基于生命周期评价法的黄磷产品碳足迹分析.pdf
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1、第 55 卷 第 12 期2023 年 12 月Vol.55 No.12Dec.,2023无机盐工业INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY基于生命周期评价法的黄磷产品碳足迹分析王雪萌1,安燕1,刘海2,田蒙奎1(1.贵州大学化学与化工学院,贵州贵阳 550025;2.中低品位磷矿及其伴生资源高效利用国家重点实验室,贵州贵阳 550016)摘要:黄磷作为高耗能、高碳排放产品,摸清其碳排放足迹,促进其低碳发展对中国“双碳”战略具有重要意义。以贵州省某5万t/a黄磷企业为例,采用生命周期评价法(Life Cycle Assessment,LCA),定量分析黄磷产品在其生产过程中的碳
2、足迹(Carbon Footprint),并为其绿色低碳发展提出相应的节能降碳建议措施。研究结果表明:在黄磷生产过程中,每吨黄磷在其生命周期内碳足迹为1.580104 kg CO2;其碳排放主要集中在尾气处理和电力消耗两个方面,二者占总量的90.08%;依据其碳足迹核算结果提出采用绿色电力生产、合理利用磷矿资源地理位置优势、加强工艺控制、黄磷尾气综合利用等减排措施,以此达到减少黄磷产品生产过程碳足迹的目的。关键词:“双碳”战略;生命周期评价;黄磷;碳足迹;节能降碳中图分类号:TQ127.1 文献标识码:A 文章编号:1006-4990(2023)12-0036-07Carbon footpri
3、nt analysis of yellow phosphorus products based on LCAWANG Xuemeng1,AN Yan1,LIU Hai2,TIAN Mengkui1(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.State Key Laboratory of Efficient Utilization for Low Grade Phosphate Rock and Associated Resources,Guiyang 5500
4、16,China)Abstract:Yellow phosphorus,as a high energy consumption and high carbon emission product,to find out its carbon emission footprint and promote its low carbon development is of great significance to our“double carbon”strategy.Taking a 50 000 t/a yellow phosphorus enterprise in Guizhou provin
5、ce as an example,Life Cycle Assessment(LCA)was adopted to quantitatively analyze the carbon footprint of yellow phosphorus products in the production process,and proposed corresponding energysaving and carbon reduction measures for its green and lowcarbon development.The research results showed that
6、 the carbon footprint of each ton of yellow phosphorus in the production process was 1.580104 kg CO2.The carbon emissions were concentrated in the two aspects of tail gas treatment and power consumption,which was accounted for 90.08%of the total.Based on its carbon footprint accounting results,it wa
7、s proposed to adopt green power production,rational use of the geographical advantages of phosphorus resources,strengthen process control,and comprehensive utilization of yellow phosphorus tail gas and other emission reduction measures to reduce the carbon footprint of yellow phosphorus production p
8、rocess.Key words:“dual carbon”strategy;life cycle assessment;yellow phosphorus;carbon footprint;energy conservation and carbon reduction中国磷矿石资源储量位居世界第二,是世界最大的磷化工产品生产国,主要磷化工产品包括磷酸、引用格式:王雪萌,安燕,刘海,等.基于生命周期评价法的黄磷产品碳足迹分析 J.无机盐工业,2023,55(12):36-42.Citation:WANG Xuemeng,AN Yan,LIU Hai,et al.Carbon footprin
