4.4.2 Вопросы методологии

4.4.2.1 Выбор метода для выбросов CO₂ от производства первичного алюминия

При обычном способе алюминий образуется у катода, а углерод расходуется у анода согласно реакции электролитического восстановления алюминия:

2Al₂O₃ + 3C -> 4Al + 3CO₂.

Большая часть диоксида углерода выделяется в результате реакции электролиза углерода анода с глиноземом (Al₂O₃). Потребление предварительно обожженных угольных анодов и массы Содерберга является основным источником выбросов диоксида углерода при производстве первичного алюминия. Другие источники промышленных выбросов диоксида углерода, связанные с предварительным обжигом анода, составляют менее 10% общих неэнергетических выбросов CO₂.

Реакции, приводящие к выбросам CO₂, хорошо понятны, и эти выбросы напрямую связаны с объемами производства алюминия через фундаментальные электрохимические уравнения восстановления алюминия на углеродном аноде и с объмами окисления углерода в термических процессах. Эти фундаментальные параметры процесса, с которыми связаны выбросы CO₂, относятся к числу постоянно наблюдаемых параметров процесса на предприятиях; на предприятиях с предварительной термической обработкой измеряют нетто-потребление углерода в составе анода, а на предприятиях с процессом Содерберга - потребление анодной массы.

Для расчетов выбросов CO₂ требуются данные о производстве отдельно по технологии Содерберга и по технологии с предварительным обжигом. Дальнейшая дифференциация данных по подтипам технологии Содерберга или по подтипам технологии с предварительным обжигом не требуется.

Метод уровня 1 для выбросов CO₂

В методе уровня 1 для расчета выбросов CO₂ необходимо знать только основной тип технологии (с предварительным обжигом или Содерберга), поскольку это самый низкий уровень оценки выбросов CO₂ от производства алюминия. Так как метод уровня 1 связан с высокой неопределенностью, то эффективная практика предусматривает использование методов более высокого уровня в том случае, если выбросы CO₂ от производства первичного алюминия относятся к ключевой категории. Общие выбросы CO₂ рассчитывают по уравнению 4.18.

Уравнение 4.18

Выбросы CO₂, связанные с потреблением анода

и/или анодной массы, - уровень 1

E_CO2 = EF_P · MP_P + EF_S · MP_S,

где:

E_CO2 = выбросы CO₂ от потребления анода и/или анодной массы, тонны CO₂;

EF_P = коэффициент выбросов для технологии с предварительным обжигом (тонны CO₂/тонну продукции алюминия);

MP_P = производство металла по технологии с предварительным обжигом (тонны Al);

EF_S = коэффициент выбросов для технологии Содерберга (тонны CO₂/тонну продукции алюминия);

MP_S = производство металла по технологии Содерберга (тонны Al).

Метод уровня 2 для оценки выбросов CO₂

Для обеих технологий (с предварительным обжигом и Содерберга) выбросы CO₂ рассчитывают по массово-балансовому методу, который предполагает, что углеродное содержание израсходованного количества анодов или анодной массы дает исключительно выбросы CO₂. В методе уровня 2 для обоих этих процессов используются типичные промышленные концентрации примесей.

Выбросы CO₂ для электролизеров с предварительным обжигом (CWPB/PWPB и SWPB):

Выбросы CO₂ по методу уровня 2 для электролизеров с предварительным обжигом рассчитывают по уравнению 4.19. В методе уровня 2 для некоторых параметров используются значения по умолчанию. В разделе 4.4.2.2 более детально рассмотрено использование этих параметров.

Уравнение 4.19

Выбросы CO₂, связанные с потреблением предварительно

обожженного анода, - уровень 2 и 3

где:

= выбросы CO₂ от потребления предварительно обожженных анодов, тонны CO₂;

MP = общее производство металла, тонны Al;

NAC = нетто-потребление предварительно обожженных анодов на тонну алюминия, тонны С/тонну Al;

S_a = содержание серы в обожженных анодах, вес.%;

Зола_а = содержание золы в обожженных анодах, вес.%;

44/12 = отношение молекулярной массы CO₂ к атомной массе углерода, относительные единицы.

