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“双碳”战略实施下,建筑陶瓷行业未来该怎么用能?行业专家分析

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本文作者为中国建筑卫生陶瓷协会

标委会秘书长 行业工作部主任 机械节能环保分会秘书长 张士察

 

建筑陶瓷行业是国民经济的重要组成部分,是改善民生,满足人民日益增长的美好生活需要不可或缺的基础制品业。

经过近四十年的高速发展,中国成为世界上最大的建筑陶瓷生产国和消费国,建筑陶瓷的产量占世界总产量的60%以上,产量、消费量多年稳居世界第一。

高速发展的同时,建筑陶瓷行业消耗了大量的资源和能源,产生了大量的温室气体。据行业测算,建筑陶瓷行业每年消耗原料1.5~2亿吨,消耗能源4000~6000万吨标煤,二氧化碳直接排放量0.9~1.4亿吨,间接排放量约0.4亿吨。

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双碳”战略的实施,对建筑陶瓷行业产生了巨大的冲击。从能耗“双控”、煤炭压减、环境保护“双碳”目标实现等综合角度考虑,须优化用能结构,支持和鼓励行业企业实现能源使用转型升级。

 

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建筑陶瓷行业使用的燃料经历了煤(碳)、油、煤(制气)、天然气(液化石油气)的用能过程。

我国陶瓷烧成传统上使用的燃料是木柴和煤炭。从20世纪50年代初开始,在沈阳、唐山等地开始使用发生炉煤气烧成建筑卫生陶瓷产品。20世纪50年代,我国从苏联引进常压固定床煤气发生炉。50年代到80年代初,我国煤气发生炉主要是国产的常压固定床煤气发生炉[1]。

随着我国石油工业的发展,从1971年开始,重油逐渐代替发生炉煤气。到80年代初,随着油烧隔焰辊道窑的普遍应用,重油成为建筑陶瓷的主要燃料。到90年代,由于对环境保护的要求提高,烧重油的企业后来改为烧轻柴油。

20世纪80年代,我国先后从意大利、美国、法国、英国等国家引进两段式煤气发生炉。随着使用量的增加,煤气化技术日趋成熟,明焰辊道窑逐渐代替隔焰辊道窑,并且具有高效、安全、节能等特点。进入90年代,其成本仅为燃油成本的1/3-2/3,经济效益明显,煤气化技术在陶瓷行业得到广泛应用。

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进入21世纪,国家对环境保护的力度加大。由于在煤制气过程中产生硫化氢、焦油、酚水等污染物,如果处理不好,会严重影响当地的空气和水的质量,很多地方政府从环境和饮用水安全考虑,要求将煤制气改为清洁的天然气。但由于天然气的供应量有限,到2015年底,我国建筑陶瓷行业的燃料还是以煤制气为主。

据建筑陶瓷产能调查,截止到2017年,建筑陶瓷产业窑炉用燃料中天然气占比已达到34%,2020年达到50%。

 

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根据国家有关部门发布的数据,2020年我国能源消费结构继续优化,消费总量49.8亿吨标准煤,煤炭消费比重进一步降至58%以内,天然气占比提高至8.5%,水核风光电等清洁能源的消费量占能源消费总量的比重已接近16%。

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图1 中国一次能源消费结构(预期)

《能源生产和消费革命战略》(2016—2030)提出,2021—2030 年,可再生能源、天然气和核能利用持续增长,高碳化石能源利用大幅减少。能源消费总量控制在60亿吨标准煤以内,非化石能源占能源消费总量比重达到20%左右,天然气占比达到15%左右,新增能源需求主要依靠清洁能源满足。展望2050年,能源消费总量基本稳定,非化石能源占比超过一半。

为实现2030碳达峰、2060碳中和目标,建筑陶瓷行业用能需向低碳、零碳能源转型升级。

1. 2030年前,天然气将成为行业使用的主要能源,但其价格和供应量等因素制约了天然气在行业的应用

天然气是清洁低碳的化石能源,将在全球能源绿色低碳转型中发挥重要作用。当前及未来较长时期,我国能源发展进入增量替代和存量替代并存的发展阶段,推动能源绿色低碳转型,有序扩大天然气利用规模,是助力能源碳达峰,构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要实现途径之一[2]。

