生命周期评价在电解铝中的应用

生命周期评价在电解铝中的应用

葛青，鹿珂伟，赵春雷

国合通用测试评价认证股份公司

摘要：目前中国电解铝产能已超过3650万吨，是国民经济发展的重要基础材料之一。铝冶炼环节的碳排放占中国有色金属工业碳排放的42%以上，是有色行业工业节能减排最具潜力的研究领域。本文运用生命周期评价方法和ReCiPe评价模型，对电解铝生产阶段进行生命周期清单分析，对生命周期过程中的资源消耗、能源消耗及环境排放进行特征化分析，针对电解铝生产过程环境热点问题进行分析和讨论，研究结果可为铝行业绿色发展提供参考。

关键词：铝行业绿色发展；生命周期评价；环境影响

中国有色金属的生产和消费稳居世界第一，有色行业在极大提升技术装备进步和促进国民经济发展的同时，也成为了我国能源资源消耗和污染物排放的重点领域之一。我国电解铝产量占全球近50%比例，作为高耗能产品，消费的电能占整个有色金属生产总能耗的86%以上，占全国电力消耗的7.5%左右^[1]。国内电解铝能耗水平在2016年前由于技术进步、槽型改造等原因大幅度下降，目前每年处于基本持平状态。2018年电解铝综合交流电耗约为13532.67 kWh/t，铝锭综合能耗（折标煤）约为1661.47 kg/t。影响电解铝能耗因素除了技术改进之外，矿石品位是较大影响因素。部分地区由于环保要求，电解铝企业配套的硫回收装置也增加了单位产品电耗值。

目前人们环保意识逐渐增强，CO₂减排需求日益提高，国内外贸易也向低碳化、可持续发展方向迈进，生命周期评价方法作为最广泛的环境评价方法，逐渐在有色行业应用起来^[2-7]。本文运用生命周期评价方法，对某企业电解铝生产过程中能源、资源消耗，环境排放进行特征化分析，定性、定量研究电解铝产品生产各环节环境影响，识别环境负荷较大的生命周期阶段，分析能耗和碳排放，为铝行业绿色发展提供数据支撑。

 

1. 目标与范围的确定

基于对电解铝产品的生产过程的调研，定义系统边界为“摇篮”到“大门”阶段，即原材料获取（氧化铝、预焙阳极、氟化铝等）、运输、电解（600kA电解槽）、烟气净化脱硫阶段，不包括产品的使用、废弃和回收阶段，如图1所示。设定功能单位为1吨电解铝水。

 

图1 电解铝生命周期评价系统边界

铝电解生产采用“氧化铝–冰晶石融盐电解法”，将氧化铝、冰晶石、氟化铝加入预焙阳极电解槽中，通入强直流电，并发生复杂的电化学反应，在阴极(电解槽底部)上析出铝液，定期用真空包抽出送往铸造车间浇铸成铝锭或生产成电工圆铝杆。在电化学反应过程中，碳素阳极与氧反应生成CO₂和CO而不断消耗，通过定期更换预焙阳极块进行补充。

2. 清单分析

电解铝生产过程中原辅材料及能源消耗包括一级数据和二级数据。一级数据通过对上下游企业进行访问、调研后收集数据。二级数据为背景数据，来源于有色金属生命周期数据库。本文中电解铝生产所需氧化铝、氟化铝生产采用二级数据，预焙阳极生产、铝电解、烟气净化脱硫采用一级数据。

表1 生产1t电解铝数据清单

 表2 生产1t铝电解用预焙阳极数据清单

预焙阳极生产主要包括备料、煅烧、成型及焙烧。根据对石油焦含硫量的统计、预焙阳极产品微量元素监测及残极微量元素分析，并结合预焙阳极生产LCI数据清单分析得出，石油焦中的硫有60%~73%进入了预焙阳极产品，因此电解铝生产过程中SO₂排放量与石油焦中含硫量有极大关联。

表3 烟气净化脱硫工艺数据清单

电解烟气首先进入净化除尘系统，进行吸附反应，除氟、降尘。除氟降尘后的烟气经增压风机进入电石渣–石膏湿法脱硫系统，脱硫塔设有主塔和副塔，采用“一用一备”运行方式，设备切换无缝连接，实现不间断超低排放。

3. 影响评价

本严格遵守ISO14040要求^[8]，并针对电解铝生产中对环境产生影响的几种主要排放物：二氧化碳、二氧化硫、氟化物、颗粒物、残极、碳渣和铝灰，评价指标选取ReCiPe评价指标中的六种：温室效应、颗粒物形成、陆地酸化、陆地生态系统毒性、淡水生态系统毒性，土地破坏与占用。 

