“双碳”目标下有色金属冶炼工艺的低碳化改造路径与减排效益评估

一、引言

我国力争2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的“双碳”目标，为各行业转型发展提出了明确的时间表和路线图。有色金属工业作为国民经济的重要基础 ，其碳排放量约占全国工业总排放量的13%左右，年能源消费量超过2.6 亿吨标准煤，是实现“双碳”目标的关键领域[1]。有色金属冶炼工艺具有高温、高能耗的特点，传统冶炼过程大量消耗化石燃料，产生显著的直接和间接碳排放。面对日益严格的环保要求和碳排放约束，有色金属行业迫切需要通过技术创新和工艺改造实现低碳转型。

二、有色金属冶炼工艺碳排放现状分析

根据《2024-2025 年节能降碳行动方案》，有色金属行业节能降碳改造形成的减排潜力约为1300 万吨二氧化碳[1]。目前我国有色金属冶炼行业碳排放主要集中在电解铝、铜、锌、铅等主要品种，其中电解铝行业碳排放量最大，约占有色金属行业总排放量的70%以上。有色金属冶炼工艺的碳排放源主要包括四个方面：化石燃料燃烧直接排放占总排放量的 40-50% ，电力消耗间接排放占总排放量的 35% ，工艺过程化学反应直接排放占总排放量的 5.10% ，原料运输与物流排放占总排放量的 3-5% 。当前行业平均碳排放强度远高于国际先进水平，电解铝单位产品碳排放强度比国际先进水平高 15-20% ，铜冶炼单位产品碳排放强度比国际先进水平高 10-15% ，存在巨大的减排空间和改造需求。

三、低碳化改造路径

（一）能源结构优化路径

构建清洁能源替代体系是有色金属冶炼工艺实现低碳化的根本路径。针对行业高耗能特点，应优先在电解铝等重点企业建立“源网荷储”一体化清洁能源供应模式，通过建设企业自备光伏、风电项目，配套储能设施，实现可再生能源电力占比50%以上的目标。在此基础上，积极推进氢能技术示范应用，开发氢气直接还原工艺替代传统碳基还原剂，建立从电解水制氢到氢气储运的完整供应链体系，逐步在铜、锌等有色金属冶炼中实现工艺过程的本质性减排。同时实施天然气替代燃煤的过渡性改造方案，在现有冶炼设备基础上推广天然气熔炼炉等清洁燃烧设备，通过建立企业能源管理中心，实现多种清洁能源的协调调度和优化配置，最终形成以可再生能源为主体、氢能为补充、天然气为过渡的清洁能源结构[2]。

（二）工艺技术升级路径

推进冶炼工艺的根本性变革是实现深度减排的核心途径。以短流程冶炼技术为突破口，在铜冶炼领域推广侧顶吹双炉连续工艺，实现铜精矿直接熔炼制取粗铜，减少传统工艺中的多个中间环节。配套实施电解工艺效率提升改造，通过优化电解槽结构设计、推广高效稳定铝电解技术，将电流效率提升至95%以上，实现吨铝电耗降低500-800 千瓦时。在工艺优化的同时构建系统性余热回收利用体系，在冶炼炉、电解槽等高温设备上安装余热回收装置，建设余热发电设施，通过热能的梯级利用进一步提高能源综合利用效率。最终通过智能化控制系统的集成应用，采用先进过程控制技术实现冶炼参数的精确控制和动态优化，形成技术先进、流程简化、能效显著的现代化冶炼工艺体系。

（三）循环经济发展路径

建立完善的资源循环利用体系是实现有色金属行业可持续发展的重要路径。通过构建区域性废旧有色金属回收网络，建立标准化回收站点和完善 有2 为再生金属产业发展提供稳定的原料保障。在此基础上大力发展再生金属产业，建设现 广先进的废料预处理和冶炼技术，同时实施铝水直接合金化技术改造，在电解铝企业建设铝水直供系统，力争铝水直接合金化比例达到90%以上。

