原铝工业脱碳—低碳足迹现状及降碳潜力

23 4 月, 2023
10:07 上午

原铝工业脱碳—低碳足迹现状及降碳潜力

作者: Halvor Kvande（挪威科技大学）；Gudrun Saevarsdottir（雷克雅未克大学）；Barry Welch（世界银行咨询公司）

摘要

虽然在过去的几年中，全球原铝工业平均温室气体排放量变化不大，但现有的最佳实践所展现的排放数据已经变得更加可靠，并显示排放量将会更低。目前，铝电解过程最低排放在1.40 t CO₂e/t Al，而氧化铝生产至少需要1.0 t CO₂e/t Al，预焙碳阳极的生产排放约0.8 t CO₂e/t Al。综合起来，可知这一最佳组合的排放数据总计为3.2 t CO₂e/t Al，这远低于4.0 CO₂e/t Al的值，而该值通常被认为是低碳铝生产的一个标杆。通过碳捕获和封存（CCS），理论上排放量可以减少到约1.0 t CO₂e/t Al，而惰性阳极可以将总排放量降低到约0.2 t CO₂e/t。因此，惰性阳极代表了最大的减碳解决方案。然后，唯一的工艺排放将来自氧化铝精炼，最后来自电极的生产和回收。

1.引言

国际社会大力推动遏制气候变化和促进可持续发展，现在最常用的术语之一是“脱碳”。这个词的字面意思是减少碳使用，或从系统中去除碳。因此，脱碳是通过各种策略减少工业过程中二氧化碳排放的过程。对于全球铝行业来说，这个词近年来使用广泛，因为脱碳对于铝生产的可持续性和可预见的未来至关重要。

许多国家和组织已经出台法律，或宣布了到2050年实现净零排放的目标。对于铝行业，国际铝协（IAI）确定了3大技术方法类别（称为“路径”），以实现2050年所需的减排，同时也满足了对铝日益增长的需求。这3种路径包括：通过使用清洁能源（太阳能、风能、水、核能）而不是化石燃料（煤炭、天然气、石油）实现电力脱碳；通过各种工业生产过程步骤直接减排；以及回收利用和提升资源效率。

本文的目的，是讨论铝生产的二氧化碳当量（CO2e）排放的最佳可用数据，并提出如何进一步减排的概念。本文还将强调铝行业在实现2050年零排放目标方面面临的机遇和挑战。

2.GHG议定书排放范围

政府间气候变化专门委员会（IPCC）与其它组织，一起推出了《温室气体议定书》，该议定书概述了定义一个行业排放量的3个主要范围。在对从铝土矿到原铝锭的铝价值链的GHG排放进行分析时，这3个范围将用于定义与直接和间接排放相关的运行边界。

范围1—直接排放：包括铝冶炼厂现场发生的所有直接GHG排放，主要是电解槽中电解槽的CO₂和全氟化碳（PFC）排放。许多冶炼厂自己生产预焙碳阳极，而其它冶炼厂则从供应商那里购买阳极。目前尚不清楚世界上有多大比例的冶炼厂拥有自己的碳素厂，但这决定了这些排放是否属于范围1或范围3。

在全球范围内，原铝生产中使用的电力有45%是从供应商处购买的，55%是自备发电的。当电力来源于化石能源自备电厂时，它包括在直接现场排放中（范围1），运输车辆燃料燃烧产生的等效排放也包括在内。除了用于铝生产的电力外，冶炼厂用于必要辅助设施的化石燃料能源也有相当大的二氧化碳当量排放。其中包括用于运行设施和建筑物的交流电源，如铸造厂、空压机房、气体处理中心、中央车间、整流器辅助电源等。

