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铝行业低碳关键技术研发及产业化进展分析

铝是世界上仅次于钢的第二重要金属，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。铝行业占我国有色行业碳排放总量的85%，是有色行业碳减排的重点领域。 2024年3月25日，美国政府宣布美国历史上最大规模的工业脱碳投资，其中对铝行业投资超过6.5亿美元，以振兴美国原铝工业，促进行业脱碳。本文梳理了国际智库和主要国家铝行业低碳发展报告，总结了铝行业减排路径，分析了关键低碳技术的研发和产业化进展。

1、铝工业低碳关键技术

2021年以来，国际铝协会、 （MPP）、美国、欧洲、加拿大、日本、中国等国家（地区）有色金属或铝行业协会等发布多份报告发展铝工业低碳技术。研究报告，如国际铝业协会（IAI）2021年发布的《2050铝工业温室气体排放路径》报告指出了铝工业的减排路径； 2023年9月，美国、欧洲、加拿大、日本等铝行业协会联合发布《铝供应链迈向温室气体净零排放和全球公平市场之路：优先行动领域》等。综合上述报告内容，我们可以总结出铝行业碳减排的三大主要路径，即：电力脱碳、过程直接排放减少、废铝回收利用。

(1)电力脱碳。原铝生产是电力密集型工业流程，提高低排放电力生产铝的比例是当务之急，也是短期内最大的潜在减排途径。 2022年，铝工业电解产生的温室气体将占铝工业排放总量的71%左右[1]。此外，全球该行业消耗的电力中约 55% 是由生产商拥有和运营的发电厂来满足，而不是从电网购买，特别是在亚洲（中国约 65%，亚洲其他地区约 95%）[ 2]。因此，电力脱碳结合碳捕集、利用和封存（CCUS）技术的部署将是铝冶炼厂尤其是自有发电能力的冶炼厂最重要的减排措施。其中，可再生能源发电、氢能发电已实现商业应用或示范，CCUS技术正处于示范阶段。根据国际能源署 (IEA) 2050 年净零排放情景，到 2030 年，铝工业电力结构的排放强度需要比当前水平下降约 60% [3]。

(2)减少过程直接排放。铝工业非电力相关排放的主要来源是燃料燃烧、冶炼阳极消耗、辅助原材料和运输。在IEA 2050年净零排放情景下，到2030年铝行业的直接碳排放总量需要相对当前水平下降约18%，达到约2.2亿吨二氧化碳[4]。 2022年，用于供应热量和蒸汽的燃料燃烧产生的排放将占行业总排放的16%，主要集中在氧化铝精炼过程。该工艺的低碳改造技术主要包括机械蒸汽再压缩（MVR）。 ）技术、氢气煅烧和电煅烧等技术。与传统锅炉相比，机械蒸汽再压缩技术可减少排放95%。该技术目前正处于商业示范阶段，需要进一步的研发工作以适应氧化铝精炼工艺，然后才能大规模部署北京废铝回收，预计从2027年开始实现[5]。氢气煅烧和电煅烧是氧化铝煅烧过程中减少碳排放的主要途径。这些分解炉仍处于实验室开发阶段，需要加大研发力度。电煅烧和氢气煅烧预计将在2030/2035年实现大规模商业化。 [6]。 2022年阳极消耗产生的温室气体排放量将占铝行业总排放量的6%左右。其中，惰性阳极因其几乎没有温室气体排放而受到业界广泛关注，是研究的重点在铝工业中。该技术目前正处于商业示范阶段。由于需要改造现有设备，导致前期投资较大，预计2030年之前无法实现大规模商业部署。IEA预测，到2030年，惰性阳极生产的原铝比例将达到7%左右[7]。

(3)回收和资源效率。根据国际铝业协会的研究，到2050年，通过100%回收铝、改进废料分类、消除消费前废料和金属的损失，原铝需求可减少20%。这将在2050年额外减少3亿吨绝对二氧化碳当量的排放，相当于减少直接排放的影响。在 IEA 2050 年净零排放情景中，到 2030 年二次生产将扩大到铝产量的 40% 以上 [8]。虽然该技术目前已较为成熟，并已在美国、欧洲等发达国家大规模部署，但由于废铝合金中杂质元素含量较高，仍面临降级的问题。迫切需要开发新技术以最大限度地利用废铝。杂质元素去除技术、杂质元素无害化处理技术、固态再生铝电解技术等。

