“雙碳”戰略下熱處理行業綠色發展的思考

王磊明, 韓永珍, 孫海鵬, 高 直

(1. 中機寰宇認證檢驗股份有限公司, 北京 102609;2. 中國機械總院集團北京機電研究所有限公司, 北京 100083)

人類活動導致全球氣候變化已成為科學界的共識。世界氣象組織最新發布的《全球年度至十年氣候更新》指出,2022年全球平均氣溫比1850～1900年的平均氣溫高出約1.15 ℃,預計2023～2027年間至少有一年全球氣溫會比工業化前水平升高1.5 ℃的可能性為66%,至少有一年將成為有記錄以來最熱年份的概率高達98%[1]。國際社會攜手應對,先后形成了《聯合國氣候變化框架公約》(1992年)、《京都議定書》(1997年)、《巴黎協定》(2015年)三大國際性法律文件?！栋屠鑵f定》作為全球氣候治理進程的重要里程碑,提出將21世紀全球平均氣溫較工業化前升幅控制在2 ℃以內,并努力限制在1.5 ℃以內的目標。

基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現高質量發展的內在要求,中國2020年宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”目標。中國制定出臺了“1+N”政策體系,積極推動產業結構調整、能源結構優化、重點行業能效提升,形成了各行業共同努力、全社會共同推進的良好格局。但相比歐美等發達國家,我國實現雙碳目標的時間更緊、任務更重、困難更多,需要付出更大的決心、更多的努力。

熱處理是機械行業基礎制造工藝之一,影響著零部件的可靠性、壽命和強度,是提升我國機械行業整體水平的關鍵性行業之一。同時,熱處理是機械制造領域的重點用能工序,用電量約占機械制造業的25%～30%。長期以來,推進節能減排、促進綠色發展一直都是熱處理行業的重要工作。伴隨國家雙碳戰略的逐步落實,熱處理行業迎來了新的機遇和挑戰,必將走向綠色低碳高質量發展之路。

1 熱處理行業碳排放

1.1 碳排放核算

現代管理學之父彼得·德魯克說過,“無量化,無管理;先量化,后決策”。碳排放核算是做好碳達峰碳中和工作的重要基礎,為有效開展碳管理、實施碳減排提供數據支撐。

1) 核算標準

碳排放核算分為區域層面、組織層面和產品層面(見表1),分別稱為“溫室氣體清單”“碳盤查”和“碳足跡”。

表1 不同層面碳排放核算標準及內容

世界可持續發展工商理事會(WBCSD)與世界資源研究所(WRI)共同發布的《溫室氣體核算體系》(GreenHouseGasesProtocol,GHGProtocol)將企業碳排放劃分為范圍1(燃料燃燒及生產過程的直接排放)、范圍2(外購電力及熱力的間接排放)、范圍3(價值鏈上下游的間接排放),如圖1所示[2]。

圖1 企業溫室氣體排放范圍[2]Fig.1 Scope of greenhouse gas emissions from enterprises[2]

國家發改委分別于2013年10月、2014年12月和2015年7月先后發布了三批24個行業的《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》。國家標準化管理委員會分別于2015年11月和2018年9月發布了13項溫室氣體排放核算國家標準,包括GB/T 32150—2015《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》以及發電、鋼鐵、民航、水泥、化工、煤炭等12個行業溫室氣體排放核算方法與報告要求。

2) 核算方法

碳排放核算主要有3種方式:排放因子法、物料平衡法、實測法。

排放因子法應用最廣泛,計算公式:溫室氣體(GHG)排放=活動數據(AD)×排放因子(EF)。其中排放因子可以采用IPCC缺省值,瑞士Ecoinvent、歐洲ELCD、德國GaBi等數據庫以及我國相關參數值(如全國電網平均排放因子)。

物料平衡法是根據質量守恒定律,對輸入和輸出物料含碳量的差額進行計算的方法。計算公式:二氧化碳排放=(原料投入量×原料含碳量-產品產出量×產品含碳量-廢物輸出量×廢物含碳量)×44/12。

