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铝行业低碳关键技术研发及产业化进展分析

铝是继钢铁之后全球第二大重要金属，广泛应用于航空航天、汽车制造、建材等领域。铝行业占我国有色工业碳排放总量的85%，是有色工业碳减排的重点领域。2024年3月25日，美国政府公布了美国历史上最大规模的工业脱碳投资，其中包括对铝行业投资6.5亿多美元，以振兴美国原生铝产业，推动行业脱碳。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研发和产业化进展。

1. 铝行业低碳关键技术

2021年以来，国际铝业协会、 （MPP）、美国、欧洲、加拿大、日本、中国等国（地区）等有色金属或铝业协会发布了多份关于铝行业低碳技术发展的研究报告。如国际铝业协会（IAI）2021年发布《铝行业温室气体排放路径至2050年》报告，为铝行业指明减排路径；2023年9月，美国、欧洲、加拿大、日本等国铝业协会联合发布《铝供应链迈向净零温室气体排放路径和全球公平市场：优先行动领域》等。

从上述报告中，我们可以总结出铝行业碳减排的三条主要路径，分别是：电力脱碳、工艺过程直接排放减少、废铝回收利用。

（1）电力脱碳。原铝生产是一个能源密集型的工业过程。增加用于生产铝的低排放电力的比例是重中之重，也是短期内减少排放的最大潜在方式。2022年，铝电解产生的温室气体约占铝工业总排放量的71%。此外，全球该行业消耗的电力中约有55%是由生产商拥有和运营的发电厂满足的，而不是从电网购买的，尤其是在亚洲（中国约为65%，亚洲其他地区约为95%）。因此，电力脱碳结合部署碳捕获、利用和储存（CCUS）技术将是铝冶炼厂，特别是那些拥有自有发电能力的铝冶炼厂最重要的减排措施。其中，可再生能源发电和氢能发电已实现商业应用或示范，而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年铝行业电力结构的排放强度需要比目前下降约60%。

（2）减少直接工序排放。铝工业非动力相关排放主要来源为燃料燃烧、冶炼厂阳极消耗、辅助原料及运输等。在IEA 2050净零排放情景下，到2030年，铝工业直接碳排放总量需较目前下降约18%，降至约2.2亿吨二氧化碳。2022年，用于供应热量和蒸汽的燃料燃烧产生的排放占行业总排放的16%，主要集中在氧化铝精炼工序。该工序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。与传统锅炉相比，机械蒸汽再压缩技术可减少95%的排放。该技术目前处于商业化示范阶段，在大规模部署前，还需进一步开展研发工作，以适应氧化铝精炼工序。 预计2027年起实现大规模部署。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方式，这些煅烧炉仍处于实验室开发阶段，需加大研发力度。电煅烧和氢气煅烧有望在2030/2035年实现大规模商业化。2022年，阳极消费产生的温室气体排放约占铝工业总排放的6%。其中，惰性阳极因几乎为零的温室气体排放受到行业广泛关注，是铝工业研究的重点。目前该技术处于商业化示范阶段。由于需要改造现有设备并导致前期投入较大，预计2030年前无法实现大规模商业化部署。IEA预测，到2030年，惰性阳极在原铝生产中的占比将在7%左右。

（3）回收利用和资源效率。

国际铝业协会预计，到2050年，通过100%铝回收利用、改进垃圾分类、消除消费前废弃物和金属损失，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，与减少直接排放的影响相当。在IEA 2050净零排放情景下，到2030年二次生产将扩大到铝产量的40%以上。虽然该技术相对成熟，在美国、欧洲等发达国家已大规模部署，但仍面临因废铝合金中杂质元素含量高而被降级的问题，亟待开发杂质元素去除技术、杂质元素无害化处理技术、固态再生铝电解技术等新技术，最大限度地发挥废铝的价值。

二、铝行业低碳关键技术研发进展

惰性阳极、提高回收率及废旧铝的循环利用是未来铝工业低碳发展、实现碳中和目标的关键技术，科研人员开展了相关研究并取得一定进展。

(1)开发耐腐蚀、耐热震、化学稳定性高、易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等金属合金上；陶瓷惰性阳极材料的研究主要集中在SnO2基和SnO2基陶瓷材料上；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或它们的二元/三元合金等)、Cu/Cu2O金属陶瓷等材料上。但上述惰性阳极还面临不同的问题，如金属惰性阳极耐腐蚀性能差；陶瓷电极导电性差、耐热震性差、力学性能和焊接性能差； 金属-陶瓷复合惰性阳极目前仍处于如何实现金属与陶瓷性能最佳平衡的状态，有时各组分材料可能存在弱点，加工性较差。因此，需要进一步优化上述惰性电极的性能，以解决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气等离子体作为铝电解惰性阳极。研究结果表明，采用氩气等离子体作为惰性阳极可以消除典型惰性阳极在铝电解中常见的缺点，如耐高温氧化、耐氟熔盐腐蚀、可加工性问题等，在化学稳定性、抗热震性、成本、操作等方面具有显著优势，为惰性阳极的发展提供了新思路。

