金属非金属矿业减碳路径与工程科技

2023-02-23王运敏张松波代碧波赵福刚

金属矿山 2023年1期

王运敏张松波代碧波赵福刚王星潘堃

(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽马鞍山 243000;2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽马鞍山 243000;3.冶金工业规划研究院,北京 100013;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽马鞍山 243000)

以CO2为主的温室气体大量排放引起全球气候变暖已成为不争的事实,严重威胁到人类生存和生态平衡,“碳排放”也日益引起国际社会的重视。目前,我国是全球最大的碳排放国。2020年9月,习近平总书记就碳减排发表了重要讲话,向国际社会作出了“碳达峰、碳中和”的郑重承诺。2021年3月召开的中央财经委第九次会议指出,要将“双碳目标”纳入生态文明建设整体布局,推动绿色低碳技术实现重大突破,抓紧部署低碳前沿技术研究,将实现“3060双碳目标”作为重点工作开展。我国是矿产资源大国,矿山总量超过2万座,但大多数矿山总体处于生产效率较低、能耗高、碳排放量大的粗放型开发水平。2020年,我国钢铁行业碳排放量为18亿t,约占我国碳排放总量的15%,有色金属行业的碳排放量为6.6亿t,约占6%。碳排放贯穿于我国金属非金属矿产资源开发利用的全过程,从矿产资源勘探,到矿井建设、巷道掘进、开采运输、矿井通风、洗选存储、废弃物利用等不同环节均有碳排放。在碳减排背景下,对我国金属非金属矿山碳减排路径及节能减碳关键工程科技进行分析具有重要意义。

1 碳减排背景

目前全球每年向大气排放约510亿t温室气体[1],碳排放量剧增,使得全球气温加速攀升,造成自然灾害日益频发和环境日趋恶化。2015年12月,《联合国气候变化公约》的178个缔约方在巴黎气候变化大会上共同签署了《巴黎协定》,这是继《京都议定书》之后第二份有法律约束力的全球气候协议[2],其核心目标旨在推动全球尽早实现碳中和。截至2020年6月12日,全球共有125个国家作出了21世纪中叶前实现碳中和的承诺[3]。在全球共同努力下,CO2排放速度逐渐放缓。据统计,2019年全球CO2排放量达340.40亿t,较2018年下降了0.02%;2020年CO2排放量降至319.84亿t,同比下降了6.04%。2010—2021年,全球CO2排放量复合年均增长率仅为0.30%。根据2018年公开数据显示[4],世界CO2排放量为335亿t,我国占比为28.6%,居世界第一位。截至2021年,我国排放量占比为31%,美国是累计碳排放量和人均碳排放量第一大国。

2 国内外减碳现状

2.1 国际矿业巨头积极承诺大力减碳

目前,国际十大矿业巨头分别为必和必拓、力拓、淡水河谷、诺里尔斯克镍业、嘉能可、英美集团、纽蒙特黄金、南方铜业、巴里克、农特恩[5]。2020年,这些公司积极响应减碳号召,承诺大力减碳,将减碳纳入履行社会责任的日程中,推进企业可持续发展[6]。不少公司利用先进技术提高能源利用效率,开展投资造林和生态恢复项目,开发碳捕捉技术等减少碳足迹,形成了良好的公共治理体系。国外部分公司的减碳计划见表1。

表1 国外部分矿业公司的减碳计划Table 1 Carbon reduction plans of some foreign mining companies

2.2 我国资源环境对经济社会发展约束日益趋紧

近年来,我国经济高速增长的同时人民生活水平也在不断提高,但生产管理粗放、高碳燃料用量大、产品能耗物耗高等粗放型增长方式造成了资源与环境约束日益趋紧[7]、能耗和污染严重、生态系统退化、发展与人口资源环境之间的矛盾日益突出,成为经济社会可持续发展的刚性约束。我国矿产资源对外依存度持续提高,资源短缺问题不断显现。我国铁、铜等重要矿产资源的人均可采储量约为世界人均水平的17%。2020年我国铜、镍、铝等矿产的进口依存度均超过50%,铁、铬、锰等矿产的进口依存度达80%以上。