實測法是使用專業的計量儀器對排放源進行實地測量,確定碳排放量的方法。

1.2 熱處理行業碳排放核算

根據GB/T 7232—2023《金屬熱處理 術語》中定義,熱處理是采用適當的方式對金屬材料或工件進行加熱、保溫和冷卻以獲得預期的組織結構與性能的工藝。熱處理行業碳排放主要包括3個部分:化石燃料燃燒排放、過程排放、凈購入的電力和熱力產生的排放。

E=E燃燒+E過程+E電力+E熱力

1) 化石燃料燃燒排放

化石燃料在各種類型的固定燃燒設備(如燃料爐、氣氛爐)或移動燃燒設備(如汽車、叉車)中與氧氣充分燃燒產生的CO2排放,包括天然氣、液化石油氣、汽油、柴油等。

ADi=NCVi×FCi

式中:ADi為第i種化石燃料的活動數據,單位為GJ;EFi為第i種化石燃料的二氧化碳排放因子,單位為tCO2/GJ;NCVi為第i種化石燃料的平均低位發熱量,液體燃料單位為GJ/t,氣體燃料單位為10-4GJ/Nm3;FCi為第i種化石燃料的消耗量,液體燃料單位為t,氣體燃料單位為104Nm3;CCi第i種化石燃料的單位熱值含碳量,單位為tC/GJ;OFi為第i種化石燃料的碳氧化率。

2) 過程排放

熱處理過程中使用的含碳物料消耗產生的CO2排放,包括清洗劑、氣氛制備所用含碳物料、淬火介質和滲劑等。

E過程=E清洗劑+E氣氛制備所用含碳物料+E淬火介質+

E滲劑+E其他含碳物料

式中:E含碳物料為清洗劑、氣氛制備所用含碳物料、淬火介質、滲劑或其他含碳物料等消耗產生的二氧化碳排放量,單位為tCO2;Pi為第i種清洗劑、淬火介質、滲劑或其他含碳物料等單獨消耗的量,單位t;DXi為第i種含碳物料等各自單獨的平均濃度,單位為%;EFi為第i種含碳物料等單獨的二氧化碳排放因子,單位為tCO2/t。

3) 凈購入電力、熱力產生的排放

E電力=AD電力×EF電力
E熱力=AD熱力×EF熱力

式中:AD電力為凈購入使用的電量,單位為MWh;AD熱力為凈購入使用熱量,單位為GJ;EF電力為電網年平均的二氧化碳排放因子,單位為tCO2/MWh;EF熱力為熱力供應的排放因子,單位為tCO2/GJ。

熱處理全行業20萬臺(套)熱處理設備中,電加熱設備約占80%,燃氣加熱設備約占20%。年消耗電能總量達200億千瓦時,天然氣和液化氣約4億立方米(標準狀態),淬火油超10萬噸[3]。根據生態環境部《關于做好2023—2025年發電行業企業溫室氣體排放報告管理有關工作的通知》,電網平均排放因子為0.5703 tCO2/MWh;根據國家發改委發布的常用化石燃料相關參數推薦值(《機械設備制造企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》附表2.1),天然氣的排放因子約為21.6 tCO2/104Nm3。

