来源:欧宝体育网页版 发布日期:2023-07-22 17:30:50 | 浏览次数:108
原标题:加拿大Alouette铝锻炼厂碳脚印核算陈述——全球碳排放最低的原铝厂之一
Alouette原铝锻炼厂是美洲最大的铝锻炼厂,年产值为63万吨。在本项协作研讨中,Rain carbon运用很多的一次排放数据进行了具体的产品碳脚印剖析,以确认Alouette锻炼厂排放的完好剖析,触及从摇篮到大门的全进程。2019年,Alouette锻炼厂每吨铝的总碳脚印为3914千克CO2e/t铝(规划1、2和3排放),规划1和规划2的排放量为1835千克CO2e/t铝。运用世界铝协(IAI)和GaBi专业数据库开发的参阅数据集,将建模成果与全球均匀值和加拿大均匀值锻炼厂的建模成果进行比较。Alouette锻炼厂的碳脚印比世界均匀锻炼厂低76%,比加拿大均匀锻炼厂低25%。关于规划3排放量,下降碳脚印的首要要素,是供给的氧化铝和煅烧石油焦的排放量下降。现在,Alouette锻炼厂的碳排放量位居世界最低之列,跟着阳极焙烧炉从燃油转向天然气,以及氧化铝供给商精粹厂转向液化天然气,碳排放量将进一步削减。
原铝出产是一个动力密集型进程,当时锻炼厂的电耗在12-16 kWh/kg铝(直流电)规划内,这取决于电解槽的技能和功率。当这些锻炼厂的电力以煤炭为根底时,总温室气体排放量大大高于运用可再生动力发电(如水力发电)的锻炼厂。最近的一篇论文1强调了铝职业在削减全球温室气体排放方面面对的应战,因为现在超越60%的锻炼才能运用燃煤发电。在世界不同区域,吨铝二氧化碳排放当量在5–20t之间,具体取决于选用的首要动力。世界铝协(IAI)网站有很多关于这个主题的其它信息,包含最近一篇题为“2050年全球铝业温室气体减排途径”的陈述2。
跟着对可持续性的日益重视,“低碳铝”一词现在已被遍及运用,但该职业没有明晰认义其意义的规范。应留意,该术语适用于工艺流程,而不适用于产品。Carbon Trust碳信誉公司于2020年发布的一篇论文3评论了铝出产商用于符号低碳铝的不同办法,其间最常见的阈值,是规划1(锻炼厂的直接排放)和规划2(发电的直接排放)的排放不超越4t CO2(e)/t铝。其它直接排放(规划3),例如,因为上游出产原资料及其运送至铝锻炼厂,未一致包含在内。从长远来看,Carbon Trust碳信誉公司主张陈述锻炼厂铸造车间的规划1、2和3排放量,并完全量化从摇篮到铸造进程的碳脚印。本文支撑这一主张,以为这是铝职业的最佳的碳排查办法,能明晰地反映出铝职业的减排要点和低碳途径。
为了杰出标签中包含的不同规划,以下列出了一些用于可再生动力锻炼厂出产的原铝的品牌称号,触及的碳排放量小于4 tCO2e/t铝:
REDUXA®(海德鲁铝业,规划1、2和3);ECOLUM™ (美铝,规划1和2);RenewAl™ (力拓,规划1和2);ALLOW(俄铝,规划1与2);Natur Al™ (世纪铝业,规划1、2和3)和CelestiAl(阿联酋全球铝业,未界说规划)。伦敦金属交易所(LME)最近(2021 10月)推出了一个称为“LME护照”的体系4,该体系为进出LME库房的金属签发电子剖析证书。LME数字护照将答应在自愿的根底上存储与产品有关的额定信息,例如铝的碳脚印。
在以往的文献5-8和世界铝协的官网,能够看到对锻炼厂从摇篮到大门的排放量进行预算的事例。在这些从前的研讨和发布的碳脚印中,不同类别的温室气体排放(规划1-3)的处理办法不同,特别是关于低碳铝出产商而言。规划1和规划2的排放量,依据首要工艺数据或IAI发布的数据进行评价7-8。假如包含规划3排放,所用数据或许因研讨而异。关于铝土矿挖掘和氧化铝出产,也运用首要工艺数据或IAI数据。当触及到碳阳极时,大多数研讨都依赖于通用的、揭露可用的数据7、8,包含一切相关的上游事务。这或许导致在确认碳阳极对总碳脚印的奉献时呈现过错。就燃煤锻炼厂而言,阳极在总碳脚印方面的效果较小(5%),可是,关于水力发电锻炼厂而言,阳极的出产起着更重要的效果(10-14%)9。