Уравнение 4.19 следует применять для каждого предприятия с предварительным обжигом и суммировать результаты для получения общих выбросов CO₂ в регионе.

Выбросы от сжигания ископаемого топлива, используемого при производстве обожженных анодов, рассмотрены в разделе "Энергетика". Однако два других источника выбросов CO₂ связаны с печами обжига анодов - сжигание летучих веществ, выделившихся при обжиге, и сжигание материала загрузки печи (кокс). Для расчета таких выбросов можно использовать уравнения 4.20 и 4.21.

Уравнение 4.20

Выбросы CO₂ от сжигания летучих веществ

смолы - методы уровня 2 и 3

E_CO2 = (GA - H_w - BA - WT) · 44/12

где:

E_CO2 = выбросы CO₂ от сжигания летучих веществ смолы, тонны CO₂;

GA = начальный вес необожженных анодов, тонны;

H_w = содержание водорода в необожженных анодах, тонны;

BA = вес обожженных анодов, тонны;

WT = собранные отходы дегтя, тонны.

Уравнение 4.21

Выбросы CO₂ от материала загрузки печи

обжига - методы уровня 2 и 3

где:

= выбросы CO₂ от материала загрузки печи обжига, тонны CO₂;

PCC = потребление кокса, тонны/тонну обожженных анодов;

BA = вес обожженных анодов, тонны;

S_pc = содержание серы в коксе загрузки, вес.%;

Зола_рс = содержание золы в коксе загрузки, вес.%.

Выбросы CO₂ от электролизеров Содерберга (VSS и HSS):

Выбросы CO₂ по методу уровня 2 для электролизеров Содерберга рассчитывают по уравнению 4.22. Для метода уровня 2 для некоторых компонентов используются значения по умолчанию. В разделе 4.4.2.2 более детально рассмотрено использование этих параметров.

Уравнение 4.22

Выбросы CO₂ от потребления

анодной массы - методы уровня 2 и 3

где:

= выбросы CO₂ от потребления анодной массы, тонны CO₂;

MP = общее производство металла, тонны Al;

PC = потребление анодной массы, тонны/тонну Al;

CSM = выбросы веществ, растворимых в циклогексане, кг/тонну Al;

BC = содержание связующего в анодной массе, вес.%;

S_P = содержание серы в смоле, вес.%;

Зола_р = содержание золы в смоле, вес.%;

H_P = содержание водорода в смоле, вес.%;

S_c = содержание серы в кальцинированном коксе, вес.%;

Зола_с = содержание золы в кальцинированном коксе, вес.%;

CD = углерод в пыли, отходящей от ванн Содерберга, тонны С/тонну Al;

44/12 = отношение молекулярной массы CO₂ к атомной массе углерода, относительные единицы.

Уравнение 4.22 следует применить к каждому предприятию в регионе, работающему по технологии Содерберга, и суммировать результаты для получения общих региональных выбросов. Можно использовать гибридный метод уровня 2/3, если данные о содержании золы или серы известны не для всех предприятий.

Метод уровня 3

Метод уровня 3 описан в (Межправительственная, 2006).

4.4.2.2 Выбор коэффициентов выбросов CO₂ от производства первичного алюминия

Метод уровня 1 для выбросов CO₂

В таблице 4.10 перечислены коэффициенты выбросов по умолчанию для CO₂ на тонну алюминия. Коэффициенты выбросов 1,6 и 1,7 для технологии предварительного обжига и технологии Содерберга основаны на данных глобального исследования, проведенного Международным институтом алюминия (IAI).

Таблица 4.10

КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЫБРОСОВ CO₂ ДЛЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ АНОДА

ИЛИ АНОДНОЙ МАССЫ, ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ - УРОВЕНЬ 1

--------------------------------

<21> Коэффициенты: выбросов для технологии с предварительным обжигом включают выбросы CO₂ от сжигания летучих веществ смолы и кокса загрузки печи.

