碳達峰、碳中和背景下磷化工產業(yè)綠色低碳節(jié)能減排的研究與探討

孫志立， 黃 平， 牛仁杰， 李江滔

(1.攀枝花學院 四川攀枝花 617064； 2.中國無機鹽工業(yè)協(xié)會 北京 100013；3.云南天安化工有限公司 云南安寧 650309)

2015年，為了應對全球氣候變化，實現碳中和的目標，全球196個國家和地區(qū)簽訂了《巴黎協(xié)定》。

2021年4月22日，在《巴黎協(xié)定》簽署5周年之際召開的氣候峰會上，中國首次提出“人與自然生命共同體”的構建。

從《政府工作報告》到各企業(yè)的“十四五”規(guī)劃中，“碳達峰”“碳中和”是當前出現最多的熱門詞匯。目前中國是世界上磷肥、磷酸鹽產品的生產、消費和出口大國，磷化工產能和產量與日俱增[1-2]，要在2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和目標，磷化工的“綠色低碳、節(jié)能減排”任重而道遠。

1 碳達峰、碳中和、碳交易

1.1 碳達峰是實現碳中和的前提條件

廣義來說，碳達峰是指某一個時間點，CO2的排放量達到的最高峰值。根據世界資源研究所的介紹，碳達峰是一個過程，即碳排放首先進入平臺期并可以在一定范圍內波動，之后進入平穩(wěn)下降階段[3]。

碳達峰是實現碳中和的前提條件，盡早實現碳達峰可促進碳中和的早日實現。我國承諾在2030年前CO2的排放達到峰值后不再增長，減排逐步深入。

1.2 碳中和與CO2“零排放”

“碳中和”的首次出現實際可追溯至2006年，《新牛津美國字典》當年將“碳中和”評為年度詞匯。

簡單解釋，碳中和是指企業(yè)、團體或個人在一定時間內直接或間接產生的CO2或溫室氣體排放總量，通過一定的技術，消納自身產生的CO2或溫室氣體排放量，實現正負抵消，達到相對的“零排放”，如磷化工的熱法黃磷尾氣用來生產碳一化工產品，磷渣、磷石膏用來制作建材等。

1.3 碳匯、碳源及碳交易

碳匯(Carbon Sink)一般是指從空氣中清除CO2的過程、活動、機制。主要是指森林吸收并儲存CO2的多少，或者是森林吸收并儲存CO2的能力。

研究數據表明：我國的碳匯能力逐步提升，通過大力培育和保護人工林，2010—2016年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)年均吸收約11.1億t碳，吸收了同時期人為碳排放的45%?？梢?，林業(yè)碳匯在碳中和遠景中扮演著重要角色，碳匯項目將助力我國在2060年實現碳中和目標。

碳源(Carbon Source)是指CO2產生之源，其與碳匯是兩個相對的概念，是碳的起始過程。即碳源是指來自地球村和自然界中向大氣層釋放碳的源頭，碳匯是指自然界中碳的寄存體。減少碳源一般通過減排CO2實現，增加碳匯則主要采用固碳技術和方法。

碳交易即把CO2排放權作為一種商品，買方通過向賣方支付一定金額后獲得一定數量的CO2排放權，從而形成了CO2排放權的交易。

碳交易并非是煤炭和碳素的買賣，而是通過市場機制解決以CO2為代表的溫室氣體減排問題的路徑。

2 碳達峰、碳中和背景下磷化工的現狀

2.1 磷化工主要生產工藝

濕法和熱法是磷化工的2種主要生產工藝，也是我國磷酸鹽生產存在的重要基礎條件。

濕法又稱酸法，濕法工藝是基于對肥料級磷酸的萃取建立起來的，此反應過程中不需要提供熱量，但對原料質量及組分要求比熱法工藝高。濕法磷酸生產的系列磷復肥為農作物的增產提供了條件，對國家糧食安全起到了至關重要的作用。

熱法又稱火法或電法制磷，生產企業(yè)主要集中于水電和磷礦資源相對集中的云、貴、川、鄂等四省[4-6]。

近年來，中國熱法制磷產業(yè)的創(chuàng)新、崛起為世界黃磷產業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻，多電極黃磷電爐的創(chuàng)新技術是世界熱法黃磷工業(yè)發(fā)展史上一次重大的技術革命，促進了國內乃至全世界電爐法黃磷生產技術的向前發(fā)展[1,4]。目前東南亞一帶新建的黃磷廠都是采用我國的多電極黃磷電爐技術，設計建成、投產的裝置產能近200 kt/a。如越南共有7家黃磷廠共13臺黃磷電爐，產能約140 kt/a，產量約80 kt/a；馬來西亞磷化工(沙拉越)有限公司已建成50 kt/a的黃磷裝置，采用的都是中國獨創(chuàng)的多電極制磷電爐技術[5]。

