原鋁與再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放對(duì)比

丁 寧，高 峰，王志宏，龔先政

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

原鋁與再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放對(duì)比

丁 寧，高 峰，王志宏，龔先政

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

采用生命周期評(píng)價(jià)方法(Life cycle assessment, LCA)對(duì)2008年我國(guó)原鋁和再生鋁生產(chǎn)過程的能耗及溫室效應(yīng)進(jìn)行分析，并與國(guó)際水平進(jìn)行比較，找出存在差距的主要原因。結(jié)果表明：與2003年相比，2008年我國(guó)原鋁生產(chǎn)能耗下降約16%，溫室氣體排放下降21%，在節(jié)能減排方面取得了顯著成效。我國(guó)原鋁生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放仍高于歐洲及世界平均水平，主要原因是我國(guó)鋁生產(chǎn)過程的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)以煤為主，電力供應(yīng)以火電為主。我國(guó)再生鋁生產(chǎn)能耗僅為原鋁生產(chǎn)總能耗的4.86%，溫室效應(yīng)僅為原鋁生產(chǎn)的1/24；與國(guó)外水平相比，主要差距在于運(yùn)輸過程的能耗和燃料的碳排放較高。

生命周期評(píng)價(jià)；原鋁；再生鋁；能耗；溫室效應(yīng)

鋁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。2008年，世界原鋁產(chǎn)量3 988萬(wàn)t，我國(guó)原鋁產(chǎn)量1 317萬(wàn)t，占世界總產(chǎn)量的1/3，我國(guó)人均鋁消費(fèi)9.7 kg，超過世界平均6.1 kg的水平[1]。盡管我國(guó)鋁冶煉科技水平在鋁錠綜合交流電耗、大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的開發(fā)等方面已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平[2?3]，單位產(chǎn)品能耗和污染物排放呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，按照2008年綜合能耗指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，電解鋁用電量1 887.5億kW·h，占全國(guó)電力消耗的5.5%，占有色金屬工業(yè)電力消耗的83.6%，且我國(guó)鋁工業(yè)的溫室氣體排放量占世界總排放量的49.5%[1]，所以鋁工業(yè)是我國(guó)材料行業(yè)節(jié)能減排、走低碳之路的重要領(lǐng)域之一。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)達(dá)國(guó)家的跨國(guó)鋁業(yè)公司先后制定了“世界氧化鋁技術(shù)發(fā)展指南”和“鋁工業(yè)技術(shù)發(fā)展指南”，確定了產(chǎn)品與市場(chǎng)、能源與資源、可持續(xù)發(fā)展三大目標(biāo)，并支持采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境管理與評(píng)價(jià)工具——生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法評(píng)估鋁生產(chǎn)給氣候變化帶來(lái)的影響以及鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。作為定量化的分析工具，數(shù)據(jù)是鋁產(chǎn)品LCA研究工作的核心。早在1992年，歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)就開展了涉及主要?dú)W洲國(guó)家鋁生產(chǎn)和制造企業(yè)的生命周期指標(biāo)數(shù)據(jù)的收集工作，并于1996年出版了第一部生態(tài)概況報(bào)告[4]。此后，美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)、歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)和國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)基于北美、歐洲27國(guó)和其他經(jīng)濟(jì)合作組織成員國(guó)鋁工業(yè)數(shù)據(jù)的問卷調(diào)查，編制了原生鋁錠、鋁板帶、鋁箔、鋁擠壓材和再生鋁錠的生命周期清單[5?10]，并進(jìn)行了包括溫室效應(yīng)在內(nèi)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)。澳大利亞等國(guó)家也對(duì)本國(guó)的鋁行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行了詳盡的生命周期分析和鋁物質(zhì)流建模研究[11?12]。以上研究工作為下游產(chǎn)品特別是交通運(yùn)輸用鋁材的溫室氣體減排潛力分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13?14]。