Коэффициенты выбросов уровня 2 для оценки выбросов CO₂

Выбросы CO₂ от электролизеров с предварительным обжигом (CWPB и SWPB):

Наиболее важными членами уравнения 4.19 для технологии с предварительным обжигом являются производство металла и нетто-потребление анодов. Данные об этих параметрах для использования метода уровня 2 следует брать у отдельных предприятий. Другие члены уравнения учитывают влияние неуглеродных компонентов анодов (сера, зола и т.п.) и поэтому некритичны. Метод уровня 2 основан на использовании значений по умолчанию из таблиц 4.11 - 4.13. Обычно на предприятиях по производству первичного алюминия ведется учет углерода, израсходованного на тонну продукции алюминия, в виде экономических показателей. На предприятиях, использующих предварительный обжиг анодов, этот параметр называется "нетто-потребление анодов или углерода", а на предприятиях, использующих технологию Содерберга, - "потребление анодной массы".

Выбросы CO₂ от электролизеров Содерберга (VSS и HSS):

Как было отмечено для потребления предварительно обожженных анодов, самыми важными членами уравнения 4.22 являются производство металла и потребление анодной массы. Другие члены уравнения 4.22, которые зависят от количества примесей и небольших изменений в содержании углерода, меньше влияют на результат. Метод уровня 2 предполагает использование значений по умолчанию из таблицы 4.14. Содержание связующего в анодной массе (BC, см. уравнение 4.22) обычно меняется в пределах 1%.

Таблица 4.11

ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ПАРАМЕТРОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ CO₂ ОТ ТЕХНОЛОГИИ

С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ОБЖИГОМ (CWPB И SWPB),

СМ. УРАВНЕНИЕ 4.19 - МЕТОД УРОВНЯ 2

Таблица 4.12

ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ПАРАМЕТРОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ CO₂ ОТ СЖИГАНИЯ ЛЕТУЧИХ

ВЕЩЕСТВ СМОЛЫ (CWPB И SWPB),

СМ. УРАВНЕНИЕ 4.20 - МЕТОД УРОВНЯ 2

Таблица 4.13

ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ПАРАМЕТРОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ CO₂ ОТ ЗАГРУЗКИ ПЕЧИ ОБЖИГА

(CWPB И SWPB), СМ. УРАВНЕНИЕ 4.21 - МЕТОД УРОВНЯ 2

Таблица 4.14

ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ПАРАМЕТРОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ CO₂ ОТ ВАНН СОДЕРБЕРГА

(VSS И HSS) - МЕТОД УРОВНЯ 2

4.4.2.3 Выбор метода для ПФУ

В процессе электролиза глинозем (Al₂O₃) растворяется во фторидном расплаве, который примерно на 80% состоит из криолита (Na₃AlF₆). Перфторуглероды (под термином ПФУ здесь подразумеваются вещества CF₄ и C₂F₆) образуются в реакции углерода анода с расплавом криолита при нарушении технологических параметров процесса, известных как "анодный эффект". Анодный эффект имеет место, когда концентрация глинозема в электролите слишком мала для протекания стандартной анодной реакции.

Методы уровня 2 и 3 для оценки ПФУ основаны на заводских данных об анодном эффекте, которые регулярно собирают. При выборе метода для ПФУ следует знать, что неопределенность, связанная с методикой более высокого уровня намного ниже, чем для уровня 1, поэтому для ключевой категории настоятельно рекомендуется использовать методы уровня 2 или 3. В зависимости от типа технологии неопределенность методов оценки ПФУ меняется от нескольких сот процентов для уровня 1 до менее 20% для уровня 3.

