生命周期评价在电解铝行业中的应用

陈少林｜文

绿色低碳与高质量发展，是电解铝行业贯彻国家工业发展总体战略的需要，也是企业自身发展的必由之路。加强产品生态设计在实际生产中的应用，减少污染物排放，提高资源和能源循环利用水平，才能从源头上实现真正的污染防治与可持续发展。对产品或工艺过程进行生命周期评价正是实现上述经济与环境双赢局面的有效环境管理工具。

当前，我国铝冶炼环保标准愈发严格，特别在“碳达峰、碳中和”的目标背景下，节能减排是铝冶炼企业发展的重要主题。绿色低碳与高质量发展，是电解铝行业贯彻国家工业发展总体战略的需要，也是企业自身发展的必由之路。加强产品生态设计在实际生产中的应用，减少污染物排放，提高资源和能源循环利用水平，才能从源头上实现真正的污染防治与可持续发展。对产品或工艺过程进行生命周期评价正是实现上述经济与环境双赢局面的有效环境管理工具。

“双碳”背景下的电解铝行业

当前，我国电解铝行业多为200千安～600千安现代大型预焙阳极电解槽，通过自主技术创新，我国电解铝行业的工艺技术和能源利用效率达到世界先进水平。2020年，中国电解铝行业铝锭综合交流电耗为13531千瓦时/吨，低于全球14255千瓦时/吨的平均水平。铝冶炼行业是用电大户，2020年我国电解铝生产用电量5022亿千瓦时，占全国用电量的6.7%。我国电解铝行业能源结构中，煤电、水电和其他可再生能源占比分别为88%、11%和1%，清洁能源保障比例明显低于北美洲（水电84%）、欧洲（水电86%、核电6%）和南美洲（水电80%、天然气20%）等地区。此外，我国电解铝生产过程中产生的二氧化碳排放量达12.8吨/吨铝，明显高于欧洲（1.9吨/吨铝）、北美洲（2.7吨/吨铝）、南美洲（3.8吨/吨铝）等地区。

据国际铝协测算，2018年全球铝行业二氧化碳排放量约11.27亿吨，其中氧化铝精炼碳排放量为2.04亿吨，占比二氧化碳排放总量约19%；原铝生产由于电力消耗而间接排放的二氧化碳量约6.7亿吨，占比二氧化碳排放总量的60%；铝电解二氧化碳排放总量8.24亿吨，占比二氧化碳排放总量的73%。据中国有色金属工业协会测算，2020年我国有色金属行业二氧化碳总排放量约6.6亿吨，约占全国碳排放总量的4.7%。其中，铝冶炼（含电解铝、氧化铝、再生铝）行业二氧化碳排放量为5.1亿吨，约占77%。电解铝行业排放（含电力间接排放）二氧化碳4.2亿吨，约占有色金属行业总排放量的64%。国际和国内统计结果表明，电解铝贡献了铝冶炼行业和整个有色金属行业二氧化碳排放的最大份额。

产品生命周期评价简介

1990年，国际环境毒理学与化学学会首次提出了生命周期评价（Life Cycle Assessment，以下简称“LCA”）的定义：生命周期评价，是一种对产品、工艺或活动的客观评价过程，是从原材料采集到产品生产、运输、销售、使用、回收和最终处置的全生命周期阶段中的环境影响程度的认证，目的在于评价上述过程对环境的影响，寻求减小环境影响的机会。LCA模式与传统的末端治理相比较，体现了全程控制理念，从产品设计之初，到生产实践的每个环节，通过强化管理和技术进步，全程实施节能减排。1997-2000年，国际化标准组织颁布的ISO 14040 ～ISO 14043一系列标准，使生命周期评价走向国际化，并使利用LCA评价不同地区产品的环境负荷有了理论上的对比性。

