碳中和背景下電解鋁行業(yè)節(jié)能減排的探討

李瑛娟，宋群玲，張金梁，王曉東，劉 捷，蔡川雄

(昆明冶金高等?？茖W校冶金與礦業(yè)學院，云南 昆明 650033)

碳中和是中國經濟在能源保障和產業(yè)轉型方面的內在需求，是經濟社會系統(tǒng)性的變革。把碳減排作為重要的抓手，通過碳成本要素的流動，可助推我國產業(yè)結構的改革。目前碳中和已成為全球大趨勢，世界各國在應對全球氣候變化方面都具有相同的利益和方向。碳中和的最主要目的是減少含碳溫室氣體的排放，采用合適的技術固碳來達到平衡。

近幾年，在碳達峰、碳中和背景下，西部地區(qū)鼓勵類產業(yè)目錄中，云南是唯一被明確鼓勵支持綠色鋁全產業(yè)鏈發(fā)展的省份，把綠色能源作為核心競爭力參與國際競爭，對標全球領先水平。為加快推動產業(yè)集群發(fā)展、產業(yè)鏈延伸，云南先后引進山東魏橋、河南神火等一批綠色鋁重點龍頭企業(yè)，引領產業(yè)鏈不斷向下游高端化延伸，推動綠色鋁產業(yè)在綠色化發(fā)展、產業(yè)規(guī)模、精深加工、創(chuàng)新研發(fā)上成為全球制高點，不斷提升云南在全球產業(yè)鏈、供應鏈、創(chuàng)新鏈中的地位和作用，加快建設綠色制造強省，打造“中國鋁谷”。而電解鋁是高耗能、高碳排放行業(yè)，是碳排放非常重要的責任主體，減排壓力巨大。面對全球氣候變暖問題，實現(xiàn)碳減排迫在眉睫[1-5]。

1 電解鋁行業(yè)概況

圖1 電解鋁生產碳足跡Fig.1 Carbon footprint of electrolytic aluminum production

我國在現(xiàn)代鋁電解技術領域已跨入世界行列，目前已形成了自主的現(xiàn)代鋁電解技術體系，160 kA、320 kA、400 kA、500 kA、600 kA……超大型預焙陽極鋁電解槽技術相繼誕生，各項技術指標已達到或超過了國際先進水平。采用中國電解鋁技術建設電解鋁廠的投資僅僅是發(fā)達國家的1/3～1/2，基于全球化的電解鋁產品的質量標準，各國生產的原鋁都可以達到同樣的質量標準。目前我國自主創(chuàng)新的電解鋁技術已實現(xiàn)了向印度、哈薩克斯坦、馬來西亞、伊朗，甚至是歐洲發(fā)達國家出口，通過工程總承包、設計、施工等方式帶動了國內相關裝備制造、材料以及勞務等出口，在國際上產生了巨大的影響。在全球范圍內，有電解鋁增長的地區(qū)，基本就有中國的身影。電解鋁工業(yè)已經成為我國在全世界制造業(yè)乃至工業(yè)領域中少有的優(yōu)勢產業(yè)之一，在“一帶一路”倡議指引下，昂首走向世界。

每噸電解鋁生產的碳排放超過每噸鋼鐵的6倍，我國電解鋁行業(yè)CO2排放量處于有色行業(yè)排放量中的最高水平。從全球來看，目前電解鋁行業(yè)產生的碳排放量已經超過10億t，占全球總碳排放量比率約4.6%。電解鋁生產碳足跡如圖1所示。

圖2 鋁生產過程中CO2排放來源及占比Fig.2 Source and proportion of CO2 emission in aluminum production

在鋁的全生命周期過程中，生產階段、加工制造階段以及廢料回收階段均會釋放溫室氣體，全生產過程中用電排碳量高達63%，如圖2、3所示。在全球主流鋁生產國中，中國噸鋁冶煉的電力碳排放量較高，處于全球中上水平。

