鋁用炭素產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)探討

周小淞,歐春予,鄧 翔,路 輝

(1.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 500081;2.中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院,湖南 長沙 410017)

眾所周知,碳排放可導(dǎo)致臭氧層破壞,使得大氣變暖,影響全球生態(tài)。2020年,全球碳排放量為322.8億噸,中國碳排放量為98.99億噸,占全球總排放量30.7%[1],居世界第一?；趪H責(zé)任,我國作出“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的重大宣示?！半p碳”戰(zhàn)略的提出,成為了我國工業(yè)發(fā)展的新導(dǎo)向。資料顯示,有色金屬行業(yè)碳排放量占全國碳排放量的4.7%,其中電解鋁占有色金屬行業(yè)碳排放量的64.6%[2]。國家發(fā)改委明確要求推動電解鋁等重點(diǎn)行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,電解鋁行業(yè)減碳降耗勢在必行。

鋁用炭素是電解鋁行業(yè)的配套產(chǎn)業(yè),包括預(yù)焙陽極和陰極炭塊生產(chǎn)。預(yù)焙陽極是電解鋁生產(chǎn)的主要消耗材料,占鋁生產(chǎn)總成本的15%～20%。電解槽中的陽極消耗主要與陽極質(zhì)量有關(guān),凈耗為380～420 kg C/t-Al[3],且參差不齊、區(qū)別較大,低質(zhì)量的預(yù)焙陽極電解過程則會產(chǎn)生更多的碳消耗進(jìn)而增加碳排放。鋁用炭素生產(chǎn)的能耗為0.66 t-標(biāo)煤/t,碳排放量約占鋁產(chǎn)業(yè)碳排放總量的8.5%,其主要生產(chǎn)工序都是一個反復(fù)升溫再降溫的過程,過程的熱量回收利用水平普遍不高,煙氣排放量大。為了電解鋁行業(yè)的減碳降耗,作為電解鋁配套的鋁用炭素行業(yè)實(shí)施綠色低碳轉(zhuǎn)型是十分必要的。

1 鋁用炭素行業(yè)發(fā)展主要面臨問題

鋁用炭素是電解鋁生產(chǎn)過程中所用的炭素材料,包括預(yù)焙陽極和陰極炭塊。預(yù)焙陽極采用石油焦、瀝青粘合劑、殘極作為原料,陰極炭塊則是以無煙煤、優(yōu)質(zhì)石油焦、瀝青焦和石墨碎等原料為骨料,煤瀝青為粘結(jié)劑,經(jīng)過煅燒、混捏、成型、焙燒等工序制成產(chǎn)品。

1.1 行業(yè)內(nèi)部產(chǎn)能過剩

2021年我國鋁用陽極炭素企業(yè)共107家,產(chǎn)能2700萬噸、產(chǎn)量2098萬噸,開工率為77%;鋁用陰極炭素企業(yè)18家、陰極炭塊產(chǎn)能70萬噸、產(chǎn)量為35.47萬噸,開工率為50%。以上數(shù)據(jù)[4]是在全球鋁價暴漲,利潤空間較大的背景下,存在大量產(chǎn)能過剩,行業(yè)將在未來一段時間內(nèi)競爭激烈,市場重組和優(yōu)勝劣汰加速,市場達(dá)到新的平衡。

1.2 行業(yè)自動化水平低

目前國內(nèi)大部分鋁用炭素企業(yè)仍處于自動化發(fā)展的初級階段。生產(chǎn)設(shè)備自動化程度低、生產(chǎn)操作粗放、人工勞動強(qiáng)度大、工藝參數(shù)控制滯后等問題普遍存在;各工序生產(chǎn)整體管控性差,人工干預(yù)生產(chǎn)過程過多導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差;生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)、工藝參數(shù)控制、產(chǎn)品配方、計(jì)量、產(chǎn)品質(zhì)量、作業(yè)要求、物流等采用傳統(tǒng)的報(bào)表或系統(tǒng)記錄方式;數(shù)據(jù)分析、調(diào)整、優(yōu)化依靠生產(chǎn)技術(shù)人員工作經(jīng)驗(yàn),局限性大。