2.2 濕法生產工藝的瓶頸及現狀

迄今為止，受凈化處理難度大、工藝流程復雜和投資大、成本高、經濟可行性差等條件的制約，濕法生產工藝的磷石膏處理利用仍然是業(yè)內的老大難問題。目前磷石膏主要用作生產水泥緩凝劑、紙面石膏板等建材，屬低值產品，幾乎無法用于生產高附加值產品，磷石膏資源化綜合利用的現狀呈現投入產出比例嚴重失調。

目前缺乏對磷石膏利用技術進行深入的研究和分析，尤其在磷石膏雜質的形成機理及內部結構的影響因素、有害物質對后延產品質量的影響及除雜對策等方面，仍沒有全面系統(tǒng)的理論研究成果；在很多技術方面的分析研究還只能借助于對天然石膏的經驗和理論研究數據；在主要的生產工藝技術裝備方面，仍缺乏系統(tǒng)的基礎理論與實際生產相結合的實例工廠的指導[2,7-8]。

不論是磷化工發(fā)展宏觀戰(zhàn)略的要求，還是基于環(huán)境保護的需要，對產排量巨大的磷石膏進行綜合處理與資源化利用，都是國內磷化工企業(yè)當前亟待解決的迫切任務。以每噸濕法磷酸(以P2O5計)排出4.5～5.0 t磷石膏計，2019年副產的磷石膏約為75 Mt(中國磷復肥工業(yè)協(xié)會)，按運往渣場15元/t計，年運費高達11.25億元以上；若堆高10 m(占地1 660 hm2)、堆放10年(每噸堆置費3元/a)，耗資22.5億元以上[2,6-7]。

2.3 熱法生產工藝的瓶頸及現狀

從20世紀40年代初開始，中國黃磷工業(yè)經過81年的努力，從無到有、從小到大，不斷引進先進技術和裝備，促進了我國黃磷工業(yè)的快速發(fā)展。然而，由于國內黃磷生產的準入門檻較低，業(yè)主的經濟實力、管理水平等都還存在一些問題，大部分企業(yè)設備陳舊，因資金缺乏而無力改造，導致生產成本增加；有的企業(yè)倉促上馬，規(guī)劃設計欠周到，設備選型不配套、不合理，產量和消耗無法達產達標[2,5]。

一段時間以來，產能、生產的擴大不是依靠技術進步，而是靠老設備、老工藝的簡單重復，這種低水平發(fā)展不僅浪費了大量的人力、物力和財力，而且破壞生態(tài)資源，使黃磷企業(yè)整體處于低水平、低效益狀況，缺乏國際競爭力及可持續(xù)發(fā)展能力。

2014年全國黃磷產能超過2 400 kt/a，年產量首次突破百萬噸大關，達到1 025 kt，產能、產量分別占世界的88.24%、89.91%。按黃磷產量分析計算，2014年應該是熱法制磷的碳達峰時期[1]。

2018年10月22日、2019年7月3日，中央電視臺先后曝光《中勝磷化：誰為違法企業(yè)開綠燈》《黃磷行業(yè)污染是誰在背后縱容？》。中央電視臺2次曝光熱法制磷后，黃磷行業(yè)的碳達峰峰值逐步下降；“三磷治理”和目前業(yè)內開展的一系列技改整治工作，使熱法制磷進入了一個艱難的碳中和過程，任重而道遠。

3 熱法制磷工藝節(jié)能減排措施與碳中和

3.1 黃磷產業(yè)近年CO2減排的業(yè)績

改革開放40年來，中國的熱法黃磷企業(yè)在向生態(tài)環(huán)境、清潔生產邁進的同時，采用凈化后的尾氣生產碳一化工產品(甲酸、甲酸鈉等)、發(fā)電或作為燃料提供熱源；黃磷生產過程中的污水通過封閉沉降后，水和污泥經板框壓濾、離心分離等工藝處理，含磷污水在系統(tǒng)內循環(huán)使用，實現了污水系統(tǒng)全封閉零排放；磷泥回收改變傳統(tǒng)落后的轉鍋、燒酸處理方式，通過全密閉生產工藝連續(xù)蒸磷處理，消除了生產過程中的碳排放和二次污染問題；磷渣外售給水泥企業(yè)或生產微粉，用于生產水泥熟料等建材和用作硅肥。這些措施使黃磷生產裝置的生態(tài)環(huán)境和節(jié)能減排得到了進一步改善，黃磷企業(yè)積極向清潔生產、綠色低碳轉型升級。其中湖北興發(fā)集團的黃磷生產企業(yè)、云南宣威磷電有限責任公司、云南彌勒磷電有限責任公司和貴州甕安成功磷業(yè)有限責任公司對黃磷尾氣滅火、出渣出鐵煙氣(汽)分別進行了較好的集中收集處理，達到了清潔生產、節(jié)能減排和低碳的目標[5]。