9、t analysis of yellow phosphorus products based on LCA J.Inorganic Chemicals Industry,2023,55(12):36-42.基金项目:国家自然科学基金项目(22162007);贵州省科技计划项目(黔科合支撑 2021 480,黔科合支撑 2023 379);瓮福(集团)有限责任公司技术开发项目 WH-220787(YF);贵州省双碳与新能源技术创新发展研究院资助项目(DCRE-2023-05)收稿日期:2023-04-17作者简介:王雪萌(1997),女,硕士,主要研究方向为碳排放核算相关;E-mail:。通讯作
10、者:田蒙奎(1978),男,博士,教授,主要研究方向为化工新材料、过程装备、绿色低碳等方面;E-mail:。Doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0222 362023 年 12 月王雪萌等:基于生命周期评价法的黄磷产品碳足迹分析磷酸一铵、磷酸二铵、黄磷及草甘膦等1。磷化工产品促进了中国经济发展的同时,也消耗了大量的资源和能源,是CO2的重要排放源头,造成了严重的环境问题。黄磷是中国重要的基础化工原料,2021年全国黄磷有效产能约为143.45万t,云南、四川、贵州产能分别为全国产能的46%、23%、19%。黄磷属于高污染、高耗能行业,随着中国“双碳”、“能耗双
11、控”及环保政策的发布,黄磷的产能和产量均受到严格限制,高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)中对黄磷行业节能降碳改造升级提出具体实施指南,明确指出,到2025年黄磷领域能效标杆水平以上产能比例要达到30%,能效基准水平以下产能要基本清零2。中国自2020年9月明确提出2030年CO2排放达到峰值,2060年力争实现碳中和目标。中国“双碳”目标任务重、时间紧,需要各个行业进行碳排放量的核算,继而制定相应的碳减排措施。但是对于碳排放的研究大多数停留在国家或者行业层面,针对产品生产制造过程的研究相对较少且主要集中在机械加工工艺方面,对于整个磷化工产品的碳足迹核算仍处在起步阶段,本
12、文将针对典型磷化工产品黄磷开展研究工作,进行其生产过程碳足迹的核算与分析3-4。碳足迹的核算与分析是产品进行绿色低碳生产的理论依据,因此正确理解和认识黄磷生产系统内碳排放实际状况,摸清其碳足迹,促进其低碳发展,对黄磷行业及磷化工产业有序推进“双碳”战略具有重要的研究意义和价值。本文基于生命周期评价法(LCA),采用 PAS 2050:2008 国际标准规范,结合黄磷生产工艺,对黄磷生产阶段碳足迹进行核算与分析,为黄磷生产系统低碳工艺优化提供理论依据,为黄磷行业绿色低碳发展和碳中和提出路径建议5。1碳足迹、生命周期评价的定义1.1碳足迹碳足迹(Carbon Footprint)指的是产品及活动直
13、接和间接引起的CO2排放总量,是一种量化碳排放的标准方法6-7。国内外计算碳足迹的方法主要有IPCC(Intergovernmental Panel on Clime Change)方法、基于过程分析的生命周期评价法和投入产出分析法三大类8-9。产品碳足迹代表某产品产生的温室气体排放总量,可以根据气候变化的单一影响类别的生命周期评价进行评估10。碳足迹计算的核心就是产品尺度,企业、行业、国家尺度的碳足迹计算都需要以产品碳足迹计算为基础11。PAS 2050采用生命周期评法来评估与商品或服务相关的温室气体排放,此标准能够将整个产品系统的排放量最小化,因此在国际上应用较广泛12。1.2生命周期评价
14、某个产品从原材料开采开始,经原材料加工、产品生产制造、产品包装、产品运输和销售、消费者使用,最终作为废弃物处理和处置,这一整个过程就是产品的生命周期。生命周期评价(LCA)是一种国际公认的标准化方法,可以用于表征目标产品对环境的影响,适用于微观系统,主要用于量化某一产品在生命周期内所造成CO2的排放总量13-15。LCA法计算过程详细、准确,需要精准数据支撑,LCA技术框架主要包括目标和范围的确定、清单分析、影响评价、结果解释4个方面16-17。产品全生命周期的核算边界如图1所示,其中“摇篮到坟墓”,是指原材料开采-产品加工制造-产品使用-产品报废处理的全生命周期阶段;“摇篮到图1产品LCA研
15、究系统边界Fig.1LCA research system boundary of product 无机盐工业第 55 卷第 12 期大门”,是指从原材料开采到产品生产制造阶段;“大门到大门”,即产品由基础原材料到产品的生产过程阶段;“从大门到坟墓”,即产品使用阶段到废弃处理阶段18。2黄磷产品生命周期内的碳足迹核算2.1目标与范围定义黄磷生产主要采用电炉熔融法还原磷矿工艺,磷矿石、焦炭、硅石按一定配比混合送入电炉,进入磷炉后加热到1 300 1 500,发生氧化还原反应使磷矿中的P2O5被C还原为P,磷蒸气经冷凝后精制得到成品黄磷 19-20。所选企业的黄磷生产流程见图2。2.1.1功能单位
16、及系统边界的确定功能单元是量化产品温室气体排放的参照单位21。在本研究中,功能单位定义为1 t黄磷。采用“摇篮到大门”的生命周期评价模型,即不考虑黄磷产品使用、废弃处置阶段的资源能源消耗和环境影响,其系统边界范围包括:1)黄磷的生产过程、尾气燃烧处理及磷炉渣处理过程;2)原材料(磷矿石、焦炭、硅石)生产所涉及的生命周期阶段;3)电力、热力的消耗;4)原材料的运输过程,其系统边界详见图3。2.1.2碳足迹计算方法黄磷生产过程的碳足迹计算包括原材料消耗的碳排放、电力和热力消耗的碳排放、原材料运输的碳排放、生产过程碳排放和尾气处理造成的碳排放。黄磷生产过程CO2排放的核算方法选取详见表1。2.1.3
17、系统描述选取贵州省黔南一黄磷企业为研究对象,该企业配备4套规格12 500 t/a的黄磷电炉,配套建设了18 MW汽轮机组进行发电,已形成年产黄磷5万t、年发电量1亿kWh的产业规模。该企业配备新型泥磷和污水处理装置,实现了污水零排放;固废处理方面,炉渣经水淬、粒化、脱水后送到配套的微粉站加工成超微粉后,外卖应用于建材;磷铁经破碎后外卖,作为炼钢工业的合金剂;尾气处理方面,建成黄磷尾气综合利用发电项目,实现了黄磷清洁绿色生产。该黄磷企业资源消耗低、环境污染少、科技含量高、经济效益好,是贵州省黄磷清洁生产、绿色低碳循环转型的标杆企业,选取其作为研究对象具有代表性。2.2清单分析2.2.1现场数据
