东北大学：废铝再生技术发展前沿《Process Safety and Environmental Protection》

——导读——

　　电解铝能耗极高，近年来，汽车轻量化与清洁能源的爆发式应用持续推高铝需求，给“双碳”目标带来前所未有的压力。回收废铝合金（SAA）已成为电解铝行业削减能耗与碳排的核心抓手。本文系统梳理了SAA回收现状，深度剖析行业痛点，并指出“升级再造—将SAA精炼为纯铝”是构建低碳铝循环最具潜力的路径。随后，全面评述了该路径的各类技术，从原理、优势、瓶颈到作用机制逐一解析。最后，本文强调SAA升级再造的战略意义，并展望低能耗、高效率、近零排放的未来方向，以期为SAA的高值化利用与高质量铝回收提供理论基石和实践指南。

　　图文链接：A review of research progress in upcycling technology for scrap aluminum alloys

　　https://doi.org/10.1016/j.psep.2025.107588

　　——摘要——

　　原铝与SAA在排放与能耗上的巨大差异，使SAA成为循环经济的关键支点，亦是可持续冶金研究的核心议题。按回收产品价值，SAA回收可分为降级利用（Capuzzi&Timelli,2018）、闭环回收（Niero et al.,2016）与升级再造。前两者已有大量文献探讨，而针对SAA升级再造方法与技术的系统性总结仍属空白。常见升级再造技术涵盖偏析（定向凝固、分步凝固、区域熔炼）、减压蒸馏、电解精炼与选择性液化。偏析借助凝固时成分再分布实现提纯；减压蒸馏利用蒸气压差异分离铝与杂质，但仍处实验阶段；电解精炼（有机溶液、离子液体、熔盐）则基于电位差回收高纯铝；选择性液化依托溶解度差异提取铝，常与减压蒸馏或偏析耦合。基于上述进展，本文梳理了SAA回收的现状与挑战，系统综述了SAA升级再造制备纯铝的各类技术，总结其优势与局限，并展望该领域的未来前景，旨在为废铝高值化利用与高质量回收提供理论基础和实践指南。

　　——背景——

　　铝因其密度低、导电优、延展好、耐蚀强且还原性显著，已广泛渗透航空、汽车、建筑及耐用品等各大产业（Chen et al.,2023；Li et al.,2024a）。目前，原铝的唯一工业化生产途径仍为霍尔–埃鲁法——在高温熔盐中电解氧化铝制取铝液（Li et al.,2023；Yang et al.,2024a）。近年来，汽车轻量化与光伏、风能等清洁能源的爆发式应用，使铝需求激增，电解铝行业随之高速扩张。图1显示，2003—2023年全球原铝产量持续攀升；2023年达6812万t，铝已成为仅次于钢铁的第二大金属（Wang et al.,2024a）。其中，中国产铝4159万t，占全球61.17%。

　　然而，电解铝属典型高耗能流程，受工艺本质所限，碳排放极为可观（Lin&Xu,2015）。每生产1 t电解铝排放CO₂逾15 t，约为钢铁的6倍（Saevarsdottir et al.,2020；Wang et al.,2024a）。国际能源署（IEA,2024a）指出，该行业2023年排放占全球总量约3%。为应对气候危机，《巴黎协定》（2015）设定“将全球升温控制在工业化前2°C以内，并力争1.5°C”的目标，要求各国于本世纪中叶实现碳中和。美国承诺2030年温室气体较2005年减排50–52%（Wang et al.,2024b）；欧盟拟于2050年相对1990年减排80–90%（Neves et al.,2020）；日本亦提出2030年较2013年减排46%，并2050年实现碳中和（Kawasaki et al.,2025）。在“双碳”战略驱动下，原铝行业的绿色低碳转型已成全球共识。国际铝业协会（IAI,2021）在《2050铝业温室气体路径》中提出：铝行业温室气体需削减77%，CO₂排放应从当前的11亿t降至2.5亿t。然而，到2050年全球铝需求预计还将增长80%，这对行业减排提出严峻而紧迫的挑战。

