4.4. Производство первичного алюминия

4.4.1. Введение

В этом разделе рассматриваются выбросы от процессов производства первичного алюминия³⁰. Во всём мире первичный алюминий производится по электролитическому способу Холла-Херулта. В этом способе ванны электролитического восстановления различаются по форме и конфигурации углеродного анода и системе подачи глинозёма; различают четыре типа технологии: центральное предварительное спекание (CWPB)³¹, боковое предварительное спекание (SWPB), горизонтальный метод Стада Содерберга (HSS) и вертикальный метод Стада Содерберга(VSS).

Наиболее значительными выбросами являются:

(i) диоксид углерода (СО2) в результате реакции углерода углеродных анодов с оксидом алюминия с образованием металлического алюминия;

(ii) перфторуглероды (ПФУ) – выбросы CF₄ и C₂F₆ в результате анодных эффектов. В меньших количествах имеют место выбросы СО, SO₂ и ЛНОС от производственных процессов. SF₆ не выделяется в электролитическом процессе и вообще очень редко применяется в процессе производства алюминия – лишь небольшие количества SF6 выделяются при флюсовании алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния³².

Составители кадастра в регионах, где производится алюминий, должны быть в состоянии применить метод минимального уровня 1 и обеспечить тем самым полноту учёта. Хотя в этой главе представлены коэффициенты выбросов по умолчанию для СО2 и ПФУ, составители кадастра должны предпринять все усилия, чтобы использовать методы более высокого уровня, поскольку интенсивности выбросов могут меняться в значительной степени и неопределённость, связанная с коэффициентами уровня 1, очень высока. Производителя алюминия в плановом порядке (рутинно) собирают данные о процессе необходимые для расчёта коэффициентов выбросов уровня 2.

Вопросы методологии

4.4.1.1. Выбор метода для выбросов со2 от производства первичного алюминия

П ри обычном способе алюминий образуется у катода, а углерод расходуется у анода согласно реакции электролитического восстановления алюминия:

Большая часть диоксида углерода выделяется в результате реакции электролиза углерода анода с глинозёмом (Al2O3). Потребление предварительно обожжённых угольных анодов и массы Содерберга является основным источником выбросов диоксида углерода при производстве первичного алюминия. Другие источники промышленных выбросов диоксида углерода, связанные с предварительным обжигом анода, составляют менее 10% общих неэнергетических выбросов СО2.

Реакции, приводящие к выбросам СО₂, хорошо понятны, и эти выбросы напрямую связаны с объёмами производства алюминия через фундаментальные электрохимические уравнения восстановления алюминия на углеродном аноде и окисления в термических процессах. Оба этих фундаментальных процесса, дающих СО2, относятся к числу постоянно наблюдаемых параметров процесса на предприятиях; на предприятиях с предварительной термической обработкой измеряют нетто-потребление углерода в составе анода, а на предприятиях с процессом Содерберга – потребление анодной массы.

Для расчётов выбросов СО₂ требуются данные о производстве отдельно по технологии Содерберга и по технологии с предварительным обжигом. Дальнейшая дифференциация данных по подтипам технологии Содерберга или с предварительным обжигом не требуется.

Метод уровня 1 для выбросов СО₂

В методе уровня 1 для расчёта выбросов СО₂ необходимо знать только основной тип технологии (с предварительным обжигом или Содерберга), поскольку это самый низкий уровень оценки выбросов СО2 от производства алюминия. Т.к. метод уровня 1 связан с высокой неопределённостью, то эффективная практика предусматривает использование методов более высокого уровня в том случае, если выбросы СО₂ от производства первичного алюминия относятся к ключевой категории.

Общие выбросы СО₂ рассчитывают по уравнению 4.18.

Уравнение 4.18

Выбросы С0₂, связанные с потреблением анода и/или анодной массы – уровень 1

E_CO2 = EF_P • MP_P + EF_S • MP_S

Где

E_CO2 = выбросы CO₂ от потребления анода и/или анодной массы, тонны СО₂

EF_P = коэффициент выбросов для технологии с предварительным обжигом (тонны СО₂/тонну продукции алюминия)

MP_P = производство металла по технологии с предварительным обжигом (тонны Al)

EF_S = коэффициент выбросов для технологии Содерберга (тонны СО2/тонну продукции алюминия)

MP_S = производство металла по технологии Содерберга (тонны Al)

Методы уровня 2 или 3 для оценки выбросов СО₂

Для обеих технологий (с предварительным обжигом и Содерберга) выбросы СО2 рассчитывают по массово-балансовому методу, который предполагает, что углеродное содержание израсходованного количества анодов или анодной массы даёт исключительно выбросы СО₂. В методе уровня 2 для обоих этих процессов используются типичные промышленные концентрации примесей, тогда как в методах уровня 3 – фактические концентрации примесей. Выбор метода между уровнем 2 и 3 зависит от того, известны ли данные о составе анодов и анодной массы на уровне завода.