我國(guó)在與鋁相關(guān)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)估方面也開展了許多工作。劉麗孺等[15]提出了氧化鋁生產(chǎn)流程基準(zhǔn)物流圖的概念，定量分析了我國(guó)氧化鋁廠生產(chǎn)流程的物流對(duì)能耗的影響，并對(duì)氧化鋁生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)體系進(jìn)行了研究。武娟妮等[16]借鑒國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)提出的鋁工業(yè)能耗及溫室氣體排放核算框架和方法，對(duì)2005年中國(guó)原鋁工業(yè)進(jìn)行了相應(yīng)的核算。還有一些研究者結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，提出了節(jié)能、降耗和溫室氣體減排的技術(shù)措施，例如，鋁電解槽余熱回收與利用技術(shù)、低溫型鋁電解工藝、電解槽壽命延長(zhǎng)技術(shù)和低電壓電解條件下的過程控制技術(shù)等。總體而言，目前中國(guó)鋁工業(yè)溫室氣體排放的統(tǒng)計(jì)核算和多目標(biāo)情景的減排分析與預(yù)測(cè)等方面的研究仍相當(dāng)有限，難以系統(tǒng)分析技術(shù)進(jìn)步的減排潛力。因此，本文作者采用生命周期評(píng)價(jià)方法分析我國(guó)原鋁與再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放情況，并與國(guó)際水平進(jìn)行對(duì)比，揭示我國(guó)原鋁生產(chǎn)在能耗和溫室氣體減排方面的進(jìn)展以及與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

1 目標(biāo)與范圍的確定

本研究基于生命周期評(píng)價(jià)的技術(shù)框架[17]，結(jié)合中國(guó)鋁工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，分析了2008年原鋁和再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放情況，并與2003年國(guó)內(nèi)的情況及歐洲、世界原鋁生產(chǎn)平均水平進(jìn)行對(duì)比。

原鋁生產(chǎn)研究的系統(tǒng)邊界包括鋁土礦開采、氧化鋁制備、炭陽(yáng)極生產(chǎn)、鋁電解、鋁錠鑄造5個(gè)階段。再生資源發(fā)展是我國(guó)鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，含鋁舊廢料經(jīng)過收集、預(yù)處理、熔煉和加工后成為再生鋁。廢鋁再生階段的評(píng)價(jià)范圍包括廢鋁收集(只考慮運(yùn)輸能耗)、預(yù)處理和熔鑄過程。由于可得數(shù)據(jù)的局限性，鋁企業(yè)廠房的建設(shè)、維護(hù)及熔煉爐等生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)和維護(hù)不包括在系統(tǒng)范圍之內(nèi)。原鋁及再生鋁的系統(tǒng)邊界確定如圖1和2所示。

圖1 原鋁生產(chǎn)的系統(tǒng)邊界Fig. 1 System boundary of primary aluminum production

圖2 再生鋁生產(chǎn)的系統(tǒng)邊界Fig. 2 System boundary of secondary aluminum production

2 數(shù)據(jù)收集及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

原鋁及再生鋁生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，均以有色金屬工業(yè)年鑒[1]中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為主要參考依據(jù)。對(duì)于一些非統(tǒng)計(jì)性工藝數(shù)據(jù)，則來(lái)源于公開發(fā)表的文獻(xiàn)及典型企業(yè)生產(chǎn)工藝和技術(shù)指標(biāo)的調(diào)研。由于我國(guó)與鋁生產(chǎn)相關(guān)的礦石開采和貨物運(yùn)輸方面的數(shù)據(jù)仍不完善，因此，鋁土礦開采的相關(guān)數(shù)據(jù)參考物質(zhì)流分析軟件Umberto 4.0中礦石開采數(shù)據(jù)庫(kù)的環(huán)境排放數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。運(yùn)輸過程的數(shù)據(jù)參考了軟件Simapro數(shù)據(jù)庫(kù)BUWAL250中的海運(yùn)能耗、中國(guó)化石能源生命周期清單[18]及材料生命周期評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之道路交通運(yùn)輸本地化研究[19]。

