電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)案例分析及推行建議

沈忱，周長波*，李旭華，裴倩倩，朱寧芳，李梓，黨春閣，方剛

1．中國環(huán)境科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)中心，北京 100012

2．寧夏回族自治區(qū)中寧縣環(huán)境保護(hù)局，寧夏中衛(wèi) 755100

電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)案例分析及推行建議

沈忱1，周長波1*，李旭華1，裴倩倩1，朱寧芳2，李梓1，黨春閣1，方剛1

1．中國環(huán)境科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)中心，北京 100012

2．寧夏回族自治區(qū)中寧縣環(huán)境保護(hù)局，寧夏中衛(wèi) 755100

基于我國電解鋁行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了剖析，指出在全行業(yè)開展清潔生產(chǎn)審核是實(shí)現(xiàn)電解鋁行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。某電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)審核案例表明，從開始開展清潔生產(chǎn)審核到方案實(shí)施完成，在生產(chǎn)全過程中提升了企業(yè)的污染減排能力，提高了資源能源的利用效率，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。通過對企業(yè)清潔生產(chǎn)審核成果進(jìn)行總結(jié)和凝練，從政策引導(dǎo)、技術(shù)研發(fā)和樹立典范等方面提出了在電解鋁行業(yè)推行清潔生產(chǎn)的建議。

清潔生產(chǎn);電解鋁行業(yè);節(jié)能;降耗

近十幾年來，我國有色金屬行業(yè)迅猛發(fā)展，其中鋁工業(yè)的發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)“井噴狀”，2001年我國原鋁產(chǎn)量達(dá)到342．7萬t，躍居世界第一位;2005年底，我國的氧化鋁、電解鋁和鋁加工的產(chǎn)量分別為851萬、781萬和648萬t;截至2010年，我國原鋁產(chǎn)量1 696萬t，仍居世界第一［1］。由于鋁工業(yè)近10年來的高速發(fā)展，其深層次矛盾逐漸凸顯，產(chǎn)能過剩、無序發(fā)展等問題突出［2|3］。在電解鋁生產(chǎn)成本中，電力成本占45%左右，比例最高。2012年以來，隨著國內(nèi)電價(jià)提升以及鋁行業(yè)產(chǎn)能的過度擴(kuò)張［4］，鋁冶煉企業(yè)利潤大幅下降，電解鋁行業(yè)普遍虧損。因此，節(jié)約能源、降低消耗，走可持續(xù)發(fā)展道路將成為電解鋁行業(yè)發(fā)展的必然選擇，而清潔生產(chǎn)是實(shí)施該戰(zhàn)略的最佳途徑［5］。

清潔生產(chǎn)是一種創(chuàng)造性的思想，該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程、產(chǎn)品和服務(wù)過程中，以期提高生態(tài)效率并降低對人類和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)［6］。實(shí)行清潔生產(chǎn)審核是推行清潔生產(chǎn)最有效的途徑，以“節(jié)能、降耗、減污、增效”為目標(biāo)［7|8］，通過開展清潔生產(chǎn)審核對行業(yè)內(nèi)全部企業(yè)進(jìn)行整改，既能夠切實(shí)做到節(jié)能減排，又可提高企業(yè)物料和能源的使用效率，做到真正降低鋁電解成本［9］，將對中國電解鋁行業(yè)的戰(zhàn)略布局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。筆者對寧夏某電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)審核案例進(jìn)行詳細(xì)解析，并在此基礎(chǔ)上提出電解鋁行業(yè)的清潔生產(chǎn)推行建議。

1 案例分析

1.1 企業(yè)基本情況

企業(yè)于2010年底投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量31．5萬t，主產(chǎn)品為重熔合金鋁錠，較為單一，附加值低。生產(chǎn)工藝采用熔鹽電解法(Hall|Heroult法)［10］，可簡述為:溶解在熔融氟化鹽電解質(zhì)中的氧化鋁在直流電的作用下，在陽極上析出CO2，在陰極上析出金屬鋁液。液態(tài)原鋁經(jīng)抬包拖車運(yùn)至固定式電加熱混合爐中，再經(jīng)過攪拌、靜置、扒渣、鑄造等過程后，加印標(biāo)記、堆垛和打捆，每塊鋁錠質(zhì)量為(25．5±1．5)kg，每捆質(zhì)量為1 078～1 170 kg。

