建筑陶瓷行業(yè)用能展望*

張士察

(中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會 北京 100020)

建筑陶瓷行業(yè)是國民經濟的重要組成部分,是改善民生,滿足人民日益增長的美好生活需求不可或缺的基礎制品行業(yè)。經過近40年的高速發(fā)展,中國成為世界上最大的建筑陶瓷生產國和消費國,建筑陶瓷的產量占世界總產量的60%以上,產量、消費量多年穩(wěn)居世界第一。

高速發(fā)展的同時,我國建筑陶瓷行業(yè)消耗了大量的資源和能源,并產生了大量的溫室氣體。據(jù)行業(yè)測算,建筑陶瓷行業(yè)每年消耗原料1.5～2億t,消耗4000～6000萬t標煤,二氧化碳直接排放量為0.9～1.4億t,間接排放量約為0.4億t。

1 建筑陶瓷行業(yè)用能發(fā)展的歷程

建筑陶瓷行業(yè)使用的燃料經歷了煤(碳)、油、煤(制氣)、天然氣(液化石油氣)等的用能過程。

我國陶瓷燒成傳統(tǒng)上使用的燃料是木柴和煤炭。從20世紀50年代初開始,在沈陽、唐山等地開始使用發(fā)生爐煤氣燒成建筑衛(wèi)生陶瓷產品。20世紀50年代我國從蘇聯(lián)引進常壓固定床煤氣發(fā)生爐。到20世紀80年代初,我國煤氣發(fā)生爐主要是國產的常壓固定床煤氣發(fā)生爐。隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展,從1971年開始,重油逐漸代替發(fā)生爐煤氣。到20世紀80年代初,隨著油燒隔焰輥道窯的普遍應用,重油成為建筑陶瓷的主要燃料。到20世紀90年代,由于對環(huán)境保護的要求提高,燒重油的企業(yè)后來改為燒輕柴油。

20世紀80年代,我國先后從意大利、美國、法國、英國等國家引進兩段式煤氣發(fā)生爐。隨著其使用量的增加,煤氣化技術日趨成熟,明焰輥道窯逐漸代替隔焰輥道窯,并且具有高效、安全、節(jié)能等特點。進入20世紀90年代,其成本僅為燃油成本的1/3～2/3,經濟效益顯著,煤氣化技術在陶瓷行業(yè)得到廣泛應用。

進入21世紀,國家對環(huán)境保護的力度加大。由于在煤制氣過程中產生硫化氫、焦油、酚水等污染物,如果處理不好,會嚴重影響當?shù)氐目諝夂退馁|量。很多地方政府從環(huán)境和飲用水安全考慮,要求將煤制氣改為清潔的天然氣。但由于天然氣的供應量有限,到2015年底,我國建筑陶瓷行業(yè)的燃料主要還是以煤制氣為主。據(jù)我國建筑陶瓷產能調查,截止到2017年,國家建筑陶瓷產業(yè)窯爐用燃料中天然氣占比已達到34%,2020年達到50%。

當前,建筑陶瓷生產用能主要有煤炭、天然氣(含液化石油氣)、電能等。據(jù)行業(yè)測算,2020年建筑陶瓷行業(yè)用能結構如圖1所示。其中,煤炭占比為56%,天然氣占比為28%。且電能占比為15%,其他1%。

圖1 2020年建筑陶瓷行業(yè)用能結構

2 行業(yè)未來可用能源的分析

根據(jù)國家有關部門發(fā)布的數(shù)據(jù),2020年我國能源消費結構繼續(xù)優(yōu)化,消費總量49.8億t標準煤,煤炭消費比例進一步降至57%以下,天然氣占比提高至8.4%,水核風光電等清潔能源的消費量占能源消費總量的比例已接近16%。

圖2 中國一次能源消費結構(預期)

《能源生產和消費革命戰(zhàn)略》(2016～2030)提出,2021～2030 年,可再生能源、天然氣和核能利用持續(xù)增長,高碳化石能源利用大幅減少。能源消費總量控制在60億t標準煤以內,非化石能源占能源消費總量比例達到20%左右,天然氣占比達到15%左右,新增能源需求主要依靠清潔能源滿足。展望2050年,能源消費總量基本穩(wěn)定,非化石能源占比超過一半。

為實現(xiàn)2030碳達峰、2060碳中和目標,我國建筑陶瓷行業(yè)用能須向低碳、零碳能源轉型升級。

2.1 2030年前,天然氣將成為行業(yè)使用的主要能源,但其價格和供應量等因素制約了天然氣在行業(yè)的應用

天然氣是清潔低碳的化石能源,將在全球能源綠色低碳轉型中發(fā)揮重要作用。當前及未來較長時期,我國能源發(fā)展進入增量替代和存量替代并存的發(fā)展階段,推動能源綠色低碳轉型,有序擴大天然氣利用規(guī)模,是助力能源碳達峰,構建清潔低碳、安全高效能源體系的重要實現(xiàn)途徑之一。

