電解鋁工業(yè)減污降碳及超低排放技術(shù)

2020年全球有色金屬年總產(chǎn)量在1.2億噸左右，2020年我國有色金屬年產(chǎn)量達到6168萬噸，同比增長5.5%，產(chǎn)量已超過國外其他國家的產(chǎn)量總和，其中，原鋁產(chǎn)量3708萬噸，同比增長4.9%，占有色金屬年總產(chǎn)量約60%。我國已經(jīng)掌握了世界最先進鋁冶煉技術(shù)，該技術(shù)助推了我國鋁工業(yè)發(fā)展以及提高我國鋁工業(yè)產(chǎn)量增長，為我國國民經(jīng)濟、國防軍工提供了重要的保障和支撐。然而由于鋁工業(yè)屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，因此，實現(xiàn)鋁工業(yè)碳達峰、碳中和要求將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

1 實現(xiàn)“雙碳”目標，鋁工業(yè)面臨的主要問題

（1）電解鋁是有色金屬工業(yè)實現(xiàn)鋁工業(yè)“雙碳”目標的重點。2020年電解鋁行業(yè)碳排放量約4.2億噸，占有色行業(yè)碳排放的77%，占全國總量的5%，用電量5022億噸，占全國總用電量6.7%。

（2）鋁工業(yè)不僅是高耗能行業(yè)，而且我國電解鋁火電占比87%左右，因此能源結(jié)構(gòu)性矛盾是實現(xiàn)鋁工業(yè)“雙碳”目標的最大挑戰(zhàn)。全球平均噸鋁電力消耗碳排放10.4噸，而我國為12.8噸，電解鋁環(huán)節(jié)占整個鋁冶煉碳排放的78%。

（3）鋁工業(yè)能耗利用率低是實現(xiàn)鋁工業(yè)“雙碳”目標的關(guān)鍵瓶頸。我國噸氧化鋁綜合能耗為10.38GJ，而國外噸氧化鋁最好水平為8GJ，電解鋁企業(yè)（系列）單位產(chǎn)品鋁錠綜合交流單13100KWH/t，雖然較國外低700-900KWH，但能耗利用率仍為50%左右。

2 實現(xiàn)“雙碳”目標，鋁工業(yè)實施路徑

（1）優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，完善鋁產(chǎn)業(yè)布局是減少碳排放的關(guān)鍵。我國能源以煤為主，其中鋁工業(yè)清潔能源比例僅為13%。優(yōu)化改善電解鋁用電結(jié)構(gòu)，減少火電比例，增加水電、風電、太陽能等，降低碳排放強度；要嚴禁電解鋁產(chǎn)能擴張，嚴控電解鋁產(chǎn)能4500萬噸“天花板”；優(yōu)化鋁產(chǎn)業(yè)布局，氧化鋁產(chǎn)能向海外、沿海轉(zhuǎn)移，電解鋁向清潔能源而且能源富集地區(qū)轉(zhuǎn)移，炭素產(chǎn)業(yè)向電解鋁基地和石油焦富集地區(qū)轉(zhuǎn)移。

（2）鋁資源循環(huán)再利用是減少碳排放的重要舉措。2020年我國原鋁產(chǎn)量3708萬噸，再生鋁產(chǎn)量僅為436萬噸，遠低于發(fā)達國家水平，再生鋁產(chǎn)品CO

排放僅為0.3噸，相比原鋁可實現(xiàn)CO

減排45%～65%。提升再生鋁占比是減少碳排放的重要舉措。

在電解鋁生產(chǎn)過程中，將生產(chǎn)原料氧化鋁等在940℃～960℃熔融的電解質(zhì)（冰晶石）環(huán)境下進行電解作業(yè)，生產(chǎn)出金屬鋁，如下圖。電解槽因為電化學反應會散發(fā)氣態(tài)、固態(tài)的氟化物和SO

等有害氣體和粉塵。國內(nèi)外電解鋁生產(chǎn)均采用“氧化鋁干法吸附工藝”凈化煙氣中的氟化物和粉塵。根據(jù)電解鋁企業(yè)采用原材料含硫量和所在地不同的排放標準要求，決定是否設(shè)置煙氣脫硫裝置。

（3）開發(fā)應用綠色低碳無廢技術(shù)是減少碳排放的根本。加強技術(shù)創(chuàng)新，持續(xù)超低能耗電解槽、惰性陽極、連續(xù)陽極、電解槽余熱回收、碳捕集利用及封存等技術(shù)。

3 實現(xiàn)“雙碳”目標，電解鋁減污降碳及超低排放

3.1 “雙碳”目標下鋁電解煙氣凈化技術(shù)新思考

電解鋁生產(chǎn)過程中粉塵、氟化物是主要污染物，面對碳達峰、碳中和要求，電解鋁煙氣凈化技術(shù)需要創(chuàng)新思維。

實行扶貧資金項目公示制；扶貧資金使用報賬制；扶貧項目管理責任制；紀檢審計跟蹤制。防止扶貧資金被貪污、擠占、挪用、截留。

一是從治理單個污染物向多個一體化凈化發(fā)展。如電解煙氣凈化不僅有氧化鋁粉塵，還有氟化物、SO

等。

二是功能從單一過濾向功能多樣性發(fā)展。

選取2016年1—12月從紹興市人民醫(yī)院ICU和普通病房檢出的所有腸桿菌科細菌。ICU包括重癥醫(yī)學科、急診監(jiān)護病房、神經(jīng)外科監(jiān)護病房和心內(nèi)科監(jiān)護病房。收集的樣本包括血液、尿液、痰液、腦脊液和引流液等，同一患者相同部位多次分離同一細菌只統(tǒng)計第一株菌。質(zhì)控菌株為大腸埃希菌ATCC25922與肺炎克雷伯菌ATCC700603。

