“双碳”管控,一文概述,一叶知秋
The following article is from 马哥说 Author 马立强
关于“双碳”话题,热火朝天,马哥今天也凑个热闹,给大家梳理一下碳排放的基础知识。本文将尝试回答如下问题:
● 中国为何要提出2030碳达峰2060碳中和?
● 中国碳排是什么水平,对比发达国家如何?
● 是什么因素促成碳达峰、促成碳中和的?
● 全球碳中和目标如果失败,将面临什么?
● 关于碳中和有哪些误区,哪些错误的观点?
● 实现碳中和的途径方法和手段有哪些?
● 有哪些实用、便捷的节能减排好技术?
1.背景知识
因为温室气体的排放导致全球变暖,给人类带来了重大灾难。人类活动增加了极端天气,如:高温、降水、干旱和热带气旋等天气发生的严重性和可能性。
因此国际社会达成一致,各国应逐渐减少对温室气体的排放。CO2是温室气体最主要的代表。
● 全球气候的管控文件:2015年法国巴黎气候大会达成的《巴黎协定》。
● 全球气候的管控目标:相较工业革命之前温升不超过2.0C,尽量控制在1.5C。
● 全球气候管控的节点:2050年全球实现碳中和则温升可控制在1.5C,如果2070年全球实现碳中和则温升可控制在2.0C。
温升幅度若要控制在1.5℃以内,基于温室效应的模型反推,地球未来允许增加的碳排放总量约是4300亿吨。暨,大气中允许缓存的CO2最大量为是当前水平再允许增加4300亿吨。即便是全球实现碳中和之后,这个量仍旧存在大气中,除非固碳速率高于排放速率,否则地球无法降温到当前水平。
全球190多个国家如何分配这4300亿吨CO2?
显然不可能存在一个让大家都满意,都觉得公平的分配方式。于是,大家约定各自做好自己,每个国家先自行“清零”,实现碳中和。所有国家在未来30到40年的时间先把自家排放清零后再说下一步,在这期间暂时不设定排放上限(否则对发展中国家来说不公平)。
虽然意见达成了一致,但实际全球累计排放肯定是会超过4300亿吨,预计从现在开始到全球碳中和会累计排放1万亿吨左右,所以未来还要考虑把这多排放的5700亿吨温室气体移除的任务分配问题。
2.严峻的形势
(1) 即便是所有《巴黎协定》缔约国均如期完成了减排“承诺”,地球仍然会升温超过1.5度。
(2) 除非全球在2050年前后,通过温室气体的深度减排,实现净零排放,否则1.5摄氏度和2摄氏度的目标都将落空。
(3) 2019年大气中CO₂的浓度处于至少200万年来的最高点,甲烷和氧化亚氮两种关键温室气体的浓度也处于至少80万年来的最高点。
(4) 气候临界点存在突破风险,气候临界点一旦被突破,就可能造成破坏性影响,灾害性后果包括冰原崩溃、海洋环流突变、复杂的极端天气事件和远超预估的全球变暖幅度。
(5) 即使全球升温保持在可接受的幅度内,也不能完全排除气候系统到达“临界点”、发生突然巨变的可能性,如南极冰盖迅速剧烈融化和森林枯萎。
(6) 上一次地球表面温度高于2.5摄氏度(与工业化前水平相比)是在300多万年前——人类正踏入未知的领地。
如上内容引自2021年的联合国领导的政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告。
3.术语与名词解释
温室气体指的是大气中能吸收地面反射的长波辐射,并重新发射辐射的一些气体,如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得更暖,类似于温室截留太阳辐射,并加热温室内空气的作用。
这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”。水汽(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、氧化亚氮(N₂O)、氟利昂、甲烷(CH₄)等是地球大气中主要的温室气体。
碳达峰是指某个地区或行业,年度碳排放量达到历史最高值(以年为单位),是碳排放量由增转降的历史拐点,标志着经济发展由高耗能、高排放向清洁的耗模式转变。
碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。中国2060年碳中和的目标包括全部主要的温室气体,而不单单是CO₂。
中国核证自愿减排量(CCER)可用于控排企业履约的一种碳指标,通常来自于新能源电力、沼气回收等项目,碳汇也是其中的一种。
碳捕集(利用)与封存(CCS/CCUS)就是把二氧化碳收集起来永久封印在地下,少部分以固态形式存在于地面上,微量被用于其它行业且不再进入大气,是实现碳中和的一大重要技术。
净零排放的定义:当一个组织的一年内所有温室气体(CO₂-e,以二氧化碳当量衡量)排放量与温室气体清除量达到平衡时,就是净零温室气体排放。