本论文的意图,是依据ISO 14067,运用很多原始的实践的工艺数据,展现Aluminerie Alouette锻炼厂具体的从摇篮到大门的产品碳脚印研讨成果。坐落魁北克的Alouette铝锻炼厂,是美洲最大的铝锻炼厂,2021年产值为62.9万吨。该锻炼厂有一个阳极工厂,自产预焙阳极。该公司运用水电动力,现已运转了30年,并在职业绩效比对中处于领先水平。该研讨的建模作业,由RainCarbon公司(RC)可持续性和生命周期评价小组进行。
Alouette的氧化铝大部分来自巴西的Alunorte精粹厂,该精粹厂选用可再生动力发电和联合发电相结合的办法。RC是Alouette的首要碳质料供给商,具有很多出产煤焦油沥青(CTP)和煅烧石油焦(CPC)产品的首要工艺数据。Alouette是一家出产低碳铝的抱负事例。本文将评论Alouette进一步下降其碳脚印的时机。
评论温室气体排放时的一个常见做法,是不同规划的概念。依据《温室气体议定书》10,温室气体排放量按表1分类。但是,这一规划概念首要用于公司层面的碳脚印陈述。关于产品碳脚印,更常见的办法,包含生命周期阶段办法(从资料获取和预处理到产品作废)(图1),也是产品温室气体议定书的根本概念,以及“产品碳脚印”的ISO规范(ISO 14067)12。两种办法的联系如图1所示。
Alouette原铝锻炼厂(图2)坐落魁北克省Sept Iles。一期项目于1992年投产,装备单条出产线电解槽、一个阳极厂和一个焙烧炉。二期扩建工程于2005年竣工并投入运用,其间包含第二条AP30电解槽和第二座焙烧炉。该锻炼厂由股东组成的财团具有,包含奥地利金属公司(20%)、海德鲁铝业(20%),魁北克投资公司(6.67%)、丸红金属矿藏公司(13.33%)和力拓公司(40%)。该锻炼厂现在正在将其电解槽转化为AP40电解槽(到2021年末完结75%),并将于2023年头悉数转化。现在,两条电解出产线 kA,因为该锻炼厂自产预焙阳极,因而与阳极出产相关的排放包含在规划1中。
作为AP40电解槽设计变更的一部分,Alouette在2020/2021期间为电解槽外层安装了强制冷却体系18。这一施行对锻炼厂的运营安稳性产生了一些影响,因而2019年被选为碳脚印研讨的基准年。2019年,Alouette锻炼厂的运营功率为384.3 kA,均匀能耗为13.25 DC MWh/t,电流功率为91.6%,净碳耗费(NCC)为0.4215 t/t铝。阳极长1550 mm,电解槽没有装备磁补偿回路。该锻炼厂运用魁北克水力(Hydro Quebec)发电厂的水力发电,相应的碳脚印为0.0005 kgCO2e/kWh19。
除了基准能耗外,Alouette以低槽电压运转。CF4和C2F6是强效的温室气体,自20世纪90年代初投产以来,Alouette已将这些排放量削减了30%以上。该锻炼厂以大铝锭的方法出产原铝产品,铝锭均匀分量为750kg。铸造工序高度自动化,液态铝在经过台包运送车送到铸造车间。大铝锭铸造选用风冷,在冬天可为修建供暖,有助于节能,然后削减碳脚印。
制品被运送到库房,之后将铝转移到一个过渡区,然后用传统的叉车装载到船舶上。简略的金属铸造操作,有助于将熔炼厂的能耗降至最低,而不仅仅是限于铝电解槽、碳阳极出产和烟气处理体系。例如,与选用笔直直接冷却铝揉捏坯料的锻炼厂比较,终究用户随后从头熔化大铝锭以出产揉捏制品要排放更多的二氧化碳。