未来15年,天然气供应量和消费量将呈上升趋势

2020年,中国天然气产量1925亿立方米,同比增长9.8%。天然气产量增速连续两年快于消费增速,供应安全保障能力持续提升。天然气进口量1404亿立方米,同比增加3.6%。中国天然气消费量3280亿立方米,增量约220亿立方米,同比增长6.9%,占一次能源消费总量的8.4%。

通过合理引导和市场建设,预计2025年天然气消费规模达到4300亿~4500亿立方米,2030年达到5500亿~6000亿立方米,其后天然气消费稳步可持续增长,2040年前后进入发展平台期。此后,随着电能、氢能替代加速,终端天然气消费量稳步下降,2060年降至500~1600亿立方米[3]。

在发热量相同的情况下,天然气的碳排放量比标准煤低近40%

国家发改委《节能低碳技术推广管理暂行办法》推荐的排放因子,煤炭取2.64 tCO2/tce,天然气取1.63 tCO2 / tce。采用天然气代替煤炭,可减排二氧化碳接近40%。

建筑陶瓷辊道窑采用天然气代替煤制气,具有节能效果[4]

窑炉使用煤制气时,由于煤制气的热值较低,为获得同样的窑内温度和保证窑内横向温差一致,所使用的窑炉煤制气烧嘴所配置风燃比较大,导致窑炉排烟量增加而增加了热量损失,因而煤制气的燃烧效率比使用天然气的燃烧效率低。窑炉从原来使用煤制气改为使用天然气之后,由于降低窑炉燃烧过程空气系数,减少了入窑的助燃风量和减少了出窑的排烟量,可以减少排烟热量损失,具有节能效果。

天然气占比提升空间较大

2020年,建筑陶瓷产量85.69亿平方米,消耗能源4700万吨标准煤。经测算,其中天然气约100亿立方米。天然气消费量占全国消费量的3%,占工业用天然气消费量的8.1%。随着“煤改气”政策的深入推进、“双碳”战略的实施,以及天然气“节能降碳”的优势,建筑陶瓷行业用能结构中天然气占比将进一步提升,成为行业主要的能源。

2030年,按天然气在建筑陶瓷生产综合能耗中的占比达到60%计算,天然气需求量约为300亿立方米,约占全国需求量的5%。

天然气价格和供应量等因素限制了其在建筑陶瓷行业的应用

天然气价格波动很大,特别是到了冬季供暖季,价格成倍上涨。

燃料成本占陶瓷砖生产成本的30%以上,普通陶瓷砖对天然气价格波动非常敏感,微薄的利润很容易被上涨的气价抵消。天然气供应量不能保证,断供现象频发,陶瓷企业损失惨重。以上因素导致陶瓷企业应用天然气的意愿降低。虽然“煤改气”政策深入推进,层层加码,甚至“一刀切”,但天然气替代煤制气进展依然缓慢。充足的供应量,稳定的价格,成为陶瓷企业共同的心声。据报道,液化天然气期货于2021年底正式获得证监会立项批复,正在加快推进上市工作。天然气期货上市以后,有助于形成我国天然气基准价格,减少天然气价格波动。

 

2. 2030年前,可用氢能不能满足行业大范围应用,局部有条件的地区可使用

氢能有“灰氢”、“蓝氢”、“绿氢”之分。目前国际上主要使用天然气制氢,我国则以煤制氢为主。全球制氢技术的主流选择是化石能源制氢,主要是由于化石能源制氢的成本较低,其中天然气制氢由于清洁性好、效率高、成本相对较低,占到全球48%。我国能源结构为“富煤少气”,煤制氢成本要低于天然气制氢,因而国内煤制氢占比最大(64%),其次为工业副产(21%)[5]。

2020年我国氢气产量约3342万吨,占世界氢气产量的近三分之一,是世界第一产氢大国,来源主要是化石能源制氢,电解水制氢不足1%。在终端消费领域,氢作为工业原料利用占比99%以上,氢作为能源利用占比不足0.1%,主要以氢燃料电池汽车的形式在交通部门利用[6]。

预计到2030年,我国氢气年产量将达到3700万吨,电解水制氢占比达到15%左右。大部分氢气用于工业原料,作为能源利用的消费量为320万吨,折合标煤1300万吨,其中有1000万吨标煤左右用于氢燃料电池汽车。

