铝冶炼低碳清洁智能化创新发展研究

李劼 ,  黄小卫 ,  刘桂华 ,  刘风琴 ,  李家琦 ,  赵洪亮 ,  张红亮

中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (5) : 223 -233.

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中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (5) : 223 -233. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.05.022
工程前沿

铝冶炼低碳清洁智能化创新发展研究

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Innovative Development of Low-Carbon, Clean, and Intelligent Aluminum Metallurgy

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摘要

铝是第一大有色金属，开展铝冶炼低碳清洁智能化创新发展研究是落实新发展理念、培育新质生产力的关键举措。本文基于我国铝冶炼产业的时代背景与发展态势，全面阐述了铝冶炼流程工业的生态链接与关键症结点，深入剖析了节能低碳智能化铝电解、含铝资源低碳清洁生产氧化铝、铝工业固危废安全处置及资源化利用3个方面的技术发展现状与挑战。在审视资源、能源、环境等维度的基础上，提出了铝冶炼低碳清洁智能化创新发展的基本构思，凝练了各个重点方面的创新发展方向、关键技术以及面向2035年的发展目标。研究建议，完善国家政策体系、制定高质量标准体系、健全保障制度体系、推动绿色低碳技术变革、实施人才强国战略，谋划具有低碳、清洁、智能化等特征的高质量发展组合策略，促进铝工业新质生产力发展。

Abstract

Aluminum is the most widely used non-ferrous metal. Promoting the low-carbon, clean, and intelligent development of the aluminum metallurgy is crucial for implementing the new development philosophy and cultivating new quality productive forces. This study delves into the historical background and projected trajectory of China's aluminum industry, shedding light on the ecological links and pivotal intricacies of aluminum smelting processes. Subsequently, the study conducts a thorough analysis of the technical status and prevailing challenges across three crucial domains: the energy-saving, low-carbon, and intelligent aluminum electrolysis; the low-carbon and clean production of alumina using aluminum-containing resources; and the safe disposal and recycling of hazardous solid wastes in aluminum industry. Based on a thorough assessment of resources, energy, and environmental factors, we establish fundamental principles for fostering the innovative development of a low-carbon, clean, and intelligent aluminum metallurgy. For each critical process, we outline an innovative development roadmap, highlight key technologies, and set ambitious development goals for 2035. To achieve these goals, the following measures are proposed: improving the national policy system, formulating a high-quality standards system, enhancing the industrial security system, accelerating the green and low-carbon technology transformation, and strengthening the nation through human resources.

Graphical abstract

关键词

铝冶炼 / 铝电解生产 / 氧化铝生产 / 低碳冶金 / 绿色冶金

Key words

aluminum metallurgy / aluminum electrolysis / alumina refining / low-carbon metallurgy / green metallurgy

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李劼,黄小卫,刘桂华,刘风琴,李家琦,赵洪亮,张红亮. 铝冶炼低碳清洁智能化创新发展研究[J]. 中国工程科学, 2024, 26(5): 223-233 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.05.022

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一、 前言

铝是第一大有色金属，与国民经济产业关联度高达91%[1]。铝冶炼是支撑我国实体经济高质量发展和制造强国建设的重要基础原材料产业，在经济建设、国防军工及新兴产业发展中发挥着不可替代的战略作用。经过70多年的发展，我国已建立了完整的铝工业体系，原铝产量连续23年位居世界第一，全球占比高达60%[2]，成为了引领全球铝工业发展的“强引擎”。工艺与装备处于国际先进（部分国际领先）行列，数智化水平快速提升，绿色节能技术持续创新，吨铝综合电耗等指标连续20年全球领先，成为了现代铝冶炼技术“策源地”。最新数据表明[3]，2023年，我国电解铝产量达4.159×107 t，同比增长3.7%；氧化铝产量为8.244×107 t，同比增长1.4%；铝土矿进口量显著提升至1.414×108 t，同比增长12.9%。全国赤泥（氧化铝生产的主要固废）消纳量超过1×107 t，同比增长25%，利用率达9.8%，实现了赤泥绿色利用的重大突破[4]。此外，铝冶炼产业进一步支撑塑造了我国战略新兴领域的比较优势，2023年光伏、新能源汽车等新兴领域用铝量同比增长50%，占全国铝消费量的近20%。