2 電解鋁行業(yè)節(jié)能減排措施

基于不同發(fā)展需求和目標，本文對電解鋁行業(yè)節(jié)能減排進行了大量的綜述[6-21]。目前，我國電解鋁行業(yè)在碳中和背景下，又面臨新的問題和挑戰(zhàn)，節(jié)能減排措施主要可以從以下幾個方面進行考慮。

圖3 鋁的生命周期排放情況[6](數字為各環(huán)節(jié)排碳量)

2.1 優(yōu)化能源消耗結構，降低火電消納，提升清潔能源占比，構建大規(guī)模儲能系統(tǒng)

現(xiàn)有的能源系統(tǒng)以煤和石油為主，能源結構調整是低碳時代的重要方向，而電解鋁行業(yè)普遍使用煤電，碳排放居高不下，因此，主動轉變能源結構將是解決電解鋁行業(yè)降低碳排放問題的關鍵。

表1 2020年我國能源消費占比情況

鋁電解過程中的電力消耗是造成碳排放最主要的原因。我國的能源結構與碳達峰碳中和的要求差距非常大。如表1所示，化石能源是碳排放最大的能源，我國使用化石能源產生的碳排放約為每年98億t，占全社會碳排放總量的近90%。

從表2各國原鋁生產的電力結構和噸鋁冶煉電力碳排放情況可以看出，中國噸鋁碳排放較高的原因在于煤電占比高，而水電、天然氣或核能占比高的國家都顯示出較低的噸鋁碳排放，因此提高水電占比是降低噸鋁碳排放最有效的途徑。從表3典型鋁企碳排放情況可以看出，調整電力結構迫在眉睫。

表2 主要鋁生產國電解鋁生產情況

表3 主流鋁企碳排放情況

我國電解鋁行業(yè)用電模式有自備電和網電2種，我國能源結構中煤電占比高，導致電力環(huán)節(jié)碳排放量高于全球平均水平。隨著碳排放指標的嚴格控制，發(fā)展水電等清潔能源代替火電的使用，綠色水電鋁將會是降低碳排放的重要趨勢。水電鋁與火電相比，電力環(huán)節(jié)不需要煤炭等資源參與的火力發(fā)電，可大幅度減少CO2的排放量，水電鋁碳排放量比火電鋁減少86%。從圖4可以看出，火電生產噸鋁的碳排放總量約為 13 t，其中電力環(huán)節(jié)碳排放 11.2 t，電解環(huán)節(jié)碳排放 1.8 t。而水電生產噸鋁碳排放量僅為 1.8 t ，其中電力環(huán)節(jié)無碳排放，只有電解環(huán)節(jié)產生 1.8 t 的CO2。即每生產1 t電解鋁就可以減少約 11.2 t 的CO2排放量，同時水電鋁相對于火電鋁成本優(yōu)勢可達 335元/t，而且還會隨著碳交易價格的上漲而擴大。

圖4 電解鋁用電量及碳排放

目前云南、四川、貴州、湖北、廣西、青海、福建、甘肅等省區(qū)的電解鋁碳排放都低于全國平均水平，其中云南省為 7.1 t CO2/t鋁，排放最低。碳中和背景下，水電成本將更具優(yōu)勢，煤電價格優(yōu)惠或將逐步取消，導致火電鋁成本增大，企業(yè)必須進行能源轉型；我國電解鋁產業(yè)布局正在經歷“北鋁南移，東鋁西移”的過程。電解鋁產能逐漸從以新疆、山東為主的火電區(qū)域向以云南為主的水電區(qū)域轉移。

中鋁集團、魏橋集團、神火集團、中國宏橋等幾家大型鋁企業(yè)紛紛向西南地區(qū)轉移產能指標，在云南新建項目，利用云南的水電資源發(fā)展水電鋁，實現(xiàn)用電向低碳能源轉型、產能向低碳能源區(qū)域轉移的變化，為我國碳達峰碳中和目標奠定基礎。但是在產能轉移過程中，產業(yè)布局存在資源配置的矛盾，水電鋁的發(fā)展也會遇到新的問題和挑戰(zhàn)，如枯汛交替之際就會凸顯電力供應不足的情況，水電鋁面臨減產風險；同時也需要大型鋁企解決在氧化鋁產能過剩的前提下如何全面布局原材料的供應問題等。這就需要構建大規(guī)模儲能系統(tǒng)來有效應對電力不足的問題。

