李連得 孔 丹 .營(yíng)口忠旺鋁業(yè)有限公司 .兗礦中科清潔能源科技有限公司

引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的轉(zhuǎn)移，中國(guó)西南和逐漸負(fù)責(zé)大量的鋁電解生產(chǎn)。電解鋁工業(yè)是一個(gè)污染嚴(yán)重、能耗高的傳統(tǒng)行業(yè)，隨著國(guó)家法律法規(guī)和其他監(jiān)督管理政策越來(lái)越嚴(yán)格，必須鼓勵(lì)電解鋁工業(yè)的清潔生產(chǎn)。本文主要解釋了電解鋁工業(yè)的現(xiàn)狀，介紹了促進(jìn)電解鋁清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的行動(dòng)，并為電解鋁公司的清潔生產(chǎn)提供了參考信息。

一、電解鋁工業(yè)的現(xiàn)狀分析

(一)生產(chǎn)能力迅速增長(zhǎng)，已成為生產(chǎn)能力的紅線

中國(guó)鋁工業(yè)是建國(guó)后創(chuàng)立和發(fā)展的，自改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)鋁工業(yè)在鋁工業(yè)優(yōu)先發(fā)展政策的指導(dǎo)下急劇發(fā)展，經(jīng)過(guò)近40年的艱苦努力，原鋁產(chǎn)量到1992年已超過(guò)100萬(wàn)噸，年產(chǎn)量在2001年達(dá)到342.7萬(wàn)噸，使其成為世界第一。自2001年以來(lái)，中國(guó)電化鋁以布洛芬型高速發(fā)展，2020年未加工鋁產(chǎn)量達(dá)到3 725萬(wàn)噸，占當(dāng)時(shí)全球鋁產(chǎn)量的57%。2021年由于受到“碳達(dá)峰、碳中和”政策的影響，國(guó)家近4 200萬(wàn)噸紅線已經(jīng)劃定，各地受完成“碳排放以及節(jié)能降耗雙控指標(biāo)”壓力，開(kāi)始限制高耗能電解鋁企業(yè)，逐步向水電豐富的云南、東南亞轉(zhuǎn)移產(chǎn)能。

(二)消費(fèi)量隨產(chǎn)量同步增加

中國(guó)電解鋁工業(yè)的增長(zhǎng)就像鋁產(chǎn)量逐年增加一樣，中國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)快速發(fā)展，特別是在過(guò)去十年，推動(dòng)了鋁消費(fèi)行業(yè)的高速增長(zhǎng)。原鋁消費(fèi)量從2010年的1 683.9萬(wàn)噸上升到2020年的3 716.7萬(wàn)噸。

(三)消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化

新基建、職能電網(wǎng)、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電、新能源汽車(chē)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為拉動(dòng)鋁消費(fèi)的新動(dòng)能。中國(guó)鋁消費(fèi)量逐年增加，已經(jīng)是世界頭號(hào)鋁消費(fèi)國(guó)，2016年中國(guó)人均消費(fèi)量為12.5千克，高于世界平均水平(10千克/人/年)，但低于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)的鋁結(jié)構(gòu)與發(fā)達(dá)國(guó)家的鋁消費(fèi)水平存在一定差異，中國(guó)鋁工業(yè)仍有進(jìn)一步改善和發(fā)展的空間。

(四)淘汰落后生產(chǎn)能力，應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)

在2020年中國(guó)電解元件的生產(chǎn)能力中，400KA、500KA和600Ka溝槽類型已經(jīng)占了總生產(chǎn)能力的大部分。新上電解槽系列均為500KA及以上大容量電解槽。外補(bǔ)償、石墨化陰極、磷生鐵澆鑄將成為今后發(fā)展的趨勢(shì)，此種配置的電解槽電流效率可長(zhǎng)期控制住在94%以上、直流電耗12 600以下。在增加單罐產(chǎn)量的同時(shí)，單罐鋁原料的直流能耗和鋁錠的總交流能耗水平將大大降低。