Контакты с производителями первичного алюминия позволят узнать о наличии данных, которые, в свою очередь, определяют метод оценки выбросов. Заводы постоянно (рутинно) измеряют анодные эффекты - в минутах анодного эффекта на ванно-сутки или как избыточное напряжение анодного эффекта. Выбросы ПФУ напрямую зависят от анодного эффекта через коэффициент (либо угловой коэффициент, либо коэффициент перенапряжения). Все заводы ОК РУСАЛ, которая является единственным производителем первичного алюминия в России, выполняют измерения частоты и длительности анодных эффектов, отдельные предприятия измеряют также избыточное перенапряжение анодного эффекта. Излагаемая ниже методика основана на расчете выбросов ПФУ с использованием данных по частоте и продолжительности анодных эффектов. Методика, основанная на использовании данных об избыточном перенапряжении анодного эффекта, приведена в (Межправительственная, 2006).

Метод уровня 1: расчет на основании коэффициентов выбросов специфичных для отдельных технологий

В методе уровня 1 используются коэффициенты выбросов специфичные для отдельных технологий, а именно, для четырех основных способов (CWPB/PWPB, SWPB, VSS и HSS). Выбросы ПФУ можно рассчитать по уравнению 4.23. Уровень неопределенности для метода уровня 1 намного выше, поскольку уровень анодного эффекта на предприятиях (что является определяющим фактором для выбросов ПФУ) не учитывается напрямую. Уровень 1 может соответствовать требованиям эффективной практики, только если выбросы ПФУ от первичного алюминия не относятся к ключевой категории и если предприятия не предоставляют соответствующие данные о процессе.

Уравнение 4.23

Выбросы ПФУ - метод уровня 1

и

где:

= выбросы CF₄ от производства алюминия, кг CF₄;

= выбросы C₂F₆ от производства алюминия, кг C₂F₆;

= коэффициент выбросов по умолчанию для технологии i для CF₄, кг CF₄/тонну Al;

= коэффициент выбросов по умолчанию для технологии i для C₂F₆, кг C₂F₆/тонну Al;

MP_i = производство металла по технологии i, тонны Al.

Метод уровня 2: расчет на основании анодного эффекта

Методики расчета выбросов CF₄ от отдельных заводов уровня 2 и 3 отражают взаимосвязь между анодным эффектом и выбросами CF₄. Эти уравнения включают угловой коэффициент, основанный на прямых измерениях ПФУ. В уровне 2 используется усредненный коэффициент МГЭИК, полученный в результате измерений на нескольких предприятиях, а в уровне 3 используются измерения на отдельном предприятии. Поскольку механизмы процесса возникновения выбросов ПФУ одинаковы для CF₄ и C₂F₆, то эти два газа следует рассматривать вместе при оценке выбросов ПФУ. Во всех методах выбросы C₂F₆ рассчитывают в виде доли от выбросов CF₄.

Уравнение 4.24 используется в том случае, если ведется регистрация анодного эффекта в минутах на ванно-сутки, что соответствует практике предприятий по производству первичного алюминия ОК РУСАЛ.

Угловой коэффициент. Угловой коэффициент равен количеству кг CF₄ на тонну продукции алюминия, деленному на количество минут анодного эффекта на ванно-сутки <22>. Поскольку выбросы ПФУ измеряют по отношению к тонне продукции алюминия, то уравнение включает влияние силы тока на ванну и коэффициент полезного действия тока - два основных фактора, определяющих количество алюминия, производимого в ванне. Уравнение 4.24 описывает метод с угловым коэффициентом для выбросов CF₄ и C₂F₆.

--------------------------------

<22> Термин "ванно-сутки" означает число работающих ванн, умноженное на количество рабочих дней.

Уравнение 4.24

Выбросы ПФУ с использованием углового

коэффициента - методы уровня 2 и 3

и

где:

= выбросы CF₄ от производства алюминия, кг CF_4;

= выбросы C₂F₆ от производства алюминия, кг C₂F₆;

= угловой коэффициент для CF₄ (кг CF₄/тонну Al)/(минуты анодного эффекта/ванно-сутки);

AEM = минуты анодного эффекта на ванно-сутки (минуты анодного эффекта /ванно-сутки);

MP = производство металла, тонны Al;

= весовая доля C₂F₆/CF₄, кг C₂F₆/кг CF₄.

