生命周期評(píng)價(jià)在電解鋁行業(yè)中的應(yīng)用

陳少林｜文

綠色低碳與高質(zhì)量發(fā)展，是電解鋁行業(yè)貫徹國(guó)家工業(yè)發(fā)展總體戰(zhàn)略的需要，也是企業(yè)自身發(fā)展的必由之路。加強(qiáng)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，減少污染物排放，提高資源和能源循環(huán)利用水平，才能從源頭上實(shí)現(xiàn)真正的污染防治與可持續(xù)發(fā)展。對(duì)產(chǎn)品或工藝過(guò)程進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)正是實(shí)現(xiàn)上述經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏局面的有效環(huán)境管理工具。

當(dāng)前，我國(guó)鋁冶煉環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格，特別在“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)背景下，節(jié)能減排是鋁冶煉企業(yè)發(fā)展的重要主題。綠色低碳與高質(zhì)量發(fā)展，是電解鋁行業(yè)貫徹國(guó)家工業(yè)發(fā)展總體戰(zhàn)略的需要，也是企業(yè)自身發(fā)展的必由之路。加強(qiáng)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，減少污染物排放，提高資源和能源循環(huán)利用水平，才能從源頭上實(shí)現(xiàn)真正的污染防治與可持續(xù)發(fā)展。對(duì)產(chǎn)品或工藝過(guò)程進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)正是實(shí)現(xiàn)上述經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏局面的有效環(huán)境管理工具。

“雙碳”背景下的電解鋁行業(yè)

當(dāng)前，我國(guó)電解鋁行業(yè)多為200千安～600千安現(xiàn)代大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽，通過(guò)自主技術(shù)創(chuàng)新，我國(guó)電解鋁行業(yè)的工藝技術(shù)和能源利用效率達(dá)到世界先進(jìn)水平。2020年，中國(guó)電解鋁行業(yè)鋁錠綜合交流電耗為13531千瓦時(shí)/噸，低于全球14255千瓦時(shí)/噸的平均水平。鋁冶煉行業(yè)是用電大戶，2020年我國(guó)電解鋁生產(chǎn)用電量5022億千瓦時(shí)，占全國(guó)用電量的6.7%。我國(guó)電解鋁行業(yè)能源結(jié)構(gòu)中，煤電、水電和其他可再生能源占比分別為88%、11%和1%，清潔能源保障比例明顯低于北美洲（水電84%）、歐洲（水電86%、核電6%）和南美洲（水電80%、天然氣20%）等地區(qū)。此外，我國(guó)電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳排放量達(dá)12.8噸/噸鋁，明顯高于歐洲（1.9噸/噸鋁）、北美洲（2.7噸/噸鋁）、南美洲（3.8噸/噸鋁）等地區(qū)。

據(jù)國(guó)際鋁協(xié)測(cè)算，2018年全球鋁行業(yè)二氧化碳排放量約11.27億噸，其中氧化鋁精煉碳排放量為2.04億噸，占比二氧化碳排放總量約19%；原鋁生產(chǎn)由于電力消耗而間接排放的二氧化碳量約6.7億噸，占比二氧化碳排放總量的60%；鋁電解二氧化碳排放總量8.24億噸，占比二氧化碳排放總量的73%。據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)測(cè)算，2020年我國(guó)有色金屬行業(yè)二氧化碳總排放量約6.6億噸，約占全國(guó)碳排放總量的4.7%。其中，鋁冶煉（含電解鋁、氧化鋁、再生鋁）行業(yè)二氧化碳排放量為5.1億噸，約占77%。電解鋁行業(yè)排放（含電力間接排放）二氧化碳4.2億噸，約占有色金屬行業(yè)總排放量的64%。國(guó)際和國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，電解鋁貢獻(xiàn)了鋁冶煉行業(yè)和整個(gè)有色金屬行業(yè)二氧化碳排放的最大份額。

產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

1990年，國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(huì)首次提出了生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“LCA”）的定義：生命周期評(píng)價(jià)，是一種對(duì)產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)的客觀評(píng)價(jià)過(guò)程，是從原材料采集到產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、使用、回收和最終處置的全生命周期階段中的環(huán)境影響程度的認(rèn)證，目的在于評(píng)價(jià)上述過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，尋求減小環(huán)境影響的機(jī)會(huì)。LCA模式與傳統(tǒng)的末端治理相比較，體現(xiàn)了全程控制理念，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，到生產(chǎn)實(shí)踐的每個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)強(qiáng)化管理和技術(shù)進(jìn)步，全程實(shí)施節(jié)能減排。1997-2000年，國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織頒布的ISO 14040 ～I(xiàn)SO 14043一系列標(biāo)準(zhǔn)，使生命周期評(píng)價(jià)走向國(guó)際化，并使利用LCA評(píng)價(jià)不同地區(qū)產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷有了理論上的對(duì)比性。

由于LCA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中能夠最大限度地協(xié)助企業(yè)減少產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的環(huán)境效益、功能效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的多重目標(biāo)，近年來(lái)獲得了國(guó)家的高度重視，如工信部《中國(guó)制造2025》《綠色制造工程實(shí)施指南（2016-2020年）》等文件明確提出綠色產(chǎn)品要按照生命周期的理念，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，系統(tǒng)考慮產(chǎn)品生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)資源環(huán)境造成的影響，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生態(tài)環(huán)境影響最小化。圍繞“雙碳”目標(biāo)，基于LCA的碳足跡/碳排放核查重要性凸顯。在國(guó)家政策和綠色發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，部分電解鋁行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)工作，以此拓展生態(tài)市場(chǎng)，搶占綠色發(fā)展制高點(diǎn)，達(dá)到市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