由于LCA在产品设计与生产过程中能够最大限度地协助企业减少产品对环境的负面影响，实现产品的环境效益、功能效益、社会效益和经济效益的多重目标，近年来获得了国家的高度重视，如工信部《中国制造2025》《绿色制造工程实施指南（2016-2020年）》等文件明确提出绿色产品要按照生命周期的理念，在产品设计开发阶段，系统考虑产品生命周期各个环节对资源环境造成的影响，实现产品的生态环境影响最小化。围绕“双碳”目标，基于LCA的碳足迹/碳排放核查重要性凸显。在国家政策和绿色发展趋势的推动下，部分电解铝行业领头企业已经开始启动产品生命周期评价工作，以此拓展生态市场，抢占绿色发展制高点，达到市场经济和生态经济的可持续发展。

生命周期评价在铝冶炼行业的应用

LCA通过对产品整个或某个生命周期阶段的资源和能源消耗以及向环境（空气、水、土壤等）排放的废弃物进行定性、定量分析，从而分析产品的环境负荷。常见的环境影响类型包括资源消耗、温室效应、人体健康、酸化、富营养化、臭氧层破坏和光化学烟雾等，评价结果可用于企业重大问题识别和工艺或技术改进指导。电解铝产品的环境负荷主要与氧化铝冶炼、碳阳极制备和电解有关，尤其是电解和氧化铝冶炼，多种环境影响类型的特征化值显著高于其他工艺环节。在电解过程中，电力消耗对酸化（AP）、人体毒性（HTP100a）、温室效应（GWP100a）、光化学烟雾（POCP）、富营养化（EP）等环境影响类型的贡献占比最高，基于我国能源整体结构类型，发电过程中的煤炭消耗会排放大量污染物，包括温室气体二氧化碳、甲烷、一氧化碳等，酸性气体二氧化硫、氮氧化物等，使电力消耗成为全球变暖、酸化、水体富营养化等环境影响类型的主要贡献者。

此外，不同的原料供应也会对电解铝产品的环境负荷产生显著影响，如拜耳法工艺流程的吨氧化铝环境负荷最低，烧结法的最高，混联法介于两者之间。其中，对于拜耳法工艺，间接加热溶出技术比蒸汽直接加热的压煮溶出技术的环境负荷更低；对于烧结法工艺，间接加热脱硅技术比直接加热脱硅技术的环境负荷更低；对于混联法工艺，拜耳法的生产比例越高，环境负荷越小。

LCA也是有效的环境管理工具，可定性和定量分析不同环境影响类型的地区差异，为环境管理部门提供参考。以温室效应为例，我国电解铝行业产能分布存在明显地域差异，由于能源、原料和消费等因素，电解铝生产主要集中在山东省（自备电厂、靠近港口）、西南地区（水电、靠近老挝和越南等高品质氧化铝产地）和西北地区（煤炭资源、低成本电力）。我国电解铝行业碳排放也存在明显的区域差异：南方省份主要为低碳排放区和中等碳排放区，包括重庆、湖北、湖南、江苏、浙江、福建、广西和四川；河南、山东、内蒙古和新疆原铝产量大、煤电占比高，为高碳排放区，其中山东碳排放强度最高，其次分别为新疆和内蒙古；西北地区煤炭资源丰富、电力成本低廉，铝产量大，碳排放总量占比全国总量的40%；云南和四川水电占比最高，能源结构中煤电占比仅约为10%，而山东省非化石能源占比不超过5%。

铝电解技术进步和能源结构优化是减少原铝生产环境影响的主要途径，然而国内外研究结果均表明铝电解在无颠覆性技术出现的现状下，依靠科技进步带来减排边际效益小。此外，我国电解槽工艺参数、电流效率优于行业平均水平，氧化铝普遍使用环境影响较小的拜耳法生产，技术改造环境效益较小。因此，优化能源结构，增加水电、风电等清洁能源的使用比例是实现减排的根本途径。我国部分地区清洁能源优势明显，如西南地区，引导电解铝产能布局至水电等清洁能源保障能力强的地区，是产业调整的重要方向。此外，基于LCA的能源评价结果表明程中，输入能量中仅40%～45%用于电化学反应，其余均转化为热量，而烟气带走的热量大致占整个电解槽体系能量支出的15%～30%。铝电解过程中产生的烟气温度一般在100℃～140℃之间，将电解烟气中的热量回收利用，也是实现电解生产节能降耗的一种重要手段。