气候中性的定义:当一个组织的活动对气候系统没有产生净影响时,就是气候中立。在气候中立的定义中,还必须考虑区域或局部的地球物理效应。
IPCC:联合国领导的政府间气候变化专门委员会。
4.全球碳排放进展
中国是全球第一大碳排放国,2020年全球碳排放最多的国家和地区包括:中国(27%),美国(16%), 欧盟(11%)和印度(7%),未来中国承受的全球压力会越来越大,这也是习近平主席提出双碳目标的原因。将2060年设定为碳中和目标,介于2050年和2070年之间,既不让发达国家占尽便宜,也体现了大国担当。
尽管中国的排放总量偏高,人均排放量为7吨左右,与美国的人均排放17.6吨相差甚远,欧盟的人均排放量降至了7.3吨,也略高于中国的人均排放量水平,而美国却是世界平均水平的3倍足足有余。如果各个国家都达到美国的人均消耗量,四五个地球都不够用。全球人均达到中国目前的排放水平,碳排也会失控。可见,地球的环境负荷不允许装下这么挥霍能源的人,自然环境的自动调节与生态系统的再平衡过程,或许是地球控制人口的手段。
目前球近30个国家和经济体宣布了碳中和的目标。其中煤电排名前10的国家6个已经宣布。
5.决定碳达峰的因素是什么
本质上碳达峰是对化石能源的消耗达到“峰值”,什么时候会达到峰值呢?在能源仍旧以化石能源为主的情况下前,人均消费水平达到相对的峰值之时。
一个三口之家,如果已经家电齐全,拥有了汽车等运输工具,该家庭的能源消耗基本达到相对峰值,家庭的碳排也基本达到峰值。小处见大,一个国家的达峰也遵循这样的规律,放眼全球亦是如此。我国从2020年到2035年,在全面建成小康社会的基础上,再奋斗十五年,基本实现社会主义现代化。与之匹配的是,全民的生活水平显著提高,人均能源消耗量也将达到应程度,因此2030年碳达峰也是与我国经济与社会发展相匹配的。
但是,如果中国还是世界工厂,持物向其它国家供应商品,为世界人民生活水平的提高做贡献,碳达峰的道路还很遥远,除非能源结构转型成功,或是建立另外的贸易规则。
6.中国碳排放现状
(1)排放总量大
(2)达峰到中和的缓冲时间短
与欧洲相比,因为欧洲大致在上世纪八九十年代实现碳达峰,这是一个自然过程,事后才知道什么时间二氧化碳(CO₂)排放出现峰值,达峰之后又经历漫长平台期开始缓慢下降,然后即将走向快速下降,走向碳中和。明显可以看出:
l 欧盟承诺的碳中和时间与碳达峰时间距离是65-70年。
l 中国是人为设定了达峰时间表,我国承诺的碳中和与达峰时间距离是30年。
(3)我国单位GDP能源强度、碳强度水平军较高
根据数据显示,中国的单位GDP能源强度是世界水平的2倍多,碳强度是世界平均水平的3倍多、欧盟的6倍多。
7.中国碳交易市场的建立
碳交易制度在2010年被首次提出,随后2011年又提出开展碳排放交易试点建设自愿减排机制,随着国家对碳交易制度建设与完善的重视,到2017年,《全国碳排放权交易市场建设方案(发电行业)》的印发,标志着全国碳排放交易体系正式启动,而2021年7月,全国碳交易市场也正式启动。
中国碳交易市场基本设计原则:国家根据数据对企业进行碳排放配额分配,对于加强节能管理的企业B,其实际碳排放量少于国家分配的配额,则可出售配额;反观企业A,可能由于为了提高产品产量,使得实际排放量大于配额,则企业A可购买B出售的配额。
8.碳中和的误区与解决途径
由于中国目前的年碳排超过百亿吨,人均排放约7.4吨/年,家庭排放22吨/年左右。因此如下的减排技术显然不足:
(1)植树造林等固碳技术只能是锦上添花(每个家庭一年难以植树达到2t,何况22t);
(2)节能减排技术也是锦上添花。因为能源的转化效率可以提升,但是提升的程度非常有限,特别是在革命性技术出现之前;
(3) CO2转化成化学品的技术,固碳技术也是不足。一个家庭一年用不到20t的化学品。
碳中和是一个非常复杂的系统工程,需要通过多种技术渠道及各种努力去减碳,大众对碳中和的挑战及认知有一定局限,本节如下内容主要引自刘科院士在《碳中和误区及其现实路径》中的相关论述:
(1)关于碳中和的误区
第一个误区,是认为风能和太阳能比火电都便宜。如果要储电,其成本会远远高于火电,其最大的问题是非稳定供电。风能、太阳能发出来的电,电网没法全部承受,大规模储能问题解决不了,只能废弃更多。
第二个误区,是以为有个魔术般的大规模储电技术,认为如果储能技术进步,风能和太阳能就能彻底取代火电。目前还没有所谓的大规模储电技术。
第三个误区,有些人认为我们可以把二氧化碳转化成各种各样的化学品,比如保鲜膜、化妆品等等。据估算全世界只有大约13%的石油就生产了我们所有的石化产品,剩下的大约87%的石油都是被烧掉转化为能源的。从规模上二氧化碳制成化学品并不具备减碳价值。二氧化碳转化为其他化学品对减碳的贡献是相当有限的。
