《Journal of Cleaner Production》：A comparative life cycle assessment of coal-tar pitch-based and bio-pitch-based carbon anode production for sustainable aluminium
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铝电解碳阳极用生物沥青替代煤焦油沥青的碳排放与环境影响研究。基于生命周期评估（LCA），采用ReCiPe方法和Ecoinvent数据库，比较了CTP与BP基阳极的生产过程。结果显示BP替代CTP可使每吨阳极碳排放减少15%，铝生产总排放降低8%。敏感性分析表明提高BP结焦值30%-50%可进一步减排10%，即使净碳消耗增加7kg/t Al，BP仍具环境优势。同时减少人类毒性与化石能源消耗，但可能增加土地利用。
伯纳德·奥塞（Bernard Osei）|西蒙·拉利贝尔泰-里维兰（Simon Laliberté-Riverin）|侯尚·阿拉姆达里（Houshang Alamdari）
加拿大魁北克省拉瓦尔大学矿业、冶金与材料工程系REGAL铝研究中心
摘要
铝生产中使用的碳阳极传统上是用煤焦油沥青（CTP）制造的，这种基于化石的粘合剂与温室气体排放和多环芳烃等有害污染物有关。这些排放物加剧了气候变化、对人类健康的影响以及其他环境问题。为了支持全球脱碳目标并可持续地满足不断增长的铝需求，业界正在探索可再生的碳来源。生物沥青（BP）作为一种基于生物质的粘合剂，被提出作为CTP的替代品来生产阳极。尽管在实验室规模上生物沥青显示出潜力，但在工业应用之前必须对其环境性能进行评估。
本研究对基于CTP和BP的阳极生产进行了生命周期评估（LCA）。该研究建立在之前对CTP基阳极生产的LCA基础上，确定了阳极生产过程的环境影响。评估使用了openLCA软件中的ReCiPe midpoint方法和Ecoinvent数据库。结果表明，用生物沥青替代CTP可使每吨阳极的二氧化碳排放量减少15%。当考虑到电解槽中阳极的消耗量时，每吨铝的二氧化碳排放量进一步减少了8%。敏感性分析显示，将生物沥青的结焦值从30%提高到50%可使阳极相关的二氧化碳排放量相对于CTP基阳极再减少10%。第二个敏感性情景表明，即使净碳消耗量增加7公斤/吨铝，生物沥青在环境方面仍然具有优势。研究还发现，生物沥青可以减少人类毒性影响和化石能源资源的使用，但同时由于生物质来源的使用，预计土地使用量会增加。
引言
铝是地壳中含量第三丰富的元素，也是最丰富的金属（Ratvik等人，2022年；Brough和Jouhara，2020年）。国际铝业协会（IAI）关于后新冠时代铝产业机会的研究报告指出，到2030年全球铝需求将增加近40%（铝需求报告，2022年）。预计全球铝产业将额外生产3330万吨铝，以满足从2020年的8620万吨到2030年的11950万吨的需求增长（铝需求报告，2022年）。在加拿大，特别是在魁北克省，铝生产是主要产业之一。加拿大生产的约90%的铝来自魁北克（加拿大铝业协会，2021年）。根据加拿大的环境政策，铝产业正在努力减少其环境足迹，同时试图满足不断增长的需求。在铝电解过程中，碳阳极传导所需的电流并充当还原剂。碳阳极在电解过程中被消耗，并在大约28天后需要更换。它们传统上由煅烧石油焦（CPC）、回收的阳极头、不合格的烘焙和未烘焙的阳极以及煤焦油沥青制成，煤焦油沥青用于粘合所有颗粒。这些原材料被混合成糊状物，然后通过振动压实或压制成型为未烘焙的阳极，随后在约1100°C的温度下烘焙（Kvande和Drabl?s，2014年；Azari等人，2013年）。用于生产阳极的化石燃料的生产和燃烧会释放多环芳烃（PAHs）、挥发性有机化合物（VOCs）和温室气体（Behrens等人，2007年；Cusano等人，2017年；Arnesen等人，2023年），这些物质导致空气污染、气候变化和人类健康问题。为了满足未来需求、实现2050年的净零温室气体排放目标（能源署）以及减少对化石产品的依赖对环境的有害影响，铝产业正在寻找这些碳质材料的替代来源。
利用通过生物质热解产物获得的生物沥青（BP）作为粘合剂，已被提议用于碳阳极的生产，部分或完全替代CTP（Hussein等人，2020年，2021年；Senanu和Solheim，2021年；Jahrsengene等人，2022年）。BP来源于生物源，这意味着其中所含的碳最初是通过光合作用从大气中捕获的。因此，假设没有额外的化石碳输入，BP在烘焙和电解过程中的燃烧可以被认为是碳中性的。然而，BP存在一些挑战，尤其是其较低的结焦值（CV），大约为30%，而煤焦油沥青的结焦值约为50%（Lis等人，2016年）。较低的结焦值意味着用BP制成的阳极在烘焙过程中会有较高的质量损失。有趣的是，实验室研究表明，这些阳极的密度并未显著降低，这种现象归因于BP中的含氧官能团，这些官能团增强了BP与焦炭之间的润湿性（Hussein和Alamdari，2023年）。正在进行的研究专注于提高BP的结焦值，以减轻这些质量损失问题（Flora等人，2023年）。BP中的含氧官能团也会影响烘焙后阳极的微观结构特性。这些官能团抑制了烘焙过程中中间相的形成和晶粒大小的生长（Jahrsengene等人，2022年）。因此，预计基于BP的阳极在空气和二氧化碳反应性方面将高于CTP基阳极，可能导致电解过程中的净碳消耗量增加。尽管如此，在实验室规模的电解槽中进行的实验表明，基于BP的阳极表现出较低的过电位，这可能提高铝还原槽中的电流效率（Hussein等人，2020年）。由于尚未使用BP制造出工业规模的阳极，其全面性能和影响仍有待确定。