企業(yè)規(guī)模較大，核心設(shè)備包含282臺NEUI400高能效預(yù)焙陽極鋁電解槽(東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院研發(fā)設(shè)計(jì))。該大型化、高能效的鋁電解槽采用全石墨化陰極及優(yōu)質(zhì)內(nèi)襯、母線設(shè)計(jì)，具有優(yōu)化的電解槽“物理場”配置、新型管桁架上部結(jié)構(gòu)技術(shù)、電解槽槽殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)和優(yōu)異的車間通風(fēng)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬技術(shù)等，可提升車間通風(fēng)度、電解煙氣集氣效率及各項(xiàng)電解技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與傳統(tǒng)的鋁電解槽相比可完全做到節(jié)能、減污、經(jīng)濟(jì)、適用。這種規(guī)?；a(chǎn)和新型設(shè)備配置模式，是未來電解鋁行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向。

1.2 企業(yè)主要污染物及治理措施

1.2.1 企業(yè)主要污染物

企業(yè)污染物除少量的電解槽大修廢渣外，主要以大氣污染物為主，包括電解煙氣和原料貯運(yùn)過程中產(chǎn)生的少量粉塵，其中電解煙氣中的氟化物、CF4、C2F6、金屬氧化物粉塵等都屬于重污染物。

1.2.2 企業(yè)污染物治理措施

電解鋁行業(yè)同時(shí)面臨著資源高強(qiáng)度消耗和重污染物排放的雙重壓力，迫切需要選擇清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略發(fā)展模式。目前，國內(nèi)電解鋁企業(yè)的煙氣均采用氧化鋁吸附干法凈化方法處理，成熟、高效，可將污染物產(chǎn)生量和排放量控制在最低水平［11］。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示，企業(yè)電解車間經(jīng)捕集后的電解煙氣通過排煙管網(wǎng)進(jìn)入干法凈化系統(tǒng)進(jìn)行處理，凈化系統(tǒng)氟化物凈化效率可達(dá)98．5%，布袋除塵器收塵效率在99%以上，經(jīng)凈化處理后的各項(xiàng)污染物排放濃度均達(dá)到GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)。

表1 企業(yè)鋁電解煙氣污染物治理情況Table 1 The treatment status of aluminum reduction gas

1.3 清潔生產(chǎn)對標(biāo)分析及確定審核重點(diǎn)

企業(yè)以HJ/T 187—2006《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)電解鋁業(yè)》［12］為依據(jù)進(jìn)行清潔生產(chǎn)對標(biāo)分析，確定急需重點(diǎn)解決的審核關(guān)鍵，確定本輪審核重點(diǎn)后，設(shè)定符合企業(yè)實(shí)際情況的清潔生產(chǎn)目標(biāo)。

1.3.1 清潔生產(chǎn)對標(biāo)分析

對標(biāo)分析(表2)顯示，企業(yè)總體清潔生產(chǎn)水平處于中等偏上，在產(chǎn)能、工藝、污染物處理及廢物回用方面均達(dá)到一級水平。未達(dá)到電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)一級標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要有3項(xiàng):1)企業(yè)陽極凈耗較高，電流效率較低，僅達(dá)到清潔生產(chǎn)三級指標(biāo);2)企業(yè)原鋁直流電耗達(dá)到清潔生產(chǎn)二級指標(biāo)，還有提升空間;3)全氟產(chǎn)生量僅超清潔生產(chǎn)一級指標(biāo)0．2 kg/t，改善空間較小。

表2 HJ/T 187—2006《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)電解鋁業(yè)》對標(biāo)情況Table 2 The benchmarking analysis of Cleaner Production Standard|Aluminum Electrolytic Industry(HJxA 1/T187|2)