2.2 廢鋁運(yùn)輸模型

目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)鋁廢料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足再生鋁生產(chǎn)的需要，仍需大量進(jìn)口。2008年，我國(guó)進(jìn)口廢鋁215萬(wàn)t，可生產(chǎn)再生鋁129萬(wàn)t[20]，占2008年再生鋁產(chǎn)量的46.9%。因此，廢鋁運(yùn)輸階段可分為進(jìn)口廢鋁運(yùn)輸和國(guó)內(nèi)廢鋁運(yùn)輸兩部分，如圖3所示。海運(yùn)運(yùn)輸距離根據(jù)進(jìn)口國(guó)家的地理位置距離我國(guó)主要港口的平均運(yùn)輸距離，確定為15萬(wàn)km；考慮到再生鋁企業(yè)大多分布在沿海地區(qū)，因此港口到再生鋁廠的平均運(yùn)距確定為300 km。廢雜鋁主要集散地到再生鋁廠的距離在400～800公里之間，所以國(guó)內(nèi)廢鋁的平均運(yùn)距取600 km。

2.3 溫室氣體排放計(jì)算

原鋁及再生鋁生產(chǎn)排放的溫室氣體主要包括CO2、CH4、全氟化碳(CF4和C2F6)，溫室氣體的來(lái)源分為直接排放(生產(chǎn)工藝與燃料燃燒排放)和間接排放(電力生產(chǎn)過程排放)。再生鋁的溫室氣體排放包括運(yùn)輸過程燃油生產(chǎn)和使用的排放、熔煉時(shí)燃料排放以及電力生產(chǎn)過程的間接排放。

2.3.1 直接排放

燃料中所含的碳通過燃燒，絕大部分被氧化成CO2排放到空氣中，排放量與燃料消耗量、燃料本身的屬性和特征以及燃燒設(shè)備和技術(shù)有關(guān)，相關(guān)計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[21]。燃料燃燒過程中的CH4可以根據(jù)燃料的消耗量、發(fā)熱量及排放因子進(jìn)行估算。

產(chǎn)生溫室氣體排放的工藝過程主要包括石灰石煅燒、生焦煅燒、鋁電解及陽(yáng)極效應(yīng)等過程。石灰石和生焦煅燒產(chǎn)生的CO2可根據(jù)物料的投入量及物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行理論計(jì)算得到。

陽(yáng)極效應(yīng)產(chǎn)生的全氟化碳?xì)怏w(CF4和C2F6)是強(qiáng)效溫室氣體，其排放根據(jù)IPCC推薦的斜率法及其排放因子[22]進(jìn)行計(jì)算，公式如下。目前，我國(guó)平均電流效率已達(dá)到93.5%[23]，陽(yáng)極效應(yīng)的平均系數(shù)為每槽每天0.3次，陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)間為3 min[24]。

圖3 廢鋁回收運(yùn)輸模型Fig. 3 Transport model of scrap aluminum

式中：ECF4為CH4的排放量，kg/t；EC2F6為C2F6的排放量，kg/t；SCF4為每個(gè)槽子每天一分鐘每噸鋁CH4排放的斜率系數(shù)，kg，取0.143；A為每個(gè)槽?天的陽(yáng)極效應(yīng)分鐘數(shù)，min；M為鋁產(chǎn)量，t；FC2F6/CF4為m(C2F6)/m(CF4)，取0.121。

2.3.2 間接排放

電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)以我國(guó)電力結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)[25]，溫室氣體排放根據(jù)我國(guó)電力工業(yè)生命周期清單中發(fā)電過程的排放因子計(jì)算[26]，電力生產(chǎn)能耗和溫室效應(yīng)排放清單如表1所示。

表1 我國(guó)單位發(fā)電能耗和溫室氣體排放清單Table 1 Energy and greenhouse gas emission inventory of per unit electricity production