表4 本报告所选环境影响指标

选定评价模型为ReCiPe，确定环境影响指标后，计算生产1吨电解铝各环节环境影响，如表5所示。 

表5 生产1吨原铝生命周期评价环境影响特征化分析

以温室效应为例，每生产1吨原铝，电解过程（不计间接排放）共计产生碳排放1784.03 kgCO₂eq.，其中阳极消耗排放的二氧化碳当量为1.5 t。全 生命周期范围内共计产生碳排放19656.47 kgCO₂ eq.。吨铝耗电量为13713.50 kWh，对应二氧化碳排放当量为15204.81 kg，这个排放量为煤矿开采至发电厂生产电这一生命周期内，共计排放二氧化碳当量，不在电解铝厂中排放。电解过程排放1.76 tCO₂eq.，其中1.5 t是阳极消耗的CO₂直接排放量，剩下的为CF₄和C₂F₆的二氧化碳排放当量，根据中国有色金属工业协会制定的排放因子计算得出。其他环境影响指标分析与温室效应类似。阳极效应采用零控制，根据实际情况统计，2018年平均每台电解槽4-5次。为减少阳极效应，可在损失尽量小的电流效率同时，加强对每组阳极电流密度的监控，适当提高电解质中氧化铝浓度。

根据全生命周期理念，追溯到电解铝水上游原辅料生产阶段，由表5可知在温室效应环境影响类型的生命周期各阶段贡献比例中，电力生产所占贡献为77.35%，为15204.81 kg CO₂ eq.，电解过程由于阳极效应产生的温室气体对温室效应的贡献率达到了9.08%，约为1784.03 kg CO₂ eq.，其次是氧化铝的生产过程产生的温室气体贡献了11.09%，其余阶段的贡献占比不到1.5%；颗粒物形成主要来源电力过程，达到89.05%，氧化铝占到7.72%。

在淡水生态毒性中依然是电力占到了66.77%，为1.95kg 1,4 DB eq.，阳极碳素生产对淡水生态毒性贡献了16.69%，约为0.49 kg 1,4 DB eq.，脱硫工艺产生0.26 kg 1,4 DB eq.，占该影响类型的,9.04%，电解过程无影响，其余阶段影响占比均较小。

土地破坏与利用主要来源氧化铝生产，占比达到64.83%，主要是氧化铝生产涉及到铝矿开采所产生的的固体排放物堆积和填埋造成的；环境影响类型酸化和陆地生态毒性同样是来源于电力生产过程，其余阶段占比较小。

因此降低吨铝耗电量，提高电解铝电解技术，提高能源利用效率，是电解铝行业节能减排最佳路径。降低电解铝生产成本主要是降低电能消耗、人工费用和阳极消耗。主要技术经济指标就是高产率、高电流效率和低电耗。这三个指标相互影响，在保持电解槽不变的情况下，提高阳极电流密度（提高产率）往往会降低电流效率并增大内耗。如果追求低电耗，则对产率和电流效率有负面影响。因此需根据实际情况，如当时的铝价、电价等选择合适的电流密度，以调节最佳参数，获得最大的经济效益，降低槽平均电压和提高电流效率都可以降低电耗，但前提是要减少电解槽的散热损失，否则会破坏电解槽的能量平衡。

随着环保要求的提高，通过降低石油焦含硫量来控制电解铝生产过程SO₂排放量已经不能满足标准最低要求，烟气脱硫已经成为电解铝生产生命周期内不可或缺的环节。本文对电解铝生产烟气脱硫环节进行了针对性的分析，每生产1t原铝，约产生8.45 kg 二氧化硫（根据最终SO₂排放量和脱硫效率算出），脱硫过程每吨原铝需消耗131.36 度电， 0.92 t水，42 kg电石渣，产生 0.20 t脱硫石膏，脱硫废水大部分回脱硫系统回用，小部分水进入水处理中心处理后用于卸煤沟、干煤棚雾炮进行降尘。脱硫石膏资源利用生产石膏粉或石膏板。由于数据收集条件有限，脱硫过程所用材料生产的背景数据均采用背景数据库的平均值，预估烟气脱硫环节的综合环境影响。

生产1 t原铝，脱硫工艺全生命周期边界内排放二氧化碳149.5102 kg CO₂，（脱硫物料间接排放），排放二氧化硫0.808 kg，评估全球变暖潜势环境影响指标，脱硫过程共排放1.26kg CO₂ eq.，评估酸化潜势，对环境影响值为1.26 kg SO₂eq.。脱硫过程排放的二氧化碳值（间接、直接统计在内）占电解铝生产全生命周期的0.95%，占电解过程的1.09%；评估全球变暖潜势环境影响指标，脱硫过程占电解铝生产全生命周期的0.94%，占电解过程的1.06%。评估酸化潜势，脱硫过程占解铝生产全生命周期的1.72%，占电解过程的1.95%。脱硫过程中消耗的材料生产带来的环境影响较低。