18、主要活动数据指的是对特定产品的生命周期进行直接测量,可以更好地计算产品实际碳排放量22。次要数据包含在产品生命周期过程中的非直接测量获得的数据,当主要活动数据不可用或难以获得的情况下,选择次级数据予以补充23。通过对所选黄磷生产企业开展深入调研,获取了黄磷生产现场的单位产品原材料消耗、能源消耗及其运输数据,相关碳排放因子取自国内、国际常用数据库。图2黄磷的生产工艺Fig.2Production process of yellow phosphorus表1黄磷生产过程的碳足迹核算方法Table 1Carbon footprint calculation method of yellowphosp
19、horus production process统计类别原材料消耗生产过程净购入电力净购入热力原材料运输尾气处理磷渣处理总计碳足迹核算E原材料=AD原材料EF原材料E过程尾气监测数据E电=AD电EF电E热=AD热EF热E运输=AD运输EF运输E尾气根据尾气监测数据计算E炉渣根据炉渣电力、热力消耗数据计算E总=E原材料+E过程+E电+E热+E运输+E尾气+E炉渣注:ADi为活动水平数据(即生产过程中的消耗量),t、kWh、MJ、tkm;EFi为碳排放因子(以 CO2计),kg/kg、kg/(kWh)、kg/MJ、kg/(tkm);Ei为对应的二氧化碳排放量,kg。图3黄磷碳足迹核算研究系统边界F
20、ig.3Boundary of yellow phosphorus carbon footprintaccounting research system 382023 年 12 月王雪萌等:基于生命周期评价法的黄磷产品碳足迹分析表2为黄磷企业尾气数据统计表,假设黄磷尾气处理过程尾气中CO全部燃烧,通过计算可得到黄磷生产过程及尾气处理造成的CO2排放量。磷渣经过水淬、粒化、脱水后加工成超微粉,表3为企业超微粉加工厂吨黄磷磷渣加工成超微粉的能源消耗统计表,通过计算得到磷渣处理造成的CO2排放量。整理得到该黄磷企业单位产品生产原材料、能源消耗及CO2排放清单,详见表4。2.2.2背景数据碳排放因子表
21、示消耗单位质量或者单位体积的能源、材料所产生的碳排放量,具体排放源碳排放因子及数据来源详见表5。3碳足迹核算结果与分析对功能单位黄磷产品进行生命周期内碳足迹的核算,结果如表6和图4所示。此外,还就黄磷生产过程碳足迹贡献比例进行了梳理、计算,结果如图5所示。经计算,1t 黄磷生产过程的碳足迹为 1.580104 kg(以CO2质量计,下同)。其中,尾气处理过程的碳排放量最高,占全过程的48.05%。除去尾气处理造成的碳排放以外,电力、热力等能源碳排放量占比较大,特别是电力消耗的碳排放量,为6 642 kg,贡献了黄磷生产阶段碳足迹的42.03%;原材料磷矿石、焦炭、硅石的生产碳排放量分别为129
22、.3、245.9、表2企业黄磷实际尾气数据表(年平均值)Table 2Enterprise yellow phosphorus actual tailgas data Table(annual average)黄磷尾气总量/Nm32 900w(CO)/%85w(CO2)/%3.9表3企业内超微粉加工厂吨黄磷磷渣处理能耗统计表(平均值)Table 3Statistical table of energy consumption of tons ofyellow phosphorus slag in ultrafine powderprocessing plants(average value)磷
23、渣处理量/t9电力消耗/(kWh)364.5热力消耗/GJ3.93表4典型黄磷生产企业单位产品原材料、能源消耗及CO2排放清单Table 4Inventory of raw materials,energy consumption and CO2 emissions per unit product of typical yellow phosphorus production enterprises生产单位黄磷的消耗量原材料消耗量/t磷矿石w(P2O5)25.45%9.29焦炭1.84硅石1.95能源消耗电力消耗量/(kWh)13 051.27热力消耗量/GJ2.24216.47CO2排放量
24、/kg生产过程尾气处理7 591.57磷渣处理617.80注:磷矿石、焦炭、硅石的运输距离分别为11、13、44 km。表5黄磷生产过程涉及的碳排放因子及其来源Table 5Carbon emission factors involved in yellowphosphorus production and their sources物料名称 磷矿石 焦炭 硅石 运输 电力(南方区域)热力碳排放因子0.013 34 kg/kg0.133 65 kg/kg0.039 30 kg/kg0.177 20 kg/(tkm)0.508 85 kg/(kWh)0.110 00 kg/MJ数据来源CLCD中
25、国生命周期基础数据库CLCD中国生命周期基础数据库CLCD中国生命周期基础数据库ECLC3.0&Encoinvent省级温室气体清单编制指南CLCD中国生命周期基础数据库表6案例企业黄磷产品生命周期内碳足迹核算结果Table 6Accounting results of carbon footprint of yellow phosphorus products in life cycle of case enterprise项目磷矿石焦炭 硅石 运输 电力 CO2的排放量/kg1.2931022.45910276.6437.556.642103项目 热力 过程排放 尾气处理 磷渣处理 总计C
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