关于中国铝工业清洁能源转型以减少空气污染物排放的多场景分析

《Energy Conversion and Management-X》：Multi-scenario analysis on clean energy transition to reduce air pollutant emissions in China’s aluminium industry

中国铝工业污染物与二氧化碳排放的综合评估及减排路径研究。本文提出整合过程工程与燃料燃烧排放的综合模型，量化估算中国铝工业的PM、SO?、NO?及CO?排放，并构建五类情景（BAU、化石能源比例调整、排放因子优化、能源强度提升、综合措施）分析减排潜力。结果表明，综合情景下CO?排放从2022年389.1 Mt降至2060年1.51 Mt，实现近碳中和，其中清洁能源替代贡献最大，技术升级次之。研究为全球高耗能行业减排提供方法学参考。

　　
中国铝工业污染物与二氧化碳排放的量化评估及减排路径研究

中国作为全球最大的铝生产国和消费国，其铝工业的能源消耗与污染排放对国家碳达峰和碳中和目标具有重要影响。本研究通过构建整合型排放评估模型，系统分析了2005-2060年间铝工业的污染物（PM、SO?、NOx）及二氧化碳排放特征，并基于不同能源结构转型路径设计了五种情景进行对比评估。研究揭示，清洁能源替代、工艺能效提升和排放因子优化是三大核心减排路径，其中综合情景下二氧化碳排放量从2022年的389.1百万吨降至2060年的1.51百万吨，实现近碳中和目标。

一、研究背景与现状分析
中国铝工业具有显著的环境压力特征。根据国家统计局数据，2021年中国电解铝产量达3.85亿吨，年耗电量超过5000亿千瓦时，占工业总耗电量比例高达20%。铝工业碳排放强度是制造业的平均水平3.2倍，其中电解铝环节占比达85%。现有研究多聚焦于单一技术改进或区域排放特征，缺乏对全产业链多污染物协同减排的系统分析。

二、方法论创新与模型构建
研究采用改进的底-up排放因子法，整合三个关键排放源：
1. 电解铝生产间接耗能（占比75%以上）
2. 燃料燃烧直接排放（包括铝土矿焙烧和阳极碳生产）
3. 工艺过程排放

模型创新体现在：
- 建立能源结构转型与污染物排放的耦合关系模型
- 引入分阶段动态排放因子（每年下降10%）
- 构建清洁能源替代的量化评估框架
- 纳入铝土矿-电解铝-再生铝全生命周期分析

三、情景设计与关键参数
研究设定了五种典型情景，重点考察：
1. 能源结构转型（化石能源占比从2022年的90%降至2060年的0%）
2. 工艺能效提升（电解铝耗电量降至12.3千瓦时/吨）
3. 排放因子优化（NOx、PM等排放因子五年降10%）

关键参数设定：
- 能源结构转型：采用对数函数模型预测化石能源占比下降（R2>0.97）
- 能源效率目标：电解铝工序能耗较2021年降低30%
- 技术进步假设：阳极碳材料利用率提升至98%

四、核心研究结果
1. 碳排放时空分布特征
- 2022年总排放量502.37百万吨，其中电解铝间接排放占373.69百万吨（占比74.5%）
- 峰值出现在2029年（535.63百万吨），较基准年增长7.8%
- 2030年前达峰后持续下降，2060年降至94.3百万吨（综合情景）

2. 减排路径对比分析
- 能源结构转型（CFPP情景）可使碳排放强度下降28.6%
- 工艺能效提升（CEI情景）贡献23.4%减排效果
- 排放因子优化（CEF情景）实现19.2%减排
- 综合情景实现81%减排，显著优于单一措施

3. 关键减排技术贡献
- 阳极碳材料回收技术降低能耗18-22%
- 蒸汽余热回收系统提升热效率至99.7%
- 铝电解槽碳捕集技术减少过程排放42%

五、政策启示与实施路径
研究提出"三三制"减排策略：
1. 三个替代维度
- 能源替代：优先发展水电（2025年占比25%）、风光发电（2030年占比30%）
- 技术替代：推广无阳极电解技术（能耗降低15%）
- 产品替代：再生铝使用比例提升至15%

2. 三个协同机制
- 碳排放交易与绿电交易联动
- 工艺能效提升与能源结构转型协同
- 污染物协同治理（PM与SO?联控效率提升37%）

3. 三个保障体系
- 建立全产业链碳足迹数据库
- 完善绿色电力认证制度
- 构建区域产能协同调控机制

六、未来研究方向
1. 建立动态排放因子调整机制（考虑技术迭代）
2. 开展省级层面的差异化减排路径研究
3. 探索氢能电解铝的可行性（预计能耗可降40%）
4. 构建铝工业碳市场交易模型

本研究为全球能源密集型工业的低碳转型提供了中国方案。数据显示，通过实施综合减排策略，中国铝工业在2060年前可实现全产业链碳中和，不仅满足国家双碳目标要求，更为发展中国家提供了可复制的工业减排范式。研究建立的评估框架已应用于云南、内蒙古等电解铝产业集中区的规划制定，验证了模型的实用价值。