2.3 我国资源开发减碳成效显著

据相关统计,我国矿山能耗主要集中在生产系统,约占总能耗的60%～70%,辅助和附属生产系统约占30%～40%。选矿厂中,破碎工序电耗占全厂电耗的7%～10%,磨矿工序电耗一般占全厂电耗的40%～60%,部分选厂甚至达到65%～70%。近些年,我国积极采用新工艺和新设备用于新建或改建矿山,通过技术改造或装备升级等措施减少能源消耗,2013—2014年,金属非金属矿产资源开发利用过程中的采矿和选矿环节碳排放总量进入平稳期,之后呈下降趋势。其中,黑色金属矿采选业碳排放占比整体呈现下降趋势,有色金属矿则呈上升趋势。

2.4 我国减碳政策法规与管理

2020年,我国在联合国大会上明确提出了“碳达峰”和“碳中和”目标,从战略层面确立了绿色低碳的发展模式,进一步加快了全球碳减排步伐[8]。2020年12月,中央经济工作会议将做好“碳达峰”“碳中和”工作列为2021年八大重点任务之一。2021年两会上,“碳达峰”“碳中和”被首次写入国务院政府工作报告。习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议时再次强调,要把“碳达峰”“碳中和”纳入生态文明建设整体布局。生态环境部也出台了一系列全国碳排放权交易管理政策,2021年1月5日,《碳排放权交易管理办法(试行)》发布,同年7月,全国碳交易平台正式启动。

2.5 绿色低碳是实现矿业高质量发展的必然要求

当前,全球矿业正面临着前所未有的变革,绿色、低碳、安全、和谐、智能、高效已经成为新的矿业发展理念。“十四五”规划中指出:提高矿产资源开发保护水平,发展绿色矿业,建设绿色矿山。《国土规划纲要(2016—2030年)》中提到:实现资源开发利用与区域经济社会发展相协调,到2030年,全国规模以上矿山全部达到绿色矿山标准。由此可见,推动矿山转型升级、建设绿色矿山、践行绿色低碳发展路径,是实现高质量发展的关键;通过科技创新推动绿色矿山建设,实现碳减排,是矿山实现绿色低碳发展的重大推力;绿色低碳是实现矿业高质量发展的必然要求。

3 金属非金属矿业减碳路径

根据节能减碳目标,统筹推进并提出金属非金属矿业领域的减碳路径,主要有:① 结构控碳,通过优化资源开发布局、调整能源结构等方式实现金属非金属矿业的节能减排;② 技术减碳,通过提升采矿、选矿、资源高效综合利用等低碳化技术和装备水平,实现金属非金属矿业的节能减排;③ 管理降碳,通过提升综合管理水平和构建现代化节能管理体系、构建能源管理系统等方式助力金属非金属矿业的节能减排。

3.1 结构控碳

(1)大力提升产业集中度。培育和建设大型矿业企业集团,把对稳定产能、产业升级、效益增长具有重大影响的大型新建、改扩建项目,列入国家重点建设工程,作为国家资源安全保障产业区建设的支撑,从而持续优化矿山企业结构,提升产业集中度,优化产能结构和产量控制,增强行业超低排放能力。

(2)大力推进能源消费结构优化。加强碳排放源头管控,推动能源消费向清洁低碳高效转型,逐步利用氢能、风电、水电、光伏等清洁电能替代传统化石能源(煤炭、油气等)的消费,大幅降低CO2排放,促进能源结构转型,构建绿色低碳的产业体系和生产生活方式。

(3)大力推动矿业供给侧结构性改革。根据科学化的产能要求,优化金属非金属矿业产能规模和生产布局。完善“科学产能”评价方法,继续优化重组小矿山以及“高能耗”“高污染”矿山,推动矿山高质量转型。针对不同矿种,结合资源条件和供需结构,科学布局、合理优化,实现定制化开发利用,做到因地制宜、因矿施策,推动矿山绿色开发和智能化生产,持续推动绿色矿山建设。

3.2 技术减碳

科学技术的发展是推进金属非金属矿业领域低碳技术应用的重要基础。应将低碳科技创新作为金属非金属矿业领域国家战略科技力量的重要组成部分,通过工艺技术和关键装备创新带动资源的绿色低碳开发。

(1)低碳采矿技术及装备创新

① 创新低碳采矿技术,变革传统开发模式,革新采矿方法和工艺,通过科技创新,实现全流程范围的低碳规模化采矿技术的变革与发展,构建凿岩—爆破—铲装—运输—提升—通风—充填等全工序的节能降耗技术体系和技术路径,减少碳排放和金属矿产品的碳足迹。

② 采矿装备的创新是采矿行业中最重要的技术创新领域之一。减碳路径主要是采用清洁电能代替柴油等化石原料,不仅可以直接减少采矿装备的碳排放,还有助于实现装备智能化,实现减排目标。此外,研发新型硬岩连续化机械破岩开采装备,提高开采效率,也是未来重要的研究方向。