2030年前,可作为能源用于建筑陶瓷行业的的氢能远低于行业用能年消耗量,无法在行业内普遍应用,且不考虑运输、储存以及成本问题。

但是某些靠近氢资源丰富(如工业副产氢)的产区或企业,可考虑采用氢能作为主要能源,并加大氢能在建筑陶瓷产品方面的研发应用力度。

 

3.绿色电力及窑炉电气化是行业实现碳中和的关键

天然气虽然“节能降碳”,但还属于化石能源,仍有碳排放。2030年之后,行业能源结构将逐步向零碳能源转变。掺氢天然气或是一个过渡,氢能、生物质能等可作为补充。随着工业部门电气化水平的提升,建筑陶瓷行业用能将最终选用绿色电力。

根据温室气体排放报告补充数据表,2015年全国电网平均排放因子为 0.6101 tCO2/MWh,这一数据在此后的几年中一直被采用。2021年12月,在生态环境部办公厅最新发布的关于公开征求《企业温室气体排放核算方法与报告指南 发电设施(2021年修订版)》 (征求意见稿)中,全国电网平均排放因子调整为最新的0.5839tCO2/MWh,下降约4.3%。这一数字的下降体现出近年我国风电、光伏等清洁能源的飞速发展和火电厂平均供电标准煤耗的不断降低。

按0.5839tCO2/MWh进行折算,当前电力的二氧化碳排放因子为4.75kgCO2/kgce,其排放量是煤炭的约1.8倍,天然气的约2.8倍。因此当前阶段,行业电气化程度越高,对应的间接二氧化碳排放量也越高。当绿色电力占比提高到一定程度,全国电网平均排放因子下降到0.2tCO2/MWh以下时,采用电力的排放量才与等热值的天然气相当。

(1)绿色电力在电力中的占比将大幅度提高

2020年,全国全口径发电量为76264亿千瓦时,比上年增长4.1%,其中,水电13553亿千瓦时,比上年增长4.1 %;火电51770亿千瓦时,比上年增长2.6%;核电3662亿千瓦时,比上年增长5.0%;并网风电4665亿千瓦时,比上年增长15.1%;并网太阳能发电2611亿千瓦时,比上年增长16.6%[7]。

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图2 2020年全国全口径发电量结构

在“双碳”目标下,能源电力低碳化发展要求日益凸显,非化石能源发电装机容量将持续增长,电源结构朝着更加清洁低碳的方向发展。从发电量角度,非化石能源发电量占比由2020年的约30%逐步提升至2030年的50%,2060年80%-90%[8]。

水电仍是可再生能源发电的主力军

水力发电是再生能源发电的“领头羊”,远比风力和太阳能的发电量多。水力发电在中国的地位大大提升,目前在中国发电份额中燃煤发电居首,水力发电居第二位。截至2020年底,中国水电装机约为3.7亿千瓦,约占全国发电总装机容量的19%;发电量约为13553亿千瓦时,占全部可再生能源发电量的60%以上。2020年,全国全口径发电装机容量达220058万千瓦,全国全口径水电装机容量达37016万千瓦,占全部装机容量的16.82%。

根据中国水电发展远景规划,到2030年水电装机容量约为5.2亿千瓦,水电开发程度约60%。到2060年,水电装机约为7.0亿千瓦,水电开发程度为73%。

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风电是第三大常规电源

风力发电是一种清洁无污染、可永续利用的能源利用形式。经过40年的发展,风电已经发展成为中国继火电、水电之后的第三大常规电源,且在各类电源之中已具备一定的成本优势。目前,全国风电累计并网规模达到2.82亿千瓦,年发电量约为0.5万亿千瓦时。陆上风电的发电成本已降至与燃煤发电成本相当的水平,有些地区每千瓦时电甚至比煤电还低0.1元,海上风电有望在2025年前后实现平价上网[9]。

截至2020年底,全国风电累计装机容量为28153万千瓦[10],是2005年的225倍,占我国全部发电装机容量的12.8%。然而,风电在我国电力结构的比重仍然很低。2020年,全国风电发电量达到4665亿千瓦时,占全国总发电量的6.1%。

根据预测,2030年中国风电累计装机容量为4.45亿千瓦,2050年为12.54亿千瓦(大约是2020年实际风电累计装机容量的4.5倍);2030年风电发电量为0.84万亿千瓦时,2050年为2.45万亿千瓦时(大约是2020年的5倍)。2050年中国电力消费预计达到8万亿千瓦时[11](2020年全社会用电量7.51万亿千瓦时),这意味着届时风电在电力生产结构中的占比将达到30.6%。

