我國(guó)電解鋁二氧化碳排放計(jì)算及減排潛力分析

我國(guó)電解鋁二氧化碳排放計(jì)算及減排潛力分析

由于溫度因素引起的全球氣候變化引起了各國(guó)政府和聯(lián)合國(guó)的高度關(guān)注。鑒于世界氣候變化的嚴(yán)重性，世界采取了積極行動(dòng)。各國(guó)情調(diào)化委員會(huì)共同制定了《京都協(xié)定》，并成立了政府間氣候變化委員會(huì)（picc）。2007年中國(guó)政府成立了“國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化及節(jié)能減排工作”領(lǐng)導(dǎo)小組,出臺(tái)了《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》。2009年12月,溫家寶總理在哥本哈根氣候變化會(huì)議上莊嚴(yán)承諾:中國(guó)將在已經(jīng)取得的減排成果基礎(chǔ)上,到2020年單位國(guó)民生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降40%-45%,自此,中國(guó)正式揭開了向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的序幕。鋁工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè),2010年我國(guó)原鋁產(chǎn)量達(dá)1620萬噸,約占世界總產(chǎn)量的39%。近10年來,由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,推動(dòng)了電解鋁工業(yè)的快速發(fā)展,但也帶來了巨大的能源和環(huán)境壓力,主要表現(xiàn)在:電解鋁生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大,用電量持續(xù)上升,溫室氣體排放量隨之持續(xù)增加。根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)資料,2010年全國(guó)用電量41923億千瓦時(shí),其中工業(yè)用電量30887億千瓦時(shí)。2010年電解鋁單位產(chǎn)品電耗13979千瓦時(shí)/噸-鋁,電解鋁全年用電量2665億千瓦時(shí),占工業(yè)用電量的7.3%,占全國(guó)總用電量的5.4%。2010年,全國(guó)二氧化碳(CO2)排放量74.3億噸,其中電解鋁行業(yè)二氧化碳排放量3.44億噸,相當(dāng)于全國(guó)CO2排放總量的4.6%。電解鋁屬于高排放產(chǎn)業(yè),其生產(chǎn)過程排放的溫室氣體對(duì)全球氣候變化的影響不容忽視。因此研究電解鋁行業(yè)溫室氣體減排意義深遠(yuǎn)。1氧化碳的排放工序從定義上界定,按照國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)(InternationalAluminiumInstitute,簡(jiǎn)稱IAI)對(duì)電解鋁二氧化碳排放的劃分,電解鋁二氧化碳排放不僅包括電解過程排放的二氧化碳,還包括氧化鋁、炭陽(yáng)極、炭陰極、氟化鹽生產(chǎn)過程排放的二氧化碳[1~2]。從排放特點(diǎn)劃分,電解鋁二氧化碳排放(CO2)分為三個(gè)方面:生產(chǎn)工藝本身產(chǎn)生的二氧化碳排放,由各種燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放,由各工藝過程電力消耗產(chǎn)生的二氧化碳排放。生產(chǎn)工藝本身CO2排放的主要工序包括:(1)電解工序,來源是電解鋁陽(yáng)極消耗產(chǎn)生的CO2和全氟化碳(PFC)折合的當(dāng)量CO2;(2)氧化鋁生產(chǎn)的石灰石煅燒工序,來源是石灰石分解產(chǎn)生的CO2;(3)陰極生產(chǎn)的煅燒、焙燒和石墨化工序,來源是填充焦的氧化損失生成的CO2;(4)陽(yáng)極生產(chǎn)的煅燒和焙燒工序,來源是填充焦的氧化損失生成的CO2。氟化鹽生產(chǎn)工藝本身不產(chǎn)生二氧化碳,主要是消耗燃料和電力帶來的CO2排放。