1. 引言
从人类的生存和发展角度来看,温室效应带来的负面效应很严重,因此当务之急是寻找可持续发展的低碳经济模式。目前来看,能源短缺和全球气候变暖是中国面临的两个主要问题。我国作为制造业大国,生产过程中各个阶段都消耗了大量的能源。尤其对于汽车行业来说,生产过程中的耗能巨大,是城市碳排放的主要来源之一。据统计,在汽车产业成熟的发达国家,汽车行业的碳排放量占全部碳排放量的25%~28% [1]。根据清华大学气候变化与可持续发展研究院和二氧化碳信息分析中心(Carbon Dioxide Information Analysis Centre, CDIAC)的统计数据,2020年我国汽车的碳排放量为7.5亿吨,占全年各行各业总碳排放量的7.5%。未来我国汽车保有量预计仍将持续走高,汽车产业的生产规模也逐步加大,碳排放量大的问题需要引起重视。由此可见,汽车制造类相关企业应着手发展低碳生产模式以适应未来需要。因此,准确核算这类企业在生产过程中产生的碳排放量是未来可持续发展的重要前提。
目前在汽车制造企业碳排放核算的研究方面,大部分还只是停留于将全年能耗折算成标准煤再进一步转换成碳排放,这样来看计算方法过于粗糙,也不精确 [2]。核算范围往往只涵盖了能源消耗部分的碳排,实际上企业在生产过程中除了消耗能源外,还有大量的废弃物产出,这些不可资源化的废弃物排放到环境中,对环境造成影响,直接或间接释放温室气体,造成环境消耗。只有全方面考虑到企业生产过程中的碳排放量才能为后续企业实施节能减排提供理论依据。因此,针对汽车制造企业的实际碳排放量核算的研究相对较少、核算范围过小的现实,本文采用全碳排核算方法,考虑生产全过程的排放源,把能源消耗直接碳排放、废弃物处理间接碳排放和废弃物排放潜在碳耗用纳入“全碳排”核算账户,把不同种类的物质进行归一化处理并折算成碳排放量,为企业发展低碳生产模式提供依据。
2. 理论依据
2.1. 低碳经济与低碳管理理论
目前,研究人员普遍将低碳经济的核心定义为低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率以及高效益,能够以较少的能耗和污染排放实现较大产出的新经济发展模式。低碳经济是一场全球性的革新,这涉及到国家权益权衡、价值观和生产方式的改变。
从低碳发展的角度来看,发展低碳经济应遵循市场经济的规则,在制度约束下合理发展,不能以降低人民群众的生活水平为代价;从低碳技术的角度看,要在能源使用效率不断提升的同时,逐步降低温室气体排放;从低碳生活的角度看,必须实现人与自然的和谐,这就要通过发展低碳经济把温室气体的排放量保持在相对稳定的状态,避免温室效应对人类的生存和发展的影响。
国内学者陈军首次将低碳管理概念引入中国,提出并阐述了低碳管理的内涵、原则与本质。他在《低碳管理》一书中指出,低碳管理是一种基于低排放、低污染、低能耗为基础的管理模式,实质是资源高效利用,其目的是实现生态效益、社会效益与经济效益的共贏 [3]。同时,他提出了低碳管理的7R原则,即再思考、转变观念、低碳排放、低碳研究、再开发、再循环节约资源、保护、恢复。祝福冬 [4] 在此基础上将低碳管理拓展为提供低碳产品或服务的管理模式。因此,可以看出低碳管理是企业实施可持续发展战略的具体手段与方法,是适应未来社会发展的创新管理模式。
2.2. 可持续发展理论
可持续发展的概念是基于现实的经济社会发展中资源环境制约问题提出的从经济–社会–环境相和谐的发展路径。目前最具权威性的定义是由Bmndtland提出的“可持续发展是既满足当代人的需求,又不对后代人满足其自身需求的能力构成伤害的发展”。通常在可持续发展经济学中用经济、社会、环境的三重结构来阐述涉及人类与自然关系。
