Engineering Reports:铝工业可持续发展的机遇

据报道,全球约21%的温室气体(GHG)排放量来自金属工业,而全球铝的年产量为41771.2万吨,因此铝工业的排放量接近1.0%。而在印度,铝工业的主要环境问题是在铝生产过程中由于阳极反应产生的温室气体排放,包括二氧化碳、氟化物、二氧化硫等,因此亟需对现有工艺进行改进以促进铝工业的可持续发展。

近日,尼赫鲁国家技术研究院Ravi Prakash课题组在Engineering Reports上发表了有关铝工业可持续发展机遇的论文,通过研究(a)NGCC联合过剩发电和(b)NGCC联合产能翻倍两种可持续性改进模式发现:与现有模型相比,通过上述模式,ISI值(工业可持续性指数)可以提高5~6倍。并且用于这种可持续性改进所需的投资预计将少于建立一个全新的工厂所需的投资。现有电厂的直接碳排放量约占总碳排放量的6.4%,而采用新熔炼技术则可以彻底消除,并可进一步完成可持续性的改进。

鉴于目前常用的SEC(单位能量消耗)和eco-efficiency(生态效益)两个指数不能完美地解决社会可持续性问题,作者提出了一种新的工业可持续性指数(ISI),旨在解决所有可持续发展目标(社会、经济和环境),还可以比较不同类型的行业,如小型、中型或大型,以及任何类型的产品。通过对现有系统的ISI评估,发现其直接CO2排放约占总排放的6.4%,因此ISI5.8而对现有技术改进之后,可提出两种更为有效的改进模式:(1)天然气轮机回收余热并运行底部汽轮机,两台联合循环机组则不仅满足900MW电力需求,并且可生产出剩余的300MW供电网销售。(2)通过安装另一个冶炼厂,利用三个现有的汽轮机机组产生的电力使现有工厂的铝生产能力增加一倍。通过对这两种模式进行ISI分析,发现第一种模式ISI提升至32,而第二种模式提升至36,分别是现有系统的56倍。而对两种模式的投资进行分析,现有汽轮机改造所需的投资都小于全新联合循环(NGCC)电厂的投资。

ISI计算图:

ISI = RVA × EMP CO2/ emissions

在这里,“RVA”表示资源增值(即物质和能源产出[产品]的年经济价值总和与投入的年经济价值之差);

“EMP”一词代表一年内受雇于该行业的总人数。

这指的是有全职工作的人力(FTE,即每天8小时),每天工作时间少于8小时的人力可按比例换算成当量总人力。这个行业还有其他的环境影响,例如,非二氧化碳的温室气体排放、水的使用、土地的使用、固体和液体的废物等,这些都可以纳入一个行业的综合环境影响评估。然而,本研究只考虑了CO2的直接排放和间接排放,因为它们在造成全球变暖方面起着主导作用,而全球变暖是目前最关键的全球环境问题。

ISI度量的进一步修改可能被纳入,例如,通过用(a) GHG排放(CO2e)或(b)生态足迹(EF in GHA)来替代CO2排放,以计入水的使用、土地的使用、排放和其他废物。ISI工具在本研究中被用于识别现有铝厂的可持续性改进潜力,该铝厂目前使用煤炭作为现场发电的燃料,碳排放巨大。该研究建议使用天然气为基础的联合循环(NGCC)发电,以提高环境效益,并为增加铝生产能力提供额外的发电,以提高经济效益。生产能力的增加也可能提供其他就业机会,从而提高社会福利。本研究提出并分析了这种整体方法,以显著提高该国铝行业的可持续性。

图1. 工业系统的可持续性分析
图2. 生产1kg铝的原料需求

图3. 氧化铝生产工艺流程图(拜耳法)

图4. 氧化铝还原工艺(Hall-Heroult法)

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论文信息:

Opportunities for sustainability improvement in aluminum industry

Ashok Kumar Pandey, Ravi Prakash*

Engineering Reports

DOI: 10.1002/eng2.12160

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eng2.12160