建筑陶瓷行业用能展望*

张士察

(中国建筑卫生陶瓷协会 北京 100020)

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求不可或缺的基础制品行业。经过近40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,我国建筑陶瓷行业消耗了大量的资源和能源,并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t,消耗4000～6000万t标煤,二氧化碳直接排放量为0.9～1.4亿t,间接排放量约为0.4亿t。

1 建筑陶瓷行业用能发展的历程

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)等的用能过程。

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。到20世纪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。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20世纪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20世纪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。随着其使用量的增加,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20世纪90年代,其成本仅为燃油成本的1/3～2/3,经济效益显著,煤气化技术在陶瓷行业得到广泛应用。

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主要还是以煤制气为主。据我国建筑陶瓷产能调查,截止到2017年,国家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%。

当前,建筑陶瓷生产用能主要有煤炭、天然气(含液化石油气)、电能等。据行业测算,2020年建筑陶瓷行业用能结构如图1所示。其中,煤炭占比为56%,天然气占比为28%。且电能占比为15%,其他1%。

图1 2020年建筑陶瓷行业用能结构

2 行业未来可用能源的分析

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t标准煤,煤炭消费比例进一步降至57%以下,天然气占比提高至8.4%,水核风光电等清洁能源的消费量占能源消费总量的比例已接近16%。

图2 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t标准煤以内,非化石能源占能源消费总量比例达到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,我国建筑陶瓷行业用能须向低碳、零碳能源转型升级。

2.1 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。

未来15年,天然气的供应量和消费量将呈上升的趋势。

2020年,我国天然气产量1 925亿m3,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1 404亿m3,同比增加3.6%。中国天然气消费量3 280亿m3,增量约220亿m3,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4 300亿～4 500亿m3,2030年达到5 500亿～6 000亿m3,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年下降至500亿～1 600亿m3。

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 t CO2/tce、天然气取1.63 t CO2/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,具有很好的节能效果。

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,具有很好的节能效果。

天然气占比提升空间较大。

2020年,建筑陶瓷产量85.69亿m2,消耗能源4 700万t标准煤。经测算,其中天然气约100 亿m3。天然气消费量占占全国消费量的3%,占工业用天然气消费量的8.1%。随着“煤改气”政策的深入推进及“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之一。

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m3,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。

2.2 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%),其次为工业副产品(21%)。

2020年我国氢气产量约3 342万t,占世界氢气产量的近1/3,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。

预计到2030年,我国氢气年产量将达到3 700万t,电解水制氢占比达到15%左右。大部分氢气用于工业原料,最为能源利用的消费量为320万t,折合标煤1 300万t,其中有1 000万t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。

2.3 绿色电力及窑炉电气化是行业实现碳中和关键

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0.610 1 t CO2/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,当全国电网平均排放因子调整为最新的0.583 9 t CO2/MW·h,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0.583 9 t CO2/MW·h进行折算,当前电力的二氧化碳排放因子为4.75 kg CO2/kgce,其排放量是煤炭的1.8倍左右,天然气的2.8倍左右。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0.2 t CO2/MW·h以下时,采用电力的排放量才与等热值的天然气相当。

2.3.1 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76 264亿k W·h,比上年增长4.1%,其中,水电13 553亿k W·h,比上年增长4.1%;火电51 770亿k W·h,比上年增长2.6%;核电3 662亿k W·h,比上年增长5.0%;并网风电4 665亿k W·h,比上年增长15.1%;并网太阳能发电2 611亿k W·h,比上年增长16.6%,如图3所示。

图3 2020年发电结构

在“双碳”目标下,我国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32%逐步提升至2030年的50%,2060年约90%。

2.3.2 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k W,约占全国发电总装机容量的19%;发电量约为13 553亿k W·h,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220 058万k W,全国全口径水电装机容量达37 016万k W,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k W,水电开发程度约60%。到2060年,水电装机约为7.0亿k W,水电开发程度为73%。

2.3.3 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k W,年发电量约为0.5万亿k W·h。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。

截至2020年底,全国风电累计装机容量为28 153万k W,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例仍然很低。2020年,全国风电发电量达到4 665亿k W·h,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k W,2050年为12.54亿k W(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k W·h,2050 年为2.45 万亿k W·h(大约是2020年的5倍)。2050年中国电力消费预计达到8万亿k W·h(2020年全社会用电量7.51万亿k W·h),这意味着届时风电在电力生产结构中的占比将达到30.6%。

2.3.4 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k W。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k W 和8.0亿～8.3亿k W,2060年增长至20亿k W 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。

2.3.5 核电容量将稳步增长

核电是清洁、可靠电源,且其利用小时数较高,在风电、光伏发电大规模发展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5 000万k W。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k W、1.2亿k W、2.3亿k W,2050年后装机容量保持稳定。

2.3.6 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%。

我国建筑陶瓷行业,2020年电能在综合能耗中的占比约为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将成为提高行业电气化率的重要途径。

2.3.7 电烧辊道窑比气烧更节能降碳

我国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。考虑到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。

3 结语

我国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。2030年之后,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。