)工藝拓展產(chǎn)業(yè)鏈,優(yōu)化印尼以煤炭為主導(dǎo)的能源消費結(jié)構(gòu),推動光伏發(fā)電、水電和氫能等清潔能源大規(guī)模使用,建立更為低碳的能源消費結(jié)構(gòu),也是產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展需要考慮的重要方向。

4)加強低碳和無碳技術(shù)研發(fā)。 優(yōu)化現(xiàn)有工藝技術(shù),實現(xiàn)碳排放介質(zhì)的降低或替代,研究開發(fā)顛覆性的低碳和無碳電池鎳生產(chǎn)工藝技術(shù),實現(xiàn)電池鎳產(chǎn)品全生命周期的低碳化將是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

5)充分運用市場手段解決碳中和。 除采取技術(shù)措施外,企業(yè)也要跟蹤碳交易市場,選擇合適市場時機購買碳減排額以抵消自身排放量,資助相關(guān)的碳減排或植樹項目,實現(xiàn)企業(yè)電池鎳生產(chǎn)的低碳化和碳中和,將是行業(yè)龍頭企業(yè)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。

4 結(jié)語

隨著全球應(yīng)對氣候變化進程的推進,動力電池材料產(chǎn)業(yè)作為新能源汽車發(fā)展的重要支撐產(chǎn)業(yè),面向低碳化和碳中和將成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。 生產(chǎn)企業(yè)需要進一步推動生產(chǎn)過程節(jié)能降耗和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,推動電池鎳生產(chǎn)過程的低碳化和無碳化,為推動全球?qū)崿F(xiàn)碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。