Alouette运用的氧化铝首要来自巴西的Alunorte氧化铝精粹厂。Alunote是我国以外世界上最大的氧化铝精粹厂,年产值为630万吨氧化铝(2021)。在Alunorte精粹厂,70%的铝土矿来自巴西帕拉州的Parogominas矿山。铝土矿以料浆方法管道运送244km,从温室气体和可持续性的视点来看,其功率很高。别的,剩下的30%的铝土矿,来自北里约州Mineraçáo Rio do Norte运营的Trombetas矿山,并经过散装船运至精粹厂。对铝土矿挖掘和氧化铝出产而言,Alunorte氧化铝精粹厂是世界上碳脚印最低的出产厂之一,2019年的碳脚印值为0.71吨CO2e/t氧化铝。
较低的二氧化碳排放量,来历于8.0 GJ/t氧化铝的低能耗20。导致能耗低的要素包含较好的铝土矿质量、高的氧化铝含量以及较低的有机物含量,这些要素导致氧化铝产值相对较高。铝土矿中的首要矿藏方法是三水铝石[Al(OH)3],它下降了苛性碱消化的强度和动力需求。Alunorte氧化厂电能的很大一部分(45%),来自精粹厂蒸汽分厂的热电联产。剩下的电能首要来自可再生动力。精粹作业的规划、功率和安稳性也有助于削减碳脚印。
Alouette运用的首要炭素质料是煅后石油焦CTP和煅烧石油焦CPC。CTP首要来自RC公司坐落比利时Zelzate的蒸馏厂。CTP蒸馏工艺的具体概述拜见其它文献21,但开始质料是煤焦油,是经过高炉工艺出产钢铁所用冶金焦炭的副产品。RC公司具有CTP出产的具体根本数据,并与其要害煤焦油供给商之一密切协作,搜集煤焦油出产数据。Zelzate的CTP用散装船运至Alouette,在碳脚印剖析中,包含了将CTP和一切其它原资料运送至Alouette锻炼厂相关的GHG排放量。
图3 Lake Charles煅烧厂(a)余热收回锅炉和SO2洗刷塔以及(b)汽轮机
Lake Charles煅烧厂产生的电力,代替了路易斯安那州电网其它当地产生的电力,出产的每吨CPC都能够抵消或削减二氧化碳。关于这种抵消机制的更多细节,请参阅RC在印度Visakhapatnam煅烧厂的前期文献9。终究成果是,Lake Charles查煅烧厂出产的CPC的碳脚印显着下降,与不收回余热能量的平等煅烧厂出产的CPC比较,碳排放量削减16%。
出产CPC所需的石油焦(GPC)是作为炼油副产品产生的。GPC和CPC出产进程的具体描述可在其它文献22,但RC与其GPC精粹厂供给商密切协作,以获取GPC出产的首要GHG排放数据。精粹厂的原油来历多种多样,因而很难预算与原油出产相关的温室气体排放量。因为这种复杂性,本研讨的原油和GPC出产数据选用GaBi数据。GPC出产的GaBi数据与精粹厂供给商数据穿插检查,以保证一致性。
炼油本质上是一个蒸馏进程,需求能量将原油中的不同烃类化合物别离,并在某些情况下将其转化为一系列气体、液体和固体产品。经过依据炼油产品的质量平衡和净热值分配总CO2排放量,能够合理核算与GPC出产相关的GHG排放量。这是用于GaBi数据的办法23。
除了耗费性氧化铝和炭素原资料外,Alouette锻炼厂还运用多种其它原辅资料。这些资料对Alouette锻炼厂碳脚印的奉献小于上述原资料,但需求在具体的从摇篮到大门的剖析中加以考虑。对一些首要的原辅资料的概述如下:
氟化铝:必须向电解槽中添加AlF3,以操控和保持电解槽的化学特性。AP30–AP40电解工艺的年度AlF3耗费量在正常规划内。
耐火资料:一般用于电解槽的槽衬以及替换阳极焙烧炉烟道壁。少数用于电解槽和铸造工序中运用的熔池和金属台包换衬。
阴极炭块:电解槽运用完全石墨化的阴极块做内衬。阴极之间和周围运用少数的捣固糊。