第四个误区,是说可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS(碳捕集、利用与封存技术)技术,把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯,再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。人类根本用不了那么多的化学品,CO2主要是能源消耗的结果。
第五个误区,是认为通过提高能效可以显著降低工业流程、产品使用中的碳排放,就可以实现碳中和。能效永远要提高,提高能效是世界上成本最低的减碳路线,但只要仍然在使用化石能源,提高能效对碳中和的贡献也是非常有限的。
第六个误区,是认为电动车可以降低碳排放。在全生命周期的碳排放分析看来,电动车考虑到电池生产过程中的排放,如果电网里的电大部分仍然是火电,电动车对减碳及全球气候变化影响非常有限。如果能源结构不改变,如果电网主要还是煤电,那电动车的扩张对减少碳排放的贡献非常有限。
燃料电池汽车,也就是我们说的氢能汽车,为什么没有产业化?最根本的原因是氢气不适合于作为大众共有的能源载体。氢不具备液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。
(2)实现碳中和的路径
刘科院士提出了几个可供选择的现实路径:
第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤制甲醇实现近零碳排放,另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,这样让煤制甲醇厂不在排放CO2;再用甲醇取代汽柴油开车,或甲醇和水在线制氢发电推动燃料电池汽车或作为电动车的充电宝;这样可大大降低交通运输业的CO2排放,也可以部分解决中国石油不够的问题。
第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。
第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,实现光伏和沙漠治理结合,及光伏和农业联合减碳。
第四,峰谷电与热储能综合利用。电不好储存,可以用热的形式储存下来,利用分布式储热模块,在谷电时段把电以热的形式储下来。
第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。
(3)能源结构转型
全球主要经济体要碳中和,要实现能源系统的低碳发展,在未来的时间里,以煤炭等为主流的格局将彻底改变,其他非化石燃料、可再生资源占比将大幅度提高。如果将全球温升控制在2C以内,能源结构变化趋势预估如下图所示:
说了这么多,
有没有能落地的东西啊?
节能减排的神器
针对节能减排技术,经过多年的观察和研究,特向大家推荐三款节能减排、精准治污的神器。
三大节能减排神器,为企业可持续发展助力!
#01
节能减排新技术推荐——高效富氧助燃技术
富氧燃烧大大提升能源的利用效率,节能减排,减少NOx的排放。
#02
浮动顶盖——大幅度减少企业运营成本,本质安全,低碳环保
浮盖:开放式液面加盖,隔绝挥发路径,抑制VOCs与恶臭挥发,将臭气捂在水池内。
#03
锅炉无磷药剂——大大减少蒸汽锅炉的排水率,节能减排效果显著
药剂:解决炉水结垢等“血稠、血栓”问题,通过有机螯合剂和分散剂,让钙镁离子在水中分散而不是结晶沉淀;有机酸碱缓冲液与水形成共沸物,避免水气两相PH不均衡,大大减少锅炉的排水率。
#01 富氧助燃技术
燃烧过程需要空气助燃,但是大量的N2被加热排放(空气中78%氮气,21%氧气),造成热量浪费的同时,产生了污染物NOx。
富氧燃烧将改变这一现状,大大提升能源的利用率,节能减排。该技术适用于金属冶炼、废物焚烧、锅炉供热等各种燃烧场景,应用于钢铁、有色、化工、固废等各个行业。
采用含氧量90%的富氧空气,节能减排效果极为明显。如下是一事例,单位能耗节约38%,全年节约1千万的费用,减少6000tCO2排放。
优势:
热效率更高
● 烟气体积仅为空气燃烧的1/4至1/7,烟气带走的热损失低
● 炉内气氛中有更多的三原子气体,传热系数高
● 气体在炉内的停留时间更长
采用分级燃烧,燃烧稳定、温度更加均匀、较常规氧气燃烧火焰温度降
● 对耐材的影响降低
● 更低的NOx
火焰形状可调,炉内气氛可控
烟气系统风险降低,易于达标排放
节能减排碳中和利器
#02 浮动顶盖产品介绍
浮动顶盖(又称“浮盖”)技术是一种减少石油和化工行业储罐和污水池VOCs及恶臭排放的技术,采用多个六边形结构的盖体在储罐或敞开液面上方自动组合形成一个“浮盖”以防止VOCs和恶臭逸散。这是一款国标(GB37822)首选推荐技术:
浮盖的投放视频如下,可以自动拼接哦!