3.2 熱法制磷用礦立法與碳中和

有資料介紹：由于我國磷礦資源日益緊張，適合用于熱法黃磷生產的優(yōu)質磷礦供應趨緊，而大量的粉狀磷礦主要用于生產化肥，磷礦增值較低，從某種意義上講是對磷資源的浪費。還有資料介紹：濕法工藝可以充分利用粉礦磷資源，熱法對磷礦的質量要求較高。其實不然，這些都是對濕、熱法生產工藝技術用礦要求的一種誤解[4,8]。

熱法工藝對磷礦的適應性很強，高低品位的范圍很寬，P2O5在20%(質量分數，下同)左右的中低品位磷礦都可以生產黃磷。對于熱法制磷，單純追求高品位磷礦并非唯一指標，還必須看入爐原料的化學組分是否符合熱法黃磷生產特殊工藝要求以及經濟技術指標的優(yōu)劣[4]。2種不同化學組分的磷礦見表1。

表1 2種不同化學組分的磷礦

表1中第一種磷礦品位相對較高(P2O5接近30%)，經計算配料后入爐品位僅22.85%，下降6.84%(入爐品位每降低1%，噸磷電耗增加300～350 kW·h)，因此適用于濕法工藝，不適用于熱法工藝；第二種磷礦品位為25.14%，經計算配料后入爐品位為24.94%，反而比第一種磷礦的入爐品位提高2.09%。說明濕熱法工藝是可以互補的，以物盡其用。

因此，建議對高品位的磷礦立法，不允許用來生產黃磷。熱法制磷只能利用中低品位及其他行業(yè)用不了的礦(如垃圾礦)，但國家應在產業(yè)政策、生產用電等方面給予企業(yè)實實在在的鼓勵和優(yōu)惠，這樣就可以充分利用水能和礦藏資源，為碳中和做貢獻。

3.3 水力發(fā)電棄水立法與碳中和

2009年，中國政府在哥本哈根氣候大會上向國際社會承諾：到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%。2019年我國提前完成了2020年應達到的目標，CO2排放量已下降48%。然而要實現2030年前CO2排放達峰，未來要更加強化我國的各項政策措施和實際行動。

目前，我國的風電、水電和新能源發(fā)展迅速，但風電、水電的利用率有下降趨勢，棄風棄水問題仍然明顯。水電資源豐富的云、貴、川都存在不同程度的棄水問題，四川省的棄水問題更加突出。國家電網四川電力公司的數據顯示，2012—2017年，四川電網調峰棄水電量分別為76、26、97、102、141、140億kW·h。有業(yè)內人士表示，調峰棄水僅僅是裝機棄水中的一小部分，若按裝機容量統(tǒng)計棄水，2017年四川省棄水電量高達500億kW·h[9]。

國家發(fā)改委、能源局多次印發(fā)了關于解決棄水棄風棄光問題的實施方案,各省市每年度都出臺確保棄水棄風棄光電量和限電比例逐年下降的工作目標，然而這一問題并沒有從根本上得到解決。

生產1 t黃磷耗電14 000 kW·h左右，若每年棄水電量高達500億kW·h，相當于黃磷行業(yè)4年生產的用電量，少生產黃磷約3 570 kt，不利于2030年前的碳達峰。

綜上所述，建議政府立法，國家水力發(fā)電不能棄水。黃磷生產對國家電網來說是一個很好的“調峰儲能”載體，而且熱法黃磷生產可減輕產地磷礦外運(生產1 t黃磷消耗磷礦10 t左右)帶來的運輸壓力，生產工藝路線解決并彌補了濕法產品不能達到的內在質量要求及磷資源綜合利用等方面的很多難題[4,10]，對地方經濟的可持續(xù)發(fā)展起到了極積的助推作用。作為水電行業(yè)“調峰儲能”的重要載體，黃磷裝置開車季節(jié)性很強，開車主要集中在豐水期，與電力行業(yè)可以實現優(yōu)勢互補。水力發(fā)電棄水立法可以起到促進“碳中和”少花錢、多辦事、立竿見影的效果，可以將資源的優(yōu)化配置和CO2減排做到極致，徹底改變多年來云、貴、川等地區(qū)水力發(fā)電棄水的尷尬局面。