粗略計算可得,熱處理行業電力消耗碳排放約1140萬噸,天然氣消耗碳排放約90萬噸,工藝過程中淬火油、含碳氣氛、清洗劑等消耗排放約650萬噸[4]。

2 熱處理行業綠色發展之道

伴隨綠色發展理念的不斷深入和國家雙碳戰略的逐步實施,綠色熱處理應運而生,初步形成了綠色政策、綠色標準、綠色技術、綠色管理、綠色制造等五大體系。

2.1 綠色政策指引

《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》將“2025年單位GDP二氧化碳排放較2020年降低18%”作為約束性指標,構建完成“1+N”政策體系,這為熱處理行業的綠色低碳發展提供了政策指引?！丁笆奈濉惫I綠色發展規劃》提出,“重點推廣可控熱管式節能熱處理爐等新型節能設備”,“實施清潔鑄造、精密鍛造、綠色熱處理、先進焊接、低碳減污表面工程、高效切削加工等工藝技術和裝備改造”;《工業領域碳達峰實施方案》提出,“加強先進鑄造、鍛壓、焊接與熱處理等基礎制造工藝與新技術融合發展”,“到2025年,激光熱處理等先進近凈成形工藝技術實現產業化應用”;《推動鑄造和鍛壓行業高質量發展的指導意見》提出,“鼓勵企業采用高效節能熔煉、熱處理等設備,提高余熱利用水平”。

目前,國家主管部門還未針對熱處理行業出臺專門的政策措施,主要依靠中國機械工程學會熱處理分會、中國熱處理行業協會等行業自律組織推動綠色低碳工作?！吨袊鵁崽幚硇袠I“十四五”發展規劃綱要》提出,“到2025年,規模以上企業的熱處理綜合平均能耗降到350 kWh /t以下,萬元產值電耗降到2300 kWh以下,溫室氣體排放減少50%,熱處理生產污染物實現零排放”。實現這一目標還面臨著不小的困難和挑戰。

2.2 綠色標準體系

標準是熱處理行業高質量發展的基礎性制度,發揮著引領性作用。綠色發展理念提出以來,全國熱處理標準化技術委員會大力推進熱處理行業綠色發展,發布了GB/T 36561—2018《清潔節能熱處理裝備技術要求及評價體系》、GB/T 38749—2020《可控氣氛熱處理技術要求》、GB/T 38819—2020《綠色熱處理技術要求及評價》、GB/T 39194—2020《真空低壓滲碳高壓氣淬熱處理爐技術要求》等綜合性標準及裝備標準,《溫室氣體碳核算方法與報告要求 第XX部分:熱處理企業》也在制定中,基本建成了綠色熱處理標準體系,實現“有標可依”,如圖2所示[5]。

圖2 綠色熱處理評價指標體系[5]Fig.2 Evaluation index system for green heat treatment[5]

2.3 綠色技術體系

綠色熱處理綜合考慮了環境影響和能源資源效率,通過科技創新和技術提升,解決傳統熱處理能耗高、資源消耗大、污染嚴重的問題。黨的十八大以來,真空熱處理、可控氣氛熱處理、感應熱處理等少無氧化熱處理技術設備得到快速發展,水溶性淬火劑、環保清洗劑、稀土催滲劑等環保型工藝材料得到廣泛應用。

1) 真空熱處理工藝

真空熱處理技術是公認的高效、節能、無污染的綠色熱處理技術,主要包括真空低壓滲碳技術、真空高壓氣淬技術等。真空低壓滲碳具有高溫高速滲碳、無氧化無污染、節能節氣等優點,是可控氣氛滲碳的良好替代方案;真空高壓氣淬具有生產效率高、工件畸變小、無污染、無需清洗等優點,省去了淬火油、鹽浴、清洗液等工藝材料消耗,將逐漸取代傳統的油淬和鹽浴熱處理[6]。

2) 綠色淬火冷卻介質

綠色淬火介質在滿足生產需求的前提下,對生態環境不產生損害或損害較小。目前,水溶性淬火劑是應用最廣的環保熱處理冷卻介質,可替代水、油、鹽等傳統淬火介質,克服了水冷卻速度快、工件易開裂,油冷卻速度慢、油煙污染且易燃,鹽冷卻易使工件、設備產生銹蝕等缺點。水溶性淬火劑以聚烷撐乙二醇(PAG)為主,具備無煙、無毒、無腐蝕等安全環保特征,廣泛用于碳鋼、低合金鋼等淬火冷卻。

