对于混合工艺而言,哪些可持续性指标(能源、二氧化碳、水)适合作为报告内容?
对于工业混合工艺而言,尤其适合采用以产品为基准的单位可持续性指标,并辅以能源、排放和用水的绝对数值。这种组合方式,使得跨时间段、跨配方、跨设备和跨地点的工艺比较成为可能,有助于发现效率提升潜力,并将数据纳入公认的管理和报告体系。可靠比较的前提,是明确界定的系统边界、清晰的功能单位——例如每吨可销售产品或每批次——以及一致的测量和计算方法。
在对混合工艺进行能耗评估时,单位能耗是一项核心指标,通常以每吨、每千克或每立方米可销售产品所消耗的电能(千瓦时)表示。对于间歇式混合机而言,每批次的能耗也可能具有参考意义。关键在于,不应仅考察混合驱动装置的能耗,还应——视所选系统边界而定——纳入计量装置、输送技术、真空产生、压缩空气、除尘、温控和控制技术等辅助设备。唯有如此,才能对混合工序的实际能耗做出有据可查的评估。
混合机以千瓦为单位的电功率消耗时间曲线,是对单位能耗的重要补充。负载曲线可以显示启动峰值、空转阶段、异常负荷以及工艺相关的功率波动。尤其具有参考价值的是,考察空转、准备、清洁和待机能耗在混合工序总能耗中所占的比例。较高的数值,可能表明存在可避免的等待时间、不理想的交接班安排、较长的产品更换时间、不合适的配方流程,或低效的控制参数。对于高黏度介质、分散工艺或高强度混合任务,还可以额外采集以kWh/kg或Wh/L为单位的单位搅拌能量。
若混合机用于加热、冷却、干燥或放热反应工艺,还应对热能需求单独进行评估,有意义的指标包括每批次或每吨产品所需的热量或冷量(以kWh或MJ表示)。在此可纳入蒸汽、导热油、电加热、冷却水、冷冻水或其他能源载体。能量回收指标尤其在以下情况下具有意义:从废气、冷却回路、热介质或工艺余热中,确实回收了可利用的能量,并将其用于另一工艺环节。对于没有明显热源的传统干式粉体混合工艺而言,此类指标的参考意义往往有限。
对于二氧化碳和温室气体排放,应将混合工序与整个产品足迹明确区分开来。现场使用燃料产生热量、蒸汽、导热油,或直接燃烧型设备所产生的直接排放,归为范围一(Scope 1);由外购电力、蒸汽、热量和冷量所产生的间接排放,则归为范围二(Scope 2)。《温室气体核算体系》(GHG Protocol)区分了基于地域的方法(采用相应电网的平均排放因子)和基于市场的方法(考虑特定的合同或供应商采购信息)。在具备适当合同工具和数据的市场中,应对这两种范围二核算视角均予以透明报告。
一项核心的产品相关指标,是混合工序的碳强度,例如以每吨可销售产品、每千克或每批次的千克二氧化碳当量表示。只要系统边界、功能单位、电力排放因子、报告期和计算方法保持一致,该指标就能够用于比较不同的运行方式、设备或地点。每运行小时的千克二氧化碳当量等指标可作为补充,但单独使用时参考价值较低,因为它没有考虑实际的产量。产品碳足迹只有在其系统边界得到明确说明的情况下才应予以公布。厂内碳足迹(Gate-to-Gate PCF)仅涉及界定的生产环节,而全生命周期碳足迹(Cradle-to-Gate PCF)还可以纳入原料、添加剂、包装、辅助材料和运输所产生的重要上游排放。尤其对于排放密集型原料而言,这些上游排放往往比混合机本身的能耗更为重要。
避免的排放量不应与已核算的范围一、范围二或范围三排放相混淆,它更适合作为单独的项目或比较指标,例如在加装升级、配方优化、改善残余物排空或更换能源载体时使用。其前提是拥有一个记录透明的参考情景,具有相同的功能单位、完全一致的系统边界、明确的假设条件、可比的运行条件,以及可追溯的排放因子。
