減少氧化鋁廠碳排放的工藝研究

齊東華,陳玉國

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

碳排放一般指溫室氣體排放,溫室氣體主要包括二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)、氫氟碳化物(HFCs),全氟碳化物(PFCs),六氟化硫(SF6)等。中國已提出二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值,2060年前實現碳中和,這對于各行各業來說既是機遇也是挑戰,很多行業已經出臺了行業達到雙碳的時間表,氧化鋁所屬的有色行業將雙碳時間分別提前五年。作為氧化鋁行業的從業者,想實現氧化鋁企業完成降碳目標,首先要了解氧化鋁生產過程中有哪些碳排放點,如何分布,有哪些降碳潛力,才有可能制定適宜的降碳方案,最終實現行業的碳平衡。

本文針對氧化鋁生產進行了理論碳排放核算,并以國內高溫拜耳法生產企業案例為例進行了測算,提出并分析了一些可能的碳排放技術方案。

1 鋁行業碳排放分布

根據國際鋁業協會(IAI)收集統計的鋁行業碳排放數據,在鋁行業“從搖籃到大門”的全生命周期,氧化鋁生產過程的排放量占行業總排放量的約18%(如圖1),來源主要包括含碳原料,如石灰、有機添加藥劑,加熱、輸送物料用的蒸汽和電力,氫氧化鋁焙燒用的燃料等,具體介紹如下。

圖1 2018年鋁業總排放量(百萬噸二氧化碳當量)熱圖[1]

1.1 過程排放

氧化鋁企業所涉及的工業生產過程排放主要是使用石灰石(主要成分為碳酸鈣)或純堿(主要成分為碳酸鈉)作為生產原料時,碳酸鹽分解所產生的二氧化碳排放。如果企業對其生產過程所產生的二氧化碳進行回收利用,則在碳排放核算結果中予以扣除。

1.2 燃料燃燒排放

氧化鋁生產中燃料燃燒排放是指石灰窯煅燒石灰石、熟料窯(燒結法)燒制熟料和氫氧化鋁焙燒使用煤炭、石油、天然氣等一次能源或發生爐煤氣、重油、柴油等二次能源燃燒后產生二氧化碳氣體,直接向大氣中排放。

1.3 電力、熱力消費產生的排放

電力、熱力消費產生的排放是指消耗電力、蒸汽或循環水、壓縮空氣等需要消耗電力來產生耗能工質的排放,在拜耳法生產過程中幾乎所有工序都會有電力和循環水消耗,并且在預脫硅、分解、種子過濾和焙燒工序除了電力和循環水消耗外,還需要消耗壓縮空氣,在溶出、蒸發和熱水站還有蒸汽消耗,以上碳排放均屬于間接排放,間接排放可根據消耗的耗能工質種類,折算為碳排放量[2]。氧化鋁廠使用的蒸汽和電力多由自備熱電廠產出。

1.4 其 他

生產系統使用的潤滑油,運輸系統使用的汽油、柴油等動力油也是溫室氣體排放源。

2 典型拜耳法氧化鋁廠碳分布現狀分析

以目前國內典型高溫拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦生產氧化鋁的工廠為例,其消耗指標如表1所示,折算為碳排放后其占比見圖2。

表1 高溫拜耳法主要消耗指標

從圖2可以看出,高溫拜耳法生產中碳排放量占比最大的是蒸汽,水最少,這里需要說明的是石灰碳排放量包含了石灰石分解產生的CO2和石灰石煅燒燃料燃燒產生的CO2。鋁土礦和苛堿等原料中會有碳元素帶入生產系統,包括有機碳和無機碳,其中大部分碳元素會隨赤泥離開生產系統,此部分碳元素不會產生二氧化碳排放,但如果帶入系統的碳元素過多,無法通過赤泥帶離生產系統,則系統中碳元素會累積,需要通過添加石灰進行苛化,將多余的碳以碳酸鈣形式強制排出生產系統,所以隨原料帶入系統碳元素可能造成的碳排放可以用石灰消耗量來表示。