大力發(fā)展非化石能源是推動能源低碳轉型的重要舉措，西南地區(qū)進行有效布局并大力發(fā)展風電和太陽能發(fā)電。為達到碳中和，清潔電力將成為能源系統(tǒng)的配置中樞：供給側以光伏+風電、核電、水電、生物質發(fā)電；需求側全面電動化，并輔以氫能。

此外，從表2可以看出，技術改進和創(chuàng)新工藝也是降碳的重要舉措：持續(xù)優(yōu)化工藝過程控制，加強余熱回收等綜合節(jié)能技術創(chuàng)新，降低能耗、物耗和碳排放強度；開展以無碳陽極技術、相應的環(huán)保材料或惰性陽極研發(fā)與推廣來代替碳陽極將是未來降碳的發(fā)展方向。如通過采用惰性陽極材料降低噸鋁生產過程中排放的CO2，也會相應地增加成本，但陽極環(huán)節(jié)的碳排放在電解鋁生產碳排放總量中的占比并不大，最核心的影響還是在于能源結構的調整。

2.2 循環(huán)利用再生鋁資源，提升再生鋁占比及消費，改善全行業(yè)碳排放水平

在鋁的生產過程中，根據生產原料和生產工藝的不同，可以分為原鋁和再生鋁兩大類。兩者區(qū)別如表4所示。

表4原鋁和再生鋁的區(qū)別

圖5 水電鋁產業(yè)鏈Fig.5 Hydropower aluminum industry chain

由于鋁金屬的抗腐蝕性強，在使用期間損失極少，可以多次重復循環(huán)利用，如圖5所示，鋁金屬有“能源儲蓄銀行”的美稱。循環(huán)利用再生鋁資源，即使能耗不變，碳排放也將有所下降?；厥盏膹U鋁在回爐再生中所消耗的能量只有電解鋁生產時的4.9%，而且再生鋁與原鋁的品質完全相同。

我國再生鋁產量占比遠低于全球平均水平，未來提升空間巨大。通過縮短流程，將電解鋁生產鏈延伸到鋁材加工，能減少鋁液鑄錠和軋制前重熔的環(huán)節(jié)，節(jié)能降低碳排放量和減少金屬燒損量。再生鋁生產工藝流程較原鋁更為簡單，廢鋁經過分選預處理、熔煉和鑄錠即可得到鋁合金，無需經歷原鋁生產過程中電解的工藝程序，能耗因此大幅降低。生產1 t原鋁的碳排放量約為 11.2 t，而生產1 t再生鋁的碳排放量僅為 0.2 t，噸鋁碳排放量較原鋁減少 11 t，再生鋁低碳排放明顯。

此外，歐洲、北美等發(fā)達國家或地區(qū)再生鋁產量已普遍超過原鋁產量，日本國內全部采用再生鋁生產。目前我國對再生鋁資源的利用尚不充分，未來隨著碳中和的推進，應建立起科學而又完善的廢鋁回收體系，建設綠色鋁材精深加工項目，實現(xiàn)水電鋁材產業(yè)鏈上下游一體化發(fā)展，加大高附加值的新型合金、鋁深加工等產品研發(fā)力度，積極探索新型鋁材料在汽車輕量化方面的應用，在產品結構調整上下足功夫，提升再生鋁產量占比和消費是降碳的主要措施。