与水相关的指标,应区分取水量、耗水量和排水量。在混合工艺中,水可作为配方成分、冷却介质、清洁介质或辅助材料使用。取水量应以每年立方米或升为单位记录,并进一步换算为单位产量指标,例如每吨产品的立方米数。合理的划分应区分工艺用水、清洁用水、冷却水和其他用水。耗水量描述的是未被返还至同一或类似环境的水量,原则上可通过取水量减去排水量及水储量变化来确定。因此,GRI 303准则将取水量、排水量和耗水量作为相互关联的指标一并处理。
在产品频繁更换或卫生要求较高的场合,每次清洁或每次产品更换所消耗的清洁用水量尤为重要,可以每个CIP、WIP或人工清洁周期的升数或立方米数表示,并结合产量进行核算。除水量外,若清洁化学品对环境影响或成本具有重要意义,也应对其消耗量加以记录。废水产生量可以每吨产品或每批次的立方米数进行报告。根据行业和排放条件不同,化学需氧量、生化需氧量、固体负荷、pH值、电导率或其他产品特定参数等相关负荷指标也可能具有参考意义。
只有当经处理的水确实在允许的用途中被再次使用时,才可以给出水的再利用或循环利用率,且必须明确说明这是内部循环利用,还是用于清洁、冷却或其他辅助工艺。单纯的冷却水循环,并不自动等同于具有额外资源节约意义的再利用。此外,用水量的重要性还应结合厂址背景加以考量:在水资源紧张地区的取水,其生态意义可能大于水资源丰富地区明显更高的取水量。因此,依据公认的水资源压力指标进行归类是合理的。GRI 303准则要求对水资源紧张地区的取水情况进行单独说明。
补充性的工艺指标,有助于揭示高能耗、高碳排放或高耗水的原因,其中包括设备综合效率、计划外停机时间、废品率和返工率、排空后的残留量、清洁时长、清洁频率以及批次间一致性。较低的设备可用性或不合格批次,会提高每单位可销售产品的资源消耗,因为能源、水和原料被投入使用却未能创造相应的价值。良好的残余物排空和稳定的工艺运行,可以减少产品损耗、清洁工作量和返工。
为形成具有说服力的可持续性报告,应将年度绝对数值与单位产品指标共同披露。绝对数值反映了某一厂址或企业的整体环境影响;单位指标则即便在产量、产品组合或运行小时数发生波动的情况下,也能揭示效率的变化情况。因此,一套切实可行的指标体系,至少应包括总能耗及每吨产品的能耗强度、范围一和范围二排放、界定混合工序的碳当量强度、取水量、耗水量、废水量、每次产品更换的清洁用水量,以及与废品、返工和残余物排空相关的指标。
数据采集应尽可能通过经过适当且可追溯校准的电、热、水以及必要时的废水计量表实现自动化。与过程控制系统、能源管理系统、上位控制及生产系统、ERP或维护软件的对接,有助于将数据关联至具体批次、配方、产量和停机原因。为保证数据的一致性和可审计性,应对系统边界、功能单位、报告期、测量方法、数据缺口、排放因子、计算方法和职责分工加以记录。相关分类可参照《温室气体核算体系》、ISO 50001、ISO 14064、GRI 302、GRI 303和GRI 305,对于负有报告义务的企业,还可参照ESRS E1(气候)和ESRS E3(水与海洋资源)的相关要求。
amixon®如何应对这一挑战
对amixon®而言,可持续性意味着将能源投入、原料产出率、清洁工作量、维护和使用寿命一并加以考量。但实际的环境和经济影响,始终取决于产品、配方、批量大小、填充率、混合任务、卫生要求和运行方式。因此,amixon®尽可能针对具体应用来评估关键工艺参数——例如通过在技术中心以原始产品进行试验,或在后续实际运行中进行测量。