4.4.2.4 Выбор коэффициентов выбросов для ПФУ

Метод уровня 1: расчет на основании коэффициентов выбросов по умолчанию для отдельных технологий

Коэффициенты выбросов МГЭИК по умолчанию для метода уровня 1 и диапазоны неопределенностей для этих коэффициентов выбросов представлены в таблице 4.15 ниже. В таблице 4.16 представлены национальные коэффициенты выбросов для метода уровня 1 и соответствующие им неопределенности. Эти коэффициенты выбросов рассчитывались на основании методики уровня 2 для всех заводов по производству первичного алюминия на территории Российской Федерации и представляют собой среднее значение коэффициентов выбросов для каждой технологии за последние 4 года. Использование национальных коэффициентов выбросов является предпочтительным, так как они учитывают технологические условия производства первичного алюминия в настоящее время в Российской Федерации. За период с 1990 г. коэффициенты выбросов ПФУ снизились более чем на 80%.

Таблица 4.15

КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЫБРОСОВ МГЭИК ПО УМОЛЧАНИЮ И ДИАПАЗОНЫ

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ПФУ ОТ ПРОИЗВОДСТВА

АЛЮМИНИЯ ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ - МЕТОД УРОВНЯ 1

Таблица 4.16

НАЦИОНАЛЬНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ВЫБРОСОВ, РАССЧИТАННЫЕ

ДЛЯ 2012 Г., И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЫБРОСОВ

ДЛЯ РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ПФУ ОТ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ - МЕТОД УРОВНЯ 1

Метод уровня 2: коэффициенты выбросов ПФУ, основанный на взаимосвязи анодного эффекта и выбросов ПФУ

Метод уровня 2 основан на использовании углового коэффициента для конкретной технологии производства алюминия, см. таблицу 4.17. Эти угловые коэффициенты были получены путем измерения выбросов ПФУ и корреляции измеренных выбросов ПФУ с минутами анодного эффекта на ванно-сутки на более чем ста предприятиях по выпуску алюминия. Значения в таблице 4.17 представляют коэффициенты для отдельных технологий, полученные на основании измерений, которые были известны в марте 2005 года, на момент создания руководства МГЭИК. Эффективная практика состоит в использовании самых последних данных для расчета выбросов ПФУ.

Метод уровня 3

Выбор коэффициентов выбросов для метода уровня 3 обсуждается в Руководящих принципах МГЭИК (Межправительственная, 2006).

Таблица 4.17

УГЛОВЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ПФУ

ОТ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ - МЕТОД

УРОВНЯ 2

4.4.2.5 Выбор данных о деятельности

Для применения методов уровня 1 по выбросам СО₂ и ПФУ необходимо собрать статистику производства первичного алюминия по технологиям со всех предприятий региона. Статистика производства первичного алюминия отсутствует в органах Росстата, поэтому обращаться надо непосредственно на предприятия или в ОК РУСАЛ.

В эффективной практике для оценки выбросов ПФУ необходимы точные данные о минутах анодного эффекта на ванно-сутки. Ежегодная статистика должна быть основана на средневзвешенных данных (в пересчете на объем продукции). Эти данные тоже можно получить только на предприятии-производителе или в ОК РУСАЛ. ОК РУСАЛ является единственной компанией - производителем первичного алюминия в Российской Федерации.

Все алюминиевые компании собирают данные, которые пригодны для оценки выбросов CO₂ по методам уровня 2. Заводы, работающие по технологии Содерберга, собирают данные о потреблении анодной массы, а заводы, использующие технологию предварительного обжига, регистрируют данные о потреблении обожженных анодов.

4.4.2.6 Полнота

Предприятия по выпуску первичного алюминия обычно ведут тщательный учет выпуска алюминия в течение всего временного ряда кадастра. Кроме того, данные о потреблении углерода, как правило, также известны для этого периода. Данные об анодном эффекте могут быть известны не для всего временного ряда. Производство первичного алюминия требует большого количества электроэнергии, поэтому следует быть внимательным, чтобы не допустить пропуска диоксида углерода, связанного с затратами электроэнергии, а также двойного учета этого диоксида углерода.