2.4 主要能源消耗及溫室氣體排放清單

通過數(shù)據(jù)收集和計(jì)算，得到2008年生產(chǎn)1 t原鋁及再生鋁的主要能源消耗和溫室氣體排放清單，見表2。

3 結(jié)果與分析

3.1 清單結(jié)果分析

根據(jù)以上的生命周期清單，原鋁生產(chǎn)過程的鋁土礦開采、氧化鋁生產(chǎn)、炭陽(yáng)極制備、電解鋁和鋁錠鑄造5個(gè)階段的能耗對(duì)原鋁生產(chǎn)總能耗的貢獻(xiàn)率分別為0.5%、20.85%、2.21%、74.56%和1.87%。從能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，除二次能源電力外，在原鋁生產(chǎn)階段，煤、焦炭和煤氣占直接燃料消耗的80%；從溫室氣體構(gòu)成比例來(lái)看，原鋁和再生鋁的溫室氣體主要由CO2構(gòu)成，所占比例為92%和93.6%；原鋁生產(chǎn)過程中全氟化碳?xì)怏w對(duì)溫室氣體總量的貢獻(xiàn)率為6%。由于我國(guó)電力需求量中火力發(fā)電的比例為81.7%，因此，原鋁生產(chǎn)過程因耗電產(chǎn)生的間接排放占溫室氣體排放總量的67%，而由燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體占總量的25%。以上分析可得耗電產(chǎn)生的間接排放是原鋁生產(chǎn)溫室效應(yīng)的主要責(zé)任者，電耗下降1%，能導(dǎo)致溫室氣體總排放量下降0.85%。

表2 2008年原鋁及再生鋁生產(chǎn)的主要能源和溫室氣體排放清單Table 2 Main energy and greenhouse gas emission inventory of per ton primary aluminum and recycled aluminum

在再生鋁評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界的3個(gè)階段中，再生鋁熔煉過程的能耗占總能耗的53.7%，預(yù)處理階段占總能耗的23.1%，運(yùn)輸階段能耗占再生鋁生產(chǎn)總能耗的23.2%，其中國(guó)外進(jìn)口廢鋁的運(yùn)輸占總能耗的19%，所以我國(guó)應(yīng)該進(jìn)一步完善國(guó)內(nèi)廢鋁回收體系，保障國(guó)內(nèi)廢鋁回收量的穩(wěn)定增長(zhǎng)，減少運(yùn)輸能耗。再生鋁生產(chǎn)階段煤炭消耗占總能耗的41.2%，相比原鋁生產(chǎn)，煤炭類能源比重有所下降，這與我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)起步較晚、新建再生鋁廠推行清潔能源有關(guān)。

3.2 原鋁生產(chǎn)的能耗及溫室效應(yīng)對(duì)比

3.2.1 國(guó)內(nèi)原鋁生產(chǎn)的年度比較

隨著中國(guó)鋁工業(yè)節(jié)能減排力度的加大以及新技術(shù)、新設(shè)備的推廣，與2003年相比，2008年原鋁生產(chǎn)總能耗下降16%，溫室效應(yīng)(GWP)下降21%，各個(gè)階段能耗及溫室氣體排放情況見圖4和5。

圖4 原鋁生產(chǎn)的能耗比較Fig. 4 Energy consumption comparison of primary aluminum production

圖5 原鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放比較Fig. 5 Greenhouse gas emission comparison of primary aluminum production

分析可見，氧化鋁冶煉過程能耗降低26%，溫室氣體排放量下降34.3%，其主要原因是：1) 鋁土礦資源的嚴(yán)重短缺已經(jīng)成為制約我國(guó)氧化鋁工業(yè)發(fā)展的瓶頸，我國(guó)一次鋁資源對(duì)外依存度高達(dá)55%[1]，導(dǎo)致低溫拜耳法處理國(guó)外進(jìn)口礦的比例急劇增多；2) 適合我國(guó)鋁土礦資源特點(diǎn)的管道化間接加熱溶出、降膜蒸發(fā)、閃速焙燒等新工藝的應(yīng)用，使燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的能耗與2003年相比降低了約20%。

鋁電解階段溫室氣體排放量下降15.4%，能耗下降8.0%。2003年，我國(guó)自焙槽鋁產(chǎn)量占總產(chǎn)量的12.5%，2005年以后，我國(guó)基本淘汰了能耗較高的自焙陽(yáng)極電解槽[27]，400 kA的大型預(yù)焙槽的產(chǎn)能比例占12.06%[28]。另外，我國(guó)積極研發(fā)并推廣應(yīng)用的“不停電停槽和啟槽技術(shù)”和“三度尋優(yōu)”等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)鋁電解節(jié)能也起到了極大的促進(jìn)作用。

炭素陽(yáng)極生產(chǎn)能耗降低了約16%。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外鋁用炭素通過對(duì)配方、成型和焙燒等技術(shù)的改進(jìn)，鋁用炭素中用量最大的炭陽(yáng)極生產(chǎn)技術(shù)水平已大大提高。大顆粒配方可減少瀝青用量和環(huán)境污染。通過采用高新材料，推動(dòng)鋁電解技術(shù)發(fā)生革命性的變化，這也是當(dāng)代電極技術(shù)的研發(fā)方向。