二、現(xiàn)階段電解鋁企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的問(wèn)題

(一)操作人員缺乏新設(shè)備創(chuàng)新緩慢矛盾的凸顯

隨著時(shí)代的發(fā)展，目前從事電解工崗位的人員年齡逐步出現(xiàn)老齡化現(xiàn)象，90后、00后新生一代愿意從事該崗位的人員越來(lái)越少，每年的夏季各大鋁廠均出現(xiàn)電解工大量缺員的現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)電解車(chē)間換極、材料輸入、罐面維護(hù)和電解罐巡邏自動(dòng)化水平仍然很低，大多數(shù)手工操作仍然需要。電解車(chē)間的工作仍然屬于勞動(dòng)密集型工作。近幾年隨著自動(dòng)母線框架、天車(chē)加料系統(tǒng)的不斷普及，以及凈化系統(tǒng)的不斷提升，現(xiàn)場(chǎng)員工的作業(yè)環(huán)境有所提升，勞動(dòng)強(qiáng)度有所降低，但電解車(chē)間環(huán)境溫度高、自動(dòng)化程度低的現(xiàn)狀依舊存在，設(shè)備自動(dòng)化問(wèn)題仍然需要進(jìn)一步解決。

(二)固廢處置技術(shù)支撐能力有待加強(qiáng)

電解生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體廢物為氟化氫、粉塵、二氧化硫氣體，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有凈化水平已經(jīng)能較好的實(shí)現(xiàn)氟化氫氣體、粉塵的回收利用，二氧化硫氣體的固化工作也能較好的實(shí)現(xiàn)，但產(chǎn)生的次生廢物-脫硫渣，目前仍以固體廢物填埋為主，下游原材料為輔。電解槽廢舊陰極、大修渣、碳渣浮選出的碳泥的處置技術(shù)也僅僅是將危廢變成一般固廢，且該一般固廢依舊是以填滿為主，且大修渣處理處置費(fèi)用極高。另外鋁灰(二次灰)的處置工作，目前資源化利用利用率極低。國(guó)內(nèi)研究廢物處置的機(jī)構(gòu)、高校、科研單位較多，較為成熟的技術(shù)尚且極為缺乏。

(三)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展體制尚未形成

目前，循環(huán)經(jīng)濟(jì)主要是以公司層面的模式公司的清潔生產(chǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)污染控制措施和典型的資源內(nèi)部循環(huán)利用方法發(fā)展起來(lái)的，但區(qū)域循環(huán)經(jīng)濟(jì)尚未形成。適合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的制度和運(yùn)行機(jī)制首先要包括政府負(fù)責(zé)的制度，包括促進(jìn)資源循環(huán)利用和保護(hù)資源的機(jī)制，制度和機(jī)制要充分利用循環(huán)經(jīng)濟(jì),這是走新型工業(yè)化道路的根本保證,也是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)進(jìn)入宏觀經(jīng)濟(jì)政策核心體系的根本保證。如果將生態(tài)環(huán)境和自然資源排除在宏觀經(jīng)濟(jì)因素之外，經(jīng)濟(jì)管理不解決體制機(jī)制問(wèn)題，循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可持續(xù)發(fā)展只是一種理念。

三、電解鋁行業(yè)礦石需求分析

中國(guó)的鋁土探明儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的2.96%，同時(shí)，消耗了50%以上的世界礦物，生產(chǎn)了50%以上的電解鋁。目前，中國(guó)對(duì)鋁資源的依賴越來(lái)越依賴外部世界，資源瓶頸問(wèn)題越來(lái)越明顯。隨著電解鋁行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，中國(guó)最好的行業(yè)公司越來(lái)越多地采用戰(zhàn)略走出去，開(kāi)拓非洲、澳洲、東南亞氧化鋁礦市場(chǎng)，利用先進(jìn)的海運(yùn)系統(tǒng)將氧化鋁礦石運(yùn)輸?shù)街袊?guó)后，在中國(guó)建設(shè)氧化鋁分廠，氧化鋁分廠產(chǎn)生的赤泥的處置，仍需要技術(shù)的不斷提升。

四、清潔生產(chǎn)對(duì)電解鋁產(chǎn)業(yè)的影響

(一)生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備對(duì)電解鋁產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高