2、铝工业低碳关键技术研发进展

惰性阳极、提高废铝回收率和循环利用是未来铝工业持续发展低碳、实现碳中和目标的关键技术。研究人员开展了相关研究并取得了一定进展。

(1)开发耐腐蚀、抗热震、化学稳定性高、易于加工的惰性阳极是未来研发的重点。目前惰性阳极的研究主要集中在金属惰性阳极、陶瓷惰性阳极和金属陶瓷复合惰性阳极。其中，金属惰性阳极材料的研究主要集中在Cu-Al、Ni-Fe、Cu-Ni-Fe等金属合金；陶瓷惰性阳极材料的研究主要集中在SnO2基、基体等陶瓷材料上；金属陶瓷复合惰性阳极材料的研究主要集中在M/(M为金属相，Cu、Ni、Fe或其二元/三元合金等)、Cu/Cu2O金属陶瓷等材料。然而，上述惰性阳极仍然面临着不同的问题，例如金属惰性阳极的耐腐蚀性差；陶瓷电极导电性能差、抗热震性能差、机械性能和焊接性能差[9]；金属陶瓷复合惰性阳极目前仍在研究如何实现金属和陶瓷性能的最佳平衡，有时会出现诸如各部件材料的弱点和加工性能差等问题。因此，有必要进一步优化上述惰性电极的性能来解决所面临的问题或开发新型惰性阳极。 2023年9月，东北大学首次提出采用氩等离子体作为电解铝的惰性阳极[10]。研究结果表明，采用氩等离子体作为惰性阳极可以消除铝电解中典型惰性阳极的常见缺点，如耐高温氧化性、耐氟熔盐腐蚀性和可加工性问题。具有优良的化学稳定性和耐热震性。在成本、操作等方面具有显着优势，为惰性阳极的发展提供了新的思路。

(2)降低废铝中的杂质含量，提高废铝资源的利用价值。为了解决废铝因杂质而降级的问题，研究人员开展了除杂研究。 2023年8月，国家节能减排研究院宣布一项铝工业新技术获得许可，该技术可以去除再生铝熔体中的金属杂质，从而提高铝的质量，使再生铝能够用于更多样化的领域。应用，包括电动汽车制造。由于该技术正在申请专利，具体技术细节暂时保密[11]。 2023年11月，北京科技大学开发了一种可持续回收航空航天铝废料的创新工艺。研究发现，氩气气泡浮选工艺可以吸附夹杂物和氢气，获得航天级超洁净熔体[12]。

3、铝行业低碳关键技术产业化进展

根据国际铝业协会2024年2月发布的最新统计数据[13]，2022年，尽管全球铝产量增加，但全球铝行业温室气体排放总量将首次下降。 2022年全球铝产量增长3.9%，从1.041亿吨增至1.082亿吨。但铝行业温室气体排放总量从11.3亿吨二氧化碳当量下降到11.11亿吨二氧化碳当量，原铝排放强度下降幅度大于产量增幅。这是铝行业在新技术、创新技术和能源供应变革的研究、开发和实施方面进行大量投资和不断取得进展的结果。

（一）清洁能源为铝行业电力脱碳提供解决方案

水力发电已成功应用于铝工业。从2022年原铝冶炼厂使用电力的比例来看[14]（表2），水电供应了欧洲、北美和南美80%以上的铝工业。电力方面，北美水电比例高达近96%。除水电外，铝企还积极推广氢能、太阳能等清洁能源发电。巴林铝业公司（Alba）正在承建氢能发电独立发电站项目（第五发电站和第四发电综合体项目）。该项目采用三菱电机燃气轮机，这是世界上第一台专门为原铝冶炼厂制造的燃气轮机。它是风冷J级燃气轮机和蒸汽轮机，联合循环发电能力为680.9兆瓦。该项目计划于2024年第四季度投产，第五电站总产能将由1800兆瓦增至2481兆瓦，温室气体排放浓度将降低0.5吨/吨铝[15]。此外，太阳能也被用于铝生产。 2024 年 3 月北京废铝回收，全球最大的氧化铝厂 Hydro 开始转向太阳能发电。太阳能由 Hydro 和巴西北里奥格兰德州的太阳能发电厂提供。该电厂装机容量为531兆瓦[16]。

表2 2022年原铝冶炼厂使用电源比例（%）[17]