(2)低碳选矿技术及装备创新

① 选矿技术的低碳创新方向主要为:确定合理品位、预选抛废和多破少磨。合理确定精矿品位是选矿节能的关键,直接关系到整体选矿流程和工艺、设备参数、能耗指标等;在矿石入磨前进行预选抛废,采用阶段磨矿阶段选别工艺,可大幅降低磨矿能耗,提高矿山生产能力;在球磨机磨矿过程中,采用三段破碎筛分或超细碎工艺流程,实现多破少磨,可有效降低入磨粒度,实现节能环保目标。

② 选矿装备需不断地结合选矿工艺进行低碳创新,从而实现节能降耗、降本增效。一方面可选用预选设备、高压辊磨机、塔磨机等高效节能设备,提高生产效率,降低能耗;另一方面提高选矿厂设备负荷和作业率,减少空车运转等能源浪费现象。

(3)资源综合利用技术与总体固碳技术创新

创新资源综合利用与高值化再生利用技术,实现对共伴生矿产资源的应采尽采、应用尽用,实现对矿山固废的规模化综合利用及典型固废的高附加值再生利用。在固碳技术方面,低成本碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术通常被视为CO2“净零”排放的必要手段[9],在能源安全和减排领域应用潜力较大,但目前该技术经济性不显著,需进一步创新。

(4)辅助设施减碳措施

高压变频调速技术的节能降耗优点显著,同时可消除对电网的谐波污染,对矿山中高压、大功率设备的节电降耗作用显著,平均节电率在30%以上,经济效益和社会效益十分可观。对于矿山中小型功率风机、水泵、传送带等设备的节能降耗,永磁涡流柔性传动节能技术是一个良好选择。该技术可确保设备运行稳定可靠,调节方便,单台设备节电率可达30%左右,经济性显著,应用前景广阔。

3.3 管理降碳

管理降碳的主要措施有:加大能源管理力度,成立能源环境管理委员会等相关政府管理机构,加强节能培训工作;开展能源设计和能源诊断工作,切实掌握矿山企业能源利用水平,并提出针对性措施;建立企业能效对标平台;鼓励矿山骨干企业牵头开展矿山能源管理体系建设;加强矿山损毁土地和废弃地的生态修复与重建,恢复生态系统的碳汇功能,力争提高20%左右的生态系统固碳能力[10],实现区域碳源向碳汇的根本性转变。

4 金属非金属矿业减碳工程科技

4.1 关键共性技术

(1)连续智能化采矿技术及装备。主要有:碳约束条件下深井安全高效低生态损害的协同开采理论与技术,规模化、机械化、智能化开采技术与装备,非爆破连续化破岩采矿关键技术与装备,战略性矿产产能倍增提质增效开发技术与装备,智能无人运输和提升技术,低成本矿井水源隔绝与水害控制技术,自适应矿井通风系统调节技术与装备,深部矿井势能、热能综合收集利用技术等。

(2)精准采矿及其管控技术。主要有:基于边界品位的矿岩边界精准化控制技术,深部采动岩体损伤失稳及其管控技术,采矿生产调度与采动地压低应力区迁移规律自适应技术,多采区连续开采推演最优采掘计划,深部差异化采动下多采区协同技术,高应力条件下诱导落矿关键技术,多场耦合条件下大结构参数采场顶板管控技术等。

(3)智能化选矿及深加工技术及装备。主要有:规模化、机械化、智能化、专用化加工成套技术与装备,选择性破碎及分级干法提纯技术,非金属矿“近零尾矿”加工利用技术,大宗尾矿规模化高值化利用技术,低品位和伴生矿物的选矿提纯及产品应用技术,矿物均化、矿物材料结构与晶体设计技术,矿物提纯、改性、多矿种功能复合技术等[11]。

(4)高品质铁精矿生产技术与装备。主要有:基于铁矿石工艺矿物学的高品质铁精矿制备技术,高效节能预选抛废技术及设备,大型高效节能细磨装备,智能高效高梯度磁分离技术及装备,磁重复合力场铁矿选矿设备,细粒、微细粒铁矿高效浮选技术与装备,高效环保常温浮选药剂,高品质铁精矿提纯选矿工艺,铁矿选矿生产自动化智能化系统等[11]。