范围2—间接电力相关排放：这些排放按冶炼厂消耗的购买电能的间接二氧化碳当量排放进行分类。

范围3—其它间接上游排放：这些排放与从冶炼厂以外的实体提取和生产材料有关。例如，铝土矿的开采和运输、提取氧化铝并将其输送到电解车间，以及氧化铝生产中使用的石灰石和烧碱的相关排放。与阳极原材料（绿色和煅烧的石油焦和煤沥青）生产相关的排放，到最终的预焙碳阳极和电解质材料（氟化铝和冰晶石）的排放。这里还包括与阴极材料生产相关的含碳材料（如阴极块、捣打糊和碳化硅侧壁块）的排放。

3.铝生产中的排放源

3.1 电力

2021年，用于生产铝的67%的电力，来源于化石燃料，主要是煤炭（57%），还有天然气（10%）。这意味着，铝生产总排放量的三分之二（约10 t CO₂e/t Al）来自电解所需的电力。因此，转向脱碳发电，是全球铝行业可以为减排迈出的最大一步，因此也是首要的技术路径。不过，本文将重点介绍使用无排放的可再生电力的冶炼厂的生产场景。

3.2 氧化铝生产

拜耳法不直接排放二氧化碳，氧化铝生产的大部分排放，来自为该过程提供热能的化石燃料燃烧。先前，对这些排放量的估计为1.5±0.4 t CO₂e/t Al，具体取决于所使用的能源。根据2018年的IAI数据，氧化铝生产的全球平均排放量要高得多（2.7 t CO₂e/t Al），最大的排放来自热能，为1.9 t CO₂e/t Al。爱尔兰Aughnish Alumina的最低值可能为0.516 t CO₂e/t Al₂O₃，相当于0.97 t CO₂e/t Al。Edwards等人的最新数据指出，Aluminie Alouette氧化铝精炼厂的排放量在0.60–0.62 t CO₂/t Al2O3之间，包括铝土矿开采，相当于1.13–1.17 t CO₂e-t Al。

为了使氧化铝精炼厂的排放脱碳，需要新的低碳分解和焙烧技术。这包括锅炉和焙烧炉转换为使用液化天然气（LNG）、机械蒸汽再压缩（MVR）和热回收等技术。目前，电锅炉已经成为蒸汽发电的成熟技术。

3.3 预焙碳阳极生产

据估计，预焙阳极及其原材料的生产通常会排放0.5–0.6 t CO₂e/t Al，IAI报告的全球平均值为0.5 t CO2e/t Al。Edwards等人对整个预焙阳极生产过程进行了新的、更完整的分析，报告的值为0.813 t CO2e/t Al。各工艺步骤的详细排放量如表1所示。

表1. 生产预焙碳阳极的GHG总排放量

碳阳极生产工艺步骤	排放 (t CO₂e/t AI)
煅烧石油焦（CPC）	0.490
CPC和生石油焦（GPC）的运输	0.026
煤沥青（CTP）	0.086
CTP和煤焦油（CT）的运输	0.007
阳极生产（不包括原材料）	0.204
二氧化碳排放总量	0.813

Edwards等人估计，全球平均排放量为1.026 t CO₂e/t Al，而加拿大参考冶炼厂使用的阳极碳足迹为0.931 t CO₂e/t Al。之前报告中使用的碳阳极生产排放数据，可能低估了排放量。因此，全球平均值为1.0 t CO₂e/t Al l可能是更正确的值。将阳极焙烧炉中的燃料油转换为天然气，可以进一步减少碳排放。

3.4 铝的生产

电解过程是铝生产过程中的一个重要因素，只要使用碳阳极，电解过程就会一直是最大的碳排放工序。减少这些排放有2种主要方法，即降低阳极净碳消耗和降低阳极效应的频率和持续时间，阳极效应会导致PFC排放。大多数现代冶炼厂的净阳极消耗数据在390至420 kg C/t Al之间，这意味着二氧化碳排放量在1.4至1.6 t CO₂e/t Al之间。铝冶炼厂对减少工艺相关PFC排放的高度重视，使预焙电解槽的全球平均值降至0.19 t CO₂e/t Al（中国之外）。具有最佳可用技术的电解槽，可以实现低至0.02 t CO₂e/t Al的PFC排放。