未來15年,天然氣的供應量和消費量將呈上升的趨勢。

2020年,我國天然氣產量1 925億m3,同比增長9.8%。天然氣產量增速連續(xù)兩年快于消費增速,供應安全保障能力持續(xù)提升。天然氣進口量1 404億m3,同比增加3.6%。中國天然氣消費量3 280億m3,增量約220億m3,同比增長6.9%,占一次能源消費總量的8.4%。

通過合理引導和市場建設,預計2025年天然氣消費規(guī)模達到4 300億～4 500億m3,2030年達到5 500億～6 000億m3,其后天然氣消費穩(wěn)步可持續(xù)增長,2040年前后進入發(fā)展平臺期。此后,隨著電能、氫能替代加速,終端天然氣消費量穩(wěn)步下降,2060年下降至500億～1 600億m3。

在發(fā)熱量相同的情況下,天然氣的碳排放量比標準煤低近40%國家發(fā)改委《節(jié)能低碳技術推廣管理暫行辦法》推薦的排放因子,煤炭取2.64 t CO2/tce、天然氣取1.63 t CO2/tce。采用天然氣代替煤炭,可減排二氧化碳接近40%。

建筑陶瓷輥道窯采用天然氣代替煤制氣,具有很好的節(jié)能效果。

窯爐使用煤制氣時,由于煤制氣的熱值較低,為獲得同樣的窯內溫度和保證窯內橫向溫差一致,所使用的窯爐煤制氣燒嘴所配置風燃比較大,導致窯爐排煙量增加而增加了熱量損失,因而煤制氣的燃燒效率比使用天然氣的燃燒效率低。窯爐從原來使用煤制氣改為使用天然氣之后,由于降低窯爐燃燒過程空氣系數(shù),減少了入窯的助燃風量和減少了出窯的排煙量,可以減少排煙熱量損失,具有很好的節(jié)能效果。

天然氣占比提升空間較大。

2020年,建筑陶瓷產量85.69億m2,消耗能源4 700萬t標準煤。經測算,其中天然氣約100 億m3。天然氣消費量占占全國消費量的3%,占工業(yè)用天然氣消費量的8.1%。隨著“煤改氣”政策的深入推進及“雙碳”戰(zhàn)略的實施,以及天然氣“節(jié)能降碳”的優(yōu)勢,建筑陶瓷行業(yè)用能結構中天然氣占比將進一步提升,成為行業(yè)主要的能源之一。

2030年,按天然氣在建筑陶瓷生產綜合能耗中的占比達到60%計算,天然氣需求量約為300億m3,約占全國需求量的5%。

天然氣價格和供應量等因素限制了其在建筑陶瓷行業(yè)的應用。

天然氣價格波動很大,特別是到了冬季供暖季,價格成倍上漲。

燃料成本占陶瓷磚生產成本的30%以上,普通陶瓷磚對天然氣價格波動非常敏感,微薄的利潤很容易被上漲的氣價抵消。天然氣供應量不能保證,斷供現(xiàn)象頻發(fā),陶瓷企業(yè)損失慘重。以上因素導致陶瓷企業(yè)應用天然氣的意愿降低。雖然“煤改氣”政策深入推進,層層加碼,甚至“一刀切”,但天然氣替代煤制氣進展依然緩慢。充足的供應量,穩(wěn)定的價格,成為陶瓷企業(yè)共同的心聲。據(jù)報道,液化天然氣期貨于2021年底正式獲得證監(jiān)會立項批復,正在加快推進上市工作。天然氣期貨上市以后,有助于形成我國天然氣基準價格,減少天然氣價格波動。

2.2 2030年前,可用氫能不能滿足行業(yè)大范圍應用,局部有條件的地區(qū)可使用

氫能有“灰氫”、“藍氫”、“綠氫”之分。目前國際上主要使用天然氣制氫,我國則以煤制氫為主。全球制氫技術的主流選擇是化石能源制氫,主要是由于化石能源制氫的成本較低,其中天然氣制氫由于清潔性好、效率高、成本相對較低,占全球48%。我國能源結構為“富煤少氣”,煤制氫成本要低于天然氣制氫,因而國內煤制氫占比最大(64%),其次為工業(yè)副產品(21%)。

