綠色低碳熱處理標準體系構建

徐躍明， 李 俏， 高 直， 羅新民

( 1. 北京機電研究所有限公司 北京 100083； 2. 中國機械工程學會熱處理分會， 北京 100083；3. 江蘇大學 材料科學與工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

氣候變化是人類面臨的共同問題，控制溫室氣體排放已成為各國的共識。1997年12月在日本京都聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國三次會議制定的《京都議定書》規(guī)定，發(fā)達國家從2005年開始承擔減少碳排放量的義務，而發(fā)展中國家則從2012年開始承擔減排義務。2015年12月12日在巴黎氣候變化大會上通過、2016年4月22日在紐約簽署的氣候變化協(xié)定即《巴黎協(xié)定》為2020年后全球應對氣候變化行動做出安排。其長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)。中國政府作為《巴黎協(xié)定》的締約方之一，在承擔國際責任履行國際義務方面體現(xiàn)了大國擔當，提出和采取了一系列措施和辦法。在2020年12月18日閉幕的中央經(jīng)濟工作會議上，將“做好碳達峰、碳中和工作”列為下一年度的重點任務之一，并提出我國二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。國務院在2021年10月26日印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》中提出[1]：到2025年，我國非化石能源消費比重達到20%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%，為實現(xiàn)碳達峰奠定堅實基礎；到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右，重點耗能行業(yè)能源利用效率達到國際先進水平，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，順利實現(xiàn)2030年前碳達峰目標。

標準是經(jīng)濟活動和社會發(fā)展的技術支撐，是國家基礎性制度的重要方面。標準化在推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化中發(fā)揮著基礎性和引領性作用。2021年10月，中共中央、國務院印發(fā)了《國家標準化發(fā)展綱要》[2]，提出建立健全碳達峰、碳中和標準，加快節(jié)能標準更新升級，抓緊修訂一批能耗限額、產(chǎn)品設備能效強制性國家標準，提升重點產(chǎn)品能耗限額要求，擴大能耗限額標準覆蓋范圍，完善能源核算、檢測認證、評估、審計等配套標準。加快完善地區(qū)、行業(yè)、企業(yè)、產(chǎn)品等碳排放核查核算標準。制定重點行業(yè)和產(chǎn)品溫室氣體排放標準，完善低碳產(chǎn)品標準標識制度，實施碳達峰、碳中和標準化提升工程。

熱處理作為先進材料和高端裝備制造的核心技術[3]，是現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎，在建設制造強國、推動高質(zhì)量發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。另一方面，熱處理在機械制造中用能約占1/3，屬于用能大戶。長期以來，節(jié)能降耗一直是行業(yè)綠色發(fā)展的重點工作，實施雙碳戰(zhàn)略也必將成為熱處理行業(yè)在新時代面臨的新任務和新挑戰(zhàn)。因此，急需加強標準化工作，建立和完善行業(yè)碳達峰、碳中和標準體系，為支撐和引領熱處理行業(yè)的綠色低碳發(fā)展打下堅實的基礎。

1 基本概念

1.1 “溫室效應”與“溫室氣體”

“溫室效應”主要是由于現(xiàn)代化工業(yè)社會過多燃燒煤炭、石油和天然氣后釋放出大量的二氧化碳氣體進入大氣造成的，二氧化碳氣體使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間擴散，其結果是地球表面變熱。因此，二氧化碳也被稱為溫室氣體。人類活動和大自然還排放其他的溫室氣體：氯氟烴(CFC)、甲烷、低空臭氧和氮氧化物氣體?？茖W家預測，如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2～4 ℃，南北極地冰山將大幅度融化，導致海平面大大上升，一些島嶼國家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個著名的國際大城市：紐約、上海、東京和悉尼。

目前人類每年向大氣排放溫室氣體超過510億噸當量。在工業(yè)生產(chǎn)和制造過程里，碳排放的大頭主要指發(fā)電、水泥、鋼材、塑料等。每生產(chǎn)1噸水泥會產(chǎn)生大約1噸二氧化碳；生產(chǎn)1噸鋼，就會產(chǎn)生大約1.8噸二氧化碳[4]。