圖2 高溫拜耳法流程中碳排放比例

現在新建氧化鋁廠大多都不自建石灰燒制工序,而是直接外購成品石灰,在計算氧化鋁廠碳排放時就不需要計算石灰燒制過程的碳排放,則碳排放核算范圍主要包括蒸汽、電、燃料。

3 控碳措施

從以上分析可知,氧化鋁生產碳排放的來源主要是原輔料和能源消耗,其中以能源消耗為主(占比超過75%)。另外,對于石灰全部外購的氧化鋁廠,雖然生產石灰造成的碳排放暫時并不在氧化鋁廠碳排放統計范圍內,但氧化鋁廠同樣要考慮高碳排放的石灰消耗。以下分別從減少碳輸入和降耗降碳來分析氧化鋁企業可能的降碳措施。

3.1 減少碳輸入

3.1.1 實現鋁土礦帶入碳的進出自平衡

鋁土礦中的碳元素分為無機碳和有機碳,國內外典型鋁土礦含碳量見表2。

表2 世界不同地區鋁土礦總有機碳(TOC)含量

從表2可以看出,東南亞和南美地區礦石有機碳含量較低,幾內亞、牙買加和澳大利亞鋁土礦有機碳含量較高,當隨原料帶入系統的碳無法通過赤泥等途徑自然排出時,將在生產系統中積累,超過一定限度后則需要通過強制排鹽排出系統,而苛化時使用的石灰會造成間接碳排放。所以,如果能使用含碳量低的礦石,或者通過合理配礦調配碳含量,實現碳進出平衡,將使鋁土礦不成為氧化鋁生產碳排放的來源。

3.1.2 減少主要含碳輔料石灰的使用

石灰是用石灰石煅燒制得的,CO2是反應的主要產物之一,同時使用的燃料也會產生CO2,每生產1噸石灰,產生約1.2噸CO2,石灰生產是高碳排放過程。

而石灰是氧化鋁生產中不可或缺的輔料,尤其在處理一水硬鋁石型鋁土礦時,需要添加一定量的石灰,消除礦石中鈦元素對氧化鋁溶出的阻礙作用,鋁酸鈉溶液精濾過程也需要添加石灰乳作為助濾劑,碳酸鹽及草酸鹽苛化、中和廢酸等過程也都需要消耗石灰。

采用高溫溶出處理國內某地區一水硬鋁石型鋁土礦時,不同石灰添加量對溶出率的影響如圖3所示。不添加石灰時,相對溶出率很低,隨著石灰添加量增加,溶出率迅速提高,當石灰添加比例增加至3.5%時,相對溶出率已經達到最大值,石灰添加量再增加,對溶出率影響很小,當石灰添加量繼續增加到7%以上時,溶出率反而有所下降。而實際生產中通常石灰添加比例為8%～10%,甚至到12%,其目的更多的還是從降低赤泥N/S,降低堿耗出發,但石灰添加過多,不但降低堿耗效果有限,而且損失氧化鋁逐漸增加,且大大提高了石灰成本,及相關的碳排放,從整體上看配礦石灰添加量應適宜。

圖3 石灰添加量對相對溶出率的影響(溶出溫度260°C)

鋁酸鈉溶液精濾工序需要的過濾助劑,通常采用石灰乳制備,添加比例0.3%～0.5%(石灰乳與粗液體積比),國內一家氧化鋁廠通過采用沈陽院的精細化控制技術大大提高了助濾劑的助濾性能,助濾用石灰乳消耗量降低至0.1%左右,年產100萬噸的氧化鋁廠每年可減少石灰消耗約7000噸,折合減少碳排放量8400噸。

