碳中和背景下電池鎳行業發展趨勢及應對措施

吳 琦,馬文軍

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

工業革命以來,人類行為排放了大量溫室氣體,據英國石油公司的數據顯示,2013年以來,全球碳排放量保持持續增長,2019年,全球碳排放量達343.6 億t,創歷史新高,2020年,全球碳排放量下降至322.8 億t[1]。 溫室氣體排放對全球氣候造成重大影響,全球氣候變化成為國際社會普遍關注的重大問題。

自1992年《聯合國氣體變化框架公約》簽署后,全球應對氣候變化取得了實質性的進展,1997年簽訂的《京都議定書》確定了碳減排約束指標,2015年簽署的《巴黎協定》確定了將全球氣溫升幅控制在工業化前水平2 ℃之內的目標。 2020年9月,我國提出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。 據統計,1990—2030年期間全球共有38 個經濟體已實現碳達峰或承諾實現碳達峰[2],電動汽車作為應對全球氣候變化的重要舉措,在全球取得了良好的發展,2020年全球在冊電動汽車超過1 000 萬輛[3],歐盟第一次取代中國成為全球最大的電動汽車市場。 未來隨著電動汽車市場的進一步發展,對電池鎳產品的需求將持續增加,但在碳中和約束下,未來電池鎳產品生產行業發展也必將隨著碳中和政策的發展而演變。

1 電池材料未來面臨的政策環境

電動汽車產業鏈的碳減排一直是各方關注的焦點,尤其是電池材料的碳排放水平及其碳減排趨勢已成為包括監管機構在內的各方關注的重點。 歐盟作為世界第一大電動汽車市場,已在其2020年提出的《電池法案》(草案)中對電池價值鏈引入碳排放量、原材料供應、可再利用原材料使用比率等具體環保規定,計劃建立新的電池監管框架。 該草案旨在解決以下問題:①缺乏鼓勵投資與可持續電池生產能力的框架;②回收市場的持續運營和循環利用未形成閉環;③歐盟環境法未能涵蓋社會和環境風險。草案的第一個變化是提高了管控層級,將管控形式從原來的“指令”改為“法案”,第二是強化了碳中和要求。

根據草案,從2024年7月起,工業及電動汽車電池制造商和供應商須提供碳足跡聲明,包括以下內容:①電池生產者的信息;②聲明適用的電池信息;③電池生產設施的地理位置信息;④電池的總碳足跡;⑤電池在不同生命周期階段的碳足跡;⑥獨立的第三方驗證聲明;⑦可以訪問支持碳足跡申報結果的網絡連接地址。

從歐盟出臺的這一政策來看,碳排放指標將成為電池能否進入歐盟市場的重要影響因素;此外,從全球發展趨勢來看,電池材料碳排放未來將成為各國監管的重點,推動電池材料實現全壽命周期內的低碳排放甚至碳中和將成為未來各國政策監管的主要方向。 這無疑將對今后電池材料的生產流程及生產工藝技術路線產生重要影響,電池用鎳原料的全生命周期將必須考慮碳排放強度是否符合下游市場需求。

2 紅土鎳礦生產電池鎳原料主要工藝及其碳排放

2.1 紅土鎳礦生產電池鎳原料主要工藝

根據美國地質調查局的數據,全球陸地上鎳資源量超過3 億t(金屬量),紅土鎳礦資源量約占全球鎳資源60%左右,隨著硫化鎳礦資源的消耗和紅土鎳礦冶煉技術的成熟,紅土鎳礦產鎳已成為全球鎳供應的主要來源,在未來電動汽車原料供應鏈中,紅土鎳礦仍然將是電池鎳原料供應當仁不讓的主導力量。

紅土鎳礦生產電池材料主要工藝路線有兩種:一種是火法生產工藝,一種是濕法生產工藝。 紅土鎳礦的火法工藝是在高溫條件下使紅土鎳礦經受一系列的物理化學變化過程,實現鎳與其他雜質分離的冶金工藝技術;紅土鎳礦的濕法工藝利用浸出劑將紅土鎳礦中的鎳鈷有價元素溶解在溶液中,實現鎳鈷與其他雜質分離的冶煉工藝技術。

2.1.1 火法工藝

火法工藝中間產品生產工藝環節主要包括:原礦干燥、焙燒預還原、電爐熔煉、粒化配料、鎳鐵硫化和鎳锍吹煉等工序。

1)原礦干燥。 紅土礦在回轉窯中以焙燒煙氣和煤氣作為熱源對紅土鎳礦進行干燥,將紅土鎳礦從含水約30% ～40%干燥到含水20% ～22%左右。干燥后礦石供焙燒使用。