1. 传统技术的弊端
• 一次性投入和运营成本高,电费、耗材(活性炭、药剂、菌种等)等费用高,监测、台账等管理成本高;
• 安全事故多,窒息与火灾爆炸事件时有发生(2020年有27起事故,死亡接近60人,具体见下表);
• 安装和运维麻烦,影响生产,而且检维修不便捷、运维麻烦;
• 废气的处理效率低,不是真环保。活性炭和喷淋等技术,处理效率只有50~60%,而且产生沉没污染(二次、三次污染)。
2020年污水处理安全事故汇总(死亡约60人)
注:如上信息来自于网络查询。
2. 浮盖的优势
• 安装简单便捷,无运营成本
• 本质安全,抑制风险
• 适用各种尺寸各种形状,
• 废气治理效果好(覆盖率95%左右,减排效果明显)
• 低成本(运营10年,投入不到传统技术的20%)
3. 企业的收益
省钱、省事、合规、安全、低碳、环保。
• 省钱:运营10年综合评估,浮盖的投入只占传统技术的20%;
• 省事:安装便捷,无运营压力,不需要才做台账和监测等;
• 合规:符合国标GB37822的要求
• 安全:没有气相空间,没有窒息和火灾爆炸风险
• 低碳:没碳排放,相较传统技术大大节能
• 环保:覆盖率95%左右,减排效果明显,优于传统技术
4. 成功案例
除此之外,近期由“国家环境保护恶臭污染控制重点实验室开放基金”资助的“六角形移动浮盖在市政污水臭气治理中的应用”课题研究已经结束,由于该论文尚未正式发表,数据尚不对外。但是基本结论是:浮盖对臭气浓度和TVOC的抑制率高达95%以上,臭气强度大大降低,抑制效果稳定,可靠性高。
5. 适用场景
具有开放式液面的所有行业(废水池、渗滤液、沼气池等等),以及重油、柴油、污水罐等储罐内。特别注意,曝气池(好氧池)不适合。
关于浮动顶盖的详细介绍请见“VOCs的过度治理现象与'暗黑'神器:浮动顶盖”。
#03 锅炉无磷药剂产品介绍
1. 传统技术的弊端
• 高温情况下炉水成酸性,传统药剂用氨调PH,但是水相与气相PH不均衡,氨多数都到气相中,造成腐蚀;
• 在炉水中添加氢氧化钠,调节水相的PH,会引起炉水起泡,导致蒸汽出现机械携带,造成锅炉蒸汽品质的下降,过多的盐分带入到过热和饱和蒸汽中,会在汽轮机叶片与其他磷酸盐、铁以及其他离子发生反应或者溶解析出,形成积盐;
• 磷酸三钠等药剂伤敌一千自伤八百,锅炉水中带入过多钠离子,并形成沉淀物;PO43-本身是成垢基团,在高温高压下无法对锅炉提供有效的钝化防护,因化合的磷酸铁盐是其与腐蚀性离子Fe3+形成的;
• 传统的除氧剂为联氨,属于致癌物质,且废水含磷污染环境;
• 为了降低电导率和腐蚀,必须定期排放炉水,造成排水率居高不下,一般是2~5%(一年8000小时,合计排水量约是锅炉蒸发量的160~400倍,排的都是高温热水),甚至有些高达10%,浪费水源而且能耗巨大。
2. Sywater®BWT无磷药剂的优势
• 解决结垢和积盐问题:可以对汽轮机体、过热器等已经存在的垢层和积盐逐步清除,并且长期使用还会在金属表面形成有机分子平行膜,从而保证二氧化硅、电导等指标更加优异。
• 解决腐蚀问题:不但可以有效吸收酸性气体和起到中和作用,并且可以在金属表面形成有机分子平行保护膜,有效隔绝二氧化碳、O2、以及其他杂质和离子对金属的腐蚀,同时其对电化学腐蚀和冲刷腐蚀也有较强的抵御能力。