在鋁錠鑄造階段，蓄熱式燃燒等先進(jìn)技術(shù)在燃燒控制和余熱回收方面取得的突破性進(jìn)展，熔爐的熱效率從30%左右提高到55%以上[29]，同時(shí)我國(guó)逐步淘汰了生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、能耗高和環(huán)境污染較嚴(yán)重的傳統(tǒng)落后鋁熔爐，使得鋁錠鑄造階段能耗下降61.6%，溫室效應(yīng)下降70.6%。

3.2.2 與世界及歐洲原鋁生產(chǎn)能耗及溫室效應(yīng)對(duì)比

我國(guó)是原鋁生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量約為世界總產(chǎn)量的1/3。為了正確認(rèn)識(shí)和定位我國(guó)原鋁生產(chǎn)的環(huán)境行為，本研究將我國(guó)原鋁能耗及溫室效應(yīng)與國(guó)際鋁協(xié)及歐洲鋁協(xié)的研究結(jié)果[7,10]進(jìn)行對(duì)比。

研究結(jié)果表明，我國(guó)原鋁生產(chǎn)總能耗高出歐洲的23.4%，高出世界水平的14.5%。主要原因是：1) 從能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，除電能外，歐洲和世界原鋁生產(chǎn)的燃料以燃料油和天然氣為主，我國(guó)則以煤炭為主；2) 從生產(chǎn)過程來(lái)看，我國(guó)氧化鋁生產(chǎn)能耗約為歐洲和世界平均水平的1.88倍和1.93倍，這主要是由我國(guó)以一水硬鋁石為主的鋁土礦資源品質(zhì)決定了我國(guó)約有85%的氧化鋁采用能耗較高的燒結(jié)法和聯(lián)合法生產(chǎn)，而國(guó)外的氧化鋁基本都采用拜耳法生產(chǎn)；3) 對(duì)于鋁電解階段，我國(guó)電解鋁生產(chǎn)的整體能耗指標(biāo)已達(dá)到世界同行業(yè)的先進(jìn)水平。2008年我國(guó)電解鋁綜合交流電耗為14 283 kW·h/t，總體水平已經(jīng)超過了國(guó)際原鋁協(xié)會(huì)制定的2010年鋁電解電耗14 600 kW·h/t的節(jié)能目標(biāo)。

在溫室氣體排放方面，我國(guó)溫室氣體總排放量高于歐洲35.8%，高出世界平均水平69%。從耗電間接排放的角度分析，單位發(fā)電中的火電比例較高為81.7%，水電比例為16.6%，核電比例僅為1.6%，是導(dǎo)致溫室氣體排放量高的主要原因之一。歐洲的鋁工業(yè)發(fā)電結(jié)構(gòu)中核電比例達(dá)到32.1%，水電比例為10.3%，世界鋁工業(yè)發(fā)電結(jié)構(gòu)的水電比例則高達(dá)57.3%。綜合而言，歐洲每MW·h的電排放溫室氣體564 kg，世界水平約為479 kg，而我國(guó)則達(dá)到830 kg。

全氟化碳?xì)怏w的排放也是鋁工業(yè)溫室氣體排放重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。中國(guó)電解鋁企業(yè)高度重視PFC排放問題，先后開發(fā)并推廣應(yīng)用了以能量平衡和物料平衡為基礎(chǔ)的雙平衡等新技術(shù)。與2003年相比，2008年鋁工業(yè)PFC排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)下降了74.5%。但在2009年國(guó)際鋁協(xié)《全球鋁工業(yè)減少碳氟化合物氣體排放量項(xiàng)目》的調(diào)查中，全球的平均噸鋁PFCs排放量的CO2當(dāng)量(不包括中國(guó))是0.26 t，而中國(guó)參與調(diào)查的平均值是0.69 t[30]，與世界平均水平仍有較大差距。