未達(dá)到電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要有3項(xiàng):1)氟化鹽上料方式為人工操作，未達(dá)標(biāo)，但由于企業(yè)所在地區(qū)人力成本較低，而大型機(jī)械化設(shè)備價(jià)格較高，且改變之后相對經(jīng)濟(jì)效益不明顯，因此更改可能性較低;2)企業(yè)部分電解槽集氣罩板損壞，密閉性不好，車間內(nèi)可見煙氣泄漏，電解煙氣凈化系統(tǒng)未達(dá)標(biāo);3)企業(yè)電解生產(chǎn)過程中粉塵產(chǎn)生量過高，未達(dá)標(biāo)。

可見，企業(yè)在運(yùn)用成熟工藝和較大型設(shè)備的基礎(chǔ)上，電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的部分指標(biāo)是較容易達(dá)到的。

1.3.2 確定審核重點(diǎn)

清潔生產(chǎn)審核工作人員參照清潔生產(chǎn)對標(biāo)情況，通過行業(yè)調(diào)研、專家咨詢及對企業(yè)生產(chǎn)全過程的現(xiàn)場考察和產(chǎn)排污狀況評價(jià)，確定電解車間為審核重點(diǎn)。

1.3.3 設(shè)定清潔生產(chǎn)目標(biāo)

從優(yōu)化生產(chǎn)過程的角度出發(fā)，本輪清潔生產(chǎn)審核的目的在于降低資源、能源的消耗，同時(shí)提高企業(yè)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益，而清潔生產(chǎn)目標(biāo)的設(shè)置便于對清潔生產(chǎn)審核目的的實(shí)現(xiàn)效果做出定量評價(jià)。因此，根據(jù)企業(yè)的集氣罩板密封不嚴(yán)、粉塵產(chǎn)生量較大等問題設(shè)立了清潔生產(chǎn)目標(biāo)(表3)。

表3 清潔生產(chǎn)目標(biāo)Table 3 Cleaner production objective summary

1.4 清潔生產(chǎn)方案實(shí)施及目標(biāo)完成情況

1.4.1 清潔生產(chǎn)方案的提出與匯總

經(jīng)清潔生產(chǎn)對標(biāo)分析，企業(yè)找到了在設(shè)備、工藝、技術(shù)等方面需要提升的方向。同時(shí)，通過收集國內(nèi)外同行業(yè)先進(jìn)技術(shù)、組織行業(yè)專家進(jìn)行技術(shù)咨詢、發(fā)動全體員工提出合理化建議等方式共征集研制出564項(xiàng)清潔生產(chǎn)方案。其中，中/高費(fèi)方案4項(xiàng)(表 4);無低費(fèi)方案560項(xiàng)，如利用電解槽換出的熱殘極來替代電加熱器進(jìn)行大修后出鋁抬包的烘烤;規(guī)范電解車間操作，將清理抬包等粉塵量產(chǎn)生較大的工序移至專門車間并增設(shè)除塵器，減少粉塵產(chǎn)生量;增加碳素陽極保護(hù)環(huán)，延長陽極使用周期，降低陽極碳素單耗;定期做氟平衡，尋找原料流失處，提高原料利用率等。

表4 中/高費(fèi)方案匯總Table 4 Medium/high cost project summary

1.4.2 清潔生產(chǎn)方案的篩選與實(shí)施

為確認(rèn)清潔生產(chǎn)方案的技術(shù)可達(dá)性、環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)可行性，企業(yè)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員及行業(yè)工藝技術(shù)專家根據(jù)技術(shù)可行、環(huán)境效果、經(jīng)費(fèi)投資與效益等條件，對已匯總的無低費(fèi)方案進(jìn)行篩選、中/高費(fèi)方案進(jìn)行詳細(xì)分析論證，共去除32項(xiàng)不可行的無低費(fèi)方案。

企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對于審核最終提出的各項(xiàng)方案表示高度重視，為確保其順利實(shí)施，在資金籌措、人員配置、場地考察、設(shè)備選型等方面都給予了全力支持。該輪審核共實(shí)施了532項(xiàng)清潔生產(chǎn)方案，包括528項(xiàng)無低費(fèi)方案、3項(xiàng)中/高費(fèi)方案以及1項(xiàng)正在實(shí)施過程中的中/高費(fèi)方案。