2.4 綠色管理體系

管理創新和技術創新同等重要,二者相互促進、有效協同,是企業推進綠色發展的兩大動力。綠色管理體系涵蓋了環境管理體系(ISO 14001)(GB/T 24001)和能源管理體系(ISO 50001)(GB/T 23331),前者引導企業實施清潔生產、節約資源、減少污染,實現經濟、社會、環境的平衡發展;后者引導企業使用清潔能源、降低能耗、提高能效,實現節能減排、降本增效的協同優化。

根據《中國熱處理行業“十四五”發展規劃綱要》,我國已有超過20%的熱處理企業通過了環境管理體系認證,能源管理體系也被納入GB/T 38819—2020《綠色熱處理技術要求及評價》指標體系中,相關認證穩步推進中。

在雙碳戰略目標下,碳管理體系也在探索建立中,如圖3所示[7]。碳管理體系以“監測、報告、核查(MRV)”碳管理理念為基礎,借鑒環境管理體系和能源管理體系的核心要素和條款設計,為各類組織開展碳管理活動、提升碳管理績效提出規范性要求,比較有代表性的有中國認證認可協會發布的團體標準《碳管理體系要求》(T/CCAA 39—2022)、中國工業節能與清潔生產協會發布的團體標準《碳管理體系要求及使用指南》(T/CIECCPA 002—2021)、北京市地方標準《北京市碳排放管理體系實施指南》(DB11T 1559—2018)、廣東省地方標準《碳排放管理體系要求及使用指南》(DB44/T 1944—2016)等。

圖3 碳管理體系結構示意圖[7]Fig.3 Schematic diagram of carbon management system structure[7]

2.5 綠色制造體系

綠色制造體系以促進全產業鏈和產品全生命周期綠色發展為目的,以綠色工廠、綠色產品、綠色園區、綠色供應鏈為主要內容。自2017年以來,工信部已認定了七批綠色制造企業,包括3616家綠色工廠、3730種綠色設計產品、268家綠色園區、403家綠色供應鏈管理示范企業。其中,綠色工廠是綠色制造的實施主體,側重于生產過程的綠色化;綠色產品是綠色制造的最終表現,側重于產品全生命周期的綠色化。

熱處理產業鏈包括“原材料→生產加工→下游應用”。原料端,推進綠色供應鏈管理。根據全生命周期評價(LCA)理論,鋼鐵、鋁、化工產品等原材料的獲取是熱處理設備碳足跡的重要組成部分。全球平均每生產1 t粗鋼排放1.91 tCO2[8],生產1 t原鋁排放16.8 tCO2[9];根據有關資料,使用1 t淬火油/真空泵油排放3.1 tCO2。生產端,沿著“綠色設計→清潔生產→循環利用”,推進綠色工廠創建。應用端,從減少能源消耗、提升能源效率、推進清潔能源替代等方面,成為能效“領跑者”、碳效“領跑者”。伴隨我國能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉變,綠色制造有望向零碳制造提標升級。

為推動熱處理行業的綠色制造,全國熱處理標準化技術委員會已完成《熱處理行業綠色工廠評價》和《真空熱處理爐制造業綠色工廠評價要求》等行業標準的制定,從生產、制造和使用先進節能環保的熱處理裝備入手,構建高效、清潔、低碳、循環的綠色制造體系。

3 熱處理行業雙碳發展路徑

黨的二十大報告指出,實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。當前,我國雙碳工作尚處起步階段,必將經歷一個從認識到行動、從全面到深化的持續過程。長期以來,熱處理行業堅持綠色發展,投入大量資源和資金開展工藝優化、設備改造、介質替代等,節能減排取得顯著成效,能源利用效率明顯提升。碳達峰碳中和作為我國未來數十年經濟社會發展的主基調,為了推動其在熱處理行業高效落實、落地生根,應重點關注以下4個方面的內容。