3.3 再生鋁與原鋁能耗及溫室效應(yīng)對(duì)比

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，將原鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放設(shè)為1，再生鋁與原鋁生產(chǎn)的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6所示。與原鋁相比，再生鋁在能耗和環(huán)境保護(hù)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，再生鋁的總能耗僅為原鋁生產(chǎn)能耗的4.86%。再生鋁生產(chǎn)不產(chǎn)生氟污染，并且CO2排放量是原鋁生產(chǎn)排放量的4.6%，GWP只有原生鋁的1/24，所以大力發(fā)展再生鋁產(chǎn)業(yè)是鋁工業(yè)節(jié)能減排最直接有效的措施之一。

圖6 原鋁與再生鋁能耗及溫室效應(yīng)對(duì)比Fig. 6 Comparison of energy and GWP between primary aluminum and secondary aluminum

3.4 與歐洲再生鋁生產(chǎn)能耗及溫室效應(yīng)對(duì)比

由于我國(guó)鋁廢料的回收體系尚無(wú)法滿足再生鋁工業(yè)的原料需求，將近50%的廢鋁需要從國(guó)外進(jìn)口。考慮鋁廢料收集和運(yùn)輸過程，我國(guó)再生鋁的總能耗是歐洲的1.35倍，溫室氣體排放量是歐洲的1.41倍。運(yùn)輸能耗占再生鋁生產(chǎn)總能耗的23%，其中，從國(guó)外進(jìn)口鋁廢料的運(yùn)輸能耗占總能耗的19%，這也是導(dǎo)致中國(guó)再生鋁總能耗比歐洲高的重要原因之一；運(yùn)輸階段溫室氣體排放占總量的8.3%。

若僅考慮生產(chǎn)過程，我國(guó)再生鋁總能耗與歐洲的水平基本相當(dāng)，但溫室氣體排放量比歐洲高28%。其主要原因在于歐洲廢鋁熔煉的能源主要是天然氣，每噸再生鋁的溫室氣體排放當(dāng)量為506 kg，而我國(guó)天然氣僅為總能源的8.4%，大部分再生鋁企業(yè)尚未普及清潔燃料。因此，在能耗值基本相同的情況下，我國(guó)再生鋁生產(chǎn)所用燃料的碳排放量較高。將歐洲再生鋁能源及溫室效應(yīng)值設(shè)為1，我國(guó)再生鋁與之對(duì)比見圖7，其中圖7(a)為我國(guó)再生鋁能耗和溫室效應(yīng)包括運(yùn)輸過程，圖7(b)則不包括運(yùn)輸過程。

圖7 中國(guó)再生鋁與歐洲再生鋁能耗及溫室效應(yīng)對(duì)比Fig. 7 Comparison energy and GWP of secondary aluminum between China and European: (a) Including transportation; (b) Excluding transportation

4 結(jié)論

1) 與2003年相比，2008年我國(guó)原鋁生產(chǎn)總能耗下降16%，溫室氣體排放下降21%，這充分說明我國(guó)原鋁工業(yè)在節(jié)能減排方面取得了顯著成果。

2) 在能耗方面，我國(guó)與歐洲和世界平均水平仍存在較大差距，能耗分別高出歐洲及世界鋁工業(yè)平均水平的23.4%和14.5%；主要原因在于氧化鋁生產(chǎn)階段，我國(guó)以一水硬鋁石為主鋁土礦品質(zhì)及與之相適應(yīng)的氧化鋁生產(chǎn)工藝能耗是歐洲和世界平均水平的1.88倍和1.93倍。

3) 在溫室氣體排放方面，我國(guó)原鋁生產(chǎn)溫室氣體排放高于歐洲35.8%，高于世界平均水平69%。盡管我國(guó)電解鋁的電耗已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，但是鋁生產(chǎn)過程以煤為主的燃料結(jié)構(gòu)和以火電為主的電力結(jié)構(gòu)仍使得我國(guó)鋁工業(yè)的溫室氣體排放情況不容樂觀。

4) 我國(guó)再生鋁生產(chǎn)能耗占原鋁生產(chǎn)能耗的4.86%，再生鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放是原生鋁的1/24，節(jié)能減排效果顯著。與歐洲再生鋁生產(chǎn)相比，我國(guó)再生鋁生產(chǎn)的能耗與歐洲的基本相當(dāng)，但所用燃料的碳排放量較高；若考慮鋁廢料運(yùn)輸過程，我國(guó)再生鋁能耗則是歐洲的1.35倍，這是導(dǎo)致中國(guó)再生鋁總能耗高于歐洲的重要原因。

REFERENCES

[1]中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒編輯委員會(huì). 中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒[M]. 北京: 中國(guó)國(guó)家有色金屬工業(yè)局, 2009: 569?666. Editorial Board of the Yearbook of Nonferrous Metals Industry of China. The yearbook of nonferrous metals industry of China[M]. Beijing: China Nonferrous Metals Industry Association, 2009: 569?666.

