广西电解铝行业排污现状及减污降碳途径研究

第42卷第3期2023年6月广西电解铝行业排污现状及减污降碳途径研究覃东棉¹,文丰玉¹,熊建华²,韦吉福³,张晓峰4(1.广西博宇生态环境有限公司，南宁530000;2.广西大学，南宁530004;3.广西广宏工程咨询有限公司，南宁530000,4.广西博环环境咨询服务有限公司，南宁530000)摘要：为助力广西电解铝行业减污降碳，实现碳达峰、碳中和，通过污染物排放及碳排放计算，分析行业的污染物排放水平、碳排放水平，对行业未来减污降碳途径进行情景分析。研究结果表明，行业二氧化硫的排放强度为9.6551kg/t-Al,惰性阳极新技术的应用，基本消除二氧化硫的排放。行业碳排放强度为9.288t/t-Al,其中电力消耗碳排放强度为7.5518t/t-Al,阳极炭块消耗碳排放强度为1.4388t/t-Al,阳极效应碳排放强度为0.2982t/t-Al。采取控制电流消耗、炭阳极升级、CCS技术应用可基本消除电解铝生产过程的碳排放。本文通过情景分析，提出广西电解铝行业减污降碳三步走思路，对广西碳排放治理工作提供了新方法。关键词：电解铝；碳排放；烟气脱硫；排放强度中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1001-3644(2023)03-0174-08QINDong-mian¹,WENFeng-yu¹,XIONGJian-hua²,WEIJi-fu³,ZHANGXiao-f(1.GuangxiBoyuEcologicalEnuironmentCo.,Ltd,Nanning530000,China;2.GuangxiUniversity,Nanning530004,China;3.GuangxiguanghongEngineerinCo.,Ltd,Nanning530000,China;4.GuangxiBohuanEnvironmentalConsultingServicAbstract:InordertohelpelectrolyticaluminumindustryreducepollutionandcarboninGuapeakingandcarbonneutrality,thispaperanalyzedthepollutantemissionlevelandcarbonemissionlindustrythroughthepollutionandcarbonemissioncalculation,andcarbonreductioninthefuture.Theresultsshowedththeapplicationofinertanodetechnologycanbasicallyeliminatethesulfurdioxideemission.Thecaindustrywas9.288t/t-Al,including7.5518t/t-Alforpot-Alforanodeeffect.Carbonemissionsfromelectrolyticaluminumproductioncanbebasiconsumption,upgradingcarbonanodeandapplyingCCStechnology.Throughscenariothree-stepapproachtoreducepollutionandcarbonemissionsofelectrolyticaluminumindustryinGuangxmethodforcarbonemissioncontrKeywords:Electrolyticaluminum;carbonemission;fluegasdesulfuri2020年9月22日，习近平主席在第七十五届放的二氧化碳量高达4.2亿t,占有色金属行业万方数据总耗电量5375亿千瓦时，占国内发电量7.44%,其中火电占电解铝用电总量的86%,水电等新能源占14%[2]。2020年，我国电解铝行业年二氧化硫排放总量约达50万t,占全国二氧化硫总排放318.2万t的15.71%。行业二氧化硫的排放总量为21016t,占全区二氧化硫排放总量87843.14t的23.92%,广西区电解铝产业碳排放总量约为5469.93万t,占全区碳排放量的7.01%,电解铝行业作为高耗能高排放工业，末端治理[3~6,关于控制炭阳极消耗、炭阳极含硫率对行业减排的研究甚少。铝行业碳排放研究表明，铝行业减排的三个方向7,包括电力脱碳、国际上已经对铝生产温室气体减排有了明确的方向，但是各个地区的技术水平、能源利用结构不尽相同¹2],基于广西区域特征进行电解行业碳减产碳排放强度的75.8%,同时，广西电解铝企业90%均是单独设立，不配套有炭阳极生产和氧化铝网，电解铝企业主要污染物排放环节为电解烟气，原料用途的排放(炭阳极消耗)、过程排放(阳极效应)。本研究的研究对象以广西电解铝企业的特征确定，见图1,本研究的时间期限为2011年~2020年。