光伏发电是增长最快的电源类型

近年来我国光伏发电保持快速增长,2020年装机容量已达2.5亿千瓦。在“整县光伏开发”等相关政策激励下,光伏发电发展将进一步提速。未来光伏发电将长期作为“双碳”目标下非化石能源发展的领跑者,在当前至2060年将保持强劲的增长势头,成为增长幅度最大的电源。预计2025年和2030年装机容量将分别达到约5.5亿千瓦和8.0亿~8.3亿千瓦,2060年增长至20亿千瓦左右。光伏发电装机容量当前低于煤电、水电、风电,预计将于2030-2035年期间成为容量最大的电源。

核电容量将稳步增长

核电是清洁、可靠的电源,且其利用小时数较高,在风电、光伏发电大规模发展的情况下能够对系统电力电量平衡作出较大贡献,是实现“双碳”目标的重要力量,应当在确保安全的基础上高效发展核电。2020年我国核电装机容量约为5000万千瓦。我国核电发展受到电站选址空间及规划建设周期等因素影响,在不发展内陆核电的情况下,预计2025年、2030年、2050年装机容量将分别达到约0.8亿、1.2亿、2.3亿千瓦,2050年后装机容量保持稳定。

(2)行业用能设备电气化发展成为必然趋势

据《中国能源电力发展展望》(2021),电能将逐步占据终端用能的核心地位,电气化率不断提升,2025年约为30%,2050年超过50%,2060年有望达到70%。

建筑陶瓷行业,2020年电能在综合能耗中的占比为10%-15%,提升空间很大。建筑陶瓷行业电气化率提升的关键在于窑炉设备的电气化。窑炉用能占比约60%,目前主要能源是煤制气和天然气。将气烧辊道窑改成电烧辊道窑成为提高行业电气化率的重要途径。

(3)电烧辊道窑比气烧更节能降碳

建筑陶瓷行业传统的烧成窑炉主要采用气烧辊道窑。电加热辊道窑是目前正在研发的新型窑炉,通过采用电烧辊道窑技术,无需助燃空气,烟气量下降80%以上,理论上烧成能耗降低50%左右。考虑气烧辊道窑余热利用,电烧辊道窑综合节能可达到20%以上。

气烧辊道窑改为电烧,按电力中绿色电力占比80%计,碳排放量降低约85%,减排效果十分显著。

(4)未来电价将更具有竞争力

行业最关心的问题是能源的供应量及价格的问题。能源的供应量由国家统一规划。而能源价格方面,由于化石能源的不可再生性,预计一次能源价格将继续保持上升态势;随着绿色电力技术的进步以及其占比的逐渐增大,电力价格将将呈现降低趋势,至少保持稳定,因此相比较于化石能源而言,电力价格将更加具有竞争力。这为行业电气化率的提升降低了阻碍。

 

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建筑陶瓷行业使用的燃料经历了煤(碳)、油、煤(制气)、天然气(液化石油气)的过程。2030年之前天然气将成为行业发展的主要能源,在有条件的地区,氢能也可作为一个替代补充。2030年之后,电气混烧可能会是一个过渡。随着电力结构绿色化程度提高,建筑陶瓷窑炉电气化成为行业碳中和的关键。陶瓷窑炉装备企业需提前布局,加大电烧辊道窑的研发力度,为行业实现2060年碳中和做出贡献。

 

  • [1]丁卫东,中国建筑卫生陶瓷史.
  • [2]中国天然气发展报告. 2021.
  • [3]中国能源电力发展展望. 2021.
  • [4]伍志良.陶瓷企业燃料“煤改气”技术措施及节能环保效益. 陶瓷. 2019.7
  • [5]2021氢能行业分析报告.
  • [6]中国能源电力发展展望 2021.
  • [7]中国电力行业年度发展报告2021.
  • [8]中国能源电力发展展望.2021.
  • [9]秦海岩.《地方政府接力,助推海上风电2025年平价发展》.中国风力发电网.
  • [10] 《国家能源局发布2020年全国电力工业统计数据》,国家能源局网站.
  • [11]李平. 刘强、王恰等. 《中国能源前景2018-2050》.

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