2.3. 碳排放核算
目前关于碳排放核算方法的研究内容,根据国内外学者的成果来看,碳排放核算方法可大致分为宏观和微观两个方面。宏观的核算模型一般是从广义的角度提供碳排放核算的理论,着重于整体系统的碳排放变化,而微观估算模型则直接细分至排放源类型的不同来计算碳排放量。目前,主流的方法有排放因子法、质量平衡法和实测法3种,这三种方法都能兼具宏观与微观的特点。排放因子法是IPCC (联合国政府间气候变化专门委员会)提出的碳排放估算方法。基本思路是根据碳排放清单,构建出不同碳排放源的活动数据与排放因子,并将二者相乘得到的结果作为该项目的碳排放估算值 [5]。该方法目前是学术界应用最为广泛的方法 [6] [7] [8],把各类能源消耗量直接换算为碳排放量,核算较为简便,在各行各业的实际操作中得到广泛应用,如张莉 [9] 提出了电力行业二氧化碳排放因子值核定方法,对燃煤电厂进行案例分析预测其碳排放量,并评估了不同情景下的环境效益。
从碳排放的核算范围来看,首先,在社会–经济–环境复合系统中,碳排放不仅来源于能源消费过程,而且来源于物质生产和消耗的整个过程。其次,技术水平也是影响排放量差异的原因之一。废弃物排放也是一种重要的潜在碳耗用。自然环境的再生能力有限,大量的污染物排放会导致环境质量下降,为了维持生态系统平衡,就要投入人力、物力、财力进行降低污染程度,在这种改善环境的活动中,投入的材料以及生产活动同样会产生碳排。
因此本文从整体观视角,应用系统学方法,综合考虑碳排放与潜在碳耗用,将传统碳排放核算范围加以拓展,不仅考虑直接或间接能源消耗所产生的碳排放,还将废弃物治理与排放所引起的潜在碳耗用也纳入碳排放计算范围,以体现生产水平与消费方式对碳排放和碳平衡所产生的影响,提出“全碳排”概念。
2.4. 碳排放控制
国内外学者对碳排放控制方面也做了不少的研究,选取的角度不同,研究方法也各有千秋。在微观企业视角中,杨李宁 [10] 以重庆市水泥行业为研究对象,结合IPCC法提出了水泥出厂前碳足迹的计算方法以及四种降低水泥出厂前碳足迹的方法以及控制策略。在宏观视角中,苏凯 [11] 以福建省市域为研究对象,应用STIRPAT-PLS模型进行分析,明确碳排放控制的主要领域,得出总人口、城镇化率以及第二产业比重对碳排放量增长的贡献最大并据此建议福建当前及未来时期减碳重点应是采取优化能源结构和促进产业结构升级,加速发展清洁、再生能源与提高能源效率。
2.5. 碳减排决策
在碳减排决策方面。Abdel [12] 提出核电站是埃及满足未来电力需求和碳减排目标的最佳长期替代发电选择。Lash J [13] 表示碳排放影响着每一个人,任何人皆不能独善其身。王文举 [14] 等提出在产业层面进行结构调整,探索碳减排潜力,促进产业结构向低碳结构方向转型。杨花 [15] 等研究了火电行业碳减排的主要技术与措施,提出提高能源管理水平,推动科技创新,调整产业结构和开拓碳交易市场的建议。
3. 涂装产品制造企业特点
汽车保险杠类产品是汽车的外饰件之一。它是装配在汽车最前端和最后端两个位置的零部件,其材质统称为塑料制品。其兼具装饰与保护功能,在车声收到碰撞是能够吸收冲击能量保护车内人员安全。目前国内的保险杠生产过程涉及注塑、涂装、烘烤等高碳排放环节,尤其在涂装环节上,是污染物排放与碳排放的重点,因此,必须把握好企业生产的各个环节,建立碳排放核算模型。
3.1. 工艺介绍