进一步推进副产品资源化利用，开发冶炼炉渣制备建筑材料技术，实现尾气中有价金属的回收利用，延伸副产品深加工产业链。通过建立产业链协同减排机制，实现上下游企业在蒸汽、氧气等公用工程方面的统一供应，最终形成以废料回收为起点、再生金属生产为核心、副产品利用为延伸的循环经济产业体系。

（四）数字化转型路径

构建智能化数字化生产管理体系是推动冶炼工艺精细化管理和减排的有效手段。首先建设碳排放实时监测系统，在主要生产设备和排放源安装在线监测装置，建立完整的碳排放数据库，为企业碳资产管理提供数据基础。在数据采集的基础上开发碳排放管理平台，集成生产数据、能耗数据和排放数据，运用大数据技术分析历史生产数据和实时工况信息，建立能耗预测模型，优化生产计划和设备运行方案。进一步推进人工智能在节能控制中的深度应用，开发基于机器学习的工艺参数优化算法，实现冶炼过程的自适应控制和智能调节。通过建设数字孪生系统，构建冶炼过程的三维数字化模型，利用虚拟仿真技术预测不同操作条件下的能耗和排放情况，最终形成从数据采集、分析处理到智能控制的完整数字化转型体系，实现生产过程的精准管控和持续优化。

四、减排效益评估与量化分析（一）评估方法与指标体系

建立科学合理的减排效益评估体系是准确量化低碳化改造效果的基础。采用生命周期评价法（LCA）作为主要评估方法，通过分析从原料开采到产品生产全过程的资源消耗和环境排放，全面评估低碳化改造的环境影响。LCA 评估包括目标与范围定义、清单分析、影响评价和结果解释四个关键步骤，确保评估结果的科学性和可比性[3]。构建多维度评估指标体系，以碳排放强度为核心指标，以单位产品碳排放量衡量改造的直接减排效果；以能源消耗强度为效率指标，反映能源利用效率的提升程度；以投资回收期、净现值为经济指标，评估改造项目的经济可行性；以污染物减排量、资源节约量为环境指标，评估改造的综合环境效应。设定基准情景和改造情景进行对比分析，基准情景以现有平均技术水平为参照，改造情景根据不同技术路径的成熟度和推广潜力设定保守、中等、乐观三种方案，通过情景分析揭示减排潜力和实施路径。

（二）减排效益量化结果

综合分析各类低碳化改造路径的减排效益，能源结构优化具有最大的减排潜力，电解铝行业可再生能源电力占比提升至50%时，单位产品碳排放可降低40-45%，全行业年减排潜力约500 万吨 CO₂ 。工艺技术升级的减排效益显著且技术相对成熟，短流程冶炼技术可实现15-25%的减排效果，智能化控制系统可降低能耗 5-10% ，余热回收利用可减排 10-15% 。循环经济发展通过提高资源利用效率实现减排，再生金属供应占比每提高1%，行业总体碳排放可降低 0.8-1.2% ，再生金属供应占比达到 30%H⋅f ，累计减排效益可达300 万吨 CO₂ 。数字化转型作为支撑性手段，可实现 5-8%的节能减排效果，投资回收期相对较短。经济效益分析表明，综合改造投资约需3000-5000 亿元，大部分项目投资回收期在5-8 年，具备良好的经济可行性。环境协同效益显著，除实现碳减排外，还可减少SO₂排放 20-30% 、NOx 排放 15-25%、颗粒物排放 30–40% ，环境综合效益突出。

参考文献：

[1]刘楠楠， 刘玉柱， 楚敬龙， 杨晓松. 有色金属冶炼企业低碳绩效评价指标体系构建探析[J]. 矿冶， 2024， 33（02）： 310-316.

[2]何明宇. 有色金属行业低碳发展和标准工作思路初探[J]. 中国金属通报， 2023， （09）： 1-

[3]刘诚， 苟海鹏， 陈宋璇， 陈学刚， 何坤. 氨在有色金属低碳冶炼中的应用思考与探讨[J]. 中国有色冶金，2023， 52 （04）： 1-6.