1.2 “碳達峰”與“碳中和”

“碳達峰”是指某個地區(qū)或行業(yè)年度二氧化碳排放量達到歷史最高值后經(jīng)歷平臺期進入持續(xù)下降的過程，是二氧化碳排放量由增轉(zhuǎn)降的歷史拐點，標志著碳排放與經(jīng)濟發(fā)展實現(xiàn)脫鉤，達峰目標包括達峰年份和峰值。“碳中和”是指某個地區(qū)在一定時間內(nèi)(一般指一年)人為活動直接和間接排放的二氧化碳，與其通過技術創(chuàng)新減排二氧化碳和植樹造林等吸收的CO2相互抵消，實現(xiàn)二氧化碳“凈零排放”。一棵普通的樹，平均每天產(chǎn)生氧氣約為3653 g，吸收二氧化碳約為5023 g。

“碳達峰”與“碳中和”緊密相連，前者是后者的基礎和前提，達峰時間的早晚和峰值的高低直接影響“碳中和”實現(xiàn)的時長和實現(xiàn)的難度；而后者是對前者的緊約束，要求達峰行動方案必須要在實現(xiàn)“碳中和”的引領下制定。

據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)在《排放差距報告2020》數(shù)據(jù)顯示，2010～2019的十年間，前六大溫室氣體排放國(地區(qū))合計占全球溫室氣體排放總量(不包括土地利用變化)的62.5%，其中中國占26%，美國占13%，歐盟27國和英國占8.6%，印度占6.6%，俄羅斯占4.8%，日本占2.8%。中國要在2030年之前碳達峰，2060年之前實現(xiàn)碳中和，這是全球應對氣候變化進程中的里程碑事件[5]。

1.3 碳足跡 (carbon footprint)

“碳足跡”指的是由企業(yè)機構、活動、產(chǎn)品或個人引起的溫室氣體排放的集合。溫室氣體排放渠道主要有：交通運輸、食品生產(chǎn)和消費、能源使用以及各類生產(chǎn)過程。通常所有溫室氣體排放用CO2當量(CO2e)來表示。

1.4 碳交易

“碳交易”是為促進全球溫室氣體減排，減少全球CO2排放所采用的市場機制。即把CO2排放權作為一種商品，從而形成了CO2排放權的交易，簡稱“碳交易”。

2 熱處理碳排放

GB/T 32150—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》中規(guī)定，企業(yè)溫室氣體排放總量等于邊界內(nèi)的化石燃料燃燒所產(chǎn)生的排放量、工業(yè)生產(chǎn)過程排放量、以及企業(yè)購入的電力和熱力產(chǎn)生的排放量之和。

E=E燃燒+E過程+E購入電+E購入熱

式中：E為二氧化碳排放總量，單位為邊界內(nèi)噸二氧化碳(tCO2)；E燃燒為燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳(tCO2) ；E過程為過程二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳(tCO2)；E購入電為購入的電力所對應的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳(tCO2) ；E購入熱為購入的熱力所對應的二氧化碳排放量，單位為噸二氧化碳(tCO2)。

根據(jù)上述規(guī)定，除了企業(yè)邊界內(nèi)共有的購入的熱力對應的二氧化碳排放外，熱處理中的碳排放源主要有以下幾類[6-7]：

1) 加熱用電：熱處理消耗電能總量約200億千瓦時/年(加工約5000萬噸/年)，排放二氧化碳約2000萬噸(按消耗1千瓦時電能的二氧化碳排放量約為960 g)；

