减少氧化铝厂碳排放的工艺研究

齐东华,陈玉国

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

碳排放一般指温室气体排放,温室气体主要包括二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)、氢氟碳化物(HFCs),全氟碳化物(PFCs),六氟化硫(SF6)等。中国已提出二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和,这对于各行各业来说既是机遇也是挑战,很多行业已经出台了行业达到双碳的时间表,氧化铝所属的有色行业将双碳时间分别提前五年。作为氧化铝行业的从业者,想实现氧化铝企业完成降碳目标,首先要了解氧化铝生产过程中有哪些碳排放点,如何分布,有哪些降碳潜力,才有可能制定适宜的降碳方案,最终实现行业的碳平衡。

本文针对氧化铝生产进行了理论碳排放核算,并以国内高温拜耳法生产企业案例为例进行了测算,提出并分析了一些可能的碳排放技术方案。

1 铝行业碳排放分布

根据国际铝业协会(IAI)收集统计的铝行业碳排放数据,在铝行业“从摇篮到大门”的全生命周期,氧化铝生产过程的排放量占行业总排放量的约18%(如图1),来源主要包括含碳原料,如石灰、有机添加药剂,加热、输送物料用的蒸汽和电力,氢氧化铝焙烧用的燃料等,具体介绍如下。

图1 2018年铝业总排放量(百万吨二氧化碳当量)热图[1]

1.1 过程排放

氧化铝企业所涉及的工业生产过程排放主要是使用石灰石(主要成分为碳酸钙)或纯碱(主要成分为碳酸钠)作为生产原料时,碳酸盐分解所产生的二氧化碳排放。如果企业对其生产过程所产生的二氧化碳进行回收利用,则在碳排放核算结果中予以扣除。

1.2 燃料燃烧排放

氧化铝生产中燃料燃烧排放是指石灰窑煅烧石灰石、熟料窑(烧结法)烧制熟料和氢氧化铝焙烧使用煤炭、石油、天然气等一次能源或发生炉煤气、重油、柴油等二次能源燃烧后产生二氧化碳气体,直接向大气中排放。

1.3 电力、热力消费产生的排放

电力、热力消费产生的排放是指消耗电力、蒸汽或循环水、压缩空气等需要消耗电力来产生耗能工质的排放,在拜耳法生产过程中几乎所有工序都会有电力和循环水消耗,并且在预脱硅、分解、种子过滤和焙烧工序除了电力和循环水消耗外,还需要消耗压缩空气,在溶出、蒸发和热水站还有蒸汽消耗,以上碳排放均属于间接排放,间接排放可根据消耗的耗能工质种类,折算为碳排放量[2]。氧化铝厂使用的蒸汽和电力多由自备热电厂产出。

1.4 其 他

生产系统使用的润滑油,运输系统使用的汽油、柴油等动力油也是温室气体排放源。

2 典型拜耳法氧化铝厂碳分布现状分析

以目前国内典型高温拜耳法处理一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的工厂为例,其消耗指标如表1所示,折算为碳排放后其占比见图2。

表1 高温拜耳法主要消耗指标

从图2可以看出,高温拜耳法生产中碳排放量占比最大的是蒸汽,水最少,这里需要说明的是石灰碳排放量包含了石灰石分解产生的CO2和石灰石煅烧燃料燃烧产生的CO2。铝土矿和苛碱等原料中会有碳元素带入生产系统,包括有机碳和无机碳,其中大部分碳元素会随赤泥离开生产系统,此部分碳元素不会产生二氧化碳排放,但如果带入系统的碳元素过多,无法通过赤泥带离生产系统,则系统中碳元素会累积,需要通过添加石灰进行苛化,将多余的碳以碳酸钙形式强制排出生产系统,所以随原料带入系统碳元素可能造成的碳排放可以用石灰消耗量来表示。

图2 高温拜耳法流程中碳排放比例

现在新建氧化铝厂大多都不自建石灰烧制工序,而是直接外购成品石灰,在计算氧化铝厂碳排放时就不需要计算石灰烧制过程的碳排放,则碳排放核算范围主要包括蒸汽、电、燃料。

3 控碳措施

从以上分析可知,氧化铝生产碳排放的来源主要是原辅料和能源消耗,其中以能源消耗为主(占比超过75%)。另外,对于石灰全部外购的氧化铝厂,虽然生产石灰造成的碳排放暂时并不在氧化铝厂碳排放统计范围内,但氧化铝厂同样要考虑高碳排放的石灰消耗。以下分别从减少碳输入和降耗降碳来分析氧化铝企业可能的降碳措施。

3.1 减少碳输入

3.1.1 实现铝土矿带入碳的进出自平衡

铝土矿中的碳元素分为无机碳和有机碳,国内外典型铝土矿含碳量见表2。

表2 世界不同地区铝土矿总有机碳(TOC)含量

从表2可以看出,东南亚和南美地区矿石有机碳含量较低,几内亚、牙买加和澳大利亚铝土矿有机碳含量较高,当随原料带入系统的碳无法通过赤泥等途径自然排出时,将在生产系统中积累,超过一定限度后则需要通过强制排盐排出系统,而苛化时使用的石灰会造成间接碳排放。所以,如果能使用含碳量低的矿石,或者通过合理配矿调配碳含量,实现碳进出平衡,将使铝土矿不成为氧化铝生产碳排放的来源。