2)焙燒預還原。 干燥后的紅土礦通過焙燒窯進一步干燥并脫除其結晶水,在蘭炭作為還原劑的氛圍下,還原紅土鎳礦中部分鐵、鎳和鈷氧化物;生成的高溫焙砂從回轉窯連續排出進入焙砂中間料倉。

3)電爐熔煉。 將部分還原的焙砂采用高電壓熔煉模式進行熔煉,在電爐內熔化后分成渣和金屬兩相,焙砂中殘留的碳將鎳和部分鐵還原成金屬,形成鎳鐵。 爐渣通過電爐的排渣孔排出,通過流槽流入渣水碎系統。 熔融金屬通過電爐的鎳鐵放出口定期放出進行水碎。

4)粒化配料。 熱態鎳鐵經水碎后形成粒狀物料,并與各種物料進行配料后,經過計量輸送到下個工序。

5)鎳鐵硫化。 配好的原料加入硫化轉爐熔池中,與液態硫磺和空氣在爐體內發生硫化反應,大部分的鎳、鈷以及小部分鐵與硫磺發生硫化反應,生成金屬化中鎳锍;約70% ～80%的鐵與鼓入的空氣發生氧化反應,并與石英石造渣生成硫化轉爐渣。

6)鎳锍吹煉。 硫化產出的中鎳锍通過由鎳锍包加入到吹煉轉爐中,與配入的各種冷料、熔劑等在轉爐中進行反應,中鎳锍中超過90%的鐵與鼓入的空氣發生氧化反應,并與石英石造渣生成爐渣;大部分的鎳和鈷保留在锍相中生成高鎳锍。 高鎳锍水碎后得到高鎳锍粒化產品;爐渣由冶金橋式起重機傾倒至渣場,冷卻破碎后返回硫化或吹煉。

2.1.2 濕法工藝

濕法工藝中間產品生產工藝環節主要包括:礦漿制備、礦漿濃密、高壓酸浸、逆流洗滌、除鐵鋁、鎳鈷沉淀和尾渣中和等工序。

1)礦漿處理。 礦石經篩分、洗礦工序實現礦石不同粒度的分級,將巖石及粗粒級物料分離,細物料與水漿化形成礦漿。

2)高壓酸浸。 礦漿經預熱后泵入高壓釜,并向高壓釜內加入適量的濃硫酸、高壓蒸汽等進行酸性浸出。 浸出后,礦漿經過閃蒸槽對高壓釜排料礦漿進行降溫降壓,最終從低壓閃蒸槽排出。

3)逆流洗滌。 包含富液和浸出渣的高壓酸浸礦漿溶液,通過逆流洗滌工序實現固液分離并分離出浸出渣中的有價金屬。

4)除鐵鋁。 中和逆流洗滌溢流液中的游離酸,通過控制pH,可去除溶液中大部分的鐵、鋁雜質。

5)鎳鈷沉淀。 采用氫氧化鈉與溶液中的鎳鈷反應,生成氫氧化鎳鈷混合物,沉淀后經過濾及包裝生成鎳鈷中間產品。

6)尾渣中和。 逆流洗滌的濃密機底流、鐵鋁渣、高壓酸浸尾氣洗滌洗水、二段氫氧化鎳鈷沉淀濃密溢流液以及冶煉廠其他廢水等進入尾渣中和槽,經堿性藥劑中和后,中和礦漿送尾渣庫或進行深海填埋。

由于兩種工藝技術處理紅土鎳礦在原料處理和生產過程等方面存在諸多差異,為了使兩者的碳排放對比具有更好的可比性,比較范圍界定為從紅土鎳礦生產出鎳中間產品并經后續加工產出硫酸鎳產品。 據此將比較范圍劃分為兩個大的階段:一是紅土鎳礦采用火法或濕法工藝生產出鎳中間產品,二是鎳中間產品加工生產出硫酸鎳產品。

兩種工藝鎳中間產品生產的簡化流程圖分別見圖1和圖2[4]。 兩種工藝主要特點對比見表1。

圖1 火法工藝流程簡圖

圖2 濕法工藝流程簡圖

表1 紅土鎳礦工藝對比表

對應兩種不同工藝的中間產品,后續硫酸鎳生產工藝以濕法工藝為主,主要工藝流程包括中間產品處理后,采用濕法浸出工藝,使中間產品中鎳元素形成硫酸鎳溶液,溶液經凈化萃取,實現硫酸鎳產品與其他元素的分離,形成高純硫酸鎳溶液,蒸發結晶后,生產出硫酸鎳產品。 硫酸鎳生產過程的主要排碳介質涉及電、蒸汽等能源和中和用石灰石。