图1为汽车保险杠生产工艺流程。原料由集中供料系统自动送至注塑机料仓,通过电加热烘干至干燥状态,由注塑机注塑成型。喷涂工艺可分为前处理系统和喷涂系统:注塑成型得到的胚件需进行前处理,去除表面灰尘油污,同时对表面进行火焰处理,保证在喷涂前表面的洁净度;注塑件经前处理后进入喷涂系统,塑料件输送到全封闭喷漆室,该喷漆室由底漆喷漆室、色漆喷漆室、清漆喷漆室组成,由自动控制的喷涂机器人完成喷涂作业后烘干。烘干室均采用外购天然气能源燃烧形成的热风循环。喷涂完成后进行装配,检验后入库。整个生产过程各个环节均会有废水和废气的不间断产生。
3.2. 废弃物处理
传统的“三废”是指废水、废气和固废,在该企业生产过程中,废气与废水是通过处理后直接排放环境中,而生产过程中产生的一般固废如冲压件边角料,废包装材料等,收集后统一出售给物资回收单位回收利用,不向环境排放;危险固废储存在企业厂房危废暂存间内,委托第三方企业定期处理,不向环境排放。因此本项目不考虑固废物的碳排放。
3.2.1. 废水处理流程
前期均质均量:废水经过管道重力排入生产废水集水井,后由集水井提升泵泵入废水调节池,在此池内充分混合均匀。在废水调节池内投加调节剂将废水的PH值调整至中性。
物化处理系统:投加絮凝剂PAC、助凝剂PAM,进行气浮、混凝反应,增大了水的表面积,反应后的废水自流进入高密沉淀池沉淀区,在高密沉淀池内使生成的沉淀和有机物絮凝体进行固液分离。
生化处理系统:主处理单元主要采用生化处理。在水解酸化池中的厌氧型微生物的作用下,废水中的部分有机物被逐渐氧化分解。这一步处理完成后,污水自流进入生物接触氧化池,此时向废水中输送空气进行曝气,反应后出水自流进入二次沉淀池,通过二次沉淀,将固体污泥与废水分层,沉淀池内底部的污泥回流至兼氧池再进行一次循环后抽至污泥浓缩池再压缩成污泥饼储存。
污泥处理系统:高密沉淀池、气浮装置、二次沉淀池、水解酸化池、接触氧化池、产生的污泥由排泥泵排入污泥池,经浓缩后的污泥含水率降到98%,由排泥泵定期输送到板框压滤机,污泥经压榨成泥饼后,泥饼外运处置。污泥池的上清液和脱水机的压滤液返回到调节池中,重新进行处理,最终排放。
3.2.2. 废气处理工艺流程
根据世界卫生组织的定义,VOCs (volatile organic compounds)是指在常温下,沸点50℃至260℃的各种有机化合物。各种产品工业生产的过程中都会释放大量的VOCs气体。汽车涂装行业也不例外,涂装所需的原料、有机溶剂等属于污染排放源,对环境可持续发展产生影响,对人类健康产生损害。根据我国《关于推进大气污染物联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》,VOC已纳入大气联防联控重点污染物。因此本项目主要对零部件生产制造过程中产生的VOCs进行治理,达标后排放。
该生产过程各阶段产生的废气经整体抽风收集后,通过RTO焚烧炉进行焚烧,再经过二级活性炭吸附,将废气中的VOCs浓度降低,进行有组织排放。RTO焚烧炉又称蓄热式热力焚烧炉,是一种借助热能将废气直接燃烧的环保设备,可处理喷漆、烤漆、印刷、塑胶、化工、电泳、涂装、电子等几乎所有行业的废气。RTO焚烧炉能够将有机废气加热到760℃以上,此时废气会发生热氧化反应,生成CO2和H2O,从而达到净化废气的效果。
4. 系统边界
