摘要：本文分析了实现电解铝工业碳达峰、碳中和面临的主要问题和实施路径，介绍了“双碳”目标下电解铝烟气净化技术新思考、电解铝烟气净化系统余热回收利用和电解铝烟气治理超低排放技术。

2020年全球有色金属年总产量在1.2亿吨左右，2020年我国有色金属年产量达到6168万吨，同比增长5.5%，产量已超过国外其他国家的产量总和，其中，原铝产量3708万吨，同比增长4.9%，占有色金属年总产量约60%。我国已经掌握了世界最先进铝冶炼技术，该技术助推了我国铝工业发展以及提高我国铝工业产量增长，为我国国民经济、国防军工提供了重要的保障和支撑。然而由于铝工业属于高耗能产业，因此，实现铝工业碳达峰、碳中和要求将面临严峻的挑战。

1、实现“双碳”目标，铝工业面临的主要问题

(1)电解铝是有色金属工业实现铝工业“双碳”目标的重点。2020年电解铝行业碳排放量约4.2亿吨，占有色行业碳排放的77%，占全国总量的5%，用电量5022亿吨，占全国总用电量6.7%

(2)铝工业不仅是高耗能行业，而且我国电解铝火电占比87%左右，因此能源结构性矛盾是实现铝工业“双碳”目标的最大挑战。全球平均吨铝电力消耗碳排放10.4吨，而我国为12.8吨，电解铝环节占整个铝冶炼碳排放的78%。

(3)铝工业能耗利用率低是实现铝工业“双碳”目标的关键瓶颈。我国吨氧化铝综合能耗为10.38GJ，而国外吨氧化铝最好水平为8GJ，电解铝企业(系列)单位产品铝锭综合交流单13100KWH/t，虽然较国外低700-900KWH，但能耗利用率仍为50%左右。

2、实现“双碳”目标，铝工业实施路径

(1)优化能源结构，完善铝产业布局是减少碳排放的关键。我国能源以煤为主，其中铝工业清洁能源比例仅为13%。优化改善电解铝用电结构，减少火电比例，增加水电、风电、太阳能等，降低碳排放强度;要严禁电解铝产能扩张，严控电解铝产能4500万吨“天花板”;优化铝产业布局，氧化铝产能向海外、沿海转移，电解铝向清洁能源而且能源富集地区转移，炭素产业向电解铝基地和石油焦富集地区转移。

(2)铝资源循环再利用是减少碳排放的重要举措。2020年我国原铝产量3708万吨，再生铝产量仅为436万吨，远低于发达国家水平，再生铝产品CO2排放仅为0.3吨，相比原铝可实现CO2减排45%—65%。提升再生铝占比是减少碳排放的重要举措。

(3)开发应用绿色低碳无废技术是减少碳排放的根本。加强技术创新，持续超低能耗电解槽、惰性阳极、连续阳极、电解槽余热回收、碳捕集利用及封存等技术。

3、实现“双碳”目标，电解铝减污降碳及超低排放

3.1“双碳”目标下铝电解烟气净化技术新思考

电解铝生产过程中粉尘、氟化物是主要污染物，面对碳达峰、碳中和要求，电解铝烟气净化技术需要创新思维。

一是从治理单个污染物向多个一体化净化发展。如电解烟气净化不仅有氧化铝粉尘，还有氟化物、SO2等。

二是功能从单一过滤向功能多样性发展。

三是从达标排放向超低排放、近零排放发展，如净化系统粉尘排放5mg/m3常态化，1mg/m3将成为可能。

四是从资源消耗向节约型、资源回用发展，除尘器尽可能低阻减少电能消耗、余热利用、过滤回收粉尘料、过滤材料尽可能资源化利用。

五是从适应范围受限到适应范围广发展，如除尘器工作温度从常温到100℃左右甚至到350℃—280℃，滤料的材质从针织向金属、陶瓷等多样性发展。

六是从传统的控制系统向自动化、数字化、网络化、智能化发展，无人值守、专家系统、云传输成为常态。

3.2铝电解烟气治理超低排放

3.2.1生产工艺及污染源

在电解铝生产过程中，将生产原料氧化铝等在940℃—960℃熔融的电解质(冰晶石)环境下进行电解作业，生产出金属铝，如下图。电解槽因为电化学反应会散发气态、固态的氟化物和SO2等有害气体和粉尘。国内外电解铝生产均采用“氧化铝干法吸附工艺”净化烟气中的氟化物和粉尘。根据电解铝企业采用原材料含硫量和所在地不同的排放标准要求，决定是否设置烟气脱硫装置。