3.2 降耗降碳

3.2.1 高溫新蒸汽冷凝水直接回電廠

一些氧化鋁廠對新蒸汽采用“吃干榨凈”的做法,將溶出用新蒸汽冷凝水閃蒸出蒸汽加熱預脫硅礦漿或者輸送至蒸發工序逐級閃蒸降溫,最大限度回收其中的熱量,再返回熱電廠,如此利用看似節省了單位氧化鋁汽耗,但一方面低溫冷凝水返回熱電廠還需要加熱至150 ℃以上進入高壓除氧器,從全廠能量利用看,實際并不合理,另一方面,工藝系統中存在大量低品質熱源(如溶出閃蒸槽乏汽)無法利用,造成能量浪費。將高溫新蒸汽冷凝水閃蒸降溫至158 ℃直接返回熱電廠高壓除氧器可以減少自備電廠的自用汽折標煤約18 kg/t-Al2O3[3],折合碳排放0.054 t-CO2/t-Al2O3。

3.2.2 節能型攪拌技術

氧化鋁生產中有大量料漿攪拌槽,如預脫硅槽、分解槽等,攪拌耗電占噸鋁電耗的5%左右。沈陽鋁鎂設計研究院有限公司開發的節能攪拌技術是通過優化攪拌槳型式和參數(如葉片長度、長徑比、層間距以及不同槳的組合形式等),提高攪拌均勻度,同時降低電耗,該攪拌技術目前已經在氧化鋁廠得到了大面積的推廣,應用后節約攪拌電耗約35%,折合碳排放0.004 t-CO2/t-Al2O3。

3.2.3 低溫焙燒技術

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產中一個主要耗能工序,焙燒使用的燃料通常為天然氣、發生爐煤氣或重油。這些一、二次能源燃燒后生成CO2排入大氣。焙燒溫度一般控制在1000～1100 ℃,低溫焙燒技術可在滿足氫氧化鋁脫水效果的前提下,減少焙燒機組的散熱損失,預計可以節省燃料消耗3%,折合碳排放0.003 t-CO2/t-Al2O3。

3.2.4 降低氫氧化鋁含水率

過濾洗滌后的氫氧化鋁進入到焙燒爐內高溫脫水生產氧化鋁,氫氧化鋁含水率與焙燒爐燃氣消耗密切相關。通過測算,氫氧化鋁濾餅含水率每增加1個百分點,燃料消耗量會對應增加約1.7%,一些氧化鋁廠通過改善過濾條件,如提高過濾真空度、提高產品粒度及添加脫水劑等手段,降低氫氧化鋁濾餅含水率,可以從4%～5%降低至2%～3%,2個百分點可以減少約3.4%的燃料量,折合碳排放0.004 t-CO2/t-Al2O3。

3.3 縮短生產流程

拜耳法氧化鋁生產過程包括兩個主要環節,即鋁土礦溶出和鋁酸鈉溶液分解,但為了提高生產效率,保證產品質量,目前采用拜耳法的氧化鋁廠通常包含十幾個生產工序,隨著生產技術的不斷提升,一些生產環節可以合并甚至取消,使流程縮短。

鋁酸鈉溶液精濾工序是對溶出后礦漿進行沉降分離后得到的粗液進行二次過濾,使溢流中浮游物含量降低至符合下游分解工序的需求,以保證產品質量。國外有學者對不同類型絮凝劑作用下赤泥漿液分離后溢流浮游物含量進行了實驗,某三聚合絮凝劑可以使分離粗液中濁度降至31±1 NTU,對應浮游物含量12 mg/L[5],已經達到精濾后的濾液中浮游物含量要求,待此技術工業化應用成功后,可以考慮取消精濾環節,既能縮短流程,減少能耗,又能取消石灰添加,可以進一步降低碳排放量。母液蒸發工序是將分解后得到的母液蒸濃,使調配后的循環堿濃度滿足溶出的要求,由于蒸發工序有大量熱能隨末效二次汽去循環水,造成能量損失。另一方面,為了改善分解工序氫氧化鋁結晶過程,需要在分解初始階段保持高的過飽和度,受鋁酸鈉溶液平衡溶解度的限制,高過飽和度的鋁酸鈉溶液通常需要提高溶出溫度獲得,高溫溶出過程料漿蒸水量會增加。所以可考慮將蒸發蒸水量部分甚至全部從母液蒸發轉移至溶出工序,蒸發工序規模減小,末效二次汽帶走的熱量減少,系統能耗降低。但此方案需要綜合考慮溶出效果和增加溶出換熱面積,建議做進一步研究。