迄今为止，铝电解槽的最低总排放值为1.40 t CO2e/t Al，这既考虑了阳极效应期间的净阳极碳消耗，也考虑了PFC的形成过程。具有碳阳极的电解槽的排放量，不太可能低于约1.33 t CO₂e/t Al。这相当于接近370 kg C/t Al的净阳极碳消耗。

4. 衡量低碳铝

加拿大Aluminerie Alouette和海德鲁提供了铝生产从摇篮到大门的各种工序步骤的详细排放数据（表2）。希望更多的冶炼厂能公布这样的数据，以便对脱碳面临的挑战进行现实的评估。

表2 Alouette Aluminerie和海德鲁铝生产各个生产步骤的GHG排放数据

工序	Alouette （t CO₂ e/t Al）	海德鲁 (t CO₂e/t AI)
铝土矿	0	0.1
氧化铝	1.37	1.3
阳极	0.81	0.2
发电	0	0.1
冶炼	1.62	1.6
铸造	0	0.1
运输	0.1	0
其它	0	0.6
合计	3.91	4.0

这里的3大排放源，来自氧化铝和碳阳极原料的冶炼和生产。除了阳极之外，两个公司数据之间的一致性很好。海德鲁的阳极0.2 t CO₂e/t Al值，可能仅来自阳极焙烧，不包括阳极原材料、煅烧石油焦（CPC）和煤沥青（CTP）的生产。从表1中的数据可以看出，CPC和CTP的生产所排放的0.6 CO₂e/t Al，可能被包括在海德鲁估算值中的“其它”类别中。

主要铝生产商已经推出了基于水电生产的原铝，其最大碳足迹为4.0 CO₂e/t Al。该值现在被认为是全球排放基准。然而，在许多情况下，并没有公布每个主要工艺步骤的确切数据，也不总是清楚知道计算中包含了什么。在阈值碳强度水平上，甚至在核算和发布的排放范围上，都缺乏一致性。一些公司在销售二氧化碳当量低于4.0 CO₂e/t Al的铝时，仅参考了范围1和范围2。碳信托公司（Carbon Trust）提出了一种明确的方法来计算原铝的碳足迹的建议，该方法考虑了特定的电力来源，作为建立资格标准的基础，以带有低碳铝“标签”来证明当前的碳排放绩效。

4.1 铝业管理倡议ASI标准

2017年，铝业管理倡议（ASI）通过ASI绩效标准对铝冶炼厂的温室气体排放提出了要求。当时的一项要求是，到2030年或更早时期，所有现有和未来冶炼厂的直接和间接排放量应低于8 t CO2e/t Al。然而，当时ASI只考虑冶炼厂的直接排放，加上电力生产的间接排放（范围1和2）。

有人提出了可能需要修订ASI绩效标准的问题，将其改为使用总排放量（包括范围3排放量）。因此，这将使该标准能够参考所有从摇篮到铸锭生产的全部工序。在最近发布的ASI绩效标准修订版中（V3版），引入了这一修订。修订的ASI绩效标准指出，“如果一个实体从事铝冶炼……该实体应证明矿山开采到金属铝的平均排放强度，低于11.0t CO₂e/t Al。”

将范围3排放也纳入ASI绩效标准，这一点非常好，因为它包括了整个价值链中的所有生产工序步骤。与当前16 t CO₂e/t Al的全球平均原铝排放强度相比，这是朝着正确方向迈出的一步。然而，特别一提的是，因为预期未来铝工业将实现碳中和，与拥有最佳可用技术和可再生电力的实体相比，11.0 t CO₂e/t Al的限值仍然偏高。但ASI标准是铝价值链可持续性标准，并非低碳标准，因此更具有包容性，并且把选择权给了用户和市场。ASI对减排的透明度要求很高，要求其产业链上的所有认证企业都要公开其边界内碳核查报告和产品碳足迹（从摇篮到大门）。由于ASI认证的铝是沿着铝连续生产工序在认证企业之间流转的，这使得其供应链上企业公布的碳足迹更具有追溯性和可信度。