（2）降低废铝中杂质含量，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，科研人员开展了杂质去除研究。2023年8月，美国节能减排研究所公布了一项新的铝工业技术许可，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应用，包括电动汽车制造。由于该技术正在申请专利，具体的技术细节保密。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，获得航空级超净熔体。

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废铝加工后性能，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首次出现下降。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至11.11亿吨二氧化碳当量，且原铝排放强度的下降幅度大于产量的增加。这是铝行业在新技术、创新技术和能源供应变化的研发和实施方面大量投入和不断进步的结果。

（1）清洁能源为铝行业电力脱碳提供解决方案

水电在铝工业中得到了成功的应用，根据2022年原铝冶炼厂使用的电力来源比例（表2），水电供应了欧洲、北美和南美铝工业80%以上的电力，北美水电占比高达近96%。

除了水力发电，铝业公司也在积极推进氢能、太阳能等清洁能源发电。巴林铝业公司（Alba）正在实施氢能发电自备发电站项目（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。它们是空冷式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年第四季度投入运营，第五座发电站的总装机容量将从1800兆瓦增至2481兆瓦废铝加工后性能，每生产一吨铝温室气体排放浓度将减少0.5吨。此外，太阳能也已应用于铝生产。

2024年3月，全球最大的氧化铝精炼厂海德鲁开始转向太阳能发电，电力由海德鲁和位于巴西北里奥格兰德州的一座太阳能发电厂提供，装机容量为531兆瓦。

表2 2022年原铝冶炼厂使用电力来源比例（%）

（2）惰性阳极技术生产铝逐渐被用铝企业认可，应用范围逐渐扩大。

目前，国际上已成功开发的惰性阳极铝电解技术主要有该公司的™技术、俄铝的惰性阳极工艺、海德鲁的工艺。2019年，美国铝业公司与力拓集团的合资企业首次利用惰性阳极成功生产出无碳铝，并将其应用于智能手机、汽车和饮料罐。近日，电缆制造商耐克森利用这一突破性技术生产出低碳铝杆。

2021年4月，俄铝利用惰性阳极（由陶瓷或合金制成）生产出每吨铝二氧化碳当量小于0.01吨的高纯铝（铝纯度大于99%）并投放市场。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，海德鲁宣布将建设由挪威政府支持的工艺试验设施，预计2025年建成投产，预计2030年实现工业规模中试。

（3）正在研究电力和氢燃料在氧化铝精炼工艺中的替代应用

巴西炼油厂于 2022 年安装了一台 60 兆瓦的电锅炉，以满足该工厂的部分蒸汽需求，这是首次使用电锅炉生产氧化铝，该炼油厂正在考虑再安装两台，爱尔兰也展示了类似的方案。

天元矿业正在澳大利亚试验用电煅烧法替代氧化铝精炼中的化石燃料，同时还在建设一座利用机械蒸汽再压缩（一种热泵）发电的设施，该设施将于2024年开始运营。力拓和澳大利亚可再生能源署（ARENA）于2021年开始合作，研究使用氢气代替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，力拓与住友开始建设一座氢气试验工厂，测试氢气在氧化铝精炼过程中的使用，预计每年可生产约6000吨氧化铝。

（4）多家企业投资建设废铝回收工厂，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，新回收工厂每年将生产12万吨低碳再生铝，预计2026年投产。

2024年2月，美、曼纳计划投资逾2亿美元兴建全新铝回收园区。此外，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的全废铝剪切辅助加工挤压工艺（ShAPE™）也即将投入商业应用。

2024年2月，PNNL宣布与该公司签署了独家协议，将专利的ShAPE™技术商业化。ShAPE技术可以将100%的消费后铝废料转化为高质量的挤压产品，产品碳含量减少90%。目前正与挤压行业一家领先的设备公司合作设计第一条商业生产线，并与对建筑材料可持续性和脱碳感兴趣的建筑商进行洽谈，计划在2025年初接受产品订单。