1.3 行業(yè)碳排放量高

目前,國內(nèi)對于炭素行業(yè)碳排放量的計(jì)算尚未制定國家標(biāo)準(zhǔn),僅能從部分文獻(xiàn)中查找資料進(jìn)行粗略計(jì)算。有數(shù)據(jù)顯示[5],2019年,全國鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈總碳排放量為40,958萬噸,鋁用炭素行業(yè)碳排放量為3471萬噸,占比8.5%。預(yù)焙陽極生產(chǎn)中,煅燒和焙燒工序是碳排放量的大戶。根據(jù)計(jì)算[6],煅燒工序的碳排放強(qiáng)度為0.3 t/t,焙燒工序的碳排放強(qiáng)度為0.43 t/t。但是煅燒工序可以用余熱產(chǎn)生蒸汽沖抵碳排放量,沖抵后煅燒的碳排放強(qiáng)度僅為0.05 t/t,焙燒工序的碳排放量約占鋁用預(yù)焙陽極總碳排放量的88%。陰極炭塊生產(chǎn)中,由于工藝曲線更長,能耗更高,燒損更多,陰極焙燒工序的碳排放強(qiáng)度為1.1 t/t。從以上數(shù)據(jù)可以確定焙燒工序?qū)⒊蔀殇X用炭素行業(yè)減碳降耗的重點(diǎn)。

1.4 行業(yè)資源化水平低

鋁用炭素行業(yè)生產(chǎn)存在余熱利用效率低,目前的利用方式主要有生產(chǎn)熱水、產(chǎn)生蒸汽發(fā)電,加熱導(dǎo)熱油回歸工業(yè)生產(chǎn)等;工業(yè)三廢處理不徹底、生產(chǎn)過程產(chǎn)生的焦油和細(xì)粉未能充分利用;有的設(shè)計(jì)未能因地制宜的布置車間,導(dǎo)致物流不順暢;部分企業(yè)爐窯裝備水平依然很低,各地小企業(yè)重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重等問題,造成了行業(yè)資源的浪費(fèi)。提高行業(yè)資源利用,不僅能彌補(bǔ)我國資源緊缺的短板,還能降低企業(yè)生產(chǎn)成本,營造良好有序的市場競爭,促進(jìn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

2 鋁用炭素行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)策略

鋁用炭素生產(chǎn)碳排放量構(gòu)成包括直接CO2排放量和間接CO2排放量。直接CO2排放包括:燃料燃燒產(chǎn)生CO2、生原料煅燒過程中產(chǎn)生CO2、生坯焙燒過程中產(chǎn)生CO2、煙氣焚燒治理過程產(chǎn)生CO2、煙氣脫硫凈化過程中產(chǎn)生的CO2。間接CO2排放包括企業(yè)外購或輸出的電力、動力等產(chǎn)生的CO2排放及企業(yè)產(chǎn)品運(yùn)輸過程等其他間接CO2排放。鋁用炭素行業(yè)的減碳降耗可以從生產(chǎn)過程碳足跡點(diǎn)入手,主要有以下幾個方面:

2.1 基于優(yōu)質(zhì)低耗環(huán)保的技術(shù)優(yōu)化革新

鋁用炭素產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系著電解鋁的能源消耗問題,其生產(chǎn)正著力通過改變和控制各個工藝參數(shù)來提升產(chǎn)品質(zhì)量,減少產(chǎn)品碳消耗量;鋁用炭素生產(chǎn)過程的能耗、環(huán)保等同樣有技術(shù)提升的空間。