钢材:钢铁用于锻炼厂的各个领域,用于阳极组件和短棒,包含铸铁、电解槽外壳、整理阳极头的钢丸、日常保护中运用的钢制品以及特别项目等。一切运用过的钢材都出售用于收回。
该研讨根据2019年Alouette铝锻炼厂和RainCarbon的首要数据。关于铝土矿挖掘和氧化铝精粹,数据由Alouette的氧化铝精粹供给商供给。文献和GaBi Professional数据库(v.CUP 2021.1)的二次数据23,用于一切其它上游和下流工序24。废物收回工序选用文献和GaBi数据23,25-27,包含再生资料运用的碳信誉,如用于水泥职业的废槽衬27。此外,原资料运送、发电和阴极出产工序的数据,来历于GaBi专业数据库23。
需求对选定的上游工序流程做一些假定。运用氟化氢和氢氧化铝出产氟化铝28,选用了根据化学计量核算和能耗通用数据29。阴极的出产选用了与阳极出产相似的焙烧工艺30。因为数据缺失,未考虑经过石墨化进行进一步处理的工序,但估计对终究碳脚印的影响较小。
如图4所示,针对CPC、阳极和铝出产进程,不做量分配,而是包含一切输出,并在必要时拓宽体系规划。焦炉工艺、煤焦油蒸馏和GPC出产的炼油厂,工艺进程都存在多输出。因而,工艺输出在其预期用处上有所不同,为了处理这一问题,对焦炉工艺和煤焦油蒸馏进行了量分配。GPC出产根据GaBi精粹厂模型,原油耗费量按净热值分配,排放量按质量分配。
图5显现了Alouette锻炼厂铝出产和相关供给链(规划1、2和3)的碳脚印,总计3914 kg CO2e/t Al。仅考虑规划1和规划2的排放,碳脚印显着较低,为1835 kg CO2e/t Al。锻炼工艺的规划1排放量(包含阳极耗费、全氟化碳排放、阳极出产和阳极焙烧CO2排放以及与铸造相关CO2排放)占总排放量的47%。第二大排放源为氧化铝出产和铝土矿挖掘,占35%。
阳极出产及与CPC和CTP相关的上游出产,占总碳脚印的20%(阳极焙烧5%,CPC出产13%,CTP出产2%)。上游CPC出产的排放占最大份额。煅烧(50%)和炼油厂GPC出产(37%)产生的工艺排放是最大的影响要素(图6a)。数据标明,经过余热收回体系添加向当地电网的电力输出,能够显着削减CPC的碳脚印。LakeCharles 煅烧炉的余热收回体系,削减了总碳脚印16%,为516 kgCO2e/t Al。如前所述,假定2019年一切CPC均由LakeCharles厂煅烧工序供给,以简化建模作业。在曩昔的2年中,这一供给份额在80%和100%改变。由煅烧炉供给的任何CPC,假如没有余热收回,则会在必定程度上添加锻炼厂的碳脚印。与CPC比较,CTP对碳脚印的奉献较小。上游CTP出产(图6B)首要受煤焦油(68%)质料影响。
Alouette锻炼厂耗用的水电(0.2%)和原资料运送(3%)对碳脚印的影响很小,一切其它原资料输入及其相关上游排放也相同。因为Alouette的简略铸造运转,铸造相关排放也特别低。几年前,Alouette封闭保温炉后,从电解槽中取出的铝液直接浇铸到预热的大铝锭。现在仅有的排放物来自负铝锭的预热,如图5所示。
总归,规划1排放量(47%)和规划3排放量(53%)对Alouette的整体碳脚印影响最大,而规划2排放量(0.2%)的影响能够忽略不计。
本研讨的方针之一,是将运用很多原始数据的建模作业成果与运用IAI数据7进行的研讨成果进行比较,IAI数据来自相关的数据库,其间包含GaBi Professional数据库。这是本文引证的参阅文献中选用的办法。将Alouette锻炼厂的数据与在加拿大运营的IAI参阅锻炼厂的数据进行更具体的比较,发现Alouett锻炼厂阳极出产的碳脚印更高,为9%。考虑到Alouette有利的净碳排放量和总炭消费量(GCC)数据,这种成果出人意料。这促进咱们更细心地检查IAI/GaBi参阅数据集的模型输出。