1.4.3 清潔生產(chǎn)目標(biāo)完成情況

通過清潔生產(chǎn)方案的實(shí)施，企業(yè)審核后的指標(biāo)情況見表5。由表5可見，完全達(dá)到了清潔生產(chǎn)審核近期目標(biāo)的要求。

表5 清潔生產(chǎn)目標(biāo)完成情況Table 5 The completion of cleaner production objective

盡管企業(yè)做出了很大的方案整改和資金投入，但仍有部分指標(biāo)未達(dá)到清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)一級水平，如電流效率等，比對同行業(yè)各大企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況，該項(xiàng)指標(biāo)都很難達(dá)到，因此，急需針對全行業(yè)重點(diǎn)難點(diǎn)的新型清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)研發(fā)。

1.5 清潔生產(chǎn)審核績效總結(jié)

歷時(shí)8個(gè)月，企業(yè)第一輪清潔生產(chǎn)審核結(jié)束，完成了寧夏回族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)廳及地方環(huán)境保護(hù)局為落實(shí)《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》下達(dá)的重點(diǎn)企業(yè)清潔生產(chǎn)審核任務(wù)。

在清潔生產(chǎn)審核過程中，企業(yè)通過技術(shù)改造，節(jié)約了原材料，降低了能耗和物耗，優(yōu)化了生產(chǎn)過程，持續(xù)降低成本，取得了環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。企業(yè)總計(jì)投資6 759萬元，每年可節(jié)約成本約4 500萬元。削減氟化物318 t/a、粉塵334．6 t/a;降低氧化鋁單耗10 kg/t、碳素陽極凈耗37 kg/t;節(jié)約水耗2萬t/a，電耗5 766萬kW·h/a。

通過本輪審核，企業(yè)完成清潔生產(chǎn)的近期目標(biāo)任務(wù)，其中陽極凈耗降至414 kg/t，接近清潔生產(chǎn)一級水平;直流電耗13 290 kW·h/t，達(dá)到清潔生產(chǎn)一級水平;粉塵產(chǎn)生量由48．8 kg/t降至37．9 kg/t;總體達(dá)到了較高的清潔生產(chǎn)水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，改善了生產(chǎn)現(xiàn)狀和管理水平，提升了自身核心競爭力。

2 電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)推行建議

2.1 加強(qiáng)政策引導(dǎo)，制(修)訂和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)

隨著末端治理潛力挖掘難度的不斷增大，面對嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)，電解鋁行業(yè)在我國踏入環(huán)保新時(shí)期后是否能走得更遠(yuǎn)，取決于企業(yè)是否堅(jiān)持清潔生產(chǎn)的推行。國家應(yīng)制定電解鋁業(yè)清潔生產(chǎn)的推行規(guī)劃，統(tǒng)籌安排，明確各政府部門、地方環(huán)境保護(hù)廳(局)、企業(yè)及審核咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)的相關(guān)戰(zhàn)略部署、責(zé)任分工及重點(diǎn)任務(wù);及時(shí)組織修訂電解鋁行業(yè)的清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及其他相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，凝練行業(yè)中各企業(yè)的審核成果，更新各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大對氟化物、粉塵等特征污染物的監(jiān)管力度。

同時(shí)，推行電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)，必須建立良好的激勵機(jī)制和約束機(jī)制，通過引導(dǎo)、倒逼和鼓勵等方式對企業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合我國電解鋁行業(yè)的實(shí)際情況及國內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)，加快制定和完善相應(yīng)的地方性清潔生產(chǎn)法律法規(guī)［13］。

2.2 注重清潔生產(chǎn)新工藝的研發(fā)，增強(qiáng)技術(shù)儲備

技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新是電解鋁行業(yè)推行清潔生產(chǎn)的重要手段。一方面，要將電解鋁行業(yè)大氣污染防治問題和節(jié)約降低電力消耗作為研發(fā)重點(diǎn)，集國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)為一體進(jìn)行自主創(chuàng)新，針對重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)企業(yè)環(huán)境污染和能耗物耗較高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，動員行業(yè)全體力量開展研究和技術(shù)開發(fā)，有效整合企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)的力量，推進(jìn)研發(fā)進(jìn)程［14］。另一方面，加大資金投入，應(yīng)設(shè)置清潔生產(chǎn)技術(shù)專項(xiàng)資金資助全行業(yè)的清潔生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備、產(chǎn)品的開發(fā)，對于實(shí)施清潔生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)給予部分稅收優(yōu)惠，對于有推廣價(jià)值的清潔生產(chǎn)項(xiàng)目，優(yōu)先列為電解鋁行業(yè)重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展項(xiàng)目。