(5)低品位难选矿综合利用技术。主要有:复杂难选铁矿石流态化(闪速、流化床、悬浮焙烧)—磁选关键技术,低品位难选铁矿石磨矿—重磁—反浮选技术,钒、钛磁铁矿综合利用技术,尾矿细磨—选别综合再利用技术,弱还原性气氛形成及控制技术,多参数耦合系统调控技术,焙烧系统中铁矿还原度控制技术,易氧化粉料冷却和余热利用技术及装备等[11]。

(6)矿物功能材料深加工技术。主要有:膨润土等矿物功能材料的改性、改型技术,增加矿物功能材料比表面积、调整表面电荷等技术,矿物功能材料在工业废水处理中的应用技术等[11]。

(7)工业固废全产业链协同利用关键技术。典型地区尾矿和废石资源中有价组分回收与优质建材原料协同优化清洁生产技术,以实时循环回收金属微粉为核心的钢渣高效粉磨技术,120级矿渣微粉低成本制备及大规模工业化生产技术,尾矿废石骨料高性能低碳混凝土整体胶凝材料生产技术,固废比例为90%～100%的高性能混凝土大规模制备和应用技术等[11]。

(8)典型非金属尾矿资源材料化高效利用关键技术。主要有:石墨、高岭土等典型非金属尾矿的矿物高效分离提取技术,矿物干湿法超细分级技术,多种矿物改性复合技术,高效节能脱水干燥技术,低温煅烧活化技术,尾矿材料化制备技术等[11]。

4.2 减碳重大工程技术与装备

(1)露天陡帮开采工程。相对于传统缓帮开采,组合台阶式陡帮开采技术及工程的工作帮坡角提高了2.5～3.0倍,采矿成本降低了10%～30%,矿山年产量增加了30%以上,解决了传统缓帮开采存在的投资大、产能低、成本高、能耗高等重大工程技术难题。

(2)深部资源开发采选一体化工程。将选矿厂靠近采场建设,废石与尾矿就近充填空区,可实现资源就地富集回收,大幅度降低矿井提升能耗、充填尾矿和料浆的输送能耗等,技术优势突出,有助于减少地表固废占地和环境破坏,具有广阔的发展前景。

(3)铁精矿管道输送工程。该技术工程能耗低、污染小、成本低,属于先进的节能工艺范畴,具有连续作业、运输能力大、管道埋入地下不占土地、对沿程环境没有污染、不受气候条件影响以及投资运营成本低等一系列优点,节能效果显著。

(4)层压粉碎技术—高压辊磨机的推广应用。层压粉碎技术—高压辊磨机是一种基于料层粉碎原理设计的新型粉碎设备,破碎工作压力大,最终产品中细粒级含量高,粒度可达0～3 mm;颗粒内部产生裂纹,有利于提高矿物解离度,降低后续磨矿作业功耗,相对于圆锥破碎机、棒磨机、球磨机,功耗降低了20%～50%。

(5)粗粒湿式预选新技术及示范工程。因极贫矿和表外矿品位低,采用极贫赤铁矿石粗粒湿式预选技术,高效贯彻节能减排政策,可降低开采边界品位,将大量的极贫赤铁矿恢复地质品位,将其纳入资源体系;提高入选品位,有利于稳定选别指标,降低选别成本。

(6)矿井水水源热泵工程。热泵技术能够充分发挥浅层岩体的储冷储热作用,是一种节能、环保、高效的能源利用技术,具有系统简单、环保洁净、节能经济、灵活安全、运行可靠、维护简单等优势,备受业内关注。河北钢铁集团中关铁矿和唐山首钢马兰庄铁矿采用该工程技术实现了高效节能。

(7)矿山生态修复“光伏+”模式。矿区中转场地、固废堆放场、采空塌陷区域、恢复治理区域等可充分利用矿区独特的地理区位优势以及优厚的土地空间条件,发展光伏发电,可因地制宜地实现“光伏+生物质” “光伏+药材”“光伏+草牧”等多种模式发展。

(8)固废资源化工艺减碳工程。利用矿山固废进行资源化生产,减少上游原料采选和运输产生的化石燃料消耗。我国矿山固体废弃物综合利用率约为32.5%,与粉煤灰(74.9%)、煤矸石(53.7%)、冶炼废渣(88.7%)等工业固废的综合利用率相比差距较大。利用尾矿和废石生产建筑材料、作为铁路隧道基料、利用铁尾矿制备硅肥和土壤改良剂,可有效减少CO2排放量。