此刻发现NCC和GCC存在严重过错,这对上游CPC和CTP耗费产生了严重影响。表2第2列显现了加拿大参阅锻炼厂NCC、GCC、CPC耗费量、CTP耗费量和残极耗费量的模型输出。NCC等于电解耗费的焙烧阳极(炭)吨数,包含过量耗费量(见下文)。NCC不包含送回阳极工厂的阳极再循环资料或残极。GCC等于输送到电解槽的焙烧阳极(炭)的总吨数。焙烧阳极包含一部分收回的残极。
假定电流功率为100%,Hall–Heroult电解工艺吨铝的理论炭耗费为334 kg/t铝。因为当时的功率损失和过量的炭耗费,实践耗费量总是大大高于此值。过量耗费是因为炭阳极与电解进程中产生的CO2和空气中的氧气产生反响,在电解以及残极被移除并冷却的进程中,氧气与热阳极顶部触摸31。今日,世界上最好的电解槽NCC可到达395 kg/t铝,但典型规划为400–450 kg。因而,表2所示的加拿大参阅锻炼厂341 kg/t Al的NCC是不或许的,且代表参阅数据会集存在过错。表2中加拿大参阅锻炼厂的GCC值为423 kg/t Al,与现代预焙锻炼厂估计的NCC值特别挨近,与Alouette的实践值421.5 kg极为挨近。因而,在数据集编译期间的某个时刻点,好像运用了NCC值而不是GCC值。
这类过错数据,传递到Sphera(GaBi Professional数据库的供给商)和IAI,并可在2017 IAI生命周期清单陈述的数据附录中找到7。当GaBi数据集更新时,估计将在2023年头纠正这类过错。该过错的影响是,它导致对锻炼厂出产所需阳极吨数的轻视,从而轻视了CPC和CTP的耗费吨数。本研讨对数据进行了批改,加拿大参阅锻炼厂的批改模型数据如表2第3列所示。
当运用NCC和GCC的批改值时,参阅锻炼厂的CPC和CTP耗费量添加到极为挨近2019年Alouette实践运用的CPC与CTP量的水平。GCC也在Alouette锻炼厂GCC的2%以内。图7显现了运用GaBi/IAI数据集与全球均匀参阅锻炼厂和加拿大均匀参阅锻炼商比较的Alouette锻炼厂总碳脚印。Aoouette碳脚印比全球均匀水平低76%,比加拿大均匀水平低25%。全球锻炼厂均匀碳脚印与加拿大和Alouette锻炼厂碳脚印之间的巨大差异,是由与发电相关的规划2排放差异形成的。加拿大一切锻炼厂都运用水力发电,而全球只要30%的铝锻炼厂运用水力发电或其它方法的无碳排放电力,如核能。Alouette锻炼厂与加拿大参阅锻炼厂之间的碳脚印差异,来历于技能、绩效和原资料供给链的差异。Alouette锻炼厂大部分的氧化铝,来历于Alunorte精粹厂。与职业均匀水平比较,Alunorte的温室气体强度低得多。
表3显现了与Alouette锻炼厂比较,加拿大参阅锻炼厂和全球参阅锻炼厂从头核算的阳极碳脚印。本表中与CPC和CTP有关的Alouette数据,包含图6所示的运送相关排放。Alouett锻炼厂的总阳极碳脚印,比加拿大参阅锻炼厂低13%,比全球均匀参阅锻炼厂低21%。这些低碳脚印的最大奉献来历,是CPC出产和阳极出产。下降CPC碳脚印的最重要驱动要素,是RC的Lake Charles煅烧厂的余热收回和生成的动力。废热发电是一种无碳排放的副产品,经过代替动力发电,能够防止碳排放。如参阅数据所述,没有余热收回的传统煅烧厂的碳脚印较高(表3)。
在Alouette锻炼厂,与阳极出产相关的排放量也显着低于加拿大和全球均匀参阅锻炼厂。这是因为Alouette焙烧炉在燃料耗费和较低CTP耗费方面的高效运转,也有助于下降排放值。Alouetee碳脚印和参阅锻炼厂脚印之间差异的另一个潜在要素,或许与本研讨中运用的文献数据有关,这些文献数据在某些方面或许不完好。例如,因为文献数据中未包含终究石墨化进程,因而与出产完全石墨化阴极相关的CO2排放或许被轻视。但是,鉴于运用水电的铝锻炼厂的整体排放首要由锻炼工艺排放、氧化铝供给和阳极出产(包含CPC和CTP)操控,这一影响将很小。
