光熱+應用，澳大利亞研究人員評估太陽能氧化鋁煅燒的商業可行性

2020-08-28 光熱之源

近日，澳大利亞研究人員首次展示了一種約在950°C的溫度下進行，用於煅燒氧化鋁的新型太陽能反應器，並將利用太陽能進行氧化鋁精煉這一技術用於商業化。

澳大利亞Pinjarra氧化鋁精煉廠（圖片來源： Alcoa）

據了解，澳大利亞約有27％的工業碳排放來自於氧化鋁精煉廠，其中加熱工藝以燃燒化石燃料為主；但集中的太陽能熱（CST）可以提供所需熱量的一半。

文章指出，研究人員在實驗室規模上表明，在這種高溫太陽煅燒爐中進行3秒鐘即可實現高達96％的良好轉化率，而無需預熱過程。這表明通過預熱-良好的轉化率進行大規模商業化使用，在技術上是可行的。另外，使用太陽能本身還可避免燃燒天然氣引起的燃燒產物汙染，更有利用於改善氧化鋁的質量。

走向商業化

此外，澳大利亞大學的新南威爾斯大學（UNSW）及包括美鋁、CSIRO、ITP Thermal、Hatch等公司的太陽能研究人員正在研究如何使太陽能煅燒工藝商業化；評估商業氧化鋁設施中潛在的太陽煅燒的經濟和技術細節。一項為期五年的研究項目也正在進行中。

該項目負責人Woei Saw博士表示：該研發團隊有約30名員工，10名博士生。該項目中的三個計劃著重於研究集成太陽能熱技術，以替代目前用於拜耳法生產氧化鋁精煉工藝50％的化石燃料。

阿德萊德大學能源技術中心的創始主任Graham·Gus·Nathan教授表示：「我們計劃將利用槽式或塔式太陽能光熱技術，並配置蓄熱，再與另一種低碳能源互補，研發一種新型太陽能煅燒反應器。」

他表示，槽式和塔式太陽能熱技術都已在電力部門進行了商業演示，但尚未集成到拜耳法生產氧化鋁等大型工業流程中。因此，我們的技術評估正在確定將太陽熱能集成到這一新過程中的商業吸引力途徑。在2019年10月在韓國舉行的SolarPACES大會上，展示了將聚光太陽能整合到拜耳法氧化鋁工藝中的技術可行性報告。

鋁土礦如何製成鋁

自1880年以來，鋁土礦就用相同的基本步驟製造了鋁，儘管此後鋁效率一直在不斷提高。首先使用拜耳法將鋁土礦精煉成氧化鋁（氧化鋁），然後通過霍爾-赫羅爾特冶煉工藝將其轉變為鋁。

在拜耳法中，鋁土礦被壓碎並磨碎，然後作為漿液過濾並泵送通過一系列六層高的沉澱池，這是一個耗能高的過程，需要電力和低溫（通常在140°C至300°C之間）。

對於此第一步，可再生能源諮詢機構ITP的太陽能研究專家Keith Lovegrove帶領的項目團隊評估了如何最佳地整合槽式或塔式集中式太陽能集熱技術來提供低溫熱量產生蒸汽。據悉，這些評估已經完成，並將很快通過阿德萊德大學網站發布。

第二步，來自CSIRO的Robbie McNaughton帶領他的團隊評估天然氣的太陽能轉化方案。該過程通過將天然氣和蒸汽（可能還帶有二氧化碳）轉化為合成氣，以化學形式存儲太陽能。通常，利用太陽能可以將燃料的能量含量提高約20-30％。CSIRO一直在進行太陽能重整技術的研發，目前該項目評估了如何以經濟有效的方式進行整合，已經確定了儲存太陽能和整合燃料的新方法，並將在短期內發布報告。

與蒸汽不同，沒有任何商業或中試規模的太陽能技術可用來煅燒氧化鋁，而氧化鋁需要加熱才能在約950°C的溫度下進行化學反應。因此Nathan的團隊一直在探索幾種方法來執行此操作，並使用獲得專利的固體顆粒反應器的太陽能塔技術進行反應。

Woei Saw指出：高溫過程是該過程中最具挑戰性的步驟。雖然它不是鋁生產中溫室氣體排放的最大貢獻者，但它仍然很重要，並且可以說是實現碳中和生產所需的最具挑戰性的步驟。

最好從頭開始還是進行改造？

觀察者認為，無論是新的還是翻新的，對一家公司都很重要。雖然可能面臨高昂的資本成本和改造的風險，但改造將延長工廠的壽命。改造是可行的，只需對煉油廠過程進行最少的更改即可。從長遠來看，有一個「綠地」站點有可能獲得更大的收益和更好的經濟性。這可能在經濟上更具吸引力，也更具可持續性，但是只有在技術被證明後才是現實的。這就是研究人員在煅燒步驟中同時考慮這兩種選擇的原因。這種雙重方法增加了項目的複雜性，因為研究人員從開始使用太陽能，從源頭上設計就是無汙染綠色的氧化鋁加工廠，並考慮了其工程建設和經濟性，同時還評估了在現有氧化鋁加工設施配置旁邊「加強」太陽能工廠的能力。

Woei Saw說：「該（太陽能）工廠本身約為一平方公裡，通常煅燒步驟在一側，因此可以合理地接近太陽能。但如何集成仍然是一個非常具有挑戰性的問題。要將熱源連接到現有工廠，不但需要建造大型管道和輸送熱物料，例如熱空氣，還可能是一個非常昂貴的過程，因此集成步驟對任何選項的潛在可行性都有很大影響。」

Saw的團隊一直在評估重新配置的「太陽能氧化鋁」設施的經濟性和技術可行性。他說：「我們正在特別關注的一件事，是將爐子放到到塔上還是將塔架的熱量傳回爐子將更可行？」

澳大利亞擁有廣闊的土地，擁有世界上最好的太陽能熱能資源，鋁土礦可以在這片巨大的大陸上的許多地方找到。但是，也需要注意的是，早期的氧化鋁加工廠是在沒有考慮太陽能資源的情況下選址的。（董清風 編譯）

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