如表1所示，广西现有电解铝企业共11家13),总产能约279.5万t,主要集中在百色市和来宾市，其中百色地区电解铝产能达229.5万t,占全区总产能的82.11%,分布在右江区、田阳7个市/县；来宾电解铝建成产能50万t/a,占全区总产能17.89%。电解铝企业的生产技术均采用预焙阳极电解槽，电解槽型从最初的240kA的槽型发展至国内最先进的600kA的槽型[14,电解烟气从干法净化系统逐步提升至干法烟气净化系统+湿法烟气脱硫，3家企业采用了湿法电解烟气脱硫技术，占比27.27%,电解烟气处理技术达到国内南方电网供应，电源主要为火电+水电，局域电网供电比例81.82%,火电供电比例与国家水平基本Tab.1Distributionofelectrolyticalumin(万t/a)电能1企业1234万方数据 万方数据续表1(万V/a)电能2020年广西电解铝产量完成217.77万t,占全国电解铝产能的5.87%[16,其中百色市电解铝产量172.18万t,占全区总产量的79.07%。从图2可以看出，“十二五”期间，广西电解铝产能基本保持在60万t左右，产能波动较小。“十三五”期间，得益于百色生态型铝产业示范基地的建设以及广西铝产业“二次创业”的促进作用，广西电解铝行业进入一个飞速发展阶段，电解铝产量从“十二五”末的57.56万t增加到了2020年的217.77万t,增长了2.78倍。产量→同比增长00201120122013201420152016201720182019时间(年)Fig.2Changeofelectrolyticalumi硫、颗粒物和氟化物，二氧化硫采用物料衡算法，碳排放核算方法有很多[18],本研究碳排放核算方法来自《温室气体排放核算与报告要求第4碳(CF₄)和六氟化碳(C₂F₆)两种全氟化碳EPc=EFcF₄×P×GWPco₂通过污染物排放计算方法计算，广西2011~3期覃东棉等：广西电解铝行业排污现状及减污降碳途径研究177万方数据2020年期间电解铝企业大气污染物排放情况见表2,从广西整体行业平均水平看，二氧化硫的排放强度为9.6551kg/tAl、氟化物的排放强度为0.1879kg/tAl、烟尘的排放强度为0.6077广西电解铝行业全年二氧化硫排放量为21026t/a、氟化物排放量为409t/a、烟尘的排放量为1323t/a,分析，企业2和企业8自备阳极炭生产车间，控制阳极炭块中的含硫率，从常规电解铝企业控制的2%降至0.61%～0.78%,二氧化硫的排放量可削减61%～69.4%。从炭阳极消耗量分析，广西炭阳极净耗量水平在394～410kg/tAl之间，从410kg/tAl降至397kg/tAl,二氧化硫的排放量可削减3.17%。从末端治理角度分析，企业1、企业3、企业4、企业5、企业6、企业7未采取烟气脱硫，二氧化硫的排放强度在11.04～16kg/tAl,企业9、企业10、企业11采取了烟气脱硫，二氧化硫的排放强度为2.364～2.4kg/tAl之间，末端烟气脱硫可削减二氧化硫的排放量80%以上。表2广西2011～2020年期间电解铝企业大气污染物排放情况Tab.2Emissionofairpollutantsfro阳极碳耗污染物排放量(kg/tAl)1企业1无2无3无42无52无62无72无8无922企业112解铝行业污染集中在大气污染，大气污染排放量较大的因子为二氧化硫。针对电解铝企业二氧化硫的减排对策，主要有控制炭阳极含硫率、降低炭阳极消耗量、增加末端治理措施以及惰性阳极技术的突破。广西电解铝炭阳极含硫率在0.61%～2.0%之间，行业阳极炭块含硫率一般在0.2%～4.0%之间[20,广西炭阳极消耗量在397～410kg/t-Al之间，行业在采取优质预焙阳极时，炭阳极消耗为380～400kg/t-Al21],硫[22,很多研究者在铝电解惰性阳极上面进行了大量的研究[23,国家四部委也将铝电解惰性阳极技术开发作为有色金属冶炼行业节能降碳改造升级实施指南的工作方向。本研究以阳极消耗(现状、最优380kg/t-Al)、炭阳极含硫率(现状、最优0.2%)、烟气治理措施(现状、烟气脱硫)、惰性阳极技术应用(现状、惰性阳极技术)为控制对象，设定减排情景，由于惰性阳极技术应用后，不应用的情景，共9个情景，见表3。万方数据Tab.3Emissionreductionpotentialofelect阳极消耗阳极含硫率阳极种类二氧化硫排放单量削减率情景1无无无惰性阳极技术的应用无无无无无气脱硫的情境下，二氧化硫的削减率分别为87.23%和79.27%,削减率较大，削减率最大为用仍需时间过程[24]。在双向因素控制的情景下，率最低，为80.28%,控制炭阳极含硫率并进行烟气脱硫的情景下，削减率最高，为97.51%,削减后行业二氧化硫的排放强度为0.2403kg/t-Al,广西电解铝企业二氧化硫排放总量为523t/a。