1) 加快建立科學規范的熱處理行業碳排放核算體系。2022年8月,國家發改委、國家統計局、生態環境部聯合印發了《關于加快建立統一規范的碳排放統計核算體系實施方案》,提出“加快建立覆蓋全面、算法科學的行業碳排放核算方法體系。企業碳排放核算應依據所屬主要行業進行,有序推進重點行業企業碳排放報告與核查機制”。熱處理作為機械行業基礎工藝之一,建立科學規范的碳排放核算體系,摸清碳排放“家底”,不僅是熱處理行業推進雙碳工作的當務之急,還可為機械行業綠色低碳轉型提供基礎支撐和數據支持。熱處理行業碳排放核算體系涉及企業碳盤查和產品碳足跡兩個層面,包括企業碳排放核算、設備碳足跡核算、工藝材料碳足跡核算等。

2) 探索建立智能高效的熱處理碳排放監測管理體系。對重點用能設備和排放環節進行有效監控,是企業推進節能降碳的基礎和前提。2022年6月,國務院發布《關于加強數字政府建設的指導意見》,提出“加快構建碳排放智能監測和動態核算體系,服務保障碳達峰、碳中和目標順利實現”。碳排放智能監測管理系統應用大數據、云計算、物聯網、區塊鏈等技術手段,可實現碳排放的可視化、可量化、精準化管理,集碳數據監控、碳足跡追溯、碳資產管理等功能于一體,對于企業挖掘減碳空間、降本增效等具有重要意義。當前,很多機械制造企業都在探索建設能耗及碳排放智能監測系統,熱處理是機械制造領域的重點用能工序,是系統建設不可獲缺的重要環節。但熱處理工藝較為復雜、排放環節較多,數據如何搜集全面和精準量化,則是亟需解決的現實問題。

3) 構建完善先進適用的熱處理低碳零碳技術體系。黨的二十大報告強調,科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力。技術創新是工業降碳的關鍵推動力,也是處理好發展與減排、短期與中長期關系的重要支點。近十多年來,在創新驅動戰略引領下,在國家發改委、工業和信息化部、科技部等政策支持下,我國綠色熱處理技術、清潔節能裝備技術、余熱利用技術、數字化智能化技術等熱處理低碳零碳技術快速發展并得到廣泛應用。但目前我國熱處理的人才供給、技術含量、能源效率、環境治理水平與發達國家仍存在著不小的差距,熱處理低碳零碳技術體系構建任重而道遠。

4) 研究并積極參與碳交易市場。2013年起,北京、天津、上海、廣州、湖北、深圳、重慶、福建8省市啟動了碳排放權交易試點工作。2021年7月,全國碳排放權交易市場啟動上線交易,發電行業成為首個納入全國碳市場的行業。碳市場可分為強制碳市場和自愿碳市場(CCER),前者主要面向高排放行業,以配額為基礎產品,擴容在即;后者面向沒有強制減排任務的主體,以減排項目為基礎產品,重啟在即。熱處理工藝能耗高,節能降碳空間也大,通過碳減排項目的開發,可將碳成本轉變為碳資產,既為企業自身帶來經濟效益,也可為高載能行業降碳及配額清繳履約提供支持。

4 結束語

碳達峰碳中和是中國向世界作出的莊嚴承諾,也是推進經濟社會高質量發展的內在要求。熱處理行業既是機械行業的基礎制造工藝,也是機械制造的重點用能工序,始終堅持高端化、綠色化、智能化方向,通過數字化智能化技術應用提升綠色發展水平,通過綠色管理體系和綠色技術體系建設提升工件可靠性、壽命和強度,最終實現降本增效、節能減排、強基固本的高效協同。從目前的情況看,熱處理行業在減污、降碳、增長方面具備了一體推進的基礎,在高質量發展的新征程上需要進一步探索相關實現和優化路徑。值得注意的是,雙碳工作是一項長期而復雜的工作,熱處理企業低碳零碳轉型絕非一朝一夕可成,必須立足客觀實際、循序漸進、久久為功,優先做好數據高效采集、科學核算工作,矢志不移自主創新技術降碳,并以長遠眼光,積極布局碳市場、主動管理碳資產。