Выбросы CO₂ для электролизеров с предварительным обжигом (CWPB и SWPB):

Выбросы СО₂ по методам уровня 2 и 3 для электролизеров с предварительным обжигом рассчитывают по уравнению 4.19. Для уровня 3 требуются данные на уровне отдельных действующих электролизеров для всех компонентов уравнения 4.19, тогда как в уровне 2 для некоторых компонентов используются значения по умолчанию. В разделе 4.4.2.2 более детально рассмотрено использование этих параметров.

Уравнение 4.19

Выбросы С0₂, связанные с потреблением предварительно обожженного анода – уровень 2 и 3

E_CO2 =

Где

E_CO2 = выбросы CO2 от потребления предварительно обожжённых анодов, тонны СО2

MP = общее производство металла, тонны Al

NAC = нетто-потребление предварительно обожжённых анодов на тонну алюминия, тонны С/тонну Al

S_a = содержание серы в обожжённых анодах, вес.%

Зола_а = содержание золы в обожжённых анодах, вес.%

44/12 = отношение молекулярной массы СО2 к атомной массе углерода, относительные единицы

Уравнение 4.19 следует применять для каждого предприятия с предварительным обжигом и суммировать результаты для получения общих выбросов СО₂ в регионе. Можно использовать гибридный метод уровня 2/3, если данные о содержании золы или серы известны не для всех предприятий.

Выбросы от сжигания ископаемого топлива, используемого при производстве обожжённых анодов, рассмотрены в томе 2 (Энергетика). Однако два других источника выбросов СО2 связаны с печами обжига анодов – сжигание летучих веществ, выделившихся при обжиге, и сжигание материала загрузки печи (кокс). Для расчёта таких выбросов можно использовать уравнения 4.20 и 4.21.

Уравнение 4.20

Выбросы С0₂ от сжигания летучих веществ смолы – методы уровня 2 и 3

Где

E_CO2 = выбросы CO2 от сжигания летучих веществ смолы, тонны СО2

GA = начальный вес необожженных анодов, тонны

H_w = содержание водорода в необожжённых анодах, тонны

BA = вес обожжённых анодов, тонны

WT = собранные отходы дёгтя, тонны

Уравнение 4.21

Выбросы С0₂ от материала загрузки печи обжига – методы уровня 2 и 3

Где

E_CO2 = выбросы CO2 от материала загрузки печи обжига, тонны СО2

PCC = потребление кокса, тонны/тонну обожжённых анодов

BA = вес обожжённых анодов, тонны

S_pc = содержание серы в коксе загрузки, вес.%

Зола_рс = содержание золы в коксе загрузки, вес.%

Выбросы CO₂ от электролизеров Содерберга (VSS и HSS):

Выбросы СО2 по методам уровня 2 и 3 для электролизеров Содерберга рассчитывают по уравнению 4.22. Для уровня 3 требуются данные о конкретных электролизерах для всех компонентов уравнения 4.22, тогда как в уровне 2 для некоторых компонентов используются значения по умолчанию. В разделе 4.4.2.2 более детально рассмотрено использование этих параметров.

Уравнение 4.22

Выбросы С0₂ от потребления анодной массы – методы уровня 2 и 3

Где

E_CO2 = выбросы CO₂ от потребления анодной массы, тонны СО₂

MP = общее производство металла, тонны Al

PC = потребление анодной массы, тонны/тонну Al

CSM = выбросы веществ, растворимых в циклогексане, кг/тонну Al

BC = содержание связующего в анодной массе, вес.%

Sp = содержание серы в смоле, вес.%

Зола_р= содержание золы в смоле, вес.%

Hp = содержание водорода в смоле, вес.%

S_c = содержание серы в кальцинированном коксе, вес.%

Зола_с = содержание золы в кальцинированном коксе, вес.%

CD = углерод в пыли, отходящей от ванн Содерберга, тонны С/тонну Al

44/12 = отношение молекулярной массы СО₂ к атомной массе углерода, относительные единицы

Уравнение 4.22 следует применить к каждому предприятию в регионе, работающему по технологии Содерберга, и суммировать результаты для получения общих региональных выбросов. Можно использовать гибридный метод уровня 2/3, если данные о содержании золы или серы известны не для всех предприятий.