2) 加熱用天然氣和液化氣：約4億標準立方米/年，排放二氧化碳約400萬噸(1.33標煤，0.67排放系數(shù))；

3) 可控氣氛：約4萬臺(按總設備數(shù)20%)，排放二氧化碳約250萬噸(以1500 kg的中等爐型為例，其一年的二氧化碳排放量約為64 t)；

4) 其它：淬火油(每年消耗10萬噸)等淬火介質(zhì)、鹽浴、清洗劑等，排放二氧化碳約400萬噸。

3 綠色低碳熱處理標準體系

3.1 碳排放核算、管理及評價

相關標準主要包括溫室氣體排放的量化、監(jiān)測、報告、管理和評價要求。

ISO國際標準化組織針對溫室氣體的排放量化及減排，于2006年分別發(fā)布了ISO 14064-l《溫室氣體 第1部分：在組織層面溫室氣體排放和移除的量化和報告指南性規(guī)范》、ISO 14064-2《溫室氣體 第2部分：在項目層面溫室氣體排放減量和移除增量的量化、監(jiān)測和報告指南性規(guī)范》和ISO 14064-3《溫室氣體 第3部分：有關溫室氣體聲明審定和核證指南性規(guī)范》，2018年又發(fā)布了 ISO 14067《溫室氣體 產(chǎn)品碳足跡量化要求和指南》等標準。

我國國家標準化管理委員會2015年11月發(fā)布“11項首批碳排放管理”國家標準，包括GB/T 32150—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》以及發(fā)電、鋼鐵、民航、化工、水泥等10個重點行業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告要求。該標準中規(guī)定了工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算與報告的基本原則、工作流程、核算邊界、核算步驟與方法、質(zhì)量保證、報告內(nèi)容等六項重要內(nèi)容。發(fā)電、鋼鐵、鎂冶煉、平板玻璃、水泥、陶瓷、民航等溫室氣體排放核算和報告要求國家標準，主要規(guī)定了企業(yè)二氧化碳排放的核算要求，并對溫室氣體核算范圍做出了明確的界定。此后，不同行業(yè)和地區(qū)也陸續(xù)發(fā)布了相關標準和規(guī)范。

熱處理行業(yè)相關工作還處于起步階段，需要制定：《熱處理企業(yè)碳排放核算和報告要求》、《熱處理設備碳排放核算和報告要求》、《零件熱處理碳排放核算和報告要求》、《熱處理碳排放管理體系》、《低碳熱處理技術要求及評價》等標準。

3.2 熱處理節(jié)能與能源管理

在熱處理主要的碳排放源中，加熱用能源包括電和燃料折算后的碳排放約占總排放的75%以上。因此，節(jié)能是熱處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展的重點。《中國熱處理與表層改性技術路線圖》中也提出了減少能源消耗80%的目標。

在熱處理節(jié)能與能源管理方面，全國熱處理標準化技術委員會已制定和發(fā)布了GB/T 10201《熱處理合理用電導則》、GB/T 15318《熱處理電爐節(jié)能監(jiān)測》、GB/T 17358《熱處理生產(chǎn)電耗計算和測定方法》、GB/T 19944《熱處理生產(chǎn)燃料消耗計算和測定方法》、GB/Z 18718《熱處理節(jié)能技術導則》等重要標準，對加熱能源的合理使用、能源的統(tǒng)計和計算、可比用能單耗等進行了規(guī)定。

《熱處理能耗限值及評價方法》行業(yè)標準已通過全國熱標委審核，上報待批。標準中規(guī)定了熱處理能耗限定值，即在標準規(guī)定測試條件下，各種熱處理工藝在額定工況下所允許的能耗最高值。并按可比用能單耗，既根據(jù)不同的熱處理產(chǎn)品，按相關規(guī)定將生產(chǎn)的合格產(chǎn)品折算成可比標準產(chǎn)品(折合質(zhì)量)，計算得出實際生產(chǎn)耗能量與產(chǎn)品折合質(zhì)量的比值。對各種典型的熱處理工藝能耗進行了分等，如表1所示。

表1 熱處理工藝能耗限定值

表1中的三等是對應工藝的能耗限定值，二等能耗代表了國內(nèi)先進水平，一等能耗代表了國際先進水平。到2025年，力爭將熱處理能耗限定值提高到二等水平，基本可以達到《2030年前碳達峰行動方案》中提出的同期能源消耗下降目標，同時為2030年達到國際先進水平，實現(xiàn)熱處理行業(yè)碳達峰目標奠定堅實基礎。