当前，我国铝工业宏观产业研究多聚焦于经济管理学的视角[5,6]，通过数学模型和统计分析来预测生产、消费和矿产资源等发展潜力[7,8]，并据此构建一系列指标体系和评价方法[9]，旨在为政策制定提供科学依据。同时，铝的物质流分析与生态环境影响也受到广泛关注[10]，这些研究主要揭示了铝生命周期内能耗、碳排放等关键特征[11,12]，并运用情景分析等方法来提出若干节能减排对策[13,14]。特别地，部分研究者[15]还深入量化了我国铝冶炼工业的生产成本，并分析了其在全球范围内的竞争力及发展趋势。这些研究成果对推动我国铝工业实现循环、低碳和可持续发展提供了有力的理论支撑。然而，随着产业规模持续扩大，铝冶炼生产运行环境与条件已发生了显著变化。特别是在碳达峰、碳中和等一系列国家政策的推动下，我国铝工业已进入动能转换的战略机遇期和关键窗口期，现有研究缺乏对工业技术现状的深入分析，难以契合行业发展的新任务与新要求。此外，铝冶炼产业面临着运行条件极端化、炼铝资源劣质化、环境污染尖锐化、生产管控复杂化、劳动力资源短缺化等一系列新挑战[16,17]，迫切需要把握研判低碳工艺革新和数字化转型的技术突破方向，以科技创新引领产业创新，支撑传统铝冶炼产业高质量发展。

为此，本文首先分析与我国铝工业紧密关联的时代背景及其对产业发展的影响；进一步地，结合铝冶炼流程工业的生态链接与关键症结点，深入剖析节能低碳数智化铝电解、含铝资源低碳清洁生产氧化铝、铝工业固／危废安全处置及资源化利用3个方面的技术发展现状和面临的主要挑战；最后，提出低碳、清洁、智能铝冶炼的基本内涵及其相互关系，研判铝冶炼低碳清洁智能化创新发展的重大技术突破方向，并展望未来铝冶炼产业的转型发展远景与关键提升举措，旨在为冶金强国战略研究提供参考。

二、 我国铝冶炼产业的时代背景与发展态势

（一） 高质量发展新要求下的铝工业发展

党的二十大把高质量发展作为全面建设社会主义现代化国家的首要任务[18]。我国是全球最具发展活力且规模最大的铝产业聚集地，氧化铝、电解铝等产量连续多年位居世界第一。然而受到行业政策的影响，我国原铝产能正临近“天花板”（见图1），产业横向发展的空间基本饱和，正由持续增长期转入微增长的平台期，开始步入新型工业化发展阶段，并具有以下鲜明特点。

一是由“规模扩张”型向“质量效益”型转变[19]。产能盲目扩张得到遏制，整体持续平稳增长。在“十三五”时期，我国电解铝产量年均增幅为2.7%，同比回落1.5%；氧化铝产能年均增幅为4.9%，同比回落19.5%，回归合理增长空间[20]。同时，产业布局发生明显改变，电解铝生产向水电等清洁能源丰富的云南、四川等地区大量转移。二是由“冶金大国”型向“冶金强国”型转变。在铝冶炼装备规模方面，新建单条氧化铝生产线产能规模达到1.2×106 t，500 kA级铝电解槽成为主流装备，600 kA级铝电解槽在全球率先开发成功并实现产业化运行。在铝冶炼技术方面，我国经历了引进吸收的“起步”阶段、工艺与控制技术深度融合的“追赶”阶段、高效节能技术自主创新的“领跑”阶段[21]，目前实现了新一代节能低碳数智化技术的“全面引领”。

（二） 碳达峰、碳中和目标下的铝工业发展

碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革[22]。铝冶炼产业是我国实现“双碳”目标的主战场，碳排放基数大，以化石能源为主的能源消费结构尚未得到根本改变，产业发展和碳排放高度重合。据最新数据统计[23]，全球原铝平均碳足迹约为15.1 t，如图2所示。其中，按工序核算，铝电解生产碳排放强度占比70.95%；按排放源核算，电力供应碳排放强度占比61.6%。相比之下，我国铝工业碳排放问题更为严峻；一方面，生产规模庞大，铝产业链约占国内二氧化碳排放量的6%，其中，电解铝环节碳排放量为4.2×108 t，占铝行业碳排放量的75%，占有色金属工业碳排放量的65%；另一方面，我国铝行业的能源结构仍以火电为主，占比近80%，这与国外约65%的火电占比相比，存在显著的差距。