该企业二氧化碳排放涉及到了能源转换,以及废气物排放等流程。因此为了更加全面的计算企业生产过程中的二氧化碳排放量,就要分析每一步生产工艺。通过对企业生产流程的分析可知,碳排放类型主要包括直接排放和间接排放。直接排放定义为在整个生产过程中,直接到参与产品生产的工序所产生的碳排放。该企业在制造生产产品时每步工序直接用电和用气产生的碳排放为直接碳排放。间接排放主要指废弃物的碳排放以及没有直接参与生产的环节产生的碳排放,如企业保证废弃物达标排放进行治理的过程中产生的二氧化碳排放量。准确的定义汽车保险杠生产企业碳排放核算的边界,是进行数据采集和计算处理的必要条件。本研究主要分析企业内部产生碳排放的主要环节,边界设定为从原辅材料入厂到产品装卸出厂为止的所有生产系统、辅助生产系统以及废弃物减排处理系统。二氧化碳排放系统边界见图2所示。
5. 碳排放核算
5.1. 核算气体类型
根据IPCC第五次评估报告,人为源辐射强迫可归因于稳定的温室气体、短寿命周期温室气体及气溶胶。稳定的温室气体在大气中混合均匀,在较长时间范围内产生持续的环境影响,包括CO2、N2O、CH4及卤代烃等。因此本文根据该企业实际生产情况,确定核算的气体类型为CO2和CH4。
5.2. 建立企业碳排放核算模型
构建汽车保险杠生产企业二氧化碳排放量核算模型。对物质、活动产生的数据进行客观的量化处理。总碳排放量为各生产过程的碳排放量之和,各工业过程包括天然气燃烧、电力热力源、废气、废水。
(公式5-1)
其中Etotal为该企业年碳排放总量;E天然气为年天然气消耗产生的碳排放量;E电力为年电力消耗产生的碳排放量;E废气为每年企业经过废弃物处理流程后向外界排放的废气造成的二氧化碳排放;E废水为每年企业经过废弃物处理流程后向外界排放的废水造成的二氧化碳排放;
为每年企业废气处理过程中释放的碳排放量;
为每年企业废水处理过程中释放的碳排放量。单位均为kg。
1) 电力消耗造成的碳排放
(公式5-2)
其中,E电力为计算年份的电能转换成CO2的排放量,单位kg;Vi为每个需用电工序的用电量,单位kW*h;λp为企业所在地区电网温室气体排放系数,单位kg/kW*h。
2) 天然气消耗造成的碳排放
依据国家发改委发布的《综合能耗计算通则》和《省级温室气体清单编制指南》,整理出单位天然气能源消耗CO2折算系数 [16]。
(公式5-3)
其中,E天然气为计算年份的天然气转换成CO2的排放量,单位m3;Pi为每个需用气工序的天然气用量,单位万m3;λk为天然气(CH4)消耗的碳排放系数,根据指南取值2162.2 kg/万m3。
3) 废气处理过程造成的碳排放
VOCs在760℃以上发生热氧化反应,生产CO2和H2O等。处理过的气体经过另一蓄热体,将温度降低,达到国家排放标准后进行排放。本过程废气处理只涉及VOCs的削减处理,因此只计算RTO焚烧炉将VOCs焚烧后产生的CO2量,如下公式:
(公式5-4)
其中,E废气处理为计算年份的废气处理工艺产生的CO2排放量,单位kg;Mq为废气排放量,单位m3;Tq为废气中挥发性有机物的总量,单位kg/m3;Sq为有组织排放的挥发性有机物的浓度,单位kg/m3;EFq为处理挥发性有机物处理过程CO2排放比例。
4) 废水处理过程造成的碳排放
废水采用厌氧处理过程中会产生CH4,CH4主要来自两个节:某些处理流程需要形成厌氧环境,废水中有机物在厌氧菌作用下分解产生的CH4,会排放到大气中;再通过表面曝气处理,废水中溶解的CH4又会排入大气。已有研究表明 [17] CH4产生量主要取决于废水中可降解有机物量、温度及处理系统的类型和技术。