3.2.2 铝电解烟气干法吸附净化

铝电解槽的烟气经槽盖板密闭集气，由排烟管网汇集至电解烟气净化系统中。氧化铝干法吸附净化技术是用生产原料氧化铝吸附烟气中的氟化物等污染物，在袋式除尘器前的反应器投人氧化铝与烟气进行混合并完成吸附反应过程，反应后的载氟氧化铝和烟气一同进人袋式除尘器，在袋式除尘器中载氟氧化铝被分离、收集下来。为了增加吸附反应效果，一部分载氟氧化铝被重新投人反应器进行反应，其余的载氟氧化铝返回工艺流程供电解生产使用。电解烟气干法净化工艺流程如下图所示。

(1)烟尘特性。

①烟气温度(袋式除尘器人口):140℃；②氟化物浓度:500—600mg/Nm3，其中尘氟与气氟(HF)各占50%；③二氧化硫浓度:200—350mg/Nm3；④电解烟气氧化铝粉尘浓度:15—50g/Nm3(含氧化铝吸附颗粒物)。

(2)烟气净化系统技术特点。

气流分布和烟气负荷均匀分配:

要提高净化效率，通过袋式除尘器良好的气流分布保证各除尘器滤袋间粉尘分布的均匀一致，来保证烟气和粉尘的充分接触。气流分布通过优化除尘器结构形式并在进风口、灰斗等位置合理设置导流板等措施实现。

双通道技术和“无动力引射加料反应器”：

由于氧化铝粉尘的强磨损性，氧化铝干法净化系统袋式除尘器都设置有“于氧形通道，在增加吸附反应时间的同时利用惯性作用分离烟气中大部分氧化铝粉尘，避免粉尘冲刷滤袋。“双通道除尘器”单元有主、副进口烟道，载氟氧化铝通过主烟道投入烟气中对烟气进行预吸附后，被上部的惯性分离装置分离出烟气落入灰斗；粒径较大、活性强的新鲜氧化铝从滤袋下部的副烟道投人烟气，实现对烟气的二次净化。使用双通道除尘器结构，滤袋表面容易附着、形成活性较高的新鲜氧化铝粉饼层。使用新型结构的除尘器，能实现更高的净化效率。

除尘器阻力控制:

电解烟气净化袋式除尘器采用脉冲清灰方式。滤袋表面上的氧化铝粉尘层是吸附氟化氢的最后一道屏障。袋式除尘器清灰采用定时+差压控制方式以保证合理的除尘器阻力，由于电解烟气氧化铝干法净化的特殊要求，应保证在烟气负荷均匀分配、氧化铝加料情况一致的前提下各单元压差的平衡，才实现了真正的“平衡”，从而保证系统净化效率。

滤料和滤袋形式：

铝电解烟气净化滤料多采用550g/m2聚酯针刺毡。随着国家对PM2.5微细粉尘排放控制提出了要求，国内研发出适用耐温、耐腐蚀、耐磨损的纤维材料制造的信息织物构造的滤料，滤料表层结构具有贴附粉尘初层的功能，实现“以尘滤尘”，具有高效低阻的技术特性，同时适用于过滤捕集微细粉尘。

随着单个电解系列产能的提高，单套电解烟气净化系统烟气量提高到200万m3/h以上，为减少净化系统除尘器占地面积，许多工程上采用了褶皱滤袋。采用褶皱滤袋，相比传统除尘器过滤面积可增加150%—200%。褶皱滤袋采用较低过滤风速，除尘器阻力有明显降低，可降低净化系统引风机能耗

漏袋检测和定位：

采用成熟的漏袋检测和定位系统能够在某条漏袋检测和定位系统开始发生轻微泄漏时就能侦测并定位，及时处理漏袋问题;结合除尘器喷吹控制信息，漏袋检测和定位系统能够通过监测颗粒物峰值浓度，监测滤袋工作状态、预测滤袋寿命;通过精确定位破损袋位置，及时处置，避免整个箱体污染后大批量更换造成的浪费。

3.2.3工程实例

某电解铝厂1个电解铝系列，年产50万电解铝，在两栋长1350m、宽35m的厂房中设置有500kA电解槽368台，设置有四套电解烟气氧化铝干法净化系统，单套系统处理烟气量98000Nm3/h。