3.4 磷化工規(guī)范化、標準化與碳中和是永恒的主題

由中國熱法制磷自行設計技術到從國外引進生產技術，并將裝置安裝、操作、運行、管理好的實例工廠不多。黃磷生產管理與操作的確需要經驗，因為核心電爐的技術、生產控制還存在著相當多的“奧秘”，有時用基礎理論來對照分析可能還解釋不清楚[4,8]。如原始開車試生產中漂磚、爐底燒穿、死爐等事故經常發(fā)生，新建裝置的筑爐施工、烘爐方案仍然是“百家爭鳴、百花齊放”，木柴烘爐、電阻絲烘爐、電極烘爐同時并存。

國家標準《黃磷生產技術規(guī)范》(GB/T 33321—2016)明確了黃磷生產技術的術語和定義、基本生產要求、設計要求、生產過程控制、生產設備維護和保養(yǎng)、產品品質要求、生產工藝安全、污染物控制，規(guī)范了操作要點、工藝指標等技術參數。通過近年的生產實踐，證明了該規(guī)范的科學性、正確性和可行性，規(guī)范總體達到了國內外先進水平，為黃磷行業(yè)綠色低碳、循環(huán)發(fā)展的規(guī)范化、標準化生產評價體系提供了指導[11]。

然而，目前的生產工藝控制出現了一些誤區(qū)，應該引起高度重視和防范，如許多黃磷企業(yè)都反映尾氣鍋爐腐蝕堵塞加重、煙氣排放超標。與GB/T 33321—2016表3中的“磷爐氣除塵收磷工序工藝控制指標”對照，發(fā)現3座噴淋塔的溫度出現了很大的變化，如要求3#塔噴淋水溫度≤40 ℃，而現在普遍升高了10～25 ℃，這是導致事故出現的根源所在。因此，在當前加強“三磷治理”、環(huán)保技改中要強調和注意以下兩點[11]：

(1)充分認識前端防范的重要性，加強工藝指標和規(guī)范生產操作的基礎管理，杜絕重治輕防、基礎軟件缺失的“一味救火”現象，從源頭上減少污染物的產生，才能起到事半功倍的效果。

(2)在后端加大環(huán)保治理設施投入的同時，杜絕硬件投入的比拼，堅持因地制宜、科學合理、標本兼治的原則。

4 結語

(1)人類在推進工業(yè)化生產的過程中，創(chuàng)造了巨大的精神文明和物質財富，同時也付出了巨大的資源和環(huán)境代價。人們越來越感到自然資源并非取之不盡、用之不竭，自然生態(tài)環(huán)境的承載能力也不是無限的。由于熱法工藝對物料、能耗和生產工藝有特殊性要求，我國黃磷生產企業(yè)今后仍然只會集中在磷礦與電力資源(特別是水電資源)豐富的云、貴、川、鄂等省。熱法制磷生產1 t黃磷耗電14 000 kW·h左右，對于水電行業(yè)具有很好的“調峰儲能”功能，水力發(fā)電棄水立法可以起到“碳中和”少花錢、多辦事，徹底改變云、貴、川等省豐水期棄水不發(fā)電的尷尬局面[4,6,8]。

(2)生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的基本條件，也是國民經濟發(fā)展的物質基礎，保護和建設好生態(tài)環(huán)境，綠色低碳，不僅關系著當代經濟的騰飛，同時也關系到可持續(xù)發(fā)展和子孫后代的長遠利益。需通過廢棄物資源化利用、生態(tài)工業(yè)鏈網等的構建，減少生產過程中的原料消耗，嚴格控制CO2排放總量。磷化工企業(yè)均為高耗能企業(yè)，溫室氣體排放量相對較高，必然將納入全國碳市場，成為重點控排企業(yè)。在全國碳市場來臨之際，磷化工生產企業(yè)應該加強對碳資產、碳中和的管理，評估自身碳排放水平，采用信息化的手段對碳資產進行規(guī)劃和管理。對2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的目標，建立資源節(jié)約型、技術創(chuàng)新型、環(huán)境友好型的磷化工行業(yè)綠色工廠評價體系，具有重要的現實和社會意義[3,6]。