(9)高效节能设备推广应用。高效节能凿岩/穿孔、铲装、运输、提升、通风、排水、细磨等设备的推广应用,如塔磨机等;高压变频调速技术节电改造工程、永磁涡流柔性传动节能技术节电改造工程等,提高了生产效率,降低了能耗。

5 采矿业资源开发节能减碳政策建议

5.1 减碳体制机制优化

为落实矿产资源开发节能减排政策,进一步优化节能减碳体制机制,提出如下建议:

(1)完善矿产资源开发行业低碳开发管理体制。可在生态环境部成立矿产资源开发碳减排工作委员会,制订矿产资源开发行业碳排放总体规划;下设矿产资源开发碳减排工作办公室,细化落实碳减排任务与督促实施,建立碳排放的政府政策规制和市场调控机制。

(2)优化运行机制。建立矿产资源开发行业节能减排标准体系,严格落实矿产资源开发企业目标责任制,加强节能环保管理能力建设,强化经济政策激励,建立健全相关奖惩机制。

(3)实施有效监管。建立区域内矿山监管机构,提升监管的深度和广度,落实监管机构职责;建立和完善节能减排统计体系和监测体系,强化节能减排监督检查和考核力度。

(4)实行碳排放全流程监管。通过信息化、智能化手段支持的管理模式,建立完善的监测及管理平台并及时进行信息反馈,实现碳排放监管的信息化和智能化。

(5)完善碳减排审计的法律法规体系。总结和借鉴西方发达国家针对碳排放审计所制定的相关法律法规和审计制度化标准,加快国内碳排放法律法规与国际接轨的进程,完善碳排放审计立法,确保审计工作有法可依。

5.2 节能减碳政策建议

根据我国矿产资源开发节能目标,提出了国内矿产资源开发节能减碳政策建议,包括构建国家层面的节能体系和扶持政策,让节能贯穿“安全、技术、经济、环境”四重效应的全过程。具体来说:① 构建矿产资源开发行业的节能降耗体系,明确能耗责任制,制定切实可行的节能降耗目标,加大对矿产资源研究机构及高校的支持力度,健全岗前培训制度,严格落实持证上岗制度;② 制定强有力的政策措施,加快企业的重组与节能改造,加快淘汰落后产能和落后装备,完善节能减排的相关财税政策,强化对节能降耗企业的扶持力度;③ 建立矿产资源开发低能耗国家级研发平台,积极整合、协调产学研相关单位,加快成果转化落地,为碳约束下矿产资源开发节能降耗的研究与实践提供技术、管理、政策支持;④ 在传统优势学科的基础上,整合现有的学科资源,建立健全复合型专业人才培养机制,为实现矿产资源开采中节能降耗目标提供智力支撑和人才保障。

5.3 减碳管理提升

(1)加强能源基础管理工作。首先加强能源计量工作,能源计量是能源管理的重要基础,能够助推企业建立科学合理的节能规范;其次,根据企业发展的总体战略和发展规划,结合国家能源政策、企业能源特点和能源管理任务,组织编制与企业规划(计划)期一致的能源规划和计划;最后,加强能源统计和能源基础培训,确保能耗指标考核的严肃性和科学性,引导企业实现能耗互相对标,确保企业能耗利用率持续提升。

(2)加强能源管理体系建设。加强和完善能源管理体系建设,充分发挥企业管理体系的作用,推进企业能源管理工作的持续高效发展。建设能源管理体系的主要思路有:① 建立能源管理中心,强化能源集中管理模式;② 改变能源事后管理模式,注重事前和过程管理;③ 变革能源管理的单一专业化模式,将其融入相关的管理流程中;④ 将节能项目管理作为能源管理部门和投资部门共同推进的工作内容;⑤ 研究能源管理与生产经营、成本管理的关系,为企业降本增效服务;⑥ 强化能源管理的组织领导,建立健全能源管理的三级网络机制。

(3)强化能效对标。充分学习和借鉴国内外能效先进企业的能源管理理念和经验,强化能效对标管理,促进企业建立健全的内部节能良性循环机制,探索出一套适合本企业的能源管理基本方法、工作流程、指标体系和激励机制,持续推动企业能源管理水平不断提高和能效指标持续改进,从而实现企业节能经济效益的稳步提升。

(4)开展能源诊断和能源审计工作。依据国家和所在省(自治区、直辖市)的有关节能法律法规和标准,对用能单位能源利用的物理过程和财务过程进行检验、核查、计算、分析和评价,寻求节能途径,并提出合理的能量利用建议。重点用能单位也要重视节能诊断和能源审计工作,持续降低企业能耗,不断提升能源利用水平。