国内目前针对污水处理过程中的温室气体排放相关研究中,本文针对我国废水处理领域的排放特征,根据马占云等人 [18] 采用2006年《国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》提供的计算方法核算废水处理产生的碳排放量,该方法可以概况为活动水平数据和排放因子的乘积。综合学者的研究成果,默认废水处理过程产生的含碳气体最终全部以CH4形式排入大气中,不考虑生物成因。通过核算废水处理过程的化学需氧量(COD)总量确定该排放源排放的CH4量。再采用IPCC的核算方法将CH4量转换为CO2的量,采用的度量标准为全球增温潜势(GWP),是基于充分混合的温室气体辐射特性的一个指数,即单位质量特定GHGs在特定时间段内所造成的辐射强迫相对于CO2的积分值。GWP在目前碳排放政策研究中已应用较为成熟 [19] [20] [21]。公式见下。
(公式5-5)
其中,E废水处理为计算年份的废水排放产生的CO2排放量,单位kg;Tp为废水中实际治理的可降解有机材料总量,单位kg;Sp为计算年份以污泥清除的有机成分,单位kg;EFp为废水处理过程CH4排放系数,《IPCC指南2006》提供的缺省值为0.25 kg CH4/kg COD;M为无氧处理的废弃物的比,即CH4修正因子,本文按0.4674计算;GWPi为CH4 100年全球暖化潜势值,取值21,数据来源为IPCC第五次评估报告值。
5) 废气与废水排放造成的碳排放
废弃物账户中的废水、废气的原始数据,乘以各自太阳能能值换算系数,转化为太阳能值。废弃物的太阳能值转换系数参考美国生态学家奥德姆 [22] 和中国学者蓝盛芳 [23]、朱燕燕等 [24] 的研究成果,取值如表1所示。
借助电能的能值转换率,将太阳能值换算成电能;再由电能煤炭转化率,将电能转换为煤炭,进而根据煤炭的碳排放系数,计算出各类废弃物排放的潜在碳耗用量。计算公式如下:
(公式5-6)
其中,
为计算年份的第w类废弃物排放的潜在碳耗用总量,单位kg;Qi为每个工序第w类废弃物排放量的原始数据,废气单位取m3,废水单位取t;β为第w类废弃物的太阳能值转换率,取值如表1所示;γ为电能的能值转化率,本文取值1.05 × 105 sej/J [13];1 kW*h = 3,600,000 J;每千瓦时供电排放0.8856 kg CO2 (根据国家发展和改革委员会公布的数据计算得到)。
本文中废气与废水的碳排放核算均使用该公式,进行核算。
5.3. 核算实例
5.3.1. 数据来源
以A企业为例计算2021年度该企业碳排放总量。A公司为北京汽车集团有限公司下的汽车保险杠生产企业,北京汽车集团有限公司(简称“北汽集团”)是中国汽车行业的骨干企业,总部位于北京,现已发展成长为产业链涵盖整车及零部件研发制造、汽车服务贸易、综合出行服务、金融与投资等业务,于2014年上市,年营业收入超5000亿元。2015年北汽集团投资28,532万元在重庆市成立了A公司,主要年产60万套汽车彩色保险杠以及200万件车轮罩等小件产品。公司劳动定员350人,其中216人为直接生产工人,技术及管理人员134人。企业数据来源于发布的环境影响评价报告书和企业实际生产数据。
5.3.2. 生产数据
本项目生产过程电能年耗980万千瓦时,厂内自建箱式变电器,厂区电力由园区电网提供。本项目生产过程年消耗天然气243.8万立方米,场内建设燃气调压柜,厂区燃气有园区燃气管网供给。经核算,该企业废水每年废水产生量60930.5 m3。年COD产生量为47.06 t,治理后实际排放总量2.255 t,污泥带走1.96 t。
废气排放情况见表2。