• 平衡水汽全系统的pH:药剂属于有机挥发类产品,不但可以有效保护水侧的管道和冷凝设备不受腐蚀,而且可以有效的保护气侧的管道不受腐蚀。因本品不含有氨,因此可以避免氨对铜或铜合金的腐蚀,并且可以应对解决氨的汽液配比不合理导致的冷凝腐蚀。
• 为短期的停运保护提供膜保护:在锅炉停运期间,药剂形成的有机分子平行膜有效保护包括省煤器、汽包、过热器和水冷壁在内的所有位置免受腐蚀威胁,因此在面临锅炉启动期间时,炉水和蒸汽可以快速达到标准,缩短机组启动时间。
• 极大降低排污率:锅炉总排污率最低可降至0.3%,一般都可以控制到1%以内。药剂属于非离子产品,其投加不会增加水中的TDS含量,也不影响炉水电导率。所以,与传统的磷酸盐投加方式相比排污率更低,即使维持较高的浓缩倍率条件下,能够保证蒸汽的品质更加洁净,因此可以最大程度的降低锅炉排污率,也同时可以提高热能的利用率。
• 全面改善水汽品质:有效减少全铁含量,有效降低蒸汽中的二氧化硅含量,由于分子膜在水侧和气侧的全系统的保护性,可以降低冷凝水系统因腐蚀导致的铁离子升高的问题。
• 改变蒸汽沸腾方式,提高换热效率:具有传统锅炉水处理方式不具备的特有的功能,他可以通过与蒸汽的共沸,改善蒸汽的沸腾方式,在凝汽器等蒸汽换热设备内,由膜或线状的沸腾方式改为点状或珠状的沸腾,大幅提高(0.1%-0.4%)热力系统的整体换热效率。
• 对炉水中“溶解氧”的耐受指标更高:在大部分常用的中高压以及超高压锅炉中,要求的溶解氧含量在15ug/l和7ug/l以下,由于有机分子平行膜的保护,锅炉水-蒸汽系统可以耐受更高的溶解氧含量,使其可以免受短时间溶解氧超标带来的腐蚀危害。
3. Sywater®BWT无磷药剂与传统药剂的对比
传统磷酸盐技术、国内含磷复配药剂技术和Sywater®BWT药剂技术的对比如下表所示:
4. 企业的收益
省钱、省事、安全、低碳、环保。
• 省钱:药剂带来了显著的节能效果,大大降低锅炉的运营成本,药剂费用只占到企业节省费用的50~60%,相当于不仅不必花钱买药剂,反而赚钱;
• 省事:传统定排每天1~4次,如今一周甚至一月才需要定排一次,省事很多;
• 安全:锅炉的爆管风险大大降低,传统药剂配置过程的风险被消除;
• 低碳:节能效果明显,减排效果自然显著,具体可见下表,
• 环保:废水不含磷,不用联氨,减少75%以上的排放,节水与环保效果明显。
5. Sywater®BWT无磷药剂给企业带来的效益
假设100t/h蒸发量的蒸汽锅炉,使用Sywater®BWT无磷药剂后排水率从3.5%降低至0.5%,其节水、节能、减排与经济效益预估如下图所示。
可见,使用Sywater®BWT无磷药剂后,100t/hr的中压锅炉每年节水达2.4万吨,CO2减排超过3000t/年,节约费用90万以上。如果是燃气锅炉,其经济效益更加明显。
6. 成功案例
如下一家国企用户的3台150t锅炉面临积盐、腐蚀、高排水率等严重问题,在使用Sywater®BWT药剂2整年后给出了盖红章的评价:
• 排水率由4%下降到0.5%
• 年节水12.6万吨(除盐水)
• 年节省费用350万元
• 给水指标满足工艺需求
由此可见,Sywater®BWT药剂的经济与社会价值巨大,应用前景广阔。
7. 适用场景
各种类型的蒸汽锅炉(超临界蒸汽锅炉除外),最好是蒸发量较高50t/hr以上的锅炉,其综合效益更加明显。
来源:马哥说
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