近幾年隨著凈化設(shè)備的提高，電解槽集齊回收效果明顯提高，電解粉塵、氟化氫氣體排放指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，氟化鹽單耗明顯降低，先進(jìn)企業(yè)可長(zhǎng)期將氟化鹽單耗控制在14.5Kg/t.al以內(nèi)，較之前18-20Kg/t.al，噸鋁成本降低50元。氧化鋁稀相輸送逐步改為氣墊式皮帶輸送，降低了氧化鋁的飛揚(yáng)損失減少了氧化鋁的粉碎程度，有利于氧化鋁單耗的降低，以及電流效率的提升，均不同程度降低噸鋁成本。自建碳素廠的電解鋁企業(yè)還可以使用氧化鋁粉作為吸附瀝青煙、焙燒煙氣，減少煙氣的無(wú)組織排放，另外還可以大量節(jié)省煙氣吸附劑，同時(shí)還減少了固化劑的使用與固體廢物的產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。碳渣浮選及時(shí)的運(yùn)用，可將電解產(chǎn)生的碳渣中的冰晶石回收，回收率達(dá)到70%，大量節(jié)省了物料成本，同時(shí)大幅度減少固體廢物的產(chǎn)生。

(二)減少資源和能源消耗

(1)電力。生產(chǎn)一噸鋁大約需要14 000千瓦小時(shí)的電力，電價(jià)約占電解鋁成本的40 %。鋁電解生產(chǎn)的能源消耗直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，甚至成為一些企業(yè)維持生產(chǎn)的決定性因素。每噸鋁的直流電流消耗是判斷電解槽運(yùn)行狀況的最直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，主要取決于電解槽電壓和電流效率。電解槽的電流消耗可通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中：w—DC耗電量，千瓦時(shí)/千克-鋁；

V—平均電壓，v；

n—電流效率，%。

上述公式表明，通過(guò)降低電解室平均電壓或提高電流效率，可以降低鋁電解生產(chǎn)能耗。除了降低電解室平均電壓之外，還主要有電解室效應(yīng)電壓、有效極距電壓、陰極電壓、陽(yáng)極電壓等。降低槽電壓一般是從以上幾個(gè)步驟進(jìn)行。陽(yáng)極效應(yīng)分布電壓主要通過(guò)降低陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)、作用時(shí)間和效應(yīng)幅度來(lái)降低，隨著氧化鋁供料系統(tǒng)的逐步提升，以及電解槽槽控技術(shù)的不斷優(yōu)化，陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)基本更定，可進(jìn)步的空間不大。隨著石墨化陰極、大尺寸鋼棒以及磷生鐵澆鑄技術(shù)的逐步應(yīng)用，陰極壓降大幅度下降，拿某電解廠500Ka電解槽為例，電解一系列采用50%石墨質(zhì)、普通扎固方式、傳統(tǒng)鋼棒，電解槽運(yùn)行3年后爐底壓降平均在330mv，而采用新技術(shù)的電解槽爐底壓降均在185mv以下，噸鋁電耗可下降近450Kwh/t.al.另外新的外補(bǔ)償技術(shù)，可明顯降低電解槽鋁液波動(dòng)程度，電解槽形成較為規(guī)程的爐膛內(nèi)型，在電壓不變的情況下，有效電流密度明顯提升，電流效率明顯提升，噸鋁電耗指標(biāo)進(jìn)一步降低。各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到一等潔凈生產(chǎn)水平。

(三)采用新材料新技術(shù)延長(zhǎng)電解元件的使用壽命

電解電池壽命是一項(xiàng)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從行業(yè)認(rèn)可的角度來(lái)看，大修材料質(zhì)量、爐結(jié)構(gòu)質(zhì)量、啟動(dòng)質(zhì)量和后期管理占電解電池罐總壽命的25%。電解室的使用壽命與大修成本、啟動(dòng)成本、鋁生產(chǎn)、固體廢物的質(zhì)量、處理和排放有關(guān)，對(duì)電解鋁裝置的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響顯著。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用許多低成本的替代品來(lái)延長(zhǎng)電解室的使用壽命。

五、結(jié)語(yǔ)

總之，作為一個(gè)傳統(tǒng)的高能效、高污染和高排放行業(yè)，國(guó)家對(duì)電解鋁行業(yè)的監(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)格。電解鋁公司必須采取措施，通過(guò)技術(shù)條件、原材料質(zhì)量管理、節(jié)能環(huán)保設(shè)備進(jìn)入、設(shè)備維修等清潔生產(chǎn)措施，提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，促進(jìn)電解鋁產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。