碳达峰、碳中和更是一场速度与质量的博弈。美国、日本等发达国家从碳达峰到碳中和的过渡期长达50至70年，而我国对世界承诺仅在30年内完成。《有色金属行业碳达峰实施方案》《中国铝业集团有限公司碳达峰碳中和行动方案》等进一步要求，力争碳达峰比全国提前5年，并于2035年减碳40%，率先在有色金属行业实现碳中和。全行业应提速、提质推进节能降碳，坚持产能总量约束；通过与新能源产业协同发展，着力优化铝电解用能结构，提高清洁能源使用比例达到30%以上；加大绿色低碳乃至无碳铝电解技术的基础研究与转化应用，鼓励企业开展节能降碳技术改造，全面提升循环利用水平。

（三） 国内国际双循环格局下的铝工业发展

构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，是我国经济发展的路径选择。2023年，我国全口径铝消费量超过5.351×107 t，增长4.8%，人均铝消费达到34 kg[2]；再生铝产量约为9.5×106 t，同比增长9.83%[3]。随着制造业对金属铝原料和制品的需求持续增长，产业发展将保持稳定向好的态势。然而，我国氧化铝产量占据全球总产量的55%以上，但铝土矿的进口量节节攀升，对外依存度已高达60%（见图3）。此外，在全球范围内，对大宗矿产争夺已经逐渐演变为对关键矿产的控制。以西方发达国家为主导的矿产领域治理体系长期存在，供应结构性偏差严重、定价权缺失等问题始终成为困扰我国冶金行业挥之不去的“魔咒”。如何稳定和拓展国内矿产供应来源，形成多元、可控的资源供应模式是铝工业需要解决的现实问题。

在此背景下，我国铝工业应积极服务和融入新发展格局。对内，应持续扩大铝应用，推行“以铝代钢”“以铝节铜”“以铝节木”等，进一步挖掘国内消费潜力。坚持电解铝、再生铝和铝加工产业融合发展，加大上下游合作力度，融入汽车轻量化等新兴产业。围绕新一轮国内找矿战略行动，加强国内资源支撑托底和保障能力，提高国内大循环的可靠性。对外，应构建自主可控、安全高效的产业链和供应链，提升全球竞争力；统筹推进海外资源开发，积极参与“一带一路”共建。

三、 我国铝冶炼技术发展现状及面临的主要挑战

铝冶炼是典型的流程化工业，产业链条长且时空跨度大，主要涵盖铝土矿提取氧化铝、电解生产铝、铝加工和铝循环等环节。图4总结分析了铝冶炼流程工业的生态链接与关键症结点。其中，氧化铝生产和电解铝生产环节具有高物耗、高能耗、高碳排放等特征，面临着难冶资源高效利用、生产过程深度节能、能源结构优化等关键难题。铝冶炼生产年排赤泥上亿吨、电解固／危废约2×106 t，末端固／危废安全处置及资源化利用也是整个产业链技术创新的重中之重。基于此，本文面向3个重点方面，分析其技术现状及面临的主要挑战，并进一步研判铝冶炼产业创新发展的重大技术需求。

（一） 铝电解节能低碳智能化技术发展现状与挑战

铝电解是我国工业领域第一耗电大户、有色行业第一资源消耗大户和第一碳排放大户[24]，其节能降碳是世界性技术难题。提高电流效率是铝电解节能的主要手段，但已临近理论极限值（约95%）；降低槽电压技术（即低电压节能）在国外没有实质性突破，导致电耗指标多年停滞不前[25]。自21世纪以来，我国铝电解工业在突破大型、超大型电解槽技术的同时[26,27]，率先研发应用低电压节能技术，取得了显著的节能降碳效果；但在新发展阶段面临三大新常态：运行条件极端化使得槽内磁流体稳定性提升陷入困境；炼铝资源劣质化严重冲击铝电解槽稳定运行；大型槽工况空间分布复杂化，传统集总参数系统无法分区调控。这一系列因素共同导致铝电解生产指标大范围波动，甚至引起生产过程不稳定。

针对新挑战带来的三大行业难题，中国铝业股份有限公司联合中南大学等单位，取得了节能低碳数智化铝电解关键技术开发及应用的重大成果：首创了稳流保温铝电解节能技术，开辟了极端运行条件下深度节能的新途径；创建了无炭渣预焙阳极生产与应用技术，攻克了我国铝冶炼资源劣质化给铝电解生产运行带来冲击的重大难题；创立了基于分布式感知与数字孪生的铝电解智能优化制造关键技术，取得了数智化深度赋能铝电解节能降碳的重大突破，最终形成了引领全球的铝电解节能低碳数智化“中国方案”，支撑我国铝电解工业在“原料劣质化”时代实现全球“领跑”。据国际铝业协会最新统计[21]，2022年，我国在铝冶炼资源劣质化的情况下，吨铝平均综合电耗比国外低1560 kW·h/t-Al，领先幅度高达11.6%（见图5）。