2.3 構建“互聯(lián)網+降碳”新模式，開展數據化建設，實現(xiàn)智能降碳

我國電解鋁行業(yè)在著力推動產業(yè)鏈現(xiàn)代化，加快智能化改造，推進智慧礦山和5G工廠建設，努力實現(xiàn)煤炭全部智能化開采，鋁的生產和加工全部實現(xiàn)“智能制造+5G”工廠，要向數字化、智能化、區(qū)塊鏈化降碳增效，構建“互聯(lián)網+降碳”新模式，實現(xiàn)電解鋁產業(yè)鏈的精準降碳、智能降碳。因此，開展數據化建設具有非常重要的意義。

智能化工藝過程的控制和嚴格執(zhí)行是實現(xiàn)節(jié)能減排的具體手段：基于信息化技術引進，使工藝設備管理更加機械化、自動化和智能化，為實現(xiàn)監(jiān)督整個生產工藝過程提供條件;快速分析，確定最佳工藝參數;發(fā)揮每臺設備最大運行效率，實現(xiàn)理念、生產、管理、科技和生活多方面降碳。

智能制造及自動化技術的快速發(fā)展，也為預焙陽極行業(yè)發(fā)展提供新的思路：通過技術賦能為預焙陽極行業(yè)注入新的活力；通過管理模式創(chuàng)新、跨學科、行業(yè)協(xié)作，借鑒其它行業(yè)優(yōu)勢以及與科研院所加深合作等多種手段，推動行業(yè)進步，提高預焙陽極質量，助推鋁電解降碳進程。

2.4 布局產業(yè)綠色發(fā)展，壓減落后產能，嚴格環(huán)境監(jiān)控，實施設備系統(tǒng)升級改造

電解鋁行業(yè)在推行新建綠色發(fā)展項目，綠化礦區(qū)，提高廠區(qū)植被覆蓋率；在廠區(qū)實施低碳生活，抵消或減少碳排放，如實施節(jié)煤項目，減少煤炭消耗；充分利用純電動客車滿足職工的上下班需求，節(jié)約燃油消耗；實施礦區(qū)余熱利用系統(tǒng)，利用余熱進行發(fā)電和生活取暖等。

電解鋁企業(yè)可通過壓減落后產能來降低能耗進而減少碳排放。2020年我國電解鋁的產量高達 3 708 萬t，為歷年最高。嚴控新產能投放及淘汰落后產能將是節(jié)能減排的主要發(fā)展方向。2021年，內蒙、甘肅等地均對電解鋁行業(yè)實行差別化電價政策，導致火電鋁成本上升。以碳排放、能耗總量、污染物排放為依據的存量約束機制正在收緊。碳減排可驅動供給側改革，實現(xiàn)源頭減量。供給側改革明確了電解鋁產能紅線 4 500 萬t左右。而在碳中和背景下，能耗雙控壓力加大，產能紅線+碳中和，提高了行業(yè)準入門檻，強化了新增產能投放難度，電解鋁新產能的審批要求嚴苛，進一步削弱了供給彈性。

電解鋁企業(yè)應實施設備系統(tǒng)升級改造，持續(xù)開展以電機、風機、水泵等大型、高耗能機電設備的更新改造，開展用電系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能技改工作，使企業(yè)的單機能耗和生產系統(tǒng)的工序能耗達到國內先進水平；采用新型供配電設備和新型高效電機，對效率低、能耗高的機械設備進行更新?lián)Q代，對電機拖動系統(tǒng)采取變頻調速等措施，實現(xiàn)機電設備的單機節(jié)能。

2.5 降低電解鋁行業(yè)能耗總量，實現(xiàn)技術上的革新

從圖6、7可以看出，電解鋁的主要成本依次是氧化鋁(39%)、電力(32%)和預焙陽極(13%)，3項總和占總成本的84%。目前我國氧化鋁處于產能過剩階段，需謹防因鋁土礦資源的緊缺而影響氧化鋁的正常供應，企業(yè)要做好鋁土礦資源的國內外布局或提前做好鋁土礦資源的存量預防。