5. 减排的其它领域

5.1 回收

铝回收是指废铝在原铝生产后可以在产品中重复使用的过程。废铝的来源，无论是消费前废铝还是消费后废铝，对排放都极为重要。未使用过的消费前废铝，保留了原铝生产过程的碳足迹。同时，消费后废铝的处理，包括重熔和处理用过的金属铝，这意味着不包含电解和氧化铝和碳阳极上游生产的排放量。这一途径导致平均碳足迹约为1.1 t CO₂e/t Al。根据IAI的数据，消费后废铝的工艺排放量为0.6 t CO₂e/t Al，而海德鲁的报告称，消费后废铝的碳足迹约0.5 t CO₂e/t Al。这是消费后废料收集、运输、分拣和重熔带来的排放。最近，Hartlieb报告了车轮用铝的回收排放值，为0.21 t CO₂e/t Al。

5.2 碳捕获和封存

在具有碳阳极的电解槽中，会形成二氧化碳。然而，有可能存在在生产源捕获气体并随后进行封存的一种潜在的减排方法，这一过程被称为CCS。由于冶炼厂烟气中的二氧化碳浓度较低（约为1%），因此假定需要重新设计电解槽以提高二氧化碳浓度。然而，Voskian和Hatton报道了一种基于电化学方法的碳增浓方法，并可以从浓度低至0.6%、能耗约为0.85 kWh/kg Al的流中捕获CO₂。这可以减少改变电解槽设计的必要性。

根据Lassagne等人的研究，CCS技术预计能够将冶炼厂烟气中的CO2排放量减少90%，但不能减少PFC排放。这意味着，在采用CCS的情况下，碳阳极仍将保留约0.15t CO₂e/t Al，加上PFC排放的约0.1 t CO₂e/t Al，导致电解槽总排放量约为0.25 t CO2e/t Al。因此，即使使用CCS，电解过程也不是真正的无碳排放。

5.3 惰性阳极和阴极

在具有惰性阳极和阴极的电解槽中，生产铝的过程排放几乎为零。无论是由金属合金还是氧化物材料组成，惰性阳极的电活性表面必须是具有半导体特性的氧化物。由于所有氧化物材料在高腐蚀性氟化物电解质中的溶解度有限，因此不太可能找到完全惰性的阳极。据报道，范围1和范围2的直接和间接能源相关排放中，惰性阳极电解槽的排放量小于0.01 t CO₂e/t Al。值得注意的是，由于系统中没有碳，因此惰性阳极不会形成全氟化碳气体（CF4和C2F6）。

然后，只剩下范围3的排放，这些排放与原材料生产以及惰性阳极和阴极制造的间接排放有关。该数据尚未公布，但预计排放量较小，可能与电解过程的排放量相同（0.01 t CO₂e/t Al）。阳极和阴极在报废后的回收，将有助于保持电极的低碳足迹。然而，需要注意的的，即使对于惰性阳极电解槽，氧化铝的生产排放，也应作为范围3排放的一部分。

6.脱碳成本

当然，显而易见而又被忽略的事实，是所有这些减排措施所需的代价。根据可行使命伙伴关系（MPP）的估计，到2050年，整个原铝生产价值链将需要约1万亿美元的累计投资，以实现净零排放。4个主要类别的大致投资估算如下：