[2]顧松青. 我國(guó)的鋁土礦資源和高效低耗的氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(1): 91?97. GU Song-qing. Alumina production technology with high efficiency and low consumption from Chinese bauxite resource[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(1): 91?97.

[3]邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁[M]. 第3版. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2005. QIU Zhu-xian. Prebaked aluminum[M]. 3rd edition. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2005.

[4]European Aluminum Association. Ecological profile report for the European Aluminum Industry[EB/OL]. http://www. alueurope.eu/.

[5]Aluminum Association. Life cycle inventory report for the north American aluminum industry[EB/OL]. http://www. aluminum.org/.

[6]International Aluminum Institute. Life cycle assessment of aluminum: Inventory data for the worldwide primary aluminum industry[EB/OL]. http://www. world-aluminum.org/cache/ fl0000108. pdf.

[7]International Aluminum Institute. Life cycle assessment of aluminum: Inventory data for the worldwide primary aluminum industry year 2005 update[EB/OL]. London, 2007. http://www. world-aluminum. org/ cache/ fl0000166. Pdf. 2008?05?05.

[8]European Aluminum Association. Environment profile report for the European Aluminum Industry[EB/OL]. http://www. alueurope.eu/.

[9]European Aluminum Association. Environment profile report for the European Aluminum Industry. Primary Aluminum update-year 2002[EB/OL]. http://www.alueurope.eu/.

[10]European Aluminum Association. Environment profile report for the European Aluminum Industry: Life cycle inventory data for aluminum production and transformation process in Europe[EB/OL]. http://www.alueurope.eu/wp-content/uploads/ 2011/08/EAA_Environmental_profile_report-May081.pdf.

[11]MARECHEK K J. Modelling more sustainable aluminum[J]. Int J of Life Cycle Assess, 2009, 14(S1): S62?S69.

[12]TAN R B H, KHOO H H. An LCA study of a primary aluminum supply chain[J]. J Cleaner Prod, 2005, 13: 607?618.

[13]Aluminum Association, European Aluminum Association and International Aluminum Institute. Improving sustainability in the transport sector through weight reduction and the application of aluminum[EB/OL]. http://www.world-aluminium. org/cache/ fl0000307.pdf.

[14]BERTRAM M, BUXMANN K, FURRER P. Analysis of greenhouse gas emissions related to aluminum transport applications[J]. Int J of LCA, 2009, 14(S1): S62?S69.

[15]劉麗孺, 陸鐘武, 于慶波, 閆書明, 姜玉敬, 呂子劍. 氧化鋁生產(chǎn)綜合能耗的e-p分析[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2002, 12(6): 1294?1298. LIU Li-ru, LU Zhong-wu, YU Qing-bo, YAN Shu-ming, JIANG Yu-jing, Lü Zi-jian. Analysis of comprehensive energy consumption for producing alumina[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2002, 12(6): 1294?1298.

[16]武娟妮, 萬(wàn)紅艷, 陳偉強(qiáng), 石 磊. 中國(guó)原生鋁工業(yè)的能耗與溫室氣體排放核算[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 50(3): 407?410. WU Juan-ni, WAN Hong-yan, CHEN Wei-qiang, SHI Lei. Quantifying energy consumption and greenhouse gas emissions of the primary aluminum industry in China[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2010, 50(3): 407?410.

[17]ISO International Standard 14040. Environmental management-Life cycle assessment-Principles and framework. International Organization for Standardization[S].

[18]袁寶榮. 化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的度量方法及其應(yīng)用研究[D].北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2006. YUAN Bao-rong. Measurement method for sustainable development of chemical industry and its application[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2006.