面向未来科技创新，我国铝电解工业面临更大的技术挑战，主要包括：① 现行铝电解槽结构缺陷制约低碳智能化水平进一步提升，特别是在保温和烟气收集方式上，阻碍了超低电压下的进一步强化保温、全自动化操作以及可调散热的实现；② 超低电压操作下，电解槽上部保温难以进一步加强，影响热平衡；③ 电解槽散热缺乏可调控性，仅能通过调节能量输入来维持能量平衡，限制了其柔性运转能力，因而限制了其对供应不稳定新能源的消纳能力；④ 我国铝电解主要依赖火电，占比近80%，是碳排放的主要源头；⑤ 炭素阳极和氧化铝原料质量不均、杂质多，对节能减排构成挑战；⑥ 现有消耗性炭素阳极在电解过程中产生大量二氧化碳，且无法完全消除全氟化碳的产生与排放，而惰性阳极技术尚未成熟；⑦ 支撑电解槽结构和工艺变革以及智能工厂构建的数字化与智能化技术有待进一步提升。

（二） 含铝资源低碳清洁生产氧化铝技术发展现状与挑战

近年来，我国氧化铝工业装备技术水平显著提升，主要经济技术指标已达世界先进水平。得益于设备大型化、智能化与国产化的进步，国内“港口”氧化铝和国外氧化铝生产蓬勃发展，单条氧化铝生产线产能已提升至1.2×106 t/条。我国氧化铝生产能耗已明显降低，部分国内矿拜耳法小于370 kgce/t，进口矿小于300 kgce/t。同时，强化溶出、强化种分、赤泥选铁、铝酸钠溶液镓钒回收和铝酸钠溶液净化等多项新技术和设备的开发应用[28,29]，提高了生产效率和质量，也促进了过程减排和赤泥消纳。高硫铝土矿已开始产业化应用，非传统炼铝资源（如年产量近3×107 t的高铝粉煤灰）的开发利用仍在持续进行中，有望成为我国炼铝资源的重要补充。

在当前的国内外复杂环境下，我国在低碳清洁生产氧化铝方面也面临一系列重大挑战，主要包括：① 铝土矿资源对外依存度持续升高，年进口量超过1.4×108 t，资源保障风险增大；② 现存40多亿吨的难冶一水硬铝石型铝土矿资源的经济利用难度大；③ 分解率和产品性能的矛盾难调和，现有氧化铝品质对铝电解槽稳定运行性存在较大的不利影响；④ 现有高硫铝土矿技术利用流程长、经济性差；⑤ 高铝煤矸石／粉煤灰经济提取氧化铝困难，规模化消纳二氧化硅的技术瓶颈亟待突破；⑥ 面向钢铝协同的生产过程调控难，矿相调控机制不清，使得赤泥铁精矿中杂质多、含量高，影响炼铁过程；⑦ 我国能生产近300种中低档精细氧化铝粉体，高价值氧化铝粉体仍依赖进口；⑧ 国内氧化铝生产的智能化程度较低，与国际先进水平有明显差距。

（三） 铝工业固／危废安全处置及资源化利用技术发展现状与挑战

固／危废绿色利用一直是铝冶炼的重大产业难题。铝冶炼产生的固／危废具有危害与资源双重属性[30,31]，实现毒害组份的安全处置和有价组份的资源化利用是关键所在。赤泥因其强碱性和复杂成分而难以处理，同时含有氧化铁、氧化钠等有价值成分。当前，我国赤泥绿色利用立足“前端减量化、中端无害化、末端资源化”思路[32,33]，已初步形成元素提取、粉体材料、路用材料、胶凝材料和建陶材料的低成本大规模利用五大方向。赤泥的综合利用量突破千万吨，年利用率达9.8%。在铝灰渣／铝灰的安全处置及资源化利用方面，我国已基本破解铝灰污染环境和资源浪费的难题，工程化应用了多项铝灰渣高效分类、绿色短流程资源化技术，并建立了相应的行业标准。在铝产业链完善的地区，依托铝灰协同多种固／危废制备高值分子筛及高白氢氧化铝技术、铝灰在氧化铝产业内循环高值利用技术，构建了铝灰在铝产业链中的内循环利用新模式，技术成熟度高。在铝灰分散、量少且成分复杂的地区，研发了铝灰转化为炼钢铝酸钙、基建速凝剂等特色产品技术。铝电解大修渣中含有易引发环境风险的氟、氰等有毒有害成分，但也富含铝、硅等有价值元素，目前大多以厂区堆存或就地掩埋处置方法为主。阳极炭渣的处理技术主要为湿法浮选和火法焙烧，相关技术应用已较为成熟。此外，随着石墨化阴极炭块的大量使用，从废石墨化阴极炭块中分离出高价值的石墨材料和氟化盐材料将产生巨大价值。