到目前为止，基于BP的碳阳极仅在校准规模的阳极生产中进行了研究。尽管生物粘合剂中的碳来自可再生资源，但用BP替代CTP的潜在环境效益必须在所有生产阶段和影响类别中进行评估。为了实现这一目标，我们进行了生命周期评估（LCA），以考虑整个生产链的影响，包括原材料采购、碳阳极生产和电解槽中的阳极消耗。几位研究人员以及IAI也使用LCA方法来评估初级铝生产的排放和影响（Tan和Khoo，2005年；Farjana等人，2019年）。IAI报告的加拿大平均排放量为每吨铝5.23吨二氧化碳，其中碳阳极生产占17.8%（IAI报告，2021年）。少数其他研究也报告了生产传统阳极的影响（Edwards等人，2022年；Tang等人，2018年；IAI），报告的排放量范围为每吨阳极0.8-1.0吨二氧化碳当量，具体取决于系统边界、数据来源和地区背景。
相比之下，关于基于BP的阳极的LCA研究仍然非常有限。迄今为止，只有一项已发表的研究评估了生物基阳极材料的环境影响。该研究考虑了用生物材料部分替代CPC、包装焦和CTP，并报告了在包括阳极消耗阶段在内的多个影响类别中的减排效果（Cinquina等人，2024年）。目前，完全使用BP作为粘合剂替代CTP生产的阳极的环境影响尚不清楚，因为该研究仅考虑了部分替代。此外，没有研究揭示结焦值对BP阳极生产和消耗的影响，以及过量碳消耗的影响。BP的另一个显著特点是其热值（LHV）低于CTP，这是由于其含氧量所致。较低的热值可能导致烘焙炉中挥发性物质燃烧时产生的热量减少，需要额外的天然气来补偿热量缺口。基于BP的阳极的生命周期评估考虑了这一因素，强调了其对能源消耗和整体工艺效率的影响（Cinquina等人，2024年）。但由于LCA研究仅关注部分替代，这一问题仅得到了部分解决。
基于这些不足，作为本研究的第二阶段，本研究旨在提供首个全面的生命周期评估，评估完全使用生物沥青作为粘合剂生产的预烘焙碳阳极，替代煤焦油沥青。该工作建立在作者之前对传统CTP基阳极进行的从摇篮到大门的LCA基础上（Osei等人，2024年）。该研究提供了传统生产过程中固有的环境排放的基线理解。进行了敏感性分析，以考虑提高BP的结焦值对阳极生产的影响。此外，还改变了用于生产铝的BP阳极的净消耗量，以确定其对二氧化碳排放的影响。研究重点关注气候变化、人类毒性、能源资源和土地使用影响，这些影响来自Ecoinvent数据库中的ReCiPe midpoint（H）影响评估类别，并将其纳入openLCA软件中。分析包括阳极生产所用原材料的开采和电解槽中阳极的消耗。不同研究之间的差异反映了数据库、系统边界、区域电力组合和技术假设的差异。重要的是，大多数现有的LCA仅关注基于化石的阳极，这突显了本研究在评估完全基于生物沥青的阳极系统方面的新颖性和相关性。
总体而言，本研究提供了系统性和定量的评估，涉及用生物沥青替代煤焦油沥青在碳阳极生产中的环境权衡，为铝产业向更可持续和低碳生产路径的转型提供了见解。
研究部分片段
研究目标和范围
本研究的目的是分析基于生物沥青的碳阳极生产的从摇篮到大门的生命周期环境影响，并将其与传统的煤焦油沥青阳极生产过程进行比较。我们的分析功能单位是1吨烘焙碳阳极。需要注意的是，这个功能单位没有考虑阳极在铝电解槽中消耗过程中产生的排放。
DSC分析结果
进行了DSC分析，以量化将生物油转化为生物沥青所需的最小热化学能量。DSC装置使用四种参考材料（铟、锡、铋和锌）进行了热校准。DSC曲线下的面积代表了生物油在热处理过程中发生的热转变所伴随的特定焓变，对应于样品在理想实验室条件下吸收的热量。
能量
结论
在这项工作中，我们研究了生产1吨预烘焙碳阳极的环境影响。我们将使用CTP粘合剂生产的传统阳极与使用替代粘合剂（即生物沥青）生产的阳极进行了比较。我们采用从摇篮到大门的生命周期分析方法进行评估，使用了openLCA软件中的ReCiPe midpoint（H）方法和Ecoinvent数据库。
生命周期分析表明，使用BP作为粘合剂生产1吨碳阳极的结果
CRediT作者贡献声明
伯纳德·奥塞（Bernard Osei）：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。西蒙·拉利贝尔泰-里维兰（Simon Laliberté-Riverin）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、调查、概念化。侯尚·阿拉姆达里（Houshang Alamdari）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