2.1.1 煅燒技術(shù)優(yōu)化升級

煅燒是鋁用炭素生產(chǎn)的主要工序,目的是排除原料的揮發(fā)分,提高原料的理化性能。煅燒爐的大型化、節(jié)能化是順應(yīng)雙碳政策的發(fā)展方向。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在石油焦煅燒工序的成功應(yīng)用,爐體結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化,通過延長煅燒帶長度和物料經(jīng)過高溫煅燒區(qū)域的停留時間,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)罐式爐的罐產(chǎn)能為110 kg/h,炭質(zhì)燒損5%～6%,煅后焦真密度為2.04 g/cm3,粉末電阻率為530 μΩ·m。經(jīng)過改進(jìn)后的大型罐式爐煅燒單罐產(chǎn)能達(dá)到140 kg/h,炭質(zhì)燒損低至3%,低于傳統(tǒng)罐式爐的5%～6%,煅后焦真密度達(dá)到2.08 g/cm3,粉末電阻率降至440 μΩ·m,質(zhì)量和產(chǎn)能得到大幅提升。

2.1.2 焙燒技術(shù)優(yōu)化升級

鋁用預(yù)焙陽極焙燒工序中,焙燒爐邊部火道受爐側(cè)面?zhèn)鳠峒奥╋L(fēng)的影響,燃料消耗高,經(jīng)常出現(xiàn)升溫曲線滯后影響產(chǎn)品質(zhì)量,通常邊部料箱陽極質(zhì)量要劣于中部料箱。端部爐室受散熱條件、跨接煙道的影響,端部爐室的溫度負(fù)壓制度比中間爐室要惡劣,不但會導(dǎo)致能源消耗高,而且對陽極質(zhì)量也產(chǎn)生不利影響。因此,推薦采用多料箱爐室的敞開環(huán)式焙燒爐,可有效提高陽極質(zhì)量的均勻性以及降低焙燒爐運(yùn)行成本。

鋁用陰極炭塊焙燒工序大體沿用帶蓋環(huán)式焙燒爐,該型焙燒爐有焙燒溫度均勻、制品質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),但由于焙燒過程中揮發(fā)的焦油不參與燃燒,能耗較高,且對煙氣凈化系統(tǒng)效率要求較高。近年來,隨著電解鋁產(chǎn)能的迅猛擴(kuò)大,敞開式焙燒爐進(jìn)行陰極焙燒的方式被大量采用。與帶蓋焙燒爐相比,敞開式焙燒爐具有操作方便、裝爐量大、能耗低、產(chǎn)能大的優(yōu)點(diǎn)。同樣占地面積下敞開式陰極焙燒爐產(chǎn)能是帶蓋式焙燒爐的1.5倍～2倍,能耗僅為每噸焙燒品消耗80～90 Nm3天然氣,在投資和運(yùn)行成本上都有良好表現(xiàn)。折合到機(jī)加成品可降低生產(chǎn)成本約280元。

2.1.3 瀝青煙氣治理技術(shù)提升

鋁用炭素生產(chǎn)企業(yè)的瀝青煙氣歷來是環(huán)保監(jiān)管的重點(diǎn)對象。目前針對瀝青煙氣的主流治理技術(shù)有吸附凈化、干式電捕凈化和焚燒爐凈化技術(shù)。典型的混捏成型工序?yàn)r青煙氣各種凈化技術(shù)優(yōu)劣對比見表1。為了提高瀝青煙治理效率,研究人員開發(fā)了一種炭粉高效吸附瀝青煙的凈化技術(shù)[7]并成功應(yīng)用于混捏成型工序。該技術(shù)分別從炭粉自清潔管道防堵塞、瀝青煙多排放點(diǎn)炭粉分料工藝調(diào)控、炭粉稀相預(yù)混自動均噴三個方面入手,克服了傳統(tǒng)炭粉吸附技術(shù)的焦油堵管和滴漏問題,降低了炭粉的用量和對管道的損耗,增大了炭粉與瀝青煙的接觸面積和時間,增強(qiáng)了瀝青煙、苯并芘等有害有機(jī)物的吸附效果,吸附煙氣后的炭粉返回生產(chǎn)工序通過加熱系統(tǒng)對瀝青煙、苯并芘等有害有機(jī)物進(jìn)行焚燒處理。該技術(shù)處理后煙氣的指標(biāo)為:顆粒物<7.8 mg/Nm3;瀝青煙<7.2 mg/Nm3;非甲烷總烴(VOC)<1.7 mg/Nm3,優(yōu)于我國及歐盟現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[7],但是,該技術(shù)也存在下料點(diǎn)過于分散,下料量不能精確控制等問題。