近年来，国家高度重视铝冶炼绿色低碳发展，特别是在《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》中明确要求：到2025年，力争大宗工业固废综合利用率达到57%，赤泥综合利用水平有效提高。然而，铝冶炼固／危废的安全处理与资源化利用仍面临多重挑战：① 赤泥资源化利用面临规模化（数十万吨级）和经济性的双重难题，需要与现有的钢铁、化工等大工业体系等结合以降低成本。② 随着国内铝土矿资源的减少和品位的下降，以及进口铝土矿的逐年增加，赤泥成分日趋复杂，亟需分类协同利用。③ 赤泥强碱性对建筑、耐火材料生产构成挑战，其脱（固）碱技术有待突破。④ 铝灰渣和铝灰来源分散，种类多样、成分特性复杂，难以大规模工业化处理。⑤ 大修渣和阳极炭渣的安全处置及资源化利用技术还有较大的提升空间，现有火法工艺技术难点在于如何解决能耗和碳排放相对较高以及产生新固废渣。现有湿法工艺技术难点在于如何防止处理过程产生多种有害气体、含钠盐溶液和更多的含盐废渣，以及如何防止炭、氟化盐等资源浪费。⑥ 石墨化废阴极炭块资源化利用的难点在于如何防止处理过程产生污染以及实现高价值石墨材料与氟化盐的彻底分离。

四、 铝冶炼低碳清洁智能化创新发展基本构思与远景目标

（一） 铝冶炼低碳清洁智能化创新发展的基本构思

当前，世界正经历百年未有之大变局。结合上述重要时代背景以及产业技术发展现状与挑战，本文创新提出低碳清洁智能化铝冶炼的基本构想，如图6所示，旨在通过技术革命性突破、生产要素创新性配置以及产业深度转型升级等手段，激发我国铝工业新质生产力的发展，为实现中国式现代化提供新的动力引擎和战略支撑。

低碳铝冶炼是实现高质量发展的新要求和基本主线，旨在降低铝冶炼过程中的碳排放和能源消耗，履行碳达峰、碳中和的行业主体责任。目前我国低碳铝冶炼发展包括：一是节能降碳，主要是实施电解槽装备节能改造，开展余热回收利用，提升能源转换和利用效率。二是资源降碳，主要是优化氧化铝／炭素等原材料品质，发展循环经济，降低资源消耗。三是能源降碳，主要是布局能源结构调整，以大比例绿电替代解决碳排放总量问题。四是流程降碳，主要是探索碳捕获／封存、惰性阳极等低碳／无碳冶金技术。分别来看，节能降碳和资源降碳是当前最直接、最容易取得成效的路径，但降碳效果终会临近工艺极限。在能源降碳方面，绿色能源替代势在必行。而面向未来的深度脱碳甚至碳中和，加快铝冶炼工艺技术的颠覆性革新则是关键所在。

清洁铝冶炼是实现可持续发展的总目标和本质特征，旨在减少或者消除铝冶炼过程对环境的污染和危害，既能充分满足人类发展需求，又能使环境效益与经济效益高度统一与共同增长。其发展要素表现为冶金原料节约化、冶炼废物最小化和生产过程洁净化，并从产业链上强调“源头减排 ‒ 过程控制 ‒ 末端治理”科学策略。主要从过程科学、技术与工程研发角度出发，充分考虑生态承受能力，着重解决氧化铝赤泥源头减量与绿色利用、铝电解固／危废安全处置与综合利用等产业难题；大力推动铝资源高度循环与清洁能源替代，协同推进铝冶炼全生命周期内的降碳、减污、扩绿、增长，实现生产经济效益、环境社会效益的协调优化与和谐发展。