低碳电力：5000亿美元
冶炼厂惰性阳极改造：2000亿美元（不确定，也许更高）
氧化铝精炼厂：360亿美元
二氧化碳运输和储存基础设施：260亿美元

这些数字不容易理解，所以最好看看具体的成本。到2035年，低碳铝的生产成本可能平均增加400美元/t Al。目前，在许多冶炼厂难以实现盈亏平衡的情况下，生产成本增加400美元/t Al，将占LME价格的约20%。然而，不同生产商的成本增长将有很大差异，具体取决于现状。铝冶炼厂的生产成本可能会出现重大变化，根据电源不同，电解铝的生产成本增加值在75美元/t Al到600美元/t Al之间。

7. 结语

几家铝生产商已经宣布了到2030年将其排放量减少约30%的目标。这可能指的是他们的总排放量，而不仅是他们最好的具体排放强度数据。对于全球平均排放强度（指使用可再生能源的铝厂），这将意味着从5.6 t CO₂e/t Al 减少到3.9 t CO₂e/t Al。对于目前的排放强度为4.0 t CO₂e/t Al的标杆铝厂，这意味着减排目标可到2.8 t CO₂e/t Al。这是可能的，但需要大幅减少氧化铝精炼和碳阳极生产的排放。主要生产工艺（电解）从目前的最佳水平1.40 t CO₂e/t Al大幅减排的可能性较小。

展望2050年，表3总结了全球平均排放强度和最佳可用技术（BAT）的数据，这个假设是基于电力都来自二氧化碳零排放的可再生能源。

表3.铝生产的全球平均排放量数据，包括目前和未来用于原材料生产和冶炼的最佳可用技术（BAT）（基于使用可再生能源的电力）(单位：t CO₂ e/t Al)

工序	现有全球平均排放值	现有最佳排放值	配备CCS的未来最佳排放值	配备惰性阳极的未来最佳排放值
氧化铝精炼	2.6	1.0	0.2	0.2
阳极生产	1.0	0.813	0.5	0.01
铝电解	2.0	1.4	0.25	0
合计	5.6	3.2	1.0	0.2

可以合理地假设氧化铝精炼过程的排放量会减少。对于表3中所示的未来最佳可用技术（BAT）值，2050年精炼厂的估计全球平均排放量为0.2 t CO₂e/t Al。对于碳阳极生产，Edwards等人最近撰写的关于Alouette排放量的研究报告称，其全球平均值为1.026 t CO₂e/t All。这表明目前0.5 t CO₂e/t Al的全球平均值可能太低。然而，可以合理地假设这个值也会得到提高。因此，暂定0.5 t CO2e/t Al作为碳阳极生产的未来BAT值。

全球平均排放强度约为5.6 t CO₂e/t Al（使用可再生能源），但这尚不能确定，但在任何情况下，该值肯定高于所谓低碳铝4.0 t CO₂e/t Al的阈值。就最佳（BAT）数据而言，两种主要原材料氧化铝和碳阳极目前共同贡献了至少1.8 t CO2e/t Al，如果包括电解的最佳数据（1.40 t CO2e/t Al），那么组合起来的最佳可用数据将达到约3.2 t CO₂e/t Al。使用CCS技术，电解排放量显著减少，总排放量接近1.0 t CO₂e/t Al。惰性阳极将使排放量降至约0.2 t CO₂e/t Al。因此，毫无疑问，惰性阳极代表了最大的碳减排，可能也是最具成本效益的解决方案。在这种情况下，唯一显著的排放来自氧化铝精炼。

虽然铝行业似乎有一条明确的脱碳之路，但要想在2050年前实现净零排放的目标，需要对上游氧化铝和阳极供应链、铝电解工序以及下游回收进行重大变革。在氧化铝和阳极能够以无温室气体排放的方式到达冶炼厂之前，在电解不排放任何大量二氧化碳之前，没有人能够声称生产和销售真正的零排放铝（绿色铝）。要使铝完全脱碳，需要克服真正的技术挑战，而且成本极为昂贵。因此，铝行业以及社会的所有其它相关领域，都需要为实现这一目标付出巨大努力。

参考文献：略

（本文来源：LMG 尚轻时代编译）

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本篇文章来源于微信公众号: 尚轻时代

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