3.2.4电解铝烟气脱硫

随着我国环保政策要求越来越严格，电解铝厂环境污染因子SO2近年来备受关注，电解铝烟气中的SO2主要来自电解槽生产原料预焙阳极，在电解槽内的高温环境下，阳极炭块中的硫分氧化成SO2进入电解烟气。从国内情况看，硫含量低于2%的石油焦用于预焙阳极生产，其电解烟气中的SO2浓度符合排放标准。但硫含量2%—3%甚至5%的石油焦用于预焙阳极生产，其电解烟气中的SO2浓度在200—350mg/Nm3之间，不能满足现行国家标准的污染物排放限值要求。

从烟气参数来说，电解槽烟气不同于电力、钢铁行业，烟气量大、烟气SO2浓度低、烟气含湿量低、烟气温度较低等。根据这些特点和工程实际，选择满足技术要求，性价比高的技术方案。在电解铝烟气脱硫方案选择上，初期选择相对成熟的“石灰石——石膏湿法脱硫”技术为主。随着行业内低阻力“氢氧化钙半干法脱硫”技术研发、推广，2017—2019年间“氢氧化钙半干法脱硫”技术在电解铝行业应用逐步增多。根据已投产的脱硫系统运行情况，两种技术方案SO2排放指标均能满足＜35mg/Nm3，优于《铝工业污染物排放标准》GB25465-2010及其修改单的要求。在方案选择上，各企业应根据企业所在地环保要求及自身实际情况重点考虑以下几个问题:脱硫剂供应和脱硫副产品的处理、总体布局方案的优劣、初投资及运行成本。

3.3铝电解烟气净化系统余热回收利用

铝冶炼过程吨铝耗电量约13000kW约化，其中约50%的能量以废热形式散发掉。电解烟气净化系统低温烟气带走的热量占废热的20—35电，其余热回收价值可观。近年来电解铝采用500KA大型预焙电解槽为主要槽型，对项目的投资、运维、节能等方面提高了竞争力，而对电解铝烟气净化系统来说，吨铝排烟量减少，烟气温度从以往120℃提高到140℃—150℃，温度提高对滤料耐温提高了要求，增加运行成本，烟气带走的热量不符合降碳要求。面对“双碳”目标下，回收利用铝电解槽排放的低温烟气余热，对电解铝行业节能减碳具有重大的意义。适应不同工况的两种电解烟气余热回收利用技术是:支烟管烟气余热回收利用技术及总烟管烟气余热回收利用技术。

3.3.1支烟管烟气余热回收利用技术特点

换热模块安装在支烟管上，利用了铝电解槽排烟管道的富裕压力，一般不增加新能耗。不影响电解工艺和烟气净化工艺，不对电解槽运行带来隐患。换热模块布置合理、安装、检修方便，单个模块检修，不影响整体用热，可实现长期稳定余热回收利用的目标。余热回收效率高，设置在电解槽排烟支管处，烟气温度高，余热回效果好。换热模块相对较多，初投资较高。

3.3.2总烟管烟气余热回收利用技术特点

换热模块安装在总烟管，系统阻力增加约300Pa。不影响电解工艺，不对电解槽运行带来隐患，换热模块检修时有可能暂停烟气净化系统。安全环保，换热模块布置简单、紧凑，安装、检修方便，实现长期稳定余热回收利用的目标。换热模块相对少，投资较低。

3.3.3工程实例

青海某电解铝企业共有两个240kA电解系列，产能300kt/a，电解烟气余热利用实施情况。

公司采暖热水、生活热水参数及负荷见下表3。

根据采暖热水及生活热水实际运行情况，与各系列电解槽实际运行情况，余热回收装置设计参数分别见表4。

公司采暖季供暖热负荷与生活热水热负荷总计9000kW。本项目整个厂区采暖季按5个月算(每天24小时不间断运行)，生活热水按全年12个月算，整个厂区采暖热水及生活热水天然气耗量为2246018Nm3。电解烟气余热回收利用系统建成后，给全厂供暖及供生活热水，每年可节约天然气2246018Nm3，减少碳排放4855t/a。

4、结语

高耗能、高污染排放的电解铝行业实现“碳达峰”、“碳中和”双碳目标面临严峻挑战，需要采取多个有效途径。

(1)完善铝产业布局，优化能源结构，扩大清洁能源使用比例，是电解铝行业实现“双碳”目标的有效途径。

(2)开发利用绿色、节能超低排放净化技术，回收利用电解烟气余热是电解铝行业实现双碳目标的有效途径。

(3)加大碳捕集技术研发与应用是电解铝行业实现双碳目标的有效途径。