在未来几年,Alouette的产品碳脚印将进一步削减。第一次减排将呈现在2022年,到时Alouette将阳极焙烧炉燃料来历从重质燃料油转化为天然气。估计这一改变将削减焙烧炉CO2排放达30%,因为与重质燃油比较,CH4的氢含量更高,因而其热含量更高。Alouette计划在来年进行另一项改善,到时该锻炼厂将重建其最前史最长的(一期项目)阳极焙烧炉。现在,Alouette锻炼厂仍在运用一期项意图原始焙烧炉,虽然该焙烧炉保护杰出,但重建项目完工后,动力耗费将削减到1.8 GJ/t以下。正如Alouette在庆祝其运营30周年时许诺的那样,未来将采纳其它的减排行动,以在2050年前完成碳中和32。
RC现已进行了具体的可行性研讨,探究CCUS(碳捕获运用和存储)处理方案,以去除所属Lake Charles煅烧工艺的CO2。该研讨根据商用CO2去除技能,以水溶性烷醇胺溶液吸附为根底34。关于整个煅烧工序,相关于去除36万吨CO2/年。Lake Charles煅烧厂坐落穿过美国海湾沿岸区域和Lake Charles区的CO2管道邻近。现在,即便将CCUS技能添加到煅烧工序中的项目契合45Q税收抵免法案(45Q tax credit)的条件35,项意图资金和运营本钱也极为贵重(高于1.6亿美元的本钱本钱)。从长远来看,假如税收减免额度大幅添加,或许美国政府采纳急进的碳定价方针,项意图资金本钱或许会有所改变。开发更高效的CCUS技能也有助于此类项意图施行。
Alouette锻炼厂是世界上碳脚印最低的锻炼厂之一,从摇篮到大门,原铝出产的碳排放量为3.9吨CO2e/t,包含规划1、2和3的排放量,规划1和2的排放量为1.8t CO2e/t铝。这两项方针均低于整个职业广泛运用的低碳铝4.0t CO2e/t铝阈值。现在,一些锻炼厂在其低碳铝产品中仅包含规划1和规划2的排放,但铝职业正敏捷朝着包含规划1、规划2和规划3排放的规范跨进。
本研讨中运用的大部分数据,根据Alouette电解铝和阳极出产、Alunorte铝土矿挖掘和氧化铝精粹以及Rain Carbon公司的CPC和CTP出产的首要排放数据。从摇篮到大门产品的总碳脚印,比IAI全球均匀水平低76%,与加拿大锻炼厂IAI的参阅数据比较,低25%。这是因为Alouette特定原资料供给链的差异以及锻炼厂绩效的差异形成的。来历于参阅数据集和Ross阳极碳耗费的数据中,发现了严重过错,但已对其进行了纠正,以得出本研讨给出的比对成果。这些过错杰出地标明,对无法获取原始数据的数据库中的数据,需求对数据的有效性做出完全的检查,这一点极为重要。
在锻炼进程排放物(42%)和氧化铝出产(35%)之后,炭阳极的出产进程的碳排放量,占Alouette锻炼厂总碳脚印的20%。供给给Alouette的CPC,在一个Rain Carbon煅烧厂出产的,该煅烧厂具有余热能量收回和SO2洗刷体系。收回余热的办法削减了CPC的碳脚印,减幅达16%,这是收回余热的显着优势。CTP是在一家现代化、最先进的蒸馏厂出产的,该蒸馏厂从欧洲的焦炉中提取煤焦油,并以高效、严厉的环境和安全操控运转。
Alouette运用水力发电,期间几乎不排放二氧化碳。Alouetet的AP40预焙槽技能运营安稳,工艺碳排放量处于较低水平。Alouette还运用了世界上CO2含量最低的氧化铝。到2023年头,Alunorte精粹厂改用液化天然气后,CO2含量将进一步削减。
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