2020年我國氫氣產量約3 342萬t,占世界氫氣產量的近1/3,是世界第一產氫大國,來源主要是化石能源制氫,電解水制氫不足1%。在終端消費領域,氫作為工業(yè)原料利用占比99%以上,氫作為能源利用占比不足0.1%,主要以氫燃料電池汽車的形式在交通部門利用。

預計到2030年,我國氫氣年產量將達到3 700萬t,電解水制氫占比達到15%左右。大部分氫氣用于工業(yè)原料,最為能源利用的消費量為320萬t,折合標煤1 300萬t,其中有1 000萬t標煤左右用于氫燃料電池汽車。

2030年前,可作為能源用于建筑陶瓷行業(yè)的的氫能遠低于行業(yè)用能年消耗量,無法在行業(yè)內普遍應用,且不考慮運輸、儲存以及成本問題。但是某些靠近氫資源豐富(如工業(yè)副產氫)的產區(qū)或企業(yè),可考慮采用氫能作為主要能源,并加大氫能在建筑陶瓷產品方面的研發(fā)應用力度。

2.3 綠色電力及窯爐電氣化是行業(yè)實現(xiàn)碳中和關鍵

天然氣雖然“節(jié)能降碳”,但還屬于化石能源,仍有碳排放。2030年之后,行業(yè)能源結構將逐步向零碳能源轉變。摻氫天然氣或是一個過渡,氫能、生物質能等可作為補充。隨著工業(yè)部門電氣化水平的提升,建筑陶瓷行業(yè)用能將最終選用綠色電力。

根據(jù)溫室氣體排放報告補充數(shù)據(jù)表,2015年全國電網平均排放因子為0.610 1 t CO2/MWh,這一數(shù)據(jù)在此后的幾年中一直被采用。2021年12月,在生態(tài)環(huán)境部辦公廳最新發(fā)布的關于公開征求《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設施(2021 年修訂版)》(征求意見稿)中,當全國電網平均排放因子調整為最新的0.583 9 t CO2/MW·h,下降約4.3%。這一數(shù)字的下降體現(xiàn)出近年我國風電、光伏等清潔能源的飛速發(fā)展和火電廠平均供電標準煤耗的不斷降低。

按0.583 9 t CO2/MW·h進行折算,當前電力的二氧化碳排放因子為4.75 kg CO2/kgce,其排放量是煤炭的1.8倍左右,天然氣的2.8倍左右。因此當前階段,行業(yè)電氣化程度越高,對應的間接二氧化碳排放量也越高。當綠色電力占比提高到一定程度,全國電網平均排放因子下降到0.2 t CO2/MW·h以下時,采用電力的排放量才與等熱值的天然氣相當。

2.3.1 綠色電力在電力中的占比將大幅度提高

2020年,全國全口徑發(fā)電量為76 264億k W·h,比上年增長4.1%,其中,水電13 553億k W·h,比上年增長4.1%;火電51 770億k W·h,比上年增長2.6%;核電3 662億k W·h,比上年增長5.0%;并網風電4 665億k W·h,比上年增長15.1%;并網太陽能發(fā)電2 611億k W·h,比上年增長16.6%,如圖3所示。

圖3 2020年發(fā)電結構

在“雙碳”目標下,我國能源電力低碳化發(fā)展要求日益凸顯,非化石能源發(fā)電裝機容量將持續(xù)增長,電源結構朝著更加清潔低碳的方向發(fā)展。從發(fā)電量角度,非化石能源發(fā)電量占比由2020年的32%逐步提升至2030年的50%,2060年約90%。

2.3.2 水電仍是可再生能源發(fā)電的主力軍

水力發(fā)電是再生能源發(fā)電的“領頭羊”,遠比風力和太陽能的發(fā)電量多。水力發(fā)電在中國的地位大大提升,目前在中國發(fā)電份額中燃煤發(fā)電居首,水力發(fā)電居第二位。截至2020 年底,中國水電裝機約為3.7 億k W,約占全國發(fā)電總裝機容量的19%;發(fā)電量約為13 553億k W·h,占全部可再生能源發(fā)電量的60%以上。2020年,全國全口徑發(fā)電裝機容量達220 058萬k W,全國全口徑水電裝機容量達37 016萬k W,占全部裝機容量的16.82%。

根據(jù)中國水電發(fā)展遠景規(guī)劃,到2030年水電裝機容量約為5.2億k W,水電開發(fā)程度約60%。到2060年,水電裝機約為7.0億k W,水電開發(fā)程度為73%。