智能铝冶炼是实现制造强国的驱动力和必由之路，旨在深度融合人工智能、大数据等新一代信息技术，赋能打造数字化、智能化、柔性化的现代铝产业链，实现资源、能源优化配置及综合效益最大化。智能铝冶炼涉及生产工艺智能化和生产运行智能化两大方面。前者主要是提升工艺设计效率和运行水平，从工艺流程上降低物耗、能耗和污染物排放，增强工业生产的安全性和可靠性，提高产品质量和附加值；后者主要是面向原料、能源、市场等外部变化环境，以企业全局和生产全过程的高效化与绿色化为出发点，提高原料采购、经营决策、过程控制等层面的信息化和智能化水平，推动传统铝工业由局部调节、粗放操作的生产模式向全流程优化、精细化运行管控的生产模式转变。

总体来看，铝冶炼低碳、清洁和智能发展紧密相连、相辅相成，构成一个有机融合的整体，全面响应国家现代化经济体系建设的战略需求。这三大发展方向均体现创新、协调、绿色、开放、共享的新内涵式发展要求，均促使形成节约资源／能源、保护生态环境的产业结构、增长方式和消费模式。面向未来，这一发展理念将继续得到丰富和拓展，最终支撑实现铝冶炼的资源配置最优化、环境排放最小化、冶金效益最大化的美好蓝图。

（二） 铝冶炼低碳清洁智能化创新发展的远景目标

1. 铝电解节能低碳智能化技术创新与远景目标

基于现有技术及其挑战，对比目前国内外新技术及其特点[34,35]，提出铝电解低碳智能化的创新发展方向和关键技术如下：① 面向深度节能降碳和新能源柔性消纳的新型结构电解槽，为余热回收、柔性运转、碳硫捕集、全自动化操作等创造条件；② 面向新能源消纳的铝电解槽柔性运转技术和铝电解／新能源“源 ‒ 网 ‒ 荷 ‒ 储”一体化发展，与上述新型结构电解槽及智能控制技术相融合，以实现对供应不稳定的新能源的柔性消纳；③ 铝电解槽余热回收及烟气收集净化技术，与上述新型结构电解槽及智能控制技术相融合，实现电解槽余热回收利用、污染物高浓度收集并深度净化，特别突破含苯并芘等有毒有害气体的清洁处理技术；④ 面向高度自动化／无人化智能工厂，与上述新型结构电解槽相结合，实现传统作业的自动化和无人化，提升全流程的数字化和智能化水平，支撑智能冶金工厂建设；⑤ 劣质化原料生产高品质炭素阳极技术，更好地解决石油焦等原料的进一步劣质化所导致的阳极质量下降问题以及由此引起的阳极及铝电解生产能耗与排放指标恶化的问题，同时保障我国铝用炭素阳极的稳定供给；⑥ 基于惰性阳极或碳捕集的“无碳”铝电解技术，聚焦于惰性电极关键材料与技术研究、工程化关键技术、工业化试验及碳捕集技术等研究，为铝电解工业提供消除碳排放的多重技术路线。

基于上述技术突破，有望实现铝电解节能低碳智能化发展的2030—2035年远景目标：① 在现有基础上降低吨铝电耗1000 kW·h/t-Al以上（含余热回收折算），支撑我国铝电解工业继续引领全球能耗指标；② 实现±20%以上柔性运转能力，满足柔性消纳新能源的要求，支撑我国铝电解工业将供电侧碳排放减少30%~50%；③ 烟气中氟、硫、全氟化合物等污染物含量降低50%以上；④ 烟气中碳捕集技术至少推进到工业化应用阶段；⑤ 将惰性阳极至少推进到大容量工业槽运行试验阶段，并进入国际同期“并跑”水平；⑥ 建立3~5个铝电解与新能源产业协同发展的示范区，实现铝电解综合降碳50%以上。

2. 含铝资源低碳清洁生产氧化铝技术创新与远景目标

结合我国氧化铝生产现状和资源禀赋，提出含铝资源低碳清洁生产氧化铝的创新发展方向和关键技术：① 面向铝土矿溶出赤泥的源头减量，支持新型拜耳法溶出技术开发，重点研究钛矿物阻滞难溶铝矿物溶出的作用机制及调控原理、拜耳法溶出体系新型添加剂设计、溶出体系杂质组分控制与脱除等，为铝土矿中有价元素的综合利用和赤泥源头减排奠定理论与技术基础；② 面向钢铝协同、钢 ‒ 铝 ‒ 水泥／建材协同等赤泥大规模安全利用，支持铁／钛／硅矿相的经济分离回收技术开发，重点研究铁／硅矿物差异化结晶解离与分离、富铁赤泥钢铁冶炼有害杂质控制、赤泥选铁精矿／富铁赤泥规模化增值利用等；③ 面向国内复杂多伴生、难处理矿的高效清洁利用，支持高硫铝土矿提质高效利用技术开发，重点研究可控氧化条件下铁／硫离子形态调控和深度脱除、硅渣分配调控及高效脱硅、铁硫硅同步自净化等；④ 面向高铝煤基固废经济安全大规模生产氧化铝，支持高铝粉煤灰和煤矸石全量化利用技术开发，重点研究铝硅组分深度解离与分离、高模数硅酸钠溶液高效制备含硅产品的原理与技术、蛋白石固沙成土原理与技术等；⑤ 面向高溶解度、高溶解速率的易溶氧化铝生产，创新铝酸钠溶液晶种分解制度和工艺，为铝电解深度节能降碳创造更好的原料条件；⑥ 面向特种氧化铝、高品质氧化铝低碳绿色生产，支持开发具有光、电、热、磁等功能的新技术；⑦ 面向氧化铝工业低碳清洁智能化生产，支持研发智能化设备和系统，构建数智化氧化铝生产体系。