3.4 引入新工藝

隨著氧化鋁生產工藝技術的不斷發展,通過優化控制條件,應用新的技術,實現氧化鋁生產的降耗和減少碳排放。

3.4.1 引入智能控制技術

通過實施生產過程智能化控制,提高生產管理效率,可實現穩定生產指標,提高產能,降低能源消耗,其中原料磨智能化控制可降低磨機用電消耗3%,溶出智能化控制可降低溶出機組蒸汽消耗2%,蒸發智能化可以降低蒸水消耗0.01 t-蒸汽/t-水,合計折合減少碳排放0.015 t-CO2/t-Al2O3。

3.4.2 MVR蒸發技術

MVR蒸發器的原理是利用高能效蒸汽壓縮機,將低參數的二次蒸汽壓縮提壓,重復用于工藝過程,以電耗換取降膜蒸發器蒸水的蒸汽消耗,其作用原理見圖4。

圖4 MVR蒸發流程圖

MVR蒸發技術只需耗用少量新蒸汽,可實現用電能替代蒸汽,后續可以采用水電、風電等低碳電能代替高碳電能,實現能源轉換,降低碳排放。

3.4.3 無石灰添加溶出技術

如3.1.2所述,在目前處理鋁礦石溶出過程中需要添加石灰,一方面處理一水硬鋁石時生成鈦酸鈣,消除鈦元素對于氧化鋁溶出的不利影響,另一方面可以提高溶出效果。從降碳方面考慮,不添加石灰,通過調整溶出條件,例如提高溶出溫度、添加溶出助劑等,改變溶出反應歷程,保證高的反應動力,同樣可以實現設定的溶出效果。

3.4.4 可替代的鋁酸鈉溶液精濾助濾劑

之前行業內曾采用粉煤灰和電石渣作為鋁酸鈉溶液精濾助濾劑取代石灰,后來由于一些原因未能持續使用。鋁酸鈉溶液精濾助濾劑的原理是過濾初期在濾布表面形成濾層骨架型結構加速濾層的形成,在過濾過程中減慢由于細顆粒浮游物致密累積導致過濾壓力快速上升,延長過濾周期,保證液量通過。以上述機理為研究基礎,開發應用新的助濾劑替代現有石灰乳助濾劑,實現碳排放的減少。

3.4.5 將熔鹽加熱系統改為蒸汽加熱系統

一些氧化鋁廠溶出系統仍然采用熔鹽加熱方式,目前使用的熔鹽爐加熱系統單臺產能小,熱效率低,只有60%～83%,而蒸汽鍋爐可達到90%以上[6],在溶出加熱系統中蒸汽加熱和熔鹽加熱熱效率相當。所以將氧化鋁廠熔鹽加熱系統改為蒸汽鍋爐,既提高了熱效率,又能減少碳排放量。

3.5 降碳效果匯總

通過以上方式,可以降低氧化鋁生產系統單位碳排放量約117 kg,具體信息如表3所示。

表3 降碳效果匯總表

4 結 論

(1) 氧化鋁行業碳排放的來源主要是原輔料帶入和化石能源的消耗。

(2) 減少氧化鋁生產中碳排放,主要通過優化原料結構和改善生產技術,減少碳元素的輸入,降低生產能耗來實現。

(3) 通過能源轉換,如,蒸汽消耗部分轉換為電耗,采用清潔能源技術,如風電、水電等,減少高含碳化石能源的消耗,如使用氫氣替代煤氣或者天然氣,是降低氧化鋁行業碳排放的最主要方式。

上述降碳技術的實施,可以大幅度降低氧化鋁生產的能源消耗和碳排放量。