表1 瀝青煙氣處理技術(shù)對比

2.1.4 鋁用陰極品質(zhì)提升

國內(nèi)電解鋁生產(chǎn)企業(yè)以往大多采用 30%(GS-3)、50%(GS-5)高石墨質(zhì)陰極炭塊,出于減碳降耗的要求,已有企業(yè)開始采用100%(GS-10)石墨質(zhì)陰極炭塊,趨勢是石墨質(zhì)程度要越來越高、越來越均勻。作為服務(wù)于電解鋁的鋁用陰極,需要技術(shù)迭代升級、提供石墨質(zhì)程度高的鋁用陰極乃至全石墨化陰極,全石墨化陰極具有石墨化程度高、石墨化均勻的特點(diǎn)。同時導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗鈉侵蝕性好,有利于電解鋁生產(chǎn)企業(yè)減碳降耗目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

通過以上技術(shù)的優(yōu)化,使得鋁用炭素質(zhì)量提升和減少排放大氣中的污染物,有效降低了鋁用炭素生產(chǎn)和使用過程中直接和間接CO2排放量從而達(dá)到減碳降耗的目的。

2.2 智能化技術(shù)應(yīng)用

人類社會已經(jīng)步入了第四次工業(yè)革命時代。人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)顛覆了人類對傳統(tǒng)技術(shù)的認(rèn)知,深刻影響著全球的經(jīng)濟(jì)、社會和金融體系的運(yùn)行模式。鋁用炭素生產(chǎn)企業(yè)也迫切需要提速升級,由生產(chǎn)設(shè)備、各車間生產(chǎn)集控系統(tǒng)、人員管理、安防管理等自動化工廠過渡到引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)字孿生可視化平臺、智能設(shè)備,集成展示生產(chǎn)信息、物料、質(zhì)量和管理信息等數(shù)據(jù)的數(shù)字信息化工廠,再到多個子模塊中封裝專家系統(tǒng)、AI自主學(xué)習(xí)算法的智慧工廠,實(shí)現(xiàn)從工序到全廠,實(shí)施數(shù)字化、智能化工廠轉(zhuǎn)變。

鋁用炭素生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)著力推廣無人搬運(yùn)技術(shù)及裝備,實(shí)現(xiàn)半成品及成品物流無人化、有序、便捷、安全、有效,中間轉(zhuǎn)運(yùn)可控;半成品及成品的儲量和規(guī)格信息可控,生產(chǎn)組織更加有效;推廣炭塊智能倉儲系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)減少勞動定員,降低勞動強(qiáng)度;優(yōu)化庫存管理和天車調(diào)度作業(yè),提高作業(yè)效率,降低物料夾損率;打造炭素工廠MES系統(tǒng),將數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、決策支持形成數(shù)字信息化。

焙燒工序中焙燒爐現(xiàn)有溫控方式耗能高,無法滿足預(yù)熱工藝的溫度要求,成品質(zhì)量也達(dá)不到行業(yè)環(huán)保要求;同時排煙系統(tǒng)中的揮發(fā)分不易清理且存在安全隱患,缺乏有效的監(jiān)測和控制方法,違背了炭素行業(yè)的低碳環(huán)保要求。李曉輝等[8]采用新型測溫測壓燃燒控制架解決了該難題。對焙燒爐火焰控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度均勻優(yōu)化改造,將定周期燃燒控制改為變周期控制方式,火道水平與垂直溫差控制在±30℃范圍內(nèi),保溫溫度降低20～40℃范圍內(nèi),避免了火道過燒。然后再通過實(shí)時測溫元件和壓力變送器對陽極焙燒過程中的火道溫度、負(fù)壓和燃燒情況進(jìn)行自主有效的監(jiān)測控制。與此同時,將質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于炭素生產(chǎn)工序中,將各個工序的所有實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。為了能實(shí)時監(jiān)測工藝運(yùn)行情況,手機(jī)APP應(yīng)運(yùn)而生,滿足了管理人員和操作人員遠(yuǎn)程控制的需求。數(shù)據(jù)表明,改造后的焙燒爐月度單耗均值從60.56 Nm3/t下降到57.05 Nm3/t,火道最終溫度下降了8℃,陽極制品溫度下降了1℃。