2.3 樹立企業(yè)典范，探索推行清潔生產(chǎn)新模式

實(shí)踐證明，以清潔生產(chǎn)審核為切入點(diǎn)可有效推進(jìn)電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)。近年來，電解鋁行業(yè)節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)等方面進(jìn)步較大，龍頭企業(yè)的研發(fā)和帶動尤其重要［15］，樹立典型示范企業(yè)，建立示范工程，對帶動和提升整個(gè)電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)水平能夠起到非常正面的作用。

國家應(yīng)及時(shí)凝練電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)實(shí)踐的成果，以行業(yè)或區(qū)域性清潔生產(chǎn)審核為切入平臺，研發(fā)行業(yè)內(nèi)共性關(guān)鍵技術(shù)為手段，針對國家重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)流域及園區(qū)進(jìn)行清潔生產(chǎn)技術(shù)升級，從源頭、全生產(chǎn)過程減少污染物排放，探索未來電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)推進(jìn)的新模式［16］。

3 結(jié)語

清潔生產(chǎn)實(shí)踐行動表明，電解鋁企業(yè)通過開展清潔生產(chǎn)審核大大提高了其清潔生產(chǎn)水平，從整體生產(chǎn)過程對企業(yè)進(jìn)行了全面優(yōu)化。一方面，提高了氧化鋁和碳素陽極的使用效率，大幅降低了電單耗，從而降低了成本;另一方面，通過從源頭對粉塵、氟化物的產(chǎn)生量進(jìn)行控制，減少了污染物的處理處置費(fèi)用，并且促進(jìn)了企業(yè)的設(shè)備更新和技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)了企業(yè)在市場中的競爭優(yōu)勢。

清潔生產(chǎn)是一個(gè)持續(xù)的行為和理念，國家應(yīng)完善相關(guān)政策法規(guī)體系，在企業(yè)開展清潔生產(chǎn)審核后給予支持資金，確保中/高費(fèi)方案的有效實(shí)施;并及時(shí)凝練電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)成果，樹立企業(yè)典范，不斷探索清潔生產(chǎn)審核新模式，在行業(yè)內(nèi)有效推行清潔生產(chǎn)。

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Case Analysis and Suggestions of Im plementing Cleaner Production in Alum inum Electrolytic Industry

SHEN Chen1，ZHOU Chang|bo1，LIXu|hua1，PEIQian|qian1，ZHU Ning|fang2，LIZi1，DANG Chun|ge1，F(xiàn)ANG Gang1
1．China National Cleaner Production Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2．Zhongning County Environmental Protection Agency of Ningxia Hui Autonomous Region，Zhongwei755100，China

Based on the current situation and development trend of the aluminum electrolytic industry in China，it was pointed out that the effective way of sustainable development of aluminum electrolytic industry is carrying out cleaner production audit in the whole industry．One case of cleaner production audit in an aluminum electrolytic enterprise showed that，during the process of cleaner production audit，the pollution reduction ability and the energy resource utilization efficiency were improved and great benefits in both economy and environment for the enterprise obtained．Through summarizing the results of enterprise cleaner production audit，several suggestions were put forward in pursuing cleaner production，such as policy guiding，technology R＆D and demonstrations setting．

cleaner production;aluminum electrolytic industry;energy－saving;consumption reduction

X38

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．039

1674－991X(2014)03－0237－06

2013－11－19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07504－001－05);中國環(huán)境科學(xué)研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(GYK1161302)

沈忱(1988—)，女，工程師，碩士，主要從事清潔生產(chǎn)審核及政策研究，shenchen1988@craes．org．cn

*通訊作者:周長波(1973—)，男，副研究員，博士，主要研究清潔生產(chǎn)與固廢綜合利用，zhoucb@craes．org．cn