　　铝合金耐蚀性能卓越，服役阶段损耗极低（Zou et al.,2024；Gruber et al.,2020）。其“永久金属”属性使固有性能在反复回收中得以保留，可持续循环成新产品（Raabe et al.,2022）。废铝合金（SAA）由“新废”与“旧废”构成：新废源于熔炼、铸造、轧制及深加工过程，结构规整、成分单一；旧废则来自各类报废铝制品，来源复杂（Rahim et al.,2015；Medina,1998）。相较原铝，SAA回收的碳排放仅为3–5%，能耗约6%（European Aluminium Association,2024），可显著优化铝业的能源与碳足迹，提升其可持续性。

　　——主要图文——

图1 2003–2023 年全球原铝产量（数据来源：国际铝业协会，2024a）。

图2 (1) 2002–2022 年中国及全球废铝合金（SAA）产量；(2) 2022 年 SAA 来源构成（国际铝业协会，2023）。

图4 (1) 实验流程示意；(2) 上层 Al-Si 合金中富 Si、富 Fe 相分布的电子探针（EMPA）图像；(3) 底部富 Si、富 Fe 相分布的能量色散 X 射线光谱（EDS）图（Bao et al., 2018）。

图5 (1) ALCOA 工艺；(2) Corus 工艺；(3) 冷却指工艺；(4) Pechiney 工艺示意图（Curtolo et al., 2021）。

图6 (1) 区域熔炼原理；(2) 杂质分离过程示意（Wan et al., 2020b）。

图7 (1) 减压蒸馏装置示意（1 热电偶，2 结晶器，3 进料舟，4 进水口，5 出水口，6 硅碳棒）；(2) 不同元素的蒸气压对数-温度关系（Curtolo et al., 2021）。

图12 (1) 选择性液化将 SAA 升级再造为高纯铝流程（Me 为金属介质）；(2) 废 Al-Si-Fe 合金显微组织、XRD 谱与 EDS 能谱；(3) 废 Al-Si-Fe 合金在 Mg 熔体中的演变示意（Gao et al., 2017）。

　——结论——

　　降级回收的废铝合金（SAA）市场已趋饱和，而传统重熔工艺在可持续层面的局限日益凸显，铝回收行业亟需向“升级再造”战略转型。本文系统梳理了可将SAA提纯至纯铝水平的现有技术路线，并对其能耗、纯度及放大潜力进行了横向比较。偏析法：能耗最低（0.5–7 kWh/kg Al），可将铝纯度提升至>99.5 wt%，但对分配系数K≥1的杂质束手无策，限制了规模化应用。•选择性液化：产率高，却面临有害介质分离的复杂后处理难题。•真空蒸馏：几乎可完全去除挥发性杂质，但能耗高昂（>12 kWh/kg Al）。•歧化与电解精炼：两者均能实现近全杂质去除。歧化能耗高（>10 kWh/kg Al）且回收率低；电解精炼能耗跨度大（1.8–22 kWh/kg Al），取决于电解质、槽型及操作参数。其中，低温熔盐电解精炼被公认为折中最佳：在中等能耗（2.9–8.5 kWh/kg Al）下即可产出99.9 wt%的高纯铝，惟目前仍停留在实验室规模。•新兴物理法：半固态反向挤压、半固态超重力纯化等概念验证研究在回收率与能耗方面表现亮眼，但尚待进一步开发。

　　短期内，传统重熔仍将主导SAA回收——其经济性与低能耗优势仍难撼动。对于杂质浓度高、成分复杂的SAA，升级再造技术仅充当补充角色。然而，随着降级料不断累积，升级再造终将成为行业主流。低温熔盐电解精炼凭借优异的原料适应性与可接受的能耗，最具产业化潜力。未来研究应聚焦：工艺优化——针对不适于重熔的SAA，在保持回收率>90%的前提下，将铝纯度提升至99.9 wt%以上；槽体设计——实现连续化、规模化操作，并开发耐杂质、低成本电解质；协同机制——在分离、减压蒸馏、选择性液化等受本征限制的工艺中，构建多杂质同步脱除的新路径。在全球迈向可持续发展的共识下，推动SAA升级再造不仅是闭合铝循环、降低铝土矿依赖的关键，更是铝行业减能耗、减排放的必由之路。