表6 烟气脱硫工艺环境指标值（功能单位：1 t原铝）

通常预焙阳极中含硫量增加1%，电解槽排气中SO₂浓度将提高100mg/m³，因此阳极含硫量超过2%时，电解槽排气中的SO₂就有可能超标。电解铝烟气干法吸附净化技术不能有效吸收SO₂，因此企业需在干法净化设备后再增加脱硫设备，或采用湿法技术进一步深度净化电解铝烟气。

目前脱硫工艺应用较为广泛的有一下几种：石灰石/石灰–石膏法、钠–钙双碱法、氧化镁法、氨–硫酸铵法，其中石灰石–石膏法占比超90%；半干法有氨法、石灰法；干法有炉内喷钙法等等。本文针对集中湿法脱硫方式进行综合分析比较，表中电石渣—石膏法采用企业实际调研数据，其余为其他电解铝企业实际数据或理论设计值。表中的温室效应、颗粒物形成、化石资源耗竭、淡水生态毒性、土地破坏与占用、资源耗竭、陆地酸化和陆地生态毒性这几种环境影响类型，均为石灰石、碳酸钠、氧化镁、液氨生产全生命周期范围内的环境影响类型及影响值，如1 kg石灰石，从矿石开采至石灰石生产为产品这个生命周期范围内，对温室环境综合影响表现为排放0.0113kgCO₂eq.。数据来源为国内有色行业数据库，仅供参考。

表7-1 电解铝行业不同湿法脱硫技术比较

表7-2 电解铝行业不同湿法脱硫技术比较

4. 结论及建议

本研究应用生命周期评价方法，依据ISO 14040和ISO 14044等国际标准的相关规定，对铝产品生命周期的环境影响进行评价，主要的结论如下：

（1）所选的全部指标中，电解耗电带来的影响最高，占总碳排放的82.84%；其次是氧化铝的投入，占总碳排放的10.19%；电解铝液时产生的全氟化碳则占1.46%；阳极碳素生产时投入的石油焦占1.22%。

（2）生产1吨原铝，共计产生碳排放17270.44kgCO₂ eq.，其中电耗带来的碳排放最大，为14898.95kgCO₂ eq.，占86.27%；其次氧化铝，为1832.19 kgCO₂ eq.，占10.61%；废气排放及预焙阳极，分别为263.16 kgCO₂ eq.和251.26 kgCO₂eq.，占1.52%、1.45%。

（3）为了能更好的降低生产所带来的环境影响，可用清洁能源（如水电）去替代火电；可以在满足工序进行的情况下，减少电力的投入，或通过改进设备和工艺来减少氧化铝、石油焦等材料的投入量。

通过设定最优情境，假设电解铝生产过程使用电能全部为水电，将相应模型参数设定好后，计算得出结果如下图2所示。在最优情境下，生产1t电解铝产品产生的碳排放为3243.56kgCO2 eq.，相较于原来的情况，可减少16412.91kgCO2 eq.，实现碳排放较少82.50%。

图2 不同情境生产1t电解铝产品的碳排放

（4）不断提高精细化操作水平，节能高效，努力实现电解槽设计寿命及延长寿命周期。

（5）进一步提高含氟、含硫烟气的回收率。硫元素的产生直接导致了SO₂的排放，铝电解排放的硫来源于预焙阳极带入硫、电解质带入硫以及载氟颗粒带来的硫，其中预焙阳极带入硫占主要因素，建议控制石油焦含硫量。使用砂状多孔结构氧化铝，增大吸附物和吸附剂接触机会和面积。

（6）不断的技术进步及提高自动化控制水平，节电节能，平稳运行，进一步提高电流效率。

参考文献

[1]《绿色制造》国家制造强国建设战略咨询委员会，电子工业出版社

[2]杨毅,郭尧琦,朱文松,黄健柏.基于生命周期评价的我国原铝生产的环境影响评估（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society ofChina,2019,29(08):1784-1792.

[3]张言璐. 我国电解铝与再生铝生产的生命周期评价[D].山东大学,2016.

[4]周雄辉. 铜冶炼烟气制酸过程中的生命周期评价[D].南华大学,2019.

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[6]王琢璞,温宗国.废铅酸电池回收制取再生铅合金技术的生命周期评价[J].环境科学学报,2018,38(03):1245-1255.

[7]张承龙,郭翠香,邱媛媛,赵由才,易天晟.碱浸–电解法生产锌粉过程的生命周期评价研究[J].环境科学研究,2008(01):213-217.

[8]ISO. ISO 14044. Environmental management – Life cycleassessment – Requirements and guidelines (ISO 14044:2006). [J]. InternationalStandard Iso, 2006.

（作者单位：国合通用测试评价认证股份公司）

关于国合通用测试评价认证股份公司

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