2氧化碳的計(jì)算方法電解鋁行業(yè)電力消耗產(chǎn)生的二氧化碳的計(jì)算一般參照IPCC核準(zhǔn)的計(jì)算公式進(jìn)行,1千瓦時(shí)的電產(chǎn)生的二氧化碳等于0.34千克標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的二氧化碳。燃料消耗產(chǎn)生的二氧化碳計(jì)算可以參照其他行業(yè)相同的計(jì)算方法進(jìn)行。生產(chǎn)工藝本身的產(chǎn)生二氧化碳采用以下公式計(jì)算。2.1民工荒氣—炭陽(yáng)極消耗產(chǎn)生的二氧化碳炭陽(yáng)極消耗產(chǎn)生的CO2按公式(1)計(jì)算:式中:NC陽(yáng)極——陽(yáng)極凈炭耗,kg/t-Al(缺省值為420kg/t-Al);S陽(yáng)極——炭陽(yáng)極硫含量,wt%(缺省值為2%);A陽(yáng)極——炭陽(yáng)極灰分含量,wt%(缺省值為0.4%);E陽(yáng)極——陽(yáng)極消耗產(chǎn)生的CO2,t/t-Al。2.2cdt的計(jì)算在電解鋁生產(chǎn)過程中,受氧化鋁濃度不均勻和炭陽(yáng)極反應(yīng)異常的影響,會(huì)發(fā)生陽(yáng)極副反應(yīng),生成PFC(CF4、C2F6和C3F8)。PFC折合的當(dāng)量CO2按公式(2)計(jì)算:式中:K1——與陽(yáng)極效應(yīng)相關(guān)的CF4排放系數(shù)(缺省值為0.141);K2——陽(yáng)極效應(yīng)相關(guān)的C2F6排放系數(shù)(缺省值為0.104);K3——陽(yáng)極效應(yīng)相關(guān)的C3F8排放系數(shù);K4——非陽(yáng)極效應(yīng)相關(guān)的CF4排放系數(shù);AEF——平均陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù),次/(槽·日);AED——平均陽(yáng)極效應(yīng)持續(xù)時(shí)間,min;EPFC——電解鋁PFC折合的CO2,t/t-Al。2.3qls—氧化鋁生產(chǎn)工藝-石灰石分解產(chǎn)生的CO2在氧化鋁生產(chǎn)過程中,石灰石分解產(chǎn)生的CO2按公式(3)計(jì)算:式中:CAl2O3——氧化鋁消耗,t/t-Al;QLS——石灰石量,t/t-Al2O3;η1——石灰石分解率,%(缺省值為95%);η2——石灰石中雜質(zhì)含量,wt%(缺省值為3%);η3——石灰石煅燒窯飛灰修正系數(shù),缺省值為1.02;ELS——石灰石分解產(chǎn)生的CO2,t/t-Al。2.4cc—炭陽(yáng)極生產(chǎn)工藝-石油焦煅燒損失產(chǎn)生的式中:GC——生焦量,t;H2Ogc——生焦水分,wt%(缺省值為10%);CC——煅后焦質(zhì)量,t;Scc——煅后焦硫分,wt%(缺省值為2.5%);EC——石油焦煅燒損失產(chǎn)生的CO2,t/t-BA。2.5充填焦?fàn)tba—炭陽(yáng)極生產(chǎn)工藝-焙燒爐填充焦氧化損失產(chǎn)生的CO2式中:PC——填充焦的消耗量,t/t-BA;BA——焙燒陽(yáng)極質(zhì)量,t;SPC——填充焦的硫分,wt%;EB——焙燒爐填充焦氧化損失產(chǎn)生的CO2,t/t-BA。2.6瀝青焦揮發(fā)油分氧化損失hcg式中:GA——生陽(yáng)極質(zhì)量,t;BA——焙燒陽(yáng)極產(chǎn)量,t;Hgc——生陽(yáng)極中氫含量,wt%;EP——瀝青焦揮發(fā)分氧化損失產(chǎn)生的CO2,t/t-BA。公式(4)~(6)適用于陰極生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2計(jì)算。3電解鋁行業(yè)的二氧化碳排放量計(jì)算3.1電解鋁的主要消耗指標(biāo)按照電解鋁技術(shù)進(jìn)步的規(guī)律性,在2010年消耗指標(biāo)的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)了2015年、2020年、2030年的電解鋁消耗指標(biāo),結(jié)果見表1。3.2氧化碳排放量變化趨勢(shì)根據(jù)預(yù)測(cè)的消耗指標(biāo),按照2.1-2.6所述的計(jì)算方法計(jì)算了電解鋁2005年~2030年單位產(chǎn)品二氧化碳排放量,計(jì)算結(jié)果見表2,二氧化碳排放量變化趨勢(shì)見圖1。