實現(xiàn)熱處理節(jié)能需要從工藝、設備、管理等方面采取措施，當前的重點工作是：加強熱處理生產(chǎn)的能源管理，提高能源利用率；優(yōu)化熱處理加熱爐及爐內(nèi)工裝構件的結構設計，采用先進的耐熱及保溫材料，提高加熱能源效率；創(chuàng)新熱處理工藝，優(yōu)化工藝參數(shù)，注重余熱利用。進一步完善節(jié)能熱處理標準體系，加快制訂相關標準，如熱處理能源管理體系、余熱利用熱處理等。

3.3 綠色低碳熱處理

綠色發(fā)展，就是要發(fā)展環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)，降低能耗和物耗，保護和修復生態(tài)環(huán)境，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和低碳技術，使經(jīng)濟社會發(fā)展與自然相協(xié)調(diào)，是國家發(fā)展戰(zhàn)略。綠色熱處理是在保證熱處理質(zhì)量以及生產(chǎn)過程中人的職業(yè)健康安全的前提下，引入生命周期思想，優(yōu)先選用綠色原料、工藝、技術和設備，滿足基礎設施、管理體系、能源與資源投入、設備、工藝、環(huán)境排放等要求，并進行持續(xù)改進。

為助推熱處理行業(yè)的綠色發(fā)展，全國熱處理標準化技術委員會制定發(fā)布了：GB/T 38819—2020《綠色熱處理技術要求及評價》、GB/T 36561—2018《清潔節(jié)能熱處理裝備技術要求及評價體系》、GB/T 3082《熱處理環(huán)境保護技術要求》、GB 15735《金屬熱處理生產(chǎn)過程安全、衛(wèi)生要求》、JB/T 《熱處理行業(yè)綠色工廠評價》等綜合性標準，以及JB/T 11809—2014《真空低壓滲碳爐熱處理技術要求》、JB/T 11810—2014《真空高壓氣淬爐熱處理技術要求》、GB/T 39194—2020《真空低壓滲碳高壓氣淬熱處理爐技術要求》、JB/T 11806—2014《可控氣氛底裝料立式多用爐熱處理技術要求》、GB/T 38749—2020《可控氣氛熱處理技術要求》等綠色低碳熱處理設備標準，形成了較為完善的綠色低碳標準體系。

近十年尤其是“十三五”期間，我國熱處理行業(yè)踐行新發(fā)展理念，通過國家重大專項和國家重點研發(fā)計劃的支持和企業(yè)的自主研發(fā)，創(chuàng)新熱處理工藝和裝備，在綠色低碳熱處理方面取得了多項科研成果。以真空低壓滲碳高壓氣淬為代表的真空熱處理技術裝備取得突破，以真空低壓滲碳高壓氣淬設備為主組成的熱處理生產(chǎn)線已在精密齒輪熱處理生產(chǎn)中獲得實際應用(如圖1所示)。該技術利用C2H2的真空低壓滲碳可以提升碳的利用率達到50%～65%，滲碳氣體的消耗量只有氣體滲碳的1%左右，工藝過程中不產(chǎn)生CO 和 CO2排放；采用高壓氣淬取代油淬，冷卻過程可控，工件表面潔凈，無需后清洗，減少或避免了淬火油和清洗液造成的碳排放。

圖1 真空低壓滲碳高壓氣淬熱處理生產(chǎn)線

可控氣氛減量化技術與裝備取得重要進展。開發(fā)的雙室和三室預抽真空密封箱式多用爐技術以及氣氛循環(huán)利用技術(見圖2和圖3)，可使工藝氣氛消耗減少30%以上，同時可以取消前室火簾，減少燃氣消耗和廢氣碳排放；開發(fā)的底裝料多用爐技術(見圖4)，采用爐內(nèi)金屬馬弗可以使爐內(nèi)氣氛碳勢快速恢復和轉(zhuǎn)換，氣體消耗量比一般密封箱式多用爐少1/3～1/2；開發(fā)的連續(xù)熱處理爐真空鎖氣和密封技術(見圖5)，在進出料端配置了真空換氣室，防止爐內(nèi)保護氣氛損失，可節(jié)約80%以上保護氣氛用量。水-空氣可控制冷卻淬火技術是我國的首創(chuàng)，該技術以數(shù)值模擬和工藝大數(shù)據(jù)為基礎，通過清潔廉價的水-空氣靈活切換，調(diào)整淬火冷卻能力，有效避免淬火開裂和獲得高強韌性的強化效果，形成以水代油淬火冷卻的智能化系統(tǒng)技術，實現(xiàn)了淬火冷卻的節(jié)能、環(huán)保、安全目標，目前已在合金鋼尤其是大型零件的淬火中獲得大量成功應用(見圖6)[8-11]。盡快將這些科研開發(fā)成果轉(zhuǎn)化成標準，進一步完善綠色低碳熱處理標準體系，將是“十四五”熱處理標準化工作的重點。