[19]馬麗萍. 材料生命周期評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之道路交通運(yùn)輸本地化研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2004. MA Li-ping. The localization research on road transportation China for material life cycle assessment[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2004.

[20]邵朱強(qiáng), 楊云博. 有色節(jié)能潛力大[J]. 中國(guó)有色金屬, 2010, 13(1): 25?28. SHAO Zhu-qiang, YANG Yun-bo. Energy saving livelihood—Colored energy-saving potential[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 13(1): 25?28.

[21]GAO Feng, NIE Zuo-ren, WANG Zhi-hong, et al. Greenhouse gas emissions and reduction potential of primary aluminum production in China[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2009, 52(8): 2161?2166.

[22]IPCC. 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories, prepared by the national greenhouse gas inventories [EB/OL]. http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/index. html.

[23]劉業(yè)翔, 李 劼. 現(xiàn)代鋁電解[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008. LIU Ye-xiang, LI Jie. Mordem aluminium[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2008.

[24]王克勤. 鋁冶煉工藝[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010. WANG Ke-qin. Aluminum smelting process[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010.

[25]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司. 中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2009[M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2010. Department of Energy Statistics, National Bureau of Statistics, People Republic of China. China energy statistical yearbook 2009[M]. Beijing: China Statistics Press, 2010.

[26]DI Xiang-hua, NIE Zuo-ren, YUAN Bao-rong, ZUO Tie-yong. Life cycle inventory for electricity generation in China[J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2007, 12(4): 217?224.

[27]宮 振, 李慶義, 賈魯寧. 中國(guó)鋁用炭陽(yáng)極行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r令人擔(dān)憂[J]. 中國(guó)有色金屬, 2009, 5: 25?29. GONG Zhen, LI Qing-yi, JIA Lu-ning. China’s carbon anode aluminum worrying development of the industry[J]. China Nonferrous Metals, 2009, 5: 25?29.

[28]郎大展. 中國(guó)鋁工業(yè)走出2009[J]. 中國(guó)金屬通報(bào), 2010, 7: 14?17. LANG Da-zhan. China’s aluminum industry out of 2009[J]. China Metal Bulletin, 2010, 7: 14?17.

[29]劉 蒙, 柴西林. 中國(guó)工業(yè)爐節(jié)能減排分析及展望[J]. 冶金設(shè)備, 2010, 3: 67?70. LIU Meng, CHAI Xi-lin. Analysis and prospect on energy saving and emission reduction of aluminium industry furnace in China[J]. Metallurgical Equipment, 2010, 3: 67?70.

[30]International Aluminum Institute. Results of the 2009 anode effect survey international aluminum institute[EB/OL]. http://www.world-aluminium.org/media/filer/2012/06/12/fl0000361. pdf.

(編輯 李艷紅)

Comparative analysis of primary aluminum and recycled aluminum on energy consumption and greenhouse gas emission

DING Ning, GAO Feng, WANG Zhi-hong, GONG Xian-zheng
(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Based on life cycle assessment (LCA), a quantitative analysis of energy consumption and greenhouse gas emission caused by primary aluminum and recycled aluminum in China in 2008 was carried out. The main reason for the gap between China and international average level was found out through the comparison. The results show that, compared to the status of 2003, the energy consumption of primary aluminum production has reduced by about 16%. The greenhouse gas emission has declined by 21% and a remarkable achievement in energy saving has been made. The global warming potential (GWP) also reduce sharply. The results show that the aluminum industry has made remarkable achievement in energy saving and emission reduction. The energy consumption and GWP of primary aluminum in China are still higher than that in European and the world average, mainly due to coal-based energy structure. The energy consumption of recycled aluminum production is only 4.86% of the primary aluminum, the GWP is only 1/24 of the primary aluminum. Compared with the foreign level, the main difference in recycled aluminum is that the energy consumption is higher in transportation and high carbon emission of fuel.

life cycle assessment (LCA); primary aluminum; recycled aluminum; energy consumption; greenhouse gas emission

TF821; X820.3; X38

A

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAJ04B06)；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201210005009)

2011-05-25；

2012-06-16

高 峰，副教授，博士；電話：010-67396207；E-mail: gaofeng@bjut.edu.cn

1004-0609(2012)10-2908-08