3.1.2 减少主要含碳辅料石灰的使用

石灰是用石灰石煅烧制得的,CO2是反应的主要产物之一,同时使用的燃料也会产生CO2,每生产1吨石灰,产生约1.2吨CO2,石灰生产是高碳排放过程。

而石灰是氧化铝生产中不可或缺的辅料,尤其在处理一水硬铝石型铝土矿时,需要添加一定量的石灰,消除矿石中钛元素对氧化铝溶出的阻碍作用,铝酸钠溶液精滤过程也需要添加石灰乳作为助滤剂,碳酸盐及草酸盐苛化、中和废酸等过程也都需要消耗石灰。

采用高温溶出处理国内某地区一水硬铝石型铝土矿时,不同石灰添加量对溶出率的影响如图3所示。不添加石灰时,相对溶出率很低,随着石灰添加量增加,溶出率迅速提高,当石灰添加比例增加至3.5%时,相对溶出率已经达到最大值,石灰添加量再增加,对溶出率影响很小,当石灰添加量继续增加到7%以上时,溶出率反而有所下降。而实际生产中通常石灰添加比例为8%～10%,甚至到12%,其目的更多的还是从降低赤泥N/S,降低碱耗出发,但石灰添加过多,不但降低碱耗效果有限,而且损失氧化铝逐渐增加,且大大提高了石灰成本,及相关的碳排放,从整体上看配矿石灰添加量应适宜。

图3 石灰添加量对相对溶出率的影响(溶出温度260°C)

铝酸钠溶液精滤工序需要的过滤助剂,通常采用石灰乳制备,添加比例0.3%～0.5%(石灰乳与粗液体积比),国内一家氧化铝厂通过采用沈阳院的精细化控制技术大大提高了助滤剂的助滤性能,助滤用石灰乳消耗量降低至0.1%左右,年产100万吨的氧化铝厂每年可减少石灰消耗约7000吨,折合减少碳排放量8400吨。

3.2 降耗降碳

3.2.1 高温新蒸汽冷凝水直接回电厂

一些氧化铝厂对新蒸汽采用“吃干榨净”的做法,将溶出用新蒸汽冷凝水闪蒸出蒸汽加热预脱硅矿浆或者输送至蒸发工序逐级闪蒸降温,最大限度回收其中的热量,再返回热电厂,如此利用看似节省了单位氧化铝汽耗,但一方面低温冷凝水返回热电厂还需要加热至150 ℃以上进入高压除氧器,从全厂能量利用看,实际并不合理,另一方面,工艺系统中存在大量低品质热源(如溶出闪蒸槽乏汽)无法利用,造成能量浪费。将高温新蒸汽冷凝水闪蒸降温至158 ℃直接返回热电厂高压除氧器可以减少自备电厂的自用汽折标煤约18 kg/t-Al2O3[3],折合碳排放0.054 t-CO2/t-Al2O3。

3.2.2 节能型搅拌技术

氧化铝生产中有大量料浆搅拌槽,如预脱硅槽、分解槽等,搅拌耗电占吨铝电耗的5%左右。沈阳铝镁设计研究院有限公司开发的节能搅拌技术是通过优化搅拌桨型式和参数(如叶片长度、长径比、层间距以及不同桨的组合形式等),提高搅拌均匀度,同时降低电耗,该搅拌技术目前已经在氧化铝厂得到了大面积的推广,应用后节约搅拌电耗约35%,折合碳排放0.004 t-CO2/t-Al2O3。

3.2.3 低温焙烧技术

氢氧化铝焙烧是氧化铝生产中一个主要耗能工序,焙烧使用的燃料通常为天然气、发生炉煤气或重油。这些一、二次能源燃烧后生成CO2排入大气。焙烧温度一般控制在1000～1100 ℃,低温焙烧技术可在满足氢氧化铝脱水效果的前提下,减少焙烧机组的散热损失,预计可以节省燃料消耗3%,折合碳排放0.003 t-CO2/t-Al2O3。

3.2.4 降低氢氧化铝含水率

过滤洗涤后的氢氧化铝进入到焙烧炉内高温脱水生产氧化铝,氢氧化铝含水率与焙烧炉燃气消耗密切相关。通过测算,氢氧化铝滤饼含水率每增加1个百分点,燃料消耗量会对应增加约1.7%,一些氧化铝厂通过改善过滤条件,如提高过滤真空度、提高产品粒度及添加脱水剂等手段,降低氢氧化铝滤饼含水率,可以从4%～5%降低至2%～3%,2个百分点可以减少约3.4%的燃料量,折合碳排放0.004 t-CO2/t-Al2O3。