（2）惰性阳极技术生产的铝得到用铝企业的认可，应用范围逐步扩大。

目前，全球已成功开发的惰性阳极铝电解技术主要有该公司的™技术、俄罗斯铝业的惰性阳极工艺、海德鲁铝业的工艺等。美铝和力拓的合资企业于2019年首次使用惰性阳极成功生产无碳铝，用于智能手机、汽车、饮料罐等。[18]最近，电缆制造商耐克森采用了这一突破性技术生产了碳铝线杆[19]。俄铝采用惰性阳极（由陶瓷或合金制成）生产每吨铝二氧化碳当量低于0.01吨的高纯铝（铝纯度大于99%），并于2021年4月投放市场[20 ][ 21]。海德鲁自2016年以来一直致力于开发惰性电极技术。2023年3月，海德鲁宣布将建设一个由挪威政府支持的工艺测试设施[22]。预计2025年建成投产，预计2030年实施产业规模试点[23]。

（3）电、氢燃料在氧化铝精炼过程中的替代应用研究正在进行。

巴西炼油厂于 2022 年安装了一台 60 兆瓦电锅炉，以满足工厂的部分蒸汽需求，这是世界上已知的第一个使用电锅炉生产氧化铝的工厂，并且正在考虑再安装两台，爱尔兰也展示了类似的解决方案。天元二手材料公司正在澳大利亚氧化铝精炼试验中尝试用电煅烧来替代化石燃料，并且还在建设一座利用机械蒸汽再压缩（热泵的一种）发电的设施，该设施将于 2024 年开始运营[24]。力拓和澳大利亚可再生能源机构（ARENA）于2021年开始合作，研究使用氢气替代天然气以减少氧化铝精炼过程中碳排放的可行性。 2023年7月，力拓和住友开始建设氢气中试工厂，用于氧化铝精炼过程中的氢气测试。该试验预计每年生产约 6,000 吨氧化铝[25]

（四）多家企业投资建设废铝回收厂，扩大废铝利用市场

2024年2月，海德鲁宣布将投资1.8亿欧元在西班牙新建铝回收工厂。新的回收工厂每年将生产12万吨低碳再生铝，预计于2026年投产[26]。 2024年2月，美国和曼纳公司计划投资2亿多美元建设新的铝回收园区。此外，美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）的剪切辅助铝加工挤压工艺（ShAPE™）[27]即将投入商业应用。 2024年2月，PNNL宣布与其签署独家协议，将ShAPE™专利技术商业化。 ShAPE技术可以将消费后的废铝100%转化为高质量的挤压产品，使产品的碳含量降低90%。它正在与挤压行业的一家领先设备公司合作设计第一条商业生产线，并与对建筑材料的可持续性和脱碳感兴趣的建筑商进行协商，计划在 2025 年初接受产品订单。

参考

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[1] .气体 - 。

[2]国际能源署。清洁 2023 年。

[3]国际能源署。清洁 2023 年。

[4]国际能源署。清洁 2023 年。

[5] . 1.5.

[6] 2050 年 .Net-Zero：基于 .

[7]国际能源署。清洁 2023 年。

[8]国际能源署。清洁 2023 年。

[9]何勇，周克超，张岩等。惰性的 -free ： a 和 . A.2021，(9)，25272-25285。

[10]低浓度氩气惰性阳极。 .2023,472,.

[11]。新的 .

[12] 杜森，张，王等。一级超净7050合金熔化氩渣。和.2023:27:2102-2116。

[13].在气体中

[14]。力量。

[15]阿尔巴. Alba 在 PS5 Block 4 中使用 Power Gas 进行标记。

[16]水电。太阳能发电厂和清洁地。

[17]原铝生产用电量包括Hall-Héroult工艺电解用电（涉及从交流电整流为直流电）和普通冶炼厂辅助设备（包括污染控制设备）直至液态铝从罐中取出。它不包括铸造厂和工厂使用的电力。

[18]。释放一步：并且大规模。

[19]美国铝业公司。美国铝业以低位、金属自™。

[20] 包括直接和间接排放

[21] УСАЛ。

[22]水电。海德鲁是一个新的。

[23]水电。 - 零- 。

[24]国际能源署。清洁 2023 年。

[25]力拓。力拓并建立试点工厂以进行更低的试验。

[26]Hydro 180 欧元，新到 .

[27]能源部。 ™： 的 .

（秦安宁 孙玉玲）