近日，澳大利亚研究人员首次展示了一种约在950°C的温度下进行，用于煅烧氧化铝的新型太阳能反应器，并将利用太阳能进行氧化铝精炼这一技术用于商业化。
澳大利亚Pinjarra氧化铝精炼厂(图片来源：Alcoa)
据了解，澳大利亚约有27％的工业碳排放来自于氧化铝精炼厂，其中加热工艺以燃烧化石燃料为主；但集中的太阳能供热（CST）可以提供所需热量的一半。
文章指出，研究人员在实验室规模上表明，在这种高温太阳煅烧炉中进行3秒钟即可实现高达96％的良好转化率，而无需预热过程。这表明通过预热-良好的转化率进行大规模商业化使用，在技术上是可行的。另外，使用太阳能本身还可避免燃烧天然气引起的燃烧产物污染，更有利用于改善氧化铝的质量。
走向商业化
此外，澳大利亚的新南威尔士大学（UNSW）及包括美铝、CSIRO、ITP Thermal、Hatch等公司的太阳能研究人员正在研究如何使太阳能煅烧工艺商业化；评估商业氧化铝设施中潜在的太阳煅烧的经济和技术细节。一项为期五年的研究项目也正在进行中。
该项目负责人Woei Saw博士表示：该研发团队有约30名员工，10名博士生。该项目中的三个计划着重于研究集成太阳能供热技术，以替代目前用于拜耳法生产氧化铝精炼工艺50％的化石燃料。
阿德莱德大学能源技术中心的创始主任Graham·Gus·Nathan教授表示：“我们计划将利用槽式或塔式太阳能光热技术，并配置蓄热，再与另一种低碳能源互补，研发一种新型太阳能煅烧反应器。”
他表示，槽式和塔式太阳能热技术都已在电力部门进行了商业演示，但尚未集成到拜耳法生产氧化铝等大型工业流程中。因此，我们的技术评估正在确定将太阳热能集成到这一新过程中的商业吸引力途径。2019年10月在韩国举行的SolarPACES大会上，展示了将聚光太阳能整合到拜耳法氧化铝工艺中的技术可行性报告。
铝土矿如何制成铝
自1880年以来，铝土矿就用相同的基本步骤制造了铝，尽管此后铝效率一直在不断提高。首先使用拜耳法将铝土矿精炼成氧化铝（氧化铝），然后通过霍尔-赫罗尔特冶炼工艺将其转变为铝。
在拜耳法中，铝土矿被压碎并磨碎，然后作为浆液过滤并泵送通过一系列六层高的沉淀池，这是一个耗能高的过程，需要电力和中温（通常在140°C至300°C之间）。
对于此第一步，可再生能源咨询机构ITP的太阳能研究专家KeithLovegrove带领的项目团队评估了如何最佳地整合槽式或塔式集中式太阳能集热技术来提供低温热量产生蒸汽。据悉，这些评估已经完成，并将很快通过阿德莱德大学网站发布。
第二步，来自CSIRO的RobbieMcNaughton带领他的团队评估天然气的太阳能转化方案。该过程通过将天然气和蒸汽（可能还带有二氧化碳）转化为合成气，以化学形式存储太阳能。通常，利用太阳能可以将燃料的能量含量提高约20-30％。CSIRO一直在进行太阳能重整技术的研发，目前该项目评估了如何以经济有效的方式进行整合，已经确定了储存太阳能和整合燃料的新方法，并将在短期内发布报告。
与蒸汽不同，没有任何商业或中试规模的太阳能技术可用来煅烧氧化铝，而氧化铝需要加热才能在约950°C的温度下进行化学反应。因此Nathan的团队一直在探索几种方法来执行此操作，并使用获得专利的固体颗粒反应器的太阳能塔技术进行反应。
Woei Saw指出：高温过程是该过程中最具挑战性的步骤。虽然它不是铝生产中温室气体排放的最大贡献者，但它仍然很重要，并且可以说是实现碳中和生产所需的最具挑战性的步骤。
最好从头开始还是进行改造？
观察者认为，无论是新的还是翻新的，对一家公司都很重要。虽然可能面临高昂的资本成本和改造的风险，但改造将延长工厂的寿命。改造是可行的，只需对炼油厂过程进行最少的更改即可。从长远来看，有一个“绿地”站点有可能获得更大的收益和更好的经济性。这可能在经济上更具吸引力，也更具可持续性，但是只有在技术被证明后才是现实的。这就是研究人员在煅烧步骤中同时考虑这两种选择的原因。这种双重方法增加了项目的复杂性，因为研究人员从开始使用太阳能，从源头上设计就是无污染绿色的氧化铝加工厂，并考虑了其工程建设和经济性，同时还评估了在现有氧化铝加工设施配置旁边“加强”太阳能工厂的能力。
Woei Saw说：“该（太阳能）工厂本身约为一平方公里，通常煅烧步骤在一侧，因此可以合理地接近太阳能。但如何集成仍然是一个非常具有挑战性的问题。要将热源连接到现有工厂，不但需要建造大型管道和输送热物料，例如热空气，还可能是一个非常昂贵的过程，因此集成步骤对任何选项的潜在可行性都有很大影响。”
Saw的团队一直在评估重新配置的“太阳能氧化铝”设施的经济性和技术可行性。他说：“我们正在特别关注的一件事，是将炉子放到到塔上还是将塔架的热量传回炉子将更可行？”
澳大利亚拥有广阔的土地，拥有世界上最好的太阳能热能资源，铝土矿可以在这片巨大的大陆上的许多地方找到。但令人遗憾的是，早期的氧化铝加工厂是在没有考虑太阳能资源的情况下选址的。（翻译如有不足，敬请指正）