3.3 缩短生产流程

拜耳法氧化铝生产过程包括两个主要环节,即铝土矿溶出和铝酸钠溶液分解,但为了提高生产效率,保证产品质量,目前采用拜耳法的氧化铝厂通常包含十几个生产工序,随着生产技术的不断提升,一些生产环节可以合并甚至取消,使流程缩短。

铝酸钠溶液精滤工序是对溶出后矿浆进行沉降分离后得到的粗液进行二次过滤,使溢流中浮游物含量降低至符合下游分解工序的需求,以保证产品质量。国外有学者对不同类型絮凝剂作用下赤泥浆液分离后溢流浮游物含量进行了实验,某三聚合絮凝剂可以使分离粗液中浊度降至31±1 NTU,对应浮游物含量12 mg/L[5],已经达到精滤后的滤液中浮游物含量要求,待此技术工业化应用成功后,可以考虑取消精滤环节,既能缩短流程,减少能耗,又能取消石灰添加,可以进一步降低碳排放量。母液蒸发工序是将分解后得到的母液蒸浓,使调配后的循环碱浓度满足溶出的要求,由于蒸发工序有大量热能随末效二次汽去循环水,造成能量损失。另一方面,为了改善分解工序氢氧化铝结晶过程,需要在分解初始阶段保持高的过饱和度,受铝酸钠溶液平衡溶解度的限制,高过饱和度的铝酸钠溶液通常需要提高溶出温度获得,高温溶出过程料浆蒸水量会增加。所以可考虑将蒸发蒸水量部分甚至全部从母液蒸发转移至溶出工序,蒸发工序规模减小,末效二次汽带走的热量减少,系统能耗降低。但此方案需要综合考虑溶出效果和增加溶出换热面积,建议做进一步研究。

3.4 引入新工艺

随着氧化铝生产工艺技术的不断发展,通过优化控制条件,应用新的技术,实现氧化铝生产的降耗和减少碳排放。

3.4.1 引入智能控制技术

通过实施生产过程智能化控制,提高生产管理效率,可实现稳定生产指标,提高产能,降低能源消耗,其中原料磨智能化控制可降低磨机用电消耗3%,溶出智能化控制可降低溶出机组蒸汽消耗2%,蒸发智能化可以降低蒸水消耗0.01 t-蒸汽/t-水,合计折合减少碳排放0.015 t-CO2/t-Al2O3。

3.4.2 MVR蒸发技术

MVR蒸发器的原理是利用高能效蒸汽压缩机,将低参数的二次蒸汽压缩提压,重复用于工艺过程,以电耗换取降膜蒸发器蒸水的蒸汽消耗,其作用原理见图4。

图4 MVR蒸发流程图

MVR蒸发技术只需耗用少量新蒸汽,可实现用电能替代蒸汽,后续可以采用水电、风电等低碳电能代替高碳电能,实现能源转换,降低碳排放。

3.4.3 无石灰添加溶出技术

如3.1.2所述,在目前处理铝矿石溶出过程中需要添加石灰,一方面处理一水硬铝石时生成钛酸钙,消除钛元素对于氧化铝溶出的不利影响,另一方面可以提高溶出效果。从降碳方面考虑,不添加石灰,通过调整溶出条件,例如提高溶出温度、添加溶出助剂等,改变溶出反应历程,保证高的反应动力,同样可以实现设定的溶出效果。

3.4.4 可替代的铝酸钠溶液精滤助滤剂

之前行业内曾采用粉煤灰和电石渣作为铝酸钠溶液精滤助滤剂取代石灰,后来由于一些原因未能持续使用。铝酸钠溶液精滤助滤剂的原理是过滤初期在滤布表面形成滤层骨架型结构加速滤层的形成,在过滤过程中减慢由于细颗粒浮游物致密累积导致过滤压力快速上升,延长过滤周期,保证液量通过。以上述机理为研究基础,开发应用新的助滤剂替代现有石灰乳助滤剂,实现碳排放的减少。

3.4.5 将熔盐加热系统改为蒸汽加热系统

一些氧化铝厂溶出系统仍然采用熔盐加热方式,目前使用的熔盐炉加热系统单台产能小,热效率低,只有60%～83%,而蒸汽锅炉可达到90%以上[6],在溶出加热系统中蒸汽加热和熔盐加热热效率相当。所以将氧化铝厂熔盐加热系统改为蒸汽锅炉,既提高了热效率,又能减少碳排放量。

3.5 降碳效果汇总

通过以上方式,可以降低氧化铝生产系统单位碳排放量约117 kg,具体信息如表3所示。

表3 降碳效果汇总表

4 结 论

(1) 氧化铝行业碳排放的来源主要是原辅料带入和化石能源的消耗。

(2) 减少氧化铝生产中碳排放,主要通过优化原料结构和改善生产技术,减少碳元素的输入,降低生产能耗来实现。

(3) 通过能源转换,如,蒸汽消耗部分转换为电耗,采用清洁能源技术,如风电、水电等,减少高含碳化石能源的消耗,如使用氢气替代煤气或者天然气,是降低氧化铝行业碳排放的最主要方式。

上述降碳技术的实施,可以大幅度降低氧化铝生产的能源消耗和碳排放量。