2.2 兩種工藝生產電池鎳碳排放強度分析

從未來電池用鎳原料發展趨勢來看,印度尼西亞作為全球少數具有鎳和煤炭資源優勢的國家,將成為全球電池用鎳原料的重要基地,因此本文以印度尼西亞電池鎳產業為對象,即以紅土鎳礦為原料,計算火法工藝和濕法工藝兩種不同工藝生產電池鎳產品的碳排放強度(噸鎳產品產生的二氧化碳量)。

2.2.1 碳排放強度計算基本原則

為了使不同工藝生產電池鎳原料的碳排放強度具有可比性,碳排放強度計算過程按以下原則進行。

1)計算范圍包括從接收紅土鎳礦到生產出硫酸鎳產品為止。

2)生產所需電力按企業自建燃煤電廠考慮。

3)其他排碳介質如煤、蘭炭、石灰石等按外購考慮。

3)計算只考慮二氧化碳排放,暫不考慮除二氧化碳外的其他溫室氣體。

4)計算界線為廠區內,不包括外部運輸產生的二氧化碳。

2.2.2 碳排放計算的基礎數據

兩種工藝進行碳排放計算的基礎數據詳見表2[3]。

表2 兩種工藝排碳介質情況對比

2.3 碳排放強度分析

根據上述對兩種電池材料生產工藝碳排放強度的計算范圍和基礎數據,計算兩種不同工藝的碳排放強度,結果見表3[5]。

表3 兩種工藝噸鎳碳(CO2)排放量對比tCO2

火法工藝生產電池鎳產品噸鎳碳排放量為74.6 t CO2,而濕法工藝噸鎳碳排放量僅為20.5 t CO2,為前者的27.4%。 從生產環節來看,中間產品火法工藝噸鎳碳排放量達到69.9 t CO2,占其總量的93.7%,濕法工藝則為14.8,占其總量的72.3%。

總體來看,濕法工藝生產電池鎳產品,具有較低的能耗水平,碳排放強度也大大低于火法工藝,是具有競爭力的低碳電池鎳生產工藝技術;而火法工藝受限于能耗水平和碳中和壓力,仍需進一步完善。

3 電池鎳生產行業發展趨勢及應對措施

電池鎳作為新能源汽車發展的重要基礎材料,電池材料生產過程的低碳綠色化將受到更多關注,無論是重要電池鎳供應地區還是電池生產企業都將面臨更大的碳減排壓力,降低產業鏈各環節的碳排放強度,推動碳中和將是行業未來發展必須面對的挑戰。 電池材料行業對于碳中和帶來的挑戰,需要采取措施積極應對。

1)推動節能低碳技術的推廣應用。 單純從技術來看,紅土鎳礦的火法處理工藝和濕法處理工藝都是生產電池鎳產品的成熟工藝技術,影響電池鎳產業工藝技術發展的因素除能源外,實現生產過程和全產業鏈的低碳或無碳排放將是未來較長時期內技術進步的目標與重點。 推廣節能低碳技術,降低工藝過程能源消耗,降低工藝過程碳排放將是產業發展應對碳中和的重要手段。

2)優化電池原料供應結構降低產品碳排放。火法工藝碳排放強度約為濕法工藝碳排放強度的3倍,要保證企業電池鎳原料碳排放達到行業平均水平,就必須優化企業電池鎳供應結構,可通過提高濕法工藝電池鎳原料占比,來降低整體電池原料碳排放強度。

3)優化企業能源結構降低碳排放。 無論是火法工藝還是濕法工藝,能源消耗是企業生產必不可少的基礎。 在碳中和約束下,電池鎳生產企業依托生產工藝拓展產業鏈,優化印尼以煤炭為主導的能源消費結構,推動光伏發電、水電和氫能等清潔能源大規模使用,建立更為低碳的能源消費結構,也是產業健康發展需要考慮的重要方向。

4)加強低碳和無碳技術研發。 優化現有工藝技術,實現碳排放介質的降低或替代,研究開發顛覆性的低碳和無碳電池鎳生產工藝技術,實現電池鎳產品全生命周期的低碳化將是未來產業發展的關鍵舉措。

5)充分運用市場手段解決碳中和。 除采取技術措施外,企業也要跟蹤碳交易市場,選擇合適市場時機購買碳減排額以抵消自身排放量,資助相關的碳減排或植樹項目,實現企業電池鎳生產的低碳化和碳中和,將是行業龍頭企業引領產業發展的重要舉措。

4 結語

隨著全球應對氣候變化進程的推進,動力電池材料產業作為新能源汽車發展的重要支撐產業,面向低碳化和碳中和將成為不可逆轉的趨勢。 生產企業需要進一步推動生產過程節能降耗和能源結構調整,推動電池鎳生產過程的低碳化和無碳化,為推動全球實現碳中和目標貢獻力量。