基于上述技术突破，有望实现含铝资源低碳清洁生产氧化铝的2030—2035年远景目标：① 突破新型拜耳法溶出 ‒ 赤泥源头减排技术，实现赤泥源头减排30%，新增赤泥综合利用率达到60%；② 突破铝酸钠溶液种分强化技术，种分分解率达55%，制备高活性易溶冶金级氧化铝；③ 开发特种（精细）氧化铝新品种，显著提高精细氧化铝品质，解决氧化铝基材料“卡脖子”问题；④ 实现低品位多伴生非传统含铝资源的高效经济利用，锂回收率达到60%以上，钒回收率达到40%以上，镓回收率达到45%以上，提取60%碳酸钾，生产工业级金属镓、Li2CO3、K2CO3、V2O5等产品；⑤ 实现高铝粉煤灰近全量化经济利用，氧化铝提取率大于95%，二氧化硅利用率大于80%，全面提高炼铝资源保障程度。

3. 铝工业固／危废安全处置及资源化利用技术创新与远景目标

针对铝工业固／危废安全处置及资源化利用，提出总体创新发展方向：立足国家生态文明建设的重大需求，面向赤泥大宗固废、废槽衬／炭渣／铝灰危废安全处置及资源化利用的关键问题，遵照短流程、高值化、资源循环、绿色低碳及市场消纳容量等理念，坚持“前端减量化、中端无害化、末端资源化”，重点开展铝冶炼固废处置基础理论、赤泥处置技术以及铝电解危废处置技术开发与集成示范等方面的研究，构建经济可行的铝冶炼固废资源化利用与安全处置新技术体系和商业化推广创新模式，有力支撑我国铝行业可持续发展、抢占国际铝冶炼固废安全利用研究制高点。提出重点支持的关键技术：① 支持氧化铝工业赤泥大规模消纳及资源利用技术开发，聚焦于赤泥建材化利用技术、赤泥有价金属资源回收技术、赤泥堆场土壤化修复技术等研究。特别针对高铁赤泥，重点突破氧化铝生产工艺革新与赤泥选铁技术的协同提升，以满足钢铁工业对原料理化性质的要求。② 支持铝灰安全处置及资源利用技术开发，聚焦于不同种类铝灰的分类处置及资源化利用技术、铝灰中铝及其他有价元素的高值化利用技术等研究。③ 支持铝电解槽大修渣／阳极炭渣安全处置及资源利用技术开发，聚焦于铝电解槽大修渣分类处理技术，重点突破废阴极炭块碳氟分离技术，回收高价值的石墨材料和氟化盐材料。

基于上述技术突破，有望实现铝工业固／危废安全处置及资源化利用的2030—2035发展远景目标：① 积极推广新技术、新成果，堆存氧化铝赤泥综合利用率达到20%以上，新增赤泥综合利用率达到60%；② 基本实现铝灰分类资源化利用集成与示范，与现行铝工业体系构成“内循环”，并与钢铁、材料、化工等大宗工业形成协同处理模式；③ 基本实现铝电解槽大修渣和阳极炭渣的低成本、全组分高值资源化利用集成与示范。

五、 对策建议

（一） 完善国家政策体系，引导产业绿色转型

完善铝冶炼行业指标约束及配套的财税支撑体系，注重形成长效激励机制，驱动铝冶炼行业绿色、低碳、循环、智能化发展。创新实施“揭榜挂帅”科研攻关制度，面向行业骨干企业和重点科研院所开展“产学研用”等协同创新，增强科技创新资源整合能力，解决多元主体协同低效、利益竞争、重复研究、成果转化难等问题。探索建立“先补贴利废企业成长、后分享协同发展成果”的上下游合作模式，营造具有更强创新力、更高附加值、更优可靠性的产业协同创新生态。谋划构建“新能源 ‒ 铝冶金命运共同体”，通过清洁生产、跨界融合、绿色接替三大路径，促进绿色能源和先进制造业深度融合，筑牢筑强新能源产业可持续发展的“压舱石”，筑高筑大铝工业绿色低碳发展“增长极”。