圖2 三室結構預抽真空密封箱式多用爐

圖3 預抽真空密封箱式多用爐生產(chǎn)線

圖4 底裝料立式多用爐生產(chǎn)線

圖5 真空鎖氣可控氣氛連續(xù)退火熱處理爐

圖6 曲軸水-空氣淬火成套裝置

3.4 熱處理質(zhì)量與生產(chǎn)效率

賦予材料高性能、提高零件使用壽命是熱處理高質(zhì)量發(fā)展的根本任務。搞好熱處理，提高熱處理質(zhì)量，不僅可以成倍提高零件的強度，實現(xiàn)零件的輕量化和長壽命，還可以極大降低后續(xù)工序的成本。因此，搞好熱處理本身就是最大的節(jié)能節(jié)材和低碳。GB/T 30825《熱處理溫度測量》、GB/T 9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》、GB/T 32541《熱處理質(zhì)量控制體系》3個標準構成了熱處理質(zhì)量標準體系的核心和重要基礎，在熱處理質(zhì)量提升和行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了支撐作用?！笆奈濉睉哟髽藴蕦嵤┑母采w率，加快推進標準實施評價和熱處理質(zhì)量控制體系認證工作，為國家的綠色低碳發(fā)展貢獻熱處理的基礎支撐作用。

提高熱處理質(zhì)量還要重視數(shù)字化智能化的應用，以提高熱處理質(zhì)量的一致性，實現(xiàn)《中國熱處理與表層改性技術路線圖》中提出的質(zhì)量零分散度的目標。

傳統(tǒng)熱處理工藝周期長、生產(chǎn)效率低，由此會帶來高的能源消耗和碳排放，是綠色低碳熱處理和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須應對的挑戰(zhàn)和需要攻關的難題。發(fā)展高效熱處理，需要創(chuàng)新熱處理工藝，縮短工藝周期。開展零件、材料、工藝、裝備一體化研究，提高熱處理生產(chǎn)效率。如：傳統(tǒng)的熱處理加熱保溫時間計算不夠準確，甚至可能過于保守，會造成能源的多余消耗，采用數(shù)值模擬技術會有助于精確確定工藝參數(shù)，減少不必要的浪費；采用真空低壓滲碳高壓氣淬技術，將滲碳溫度提高到1050 ℃，直接進行高壓氣淬，可以幾倍減少齒輪滲碳淬火工藝時間；采用表面熱處理代替整體熱處理可以極大提高熱處理生產(chǎn)效率；采用稀土催滲可以加快化學熱處理過程，縮短工藝周期；采用預抽真空密封箱式多用爐、底裝料多用爐可以縮短滲碳生產(chǎn)時的輔助工藝時間，提高生產(chǎn)效率。

將上述技術成果等標準化，可形成稀土化學熱處理、熱處理數(shù)值模擬技術及應用指南、數(shù)字化智能化熱處理技術要求、高溫滲碳技術、激光表面淬火等標準，構成熱處理高效生產(chǎn)標準體系。

4 結語

“雙碳”對熱處理行業(yè)是挑戰(zhàn)，對推動行業(yè)高水平發(fā)展也是機遇。發(fā)展綠色低碳熱處理需要創(chuàng)新熱處理工藝及熱處理設備結構設計，加快先進熱處理設備的推廣應用，促進行業(yè)技術和裝備的更新?lián)Q代，進一步提高熱處理質(zhì)量。開展標準化研究，完善綠色低碳熱處理標準體系，加快相關標準的制修訂，支撐和引領行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，為建設制造強國更好發(fā)揮熱處理的核心基礎作用。