近幾年，在我國鋁冶煉中，每生產1t電解鋁平均耗電 13 500 kW·h ，電費占到總生產成本4成左右，是最大的成本要素。降低電耗，始終是電解鋁行業(yè)降低成本、降低碳排放的主要抓手。金屬鋁熔鹽電解法已沿用了130多年，至今仍沒有可替代的新技術。近幾十年電解環(huán)節(jié)的碳排放量占比不斷提升，相關企業(yè)應通過技術工藝的改進降低電解鋁單噸電耗。實現(xiàn)減少碳排放理論可行，但工藝技術革新空間有限，可作為繼續(xù)探索的途徑。

圖6 鋁電解生產工藝流程Fig.6 Process of aluminum electrolysis production

圖7 鋁電解生產成本Fig.7 Production cost of aluminum electrolysis

預焙陽極約占成本的13%，提供優(yōu)質預焙陽極可助力電解鋁降碳生產。預焙陽極產品性能好壞對電解鋁生產影響很大，是電解槽的“心臟”。預焙陽極行業(yè)是典型的資源綜合利用和循環(huán)經濟行業(yè)，原料是工業(yè)副產品，生產過程能耗低。當前，我國預焙陽極行業(yè)呈現(xiàn)出產能過剩、地區(qū)供需不平衡；落后產能、小規(guī)模企業(yè)逐步淘汰；新型工廠具有規(guī)?；?、自動化、智能化、數字化、綠色生產、資源綜合利用等特征。在碳中和背景趨勢下，中國電解鋁行業(yè)的“北鋁南移”，加劇了預焙陽極地區(qū)間供需不平衡。在中國東部市場的遼寧、山東、山西、陜西、河南、湖北等地區(qū)，預焙陽極產能過剩約600萬t/a。在西部市場，包括新疆、內蒙古、青海、甘肅、寧夏等地區(qū)，預焙陽極產能缺口>200萬t/a。在南部市場，福建、廣西、云南、貴州、四川、重慶等地區(qū)，預焙陽極產能缺口>330萬t/a。通過使用優(yōu)質預焙陽極降低陽極消耗正是電解鋁行業(yè)碳減排的一項重要措施。高端預焙陽極以及客戶綜合定制方案，可以在降低凈耗、提高電流效率、降低槽電壓及壓降等幾個方面降低電解鋁碳排放，實現(xiàn)碳減排702～1 049 kg CO2/t鋁，以及節(jié)能用電及環(huán)境友好。預焙陽極生產過程的碳排放是電解鋁行業(yè)碳減排的關鍵之一，通過對各原料排放量分析得出，石油焦揮發(fā)分是最大的碳排源，占總碳排量60%以上；其次是天然氣和煤瀝青。另外，殘極對減少碳排放有積極作用，應鼓勵回收使用。預焙陽極的碳減排措施可通過以下途徑來實現(xiàn)：提高石油焦的實收率，促進石油焦行業(yè)規(guī)范化；減少改質瀝青配入量，提高瀝青結焦值；提高預焙陽極產量和質量。有條件的公司多使用清理干凈的殘極，以提高余熱發(fā)電效率；提高煙氣脫硫效率，減少石灰用量；對綜合能效低的生產線設備進行技術升級。

3 結 語

鋁電解行業(yè)是高能耗和高排放的行業(yè)，相關部門及企業(yè)應通過優(yōu)化能源消耗結構，降低火電消納，提升清潔能源占比，構建大規(guī)模儲能系統(tǒng)；循環(huán)利用再生鋁資源，提升再生鋁占比及消費，改善全行業(yè)碳排放水平；構建“互聯(lián)網+降碳”新模式，開展數據化建設，實現(xiàn)智能降碳；降低電解鋁行業(yè)能耗總量，實現(xiàn)技術上的革新；布局產業(yè)綠色發(fā)展，壓減落后產能，嚴格環(huán)境監(jiān)控，實施設備系統(tǒng)升級改造；降低電解鋁行業(yè)能耗總量，實現(xiàn)技術上的革新等措施來助推碳達峰、碳中和的發(fā)展。