（二） 制定高质量标准体系，规范产业优质发展

积极贯彻国家标准化战略，对全产业链的标准体系进行全面梳理与整合，涵盖国家标准、行业标准、地方标准、团体标准以及企业标准等多个层面。系统性开展铝产品碳足迹核算、生命周期评价、绿色工厂评价等，加速编制电解铝碳足迹等国家标准，以标准助力铝冶炼创新、协调、绿色、开放和共享发展。深入梳理重点企业的发展现状及实施难点，统筹推进标准体系建设的试点工作，为标准全面落地提供明确的方向和行动指南。积极牵头或参与制定国际铝冶炼技术标准，推进标准“走出去”和标准国际化工作，实施重点领域标准应用和企业标准领航计划，提升国际冶金领域的话语权及影响力，引领世界铝冶金产业发展。

（三） 健全保障制度体系，提升产业内在活力

秉持问题导向，构建“部际协同+央地联动”机制，统筹制定低碳清洁智能化重大规划和政策。充分利用各级科技创新平台，明确各方创新责任，集结优势力量，共同攻克重大技术难题，确保科技研发与成果转化紧密相连。引导能耗“双控”政策向控碳转变，通过碳排放权交易的市场化手段来构建成本梯度，驱动铝行业“优胜劣汰”式转型升级。完善铝冶炼与连铸连轧等后续产业的协同创新发展机制，推动单位产品能耗持续下降，支撑金属铝制品的原料低碳化与绿色化。发挥新型举国体制优势，抓住全球产业链重构机遇，推动产业关联向创新关联升级，促进科技创新与产业发展深度融合，打破创新体系的“孤岛现象”，培育共生共荣的产业和创新生态。

（四） 推动绿色低碳技术变革，增强产业创新动力

坚持科技创新作为铝冶炼高质量发展的第一驱动力，引领传统冶金产业塑造竞争新优势。首先面向未来深度脱碳与碳中和，重点支持颠覆式密闭型电解槽、惰性电极及碳捕集与碳封存等技术方向，力求实现炼铝技术“从0到1”的突破、“从1到N”的跨越；其次，面向低碳清洁铝冶炼，重点支持赤泥源头减量、难冶铝资源高效利用和高品质特种氧化铝生产等技术方向，构建“铝 ‒ 钢”“建材 ‒ 铝”协同资源高效利用发展模式，实现“源头减排 ‒ 过程调控 ‒ 末端全量化利用”的产业链创新；最后，面向未来智能化工厂，鼓励新一代人工智能、大数据、大模型等信息技术与铝电解过程的融合，重点支持铝电解数字孪生体、人工智能知识自动化决策、铝冶炼工业互联网等技术方向，构建铝冶炼高度自主知识自动化的生产模式。

（五） 实施人才强国战略，铸造产业人才高地

人才是推动高质量发展的核心力量。构建国家优先培养人才的体系，致力于集聚全球冶金行业的领军科学家和工程师，从而提升产业和技术的核心竞争力。重视培养具备铝冶金与资源、环境、计算机及人工智能等交叉领域知识的人才，为铝冶金的基础研究、智能制造及碳减排等方面提供全面的智慧支持。改革科技管理机制，明确科技创新与生产经营的关系，设计合理的科技创新投入与收益模式，完善科技成果的评价、激励及推广应用机制，以优化科研资源配置并提高创新效率。搭建信息化的资源共享、交流及科普平台，积极开展专业科普宣传，提升公众对铝冶金科学的关注、认可与参与程度。

利益冲突声明

本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。

Received date: April 25, 2024; Revised date: July 12, 2024

Corresponding author: Zhang Hongliang is a professor from the School of Metallurgy and Environment, Central South University. His major research fields include the basic theory of aluminum electrolysis and technology of energy saving and emission reduction. E-mail: csu13574831278@csu.edu.cn

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on Development Strategy for Low-carbon, Clean and Intelligent Aluminium Metallurgy” (2022-XY-143)

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基金资助

中国工程院咨询项目“铝冶炼低碳清洁智能化战略研究”(2022-XY-143)

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