Table 2. Exhaust emission statistics table
表2. 废气排放统计表
挥发性有机物处理前浓度65 mg/m3,经RTO焚烧炉燃烧后排放浓度为5 mg/m3,处理效率,年处理量193,430,769 m3。
5.3.3. 核算结果
根据5.2节所列的方法,计算出该汽车零部件制造企业在2021年的碳排放量,见表3。
Table 3. 2021 corporate carbon emission accounting table
表3. 2021年企业碳排放核算表
该企业的碳排放源可划分为能源排放、废弃物处理排放和废弃物排放等3大种类型。由表3可知,能源产生的碳排放占比最大,其中外购电力产生的碳排放为企业最主要的碳排放源。故该企业应积极制定相应的节能措施,以降低对电力的消耗量和天然气的消耗量,同时也应注意控制和减少其他排放源的排放量。
6. 低碳减排建议
6.1. 积极发展低碳技术
采用新材料、新工艺,积极发展绿色清洁生产。汽车涂装工艺占总生产过程 所需能源的70%以上,因而是节能减排的重点环节。企业可通过设备改造与设备管理等手段节降低能耗,如引进能源管理管理系统和变频系统,实时监测电能使用情况。典型的能源管理系统使通过对企业变配电系统中主要用电设备的电能实时监控和主要用电指标的技术分析,为企业提供系统、完善的电能监控分析手段,以帮助企业实现精细化管理,降低单位产品/产值能耗水平。
6.2. 优化能源结构
鉴于我国能源类型结构不合理、化石能源消耗巨大,清洁可再生能源所占比重过低这一实际情况,能源供应商必须考虑发展可再生资源。可再生能源的开发与利用,不仅能增加能源供应、清洁能源的使用对环境更加友好,更是解决目前以及未来的全球能源供需矛盾。大力发展非化石能源十分重要,着力培育能源新产业新模式,持续优化能源结构。因地制宜发展风能、太阳能、生物质能以及氢能等多种新能源,推进以水风光为主的可再生能源综合集约高效一体化开发,推进源网荷储一体化试点工程建设。
6.3. 健全管理制度
企业应建立健全节能减排管理机构以及管理制度,落实目标责任,培养或引进专业人才,开展能效水平对标活动,建立健全企业能源管理体系和碳排放管理体系,提高低碳管理水平。对于影响碳排放量核算的重要数据,企业应遵循相关标准和指南要求做好实时测试与记录统计,加强监管能力,将低碳管理落实到位。各中小型企业应加快获得环境管理体系认证,组建出内部审查小组,对企业内部的节能减排措施与管理效果有组织的进行定期审核,培养员工低碳管理意识与责任,加大节能减排研发力度。
7. 结论
本文构建了汽车涂装产品制造企业的碳排放模型,对各环节的CO2排放量量化。考虑了企业生产过程中各阶段的碳排放量,把能源消耗直接碳排放、废弃物处理间接碳排放和废弃物排放潜在碳耗用纳入“全碳排”核算账户,与以往的传统的碳排放核算方法相比,核算范围更全面。
对于废弃物潜在碳耗用的核算方法,本文将以能量分析理论和能量转化定律为理论基础,将环境消耗与浪费的能量数值建立联系,计算不可资源化废弃物潜在的二氧化碳排放量,核算方法上更为创新。
本文以A企业为例计算其不同类型的碳排放量,对于其他汽车制造企业有效开展节能减排、降低碳排放量、提高企业效率提供一定的科学依据。汽车保险杠生产企业进行碳排放核算时,应考虑到生产各个环节,识别各环节碳排放并进行科学的核算。根据核算结果发展低碳技术、优化能源结构和加强管理等手段减少碳排放,实现节能减排目标,将碳减排压力转化为企业更新工艺、提高能源利用效率和减少污染物排放量的动力。