在三项因素优化的情景下，行业二氧化硫的排放强度为0.228kg/t-Al,广西电解铝企业二氧化硫排放总量为497t/a,相比于控制炭阳极含硫率并进行烟气脱硫的情景仅下降0.13%,即在低炭阳极含硫率强度可降低至1.2328kg/t-Al,广西电解铝行业排放总量可降至2685t/a;第二步(2030年)进行烟气脱硫，二氧化硫排放强度可降低至0.2403kg/t-Al,广西电解铝行业排放总量可降至523t/a;第三根据公式(1)～公式(3)计算电解铝行业碳排放情况，计算出广西2011-2020年期间电解铝企业碳排放情况见表4,广西电解铝行业整体碳排放平均水平看，碳排放强度为9.288t/t-Al,其中电力消耗碳排放强度为7.5518t/t-Al,低于全国的7.8615t/t-AI²4,炭阳极消耗碳排放强度为1.4388t/t-Al,与全国阳极消耗碳排放水平1.3~1.5t/t-Al持平，阳极效应碳排放强度为0.2982t/t平。电力消耗产生的碳排放是电解铝企业碳排放的主要来源，占整个行业碳排量的81.30%,其次是炭阳极消耗，占比为15.49%,阳极效应过程碳排放占比很小，仅为3.21%。电力消耗主要取决于企业的交流电耗，广西电解铝企业的交流电耗水平与全国的水平对比情况见图3,仅有两家未达到《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平占比18.18%,其中有6家企业达到了《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年版)》的标杆水平(13000kWh/t-Al),占比54.55%,广西电解铝行业交流电耗控制水平尚佳，3期覃东棉等：广西电解铝行业排污现状及减污降碳途径研究179万方数据电力消耗碳排放(t/t-Al)阳极炭块消耗碳排放(/t-Al)阳极效应碳排放(t/t-Al)企业1企业11企业6交流电耗…基准水平—标杆水平企业名称Fig.3ACpowerconsumptionlevelofelectrolytic碳捕获与封存(CCS)技术应用26]。电解铝行业在采取优质预焙阳极时，炭阳极消耗为380~400kg/t-AI²¹;随着铝工业整体技术进步，铝电可以控制在12500kWh/t-Al27~29〕;惰性阳极技术在不断研发推进中，包括铁基阳极和陶瓷阳极等，放。本研究以炭阳极消耗380kg/t-Al、交流电耗12500kWh/t-Al、惰性阳极技术和碳捕获与封存(CCS)技术应用为控制对象，设定碳减排情景，见表5。电力消耗表5广西电解铝行业减排潜势reductionpotentialofelectrol(万/a)削减率情景1 万方数据削减15.49%的碳排放；采用CCS技术的情景下，可削减18.70%的碳排放量；控制交流电耗12500kWh/t-Al的情境下，可削减3.91%的碳排放量。在双因素优化的情景下，控制交流电耗12500kWh/t-Al、炭阳极升级为惰性阳极的情境下，可削减18.60%的碳排放；控制交流电耗12500kWh/t-Al、采用CCS的情境下，可削减21.81%的碳排放。新技术惰性阳极及碳捕获与封存(CCS)的技达峰、碳中和之路可以采取三部走，第一步(2025年)将普通的炭阳极升级为优质炭阳极，并度可降低至8.926t/t-Al,电解铝行业碳排放总量可降至1944万t/a;第二步(2030年)进行惰性t-Al,电解铝行业排放总量可降至1646万t/a,下降18.60%;第三部(2060年)采用CCS技术，对电解过程产生的PFCs进行捕集和封存，消除电解铝行业二氧化硫的排放强度为9.6551kg/t-氟化物的排放强度为0.1879kg/t-Al、烟尘的排放强度为0.6077kg/t-Al。其中二氧化硫的排放低至1.2328kg/t-Al,广西电解铝行业排放总量可降至2685t/a;第二步进行烟气脱硫，二氧化硫排放强度可降低至0.2403kg/t-Al,广西电解铝行业排放总量可降至523t/a;第三部进行惰性阳极行业碳排放强度为9.288t/t-Al,碳排放总量为2023万t/a,其中电力消耗碳排放强度为7.5518t/t-Al,占比81.3%,是行业碳减排的关键因素。部走，第一步将普通的炭阳极升级为优质炭阳极，强度可降低至8.926t/t-Al;第二步进行惰性阳极新技术的应用，碳排放强度可降低至7.5607t/t-Al;第三部采用CCS技术，对电解过程产生的PF-Cs进行捕集和封存，消除电解铝过程碳排放，在进CCS技术，从而改善行业污染物及碳排放排放要加以解决，通过本文研究，提供一种以清洁生[1]杜心，谢文俊，王世兴.我国铝行业碳达峰碳中和路径研究[J].有色冶金节能，2021,8(4):14.[2]窦宏秀，王震.加快电解铝行业碳达峰助力铝产业绿色低[3]张素娣，马普利，张丹.电解铝烟气治理现状及发展趋势分析[J].甘肃冶金，2021,43(6):48-54.[4]高三平.电解铝脱硫调研评估及新型技术应用研究[D].上[5]余创，彭学斌，田林，等.电解铝烟气脱硫技术研究进展[J].云南冶金，2019,48(4):40-[6]刘大钧，家权.我国电解铝行业现状分析及环保优化发展[7]TheIntermationalAluminiumhousegaspathwaysto2050[EB/OL].2021-03.[8]窦宏秀，王震.加快电解铝行业碳达峰助力铝产业绿色低[9]丁宁，高峰，王志宏，等.原铝与再生铝生产的能耗和温室气体排放对比[J].中国有色金属