由圖1和表2可以明顯看出,我國(guó)電解鋁單位產(chǎn)品二氧化碳排放量呈逐年下降趨勢(shì),而且下降趨勢(shì)明顯。單位產(chǎn)品二氧化碳排放量的下降主要得益于消耗指標(biāo)的下降,這是電解鋁技術(shù)進(jìn)步帶來的減排效果。從2005年到2020年,單位產(chǎn)品二氧化碳排放量下降了41%,可以達(dá)到國(guó)家減排目標(biāo)。3.3電解鋁行業(yè)的性質(zhì)鋁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)重要的基礎(chǔ)原材料,被譽(yù)為“永不消逝的金屬”,“使用中最節(jié)能的金屬”和“最綠色金屬”。電解鋁行業(yè)是關(guān)聯(lián)度很高的行業(yè),與120多個(gè)行業(yè)密切相關(guān),是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要組成部分,與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密不可分。在不同的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度下,電解鋁的碳排放是不同的。3.3.1經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景根據(jù)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展特點(diǎn),我們?cè)O(shè)定了兩種情景來大致分析我國(guó)電解鋁行業(yè)二氧化碳排放情況,參見表3。3.3.2氣體排放情況根據(jù)我國(guó)電解鋁行業(yè)發(fā)展特點(diǎn),我們?cè)O(shè)定了八種情景來大致分析我國(guó)電解鋁行業(yè)溫室氣體排放情況,參見表4。兩種國(guó)民經(jīng)濟(jì)情景下,2005年~2030年電解鋁產(chǎn)量變化趨勢(shì)見圖2。由圖2可以明顯看出,2020年以前,電解鋁產(chǎn)量逐年上升,“十三五”期間達(dá)到最高點(diǎn),其后逐年下降。3.3.3電解鋁溫室氣體排放總量預(yù)測(cè)根據(jù)表2中單位產(chǎn)品排放量,結(jié)合電解鋁發(fā)展情景,計(jì)算了電解鋁行業(yè)二氧化碳排放總量,計(jì)算結(jié)果繪于圖3和圖4。由圖3和圖4可以明顯看出,由于2020年以前我國(guó)電解鋁產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng),電解鋁行業(yè)溫室氣體排放總量也呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),2020年以后逐步下降。在兩種國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下,電解鋁行業(yè)節(jié)能情景和強(qiáng)化節(jié)能情景的二氧化碳排放總量的拐點(diǎn)在2020年附近,而低碳情景的拐點(diǎn)在2015年附近。4時(shí)間節(jié)點(diǎn)電解鋁單位產(chǎn)品二氧化碳排放量預(yù)測(cè)分析了電解鋁行業(yè)二氧化碳的來源,根據(jù)電解鋁各生產(chǎn)工序的特點(diǎn)確定了生產(chǎn)工藝本身產(chǎn)生的二氧化碳的計(jì)算方法。根據(jù)電解鋁技術(shù)進(jìn)步的規(guī)律性,預(yù)測(cè)了2015年、2020年、2030年的電解鋁消耗指標(biāo),并據(jù)此計(jì)算了各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)電解鋁單位產(chǎn)品二氧化碳排放量。根據(jù)我國(guó)電解鋁行業(yè)發(fā)展特點(diǎn),設(shè)定了八種情景,計(jì)算了各種情景下電解鋁行業(yè)的二氧化碳排放總量,分析了其變化態(tài)勢(shì)。2005年的數(shù)據(jù)來源于行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2010年的數(shù)據(jù)來源于當(dāng)年實(shí)際數(shù)據(jù),2015年以后的數(shù)據(jù)是預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算的電解鋁二氧化