混合机的能效,主要取决于混合原理、工具几何形状、转速、填充率以及所需的混合时间。amixon®混合机在许多应用中,采用较低的混合工具圆周速度运行,可实现温和的物料周转,并限制机械能量输入。但最佳转速和实际功率需求,始终会依据具体的混合任务加以确定。对于用于大批量的Gyraton®混合机GM而言,重点在于以相对较低的装机功率实现精确、温和的混合任务。具体的装机功率以及每批次或每吨产品的单位能耗,取决于产品、填充率、配方、混合时间和所需的均匀度。
只要能够可靠达到所需的均匀度,较短的混合时间就可以降低每批次或每吨产品的能耗。对于KoneSlid®混合机KS,amixon®给出的最佳混合质量约在20至30转工具转动后达到。该数值具有产品特异性,不能直接套用到其他混合机类型、配方或填充率上。因此,为进行可靠的评估,应通过技术中心试验或实际运行测量来确定单位能耗。有参考价值的指标包括每批次的千瓦时数、每吨产品的千瓦时数,以及功率消耗的时间曲线。
高效利用原料的一项核心杠杆,是尽可能彻底地排空混合机。较低的残留量,可以减少产品损耗、额外的清洁工作量,以及产品更换时的交叉污染风险。根据产品、混合机类型和配置的不同,amixon®混合机可以实现较高的排空程度。借助ComDisc®技术,在适当条件下,排空程度最高可达99.997%甚至更高。但可达到的残余物排空程度,必须以相应的原始产品进行评估,因为流动性、水分、颗粒大小、堆积密度和黏附倾向都会产生重大影响。
少死角、易于接触的混合腔以及贴合产品特性的清洁方式,可以减少用水量、清洁化学品消耗和人工干预。在涉及液体加入的应用中,精细分布且与产品相匹配的计量方式,有助于限制局部黏附。这是否能够实际缩短清洁时间或减少清洁剂用量,取决于配方、卫生规定、更换频率和具体的清洁方法。对于温度敏感型粉体,温和的混合原理有助于限制不必要的温升,而这是否真正能够节省冷却能耗,应针对具体工艺通过实测加以评估。
较长的经济使用寿命同样有助于节约资源。坚固的结构设计、合适的材料、良好的维护可达性、备件供应以及加装升级选项,均有助于混合设备长期运行多年,并适应不断变化的需求。amixon®为运营方提供维护、备件供应、现代化改造和加装升级支持。据amixon®介绍,备件储存在德国、美国和日本等地,以尽可能限制停机时间。现代化改造可能涉及驱动装置、控制系统、传感器、安全功能、计量技术、清洁或工艺记录等方面。
为形成可靠的可持续性报告,运营方应重点采集与应用相关的指标,包括每批次或每吨的单位能耗、排空后的残留量、每次清洁或产品更换所消耗的水和清洁化学品、停机频率、易损件消耗量,以及实际达到的使用寿命。amixon®可针对具体项目提供设备侧的测量和工艺数据,或通过技术中心试验支持相关评估。
在投资之前,可在amixon®技术中心以原始产品对具体的混合任务进行试验。位于帕德博恩的总部配备有30余台不同规格的试验装置,此外amixon®还在美国、中国、日本、印度、泰国和韩国设有技术中心。相关试验可采用贴近实际应用的填充率、批量大小以及预定的温度和压力范围进行。评估内容可包括混合质量、产品保护性、能量输入、排空性、可清洁性和可重复性。经记录的试验结果,有助于运营方在投资前选择合适的配置,并评估技术和经济风险。
较短的混合时间并非在所有应用中都是首要目标。当产品质量、产品保护性和较低的装机电功率成为重点时,采用较长、刻意放缓的均质化过程可能更具优势。Gyraton®混合仓正是遵循这一原理:其混合工具可以极低的转速运行,温和地翻动散料,从而使所需的驱动功率相对于巨大的批量而言保持在较低水平。Gyraton®混合机可提供最大达100立方米的批量规格,适用于干燥、潮湿及湿态散料。具体的混合时间和电机功率,均依据产品、批量大小、填充率和所需的混合质量分别设计确定。