通過智能化技術(shù)的開發(fā)與推廣運(yùn)用,優(yōu)化生產(chǎn)企業(yè)的工藝流程、運(yùn)轉(zhuǎn)流程、原輔料處理,減少生產(chǎn)過程中的碳足跡,從而達(dá)到減碳降耗的目的。

2.3 提高資源綜合利用水平

炭素行業(yè)的焙燒工藝過程產(chǎn)生的大量余熱是可燃物料和一次能源轉(zhuǎn)換工程后的產(chǎn)物,屬于可利用二次能源。楊開敏等[9]在預(yù)焙陽極的生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上,對炭素企業(yè)提出了跨過程的余熱綜合利用方式,打破了工序余熱單獨(dú)利用的壁壘。其中煅燒煙氣高達(dá)1000℃以上,利用價值較高,通過冷卻水套的工作狀態(tài)的變化,實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季供熱;還可以用來加熱煅燒爐煙氣余熱發(fā)電過程后的冷凝水,再次進(jìn)入鍋爐進(jìn)行發(fā)電循環(huán)利用。

劉瑞祥等[10]研究了高溫煅后焦余熱回收換熱器傳熱特性,實(shí)測出利用余熱產(chǎn)生壓力為1 MPa的飽和蒸汽,平均余熱利用效率大于80%,提高了余熱的利用價值,有效降低了生產(chǎn)流程中的碳消耗?，F(xiàn)在高溫煅后焦余熱利用已成為熱門的研究。

煅燒和焙燒工序煙氣脫硫的石膏可以用做水泥的緩凝劑、現(xiàn)已在研究制備建筑石膏,用于替代天然石膏,并取得了一定進(jìn)展。

炭素生產(chǎn)工段用于吸附的炭粉和氧化鋁粉等可以重新進(jìn)入生產(chǎn)工序,電捕收集的焦油屬于危險(xiǎn)廢物,不能直接排放,可以同生產(chǎn)工序的細(xì)粉顆粒結(jié)合配料做成填充料顆粒,可以減少焦油外排和填充料損失,從而達(dá)到節(jié)約資源的目的。

資源的利用還表現(xiàn)在合理規(guī)劃布局工廠,保證工藝流程順暢,生產(chǎn)方便,物料運(yùn)輸線路盡可能便捷;公輔生產(chǎn)車間因地制宜布置,并靠近主要服務(wù)車間;廠區(qū)總平面布置在保證工藝流程順暢的基礎(chǔ)上,著重考慮工廠的環(huán)境設(shè)計(jì);廠區(qū)主要道路兩側(cè)種植喬木,形成行列式的林蔭道;在其他輔助生產(chǎn)車間建筑物附近,應(yīng)充分利用閑散空地以及地下管線上面土質(zhì)地面種植草坪、花卉,形成大面積的綠化氛圍;對生產(chǎn)過程中的有害物,分別采取凈化、除塵措施,以滿足國家有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

鋁用炭素生產(chǎn)企業(yè)雖然進(jìn)行了綠色低碳的轉(zhuǎn)型升級,但整體技術(shù)水平偏低,發(fā)展不平衡,產(chǎn)品質(zhì)量不高的問題依然存在;部分企業(yè)裝備落后,自動化水平低的問題比較突出;行業(yè)碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,缺乏定性各企業(yè)碳排放量的依據(jù)。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),需從碳足跡出發(fā)尋求減碳降耗措施,通過提升裝備水平、對工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,逐步將智能化技術(shù)應(yīng)用到工藝流程的各個環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)工廠智能化升級,做到工廠合理布局,提高資源綜合利用率,加快制定行業(yè)碳排放的國家計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),是鋁用炭素行業(yè)在“雙碳”背景下的發(fā)展重點(diǎn)。