2.3.3 風電是第三大常規(guī)電源

風力發(fā)電是一種清潔無污染、可永續(xù)利用的能源利用形式。經過40年的發(fā)展,風電已經發(fā)展成為中國繼火電、水電之后的第三大常規(guī)電源,且在各類電源之中已具備一定的成本優(yōu)勢。

目前,全國風電累計并網規(guī)模達到2.82億k W,年發(fā)電量約為0.5萬億k W·h。陸上風電的發(fā)電成本已降至與燃煤發(fā)電成本相當?shù)乃?有些地區(qū)每千瓦時電甚至比煤電還低0.1元,海上風電有望在2025年前后實現(xiàn)平價上網。

截至2020年底,全國風電累計裝機容量為28 153萬k W,是2005年的225倍,占我國全部發(fā)電裝機容量的12.8%。然而,風電在我國電力結構的比例仍然很低。2020年,全國風電發(fā)電量達到4 665億k W·h,占全國總發(fā)電量的6.1%。

根據(jù)預測,2030年中國風電累計裝機容量為4.45億k W,2050年為12.54億k W(大約是2020年實際風電累計裝機容量的4.5倍);2030年風電發(fā)電量為0.84萬億k W·h,2050 年為2.45 萬億k W·h(大約是2020年的5倍)。2050年中國電力消費預計達到8萬億k W·h(2020年全社會用電量7.51萬億k W·h),這意味著屆時風電在電力生產結構中的占比將達到30.6%。

2.3.4 光伏發(fā)電是增長最快的電源類型

近年來我國光伏發(fā)電保持快速增長,2020年裝機容量已達2.5億k W。在“整縣光伏開發(fā)”等相關政策激勵下,光伏發(fā)電發(fā)展將進一步提速。未來光伏發(fā)電將長期作為“雙碳”目標下非化石能源發(fā)展的領跑者,在當前至2060年將保持強勁的增長勢頭,成為增長幅度最大的電源。預計2025年和2030年裝機容量將分別達到約5.5億k W 和8.0億～8.3億k W,2060年增長至20億k W 左右。光伏發(fā)電裝機容量當前低于煤電、水電、風電,預計將于2030～2035年期間成為容量最大的電源。

2.3.5 核電容量將穩(wěn)步增長

核電是清潔、可靠電源,且其利用小時數(shù)較高,在風電、光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展情況下能夠對系統(tǒng)電力電量平衡作出較大貢獻,是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要力量,應當在確保安全的基礎上高效發(fā)展核電。2020年我國核電裝機容量約為5 000萬k W。我國核電發(fā)展受到電站選址空間及規(guī)劃建設周期等因素影響,在不發(fā)展內陸核電的情況下,預計2025年、2030年、2050年裝機容量將分別達到約0.8億k W、1.2億k W、2.3億k W,2050年后裝機容量保持穩(wěn)定。

2.3.6 行業(yè)用能設備電氣化發(fā)展成為必然趨勢

據(jù)《中國能源電力發(fā)展展望》(2021),電能將逐步占據(jù)終端用能的核心地位,電氣化率不斷提升,2025年約為30%,2050 年超過50%,2060 年有望達到70%。

我國建筑陶瓷行業(yè),2020年電能在綜合能耗中的占比約為15%,提升空間很大。建筑陶瓷行業(yè)電氣化率提升的關鍵在于窯爐設備的電氣化。窯爐用能占比約60%,目前主要能源是煤制氣和天然氣。將氣燒輥道窯改成電燒輥道窯將成為提高行業(yè)電氣化率的重要途徑。

2.3.7 電燒輥道窯比氣燒更節(jié)能降碳

我國建筑陶瓷行業(yè)傳統(tǒng)的燒成窯爐主要采用氣燒輥道窯。電加熱輥道窯是目前正在研發(fā)的新型窯爐,通過采用電燒輥道窯技術,無需助燃空氣,煙氣量下降80%以上,理論上燒成能耗降低50%左右?？紤]到氣燒輥道窯余熱利用,電燒輥道窯綜合節(jié)能可達到20%以上。

氣燒輥道窯改為電燒,按電力中綠色電力占比80%計,碳排放量降低約85%,減排效果十分顯著。

3 結語

我國建筑陶瓷行業(yè)使用的燃料經歷了煤(碳)、油、煤(制氣)、天然氣(液化石油氣)的過程。2030年之前天然氣將成為行業(yè)發(fā)展的主要能源。2030年之后,隨著電力結構綠色化程度提高,建筑陶瓷窯爐電氣化成為行業(yè)碳中和的關鍵。陶瓷窯爐裝備企業(yè)需提前布局,加大電燒輥道窯的研發(fā)力度,為行業(yè)實現(xiàn)2060年碳中和做出貢獻。