生命周期評(píng)價(jià)在鋁冶煉行業(yè)的應(yīng)用

LCA通過(guò)對(duì)產(chǎn)品整個(gè)或某個(gè)生命周期階段的資源和能源消耗以及向環(huán)境（空氣、水、土壤等）排放的廢棄物進(jìn)行定性、定量分析，從而分析產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷。常見(jiàn)的環(huán)境影響類(lèi)型包括資源消耗、溫室效應(yīng)、人體健康、酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、臭氧層破壞和光化學(xué)煙霧等，評(píng)價(jià)結(jié)果可用于企業(yè)重大問(wèn)題識(shí)別和工藝或技術(shù)改進(jìn)指導(dǎo)。電解鋁產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷主要與氧化鋁冶煉、碳陽(yáng)極制備和電解有關(guān)，尤其是電解和氧化鋁冶煉，多種環(huán)境影響類(lèi)型的特征化值顯著高于其他工藝環(huán)節(jié)。在電解過(guò)程中，電力消耗對(duì)酸化（AP）、人體毒性（HTP100a）、溫室效應(yīng)（GWP100a）、光化學(xué)煙霧（POCP）、富營(yíng)養(yǎng)化（EP）等環(huán)境影響類(lèi)型的貢獻(xiàn)占比最高，基于我國(guó)能源整體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，發(fā)電過(guò)程中的煤炭消耗會(huì)排放大量污染物，包括溫室氣體二氧化碳、甲烷、一氧化碳等，酸性氣體二氧化硫、氮氧化物等，使電力消耗成為全球變暖、酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境影響類(lèi)型的主要貢獻(xiàn)者。

此外，不同的原料供應(yīng)也會(huì)對(duì)電解鋁產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷產(chǎn)生顯著影響，如拜耳法工藝流程的噸氧化鋁環(huán)境負(fù)荷最低，燒結(jié)法的最高，混聯(lián)法介于兩者之間。其中，對(duì)于拜耳法工藝，間接加熱溶出技術(shù)比蒸汽直接加熱的壓煮溶出技術(shù)的環(huán)境負(fù)荷更低；對(duì)于燒結(jié)法工藝，間接加熱脫硅技術(shù)比直接加熱脫硅技術(shù)的環(huán)境負(fù)荷更低；對(duì)于混聯(lián)法工藝，拜耳法的生產(chǎn)比例越高，環(huán)境負(fù)荷越小。

LCA也是有效的環(huán)境管理工具，可定性和定量分析不同環(huán)境影響類(lèi)型的地區(qū)差異，為環(huán)境管理部門(mén)提供參考。以溫室效應(yīng)為例，我國(guó)電解鋁行業(yè)產(chǎn)能分布存在明顯地域差異，由于能源、原料和消費(fèi)等因素，電解鋁生產(chǎn)主要集中在山東省（自備電廠、靠近港口）、西南地區(qū)（水電、靠近老撾和越南等高品質(zhì)氧化鋁產(chǎn)地）和西北地區(qū)（煤炭資源、低成本電力）。我國(guó)電解鋁行業(yè)碳排放也存在明顯的區(qū)域差異：南方省份主要為低碳排放區(qū)和中等碳排放區(qū)，包括重慶、湖北、湖南、江蘇、浙江、福建、廣西和四川；河南、山東、內(nèi)蒙古和新疆原鋁產(chǎn)量大、煤電占比高，為高碳排放區(qū)，其中山東碳排放強(qiáng)度最高，其次分別為新疆和內(nèi)蒙古；西北地區(qū)煤炭資源豐富、電力成本低廉，鋁產(chǎn)量大，碳排放總量占比全國(guó)總量的40%；云南和四川水電占比最高，能源結(jié)構(gòu)中煤電占比僅約為10%，而山東省非化石能源占比不超過(guò)5%。

鋁電解技術(shù)進(jìn)步和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化是減少原鋁生產(chǎn)環(huán)境影響的主要途徑，然而國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果均表明鋁電解在無(wú)顛覆性技術(shù)出現(xiàn)的現(xiàn)狀下，依靠科技進(jìn)步帶來(lái)減排邊際效益小。此外，我國(guó)電解槽工藝參數(shù)、電流效率優(yōu)于行業(yè)平均水平，氧化鋁普遍使用環(huán)境影響較小的拜耳法生產(chǎn)，技術(shù)改造環(huán)境效益較小。因此，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增加水電、風(fēng)電等清潔能源的使用比例是實(shí)現(xiàn)減排的根本途徑。我國(guó)部分地區(qū)清潔能源優(yōu)勢(shì)明顯，如西南地區(qū)，引導(dǎo)電解鋁產(chǎn)能布局至水電等清潔能源保障能力強(qiáng)的地區(qū)，是產(chǎn)業(yè)調(diào)整的重要方向。此外，基于LCA的能源評(píng)價(jià)結(jié)果表明程中，輸入能量中僅40%～45%用于電化學(xué)反應(yīng)，其余均轉(zhuǎn)化為熱量，而煙氣帶走的熱量大致占整個(gè)電解槽體系能量支出的15%～30%。鋁電解過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣溫度一般在100℃～140℃之間，將電解煙氣中的熱量回收利用，也是實(shí)現(xiàn)電解生產(chǎn)節(jié)能降耗的一種重要手段。