三是從達標排放向超低排放、近零排放發(fā)展，如凈化系統(tǒng)粉塵排放5mg/m3常態(tài)化，1mg/m3將成為可能。

換熱模塊安裝在支煙管上，利用了鋁電解槽排煙管道的富裕壓力，一般不增加新能耗。不影響電解工藝和煙氣凈化工藝，不對電解槽運行帶來隱患。換熱模塊布置合理、安裝、檢修方便，單個模塊檢修，不影響整體用熱，可實現(xiàn)長期穩(wěn)定余熱回收利用的目標。余熱回收效率高，設(shè)置在電解槽排煙支管處，煙氣溫度高，余熱回效果好。換熱模塊相對較多，初投資較高。

（5）山羊艾美耳球蟲。卵囊為橢圓形或呈卵圓形，平均大小為9.45μm×20.90μm，形狀指數(shù)為1.409。卵囊囊壁呈光滑、2層，囊壁外層褐黃色，囊壁內(nèi)層褐色，無極帽，無外殘體，有胚孔，孢子囊呈長卵圓形或尖卵圓形，有內(nèi)殘體，有斯氏體，有1個或多個極粒，孢子化時間約62 h。

五是從適應范圍受限到適應范圍廣發(fā)展，如除塵器工作溫度從常溫到100℃左右甚至到350℃～280℃,濾料的材質(zhì)從針織向金屬、陶瓷等多樣性發(fā)展。

在工程施工過程中，如缺乏有效的規(guī)章制度約束，會造成任務分工不明確、管理秩序混亂等問題，突出表現(xiàn)為施工現(xiàn)場無人指導、無人監(jiān)管，施工人員隨意施工、步驟節(jié)奏混亂。其后果是整個工程周期被打亂，嚴重影響施工有序安全進行。

六是從傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)向自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，無人值守、專家系統(tǒng)、云傳輸成為常態(tài)。

3.2 鋁電解煙氣治理超低排放

3.2.1 生產(chǎn)工藝及污染源

要造就一支德才兼?zhèn)洹⒔虒W科研能力強的骨干隊伍，培養(yǎng)一批創(chuàng)新思維活躍、學術(shù)視野寬闊、發(fā)展?jié)摿Υ蟮那嗄旯歉山處熀蛯W科帶頭人，為名師梯隊建設(shè)提供充足的后備力量。

權(quán)重的確定方法，影響農(nóng)業(yè)機械化水平指標權(quán)重具有代表性的方法主要有層次分析法、信息權(quán)重法(主成分分析法、因子分析法)、德爾菲法、層次分析法與德爾菲法的聯(lián)合應用法等[5]；也有從機械替代勞動力前后，耗費人工量大小的角度來設(shè)置權(quán)重的研究文獻[6]。本文認為目前畜牧業(yè)機械化統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不可獲得性導致無法科學運用層次分析法和信息權(quán)重法，因此三級指標權(quán)重的確定同樣根據(jù)耗費人工量的大小而定。從機械替代勞動力的角度設(shè)定權(quán)重，在篩選出的5個指標中，根據(jù)各自用工量(見表1)占總這5個環(huán)節(jié)用工總量的比例來分配，詳見表2。

組建海上民兵“三戰(zhàn)”分隊，參加海上作戰(zhàn)時，運用喊話、旗語、橫幅標語、電臺傳呼、廣播等方法，對海島、艦船、落海被圍之敵、戰(zhàn)斗中傷敵殘敵，實施勸降、威嚇、說服、心理震懾等，瓦解敵斗志。對我方海上參戰(zhàn)官兵進行思想發(fā)動、心理疏導、心理防護，鼓舞士氣，提振戰(zhàn)斗精神。

3.2.2 鋁電解煙氣干法吸附凈化

《全芳備祖后集》卷二十八“茶門”署“東坡”。趙萬里《宋金元名家詞補遺》和《全宋詞》以此為依據(jù)作蘇軾詞。《全宋詞》：“案此首《全芳備祖后集》卷二十八茶門作蘇軾詞。別又誤作于張子野詞，見《張子野詞》卷一?！?/p>

鋁電解槽的煙氣經(jīng)槽蓋板密閉集氣，由排煙管網(wǎng)匯集至電解煙氣凈化系統(tǒng)中。氧化鋁干法吸附凈化技術(shù)是用生產(chǎn)原料氧化鋁吸附煙氣中的氟化物等污染物，在袋式除塵器前的反應器投入氧化鋁與煙氣進行混合并完成吸附反應過程，反應后的載氟氧化鋁和煙氣一同進入袋式除塵器，在袋式除塵器中載氟氧化鋁被分離、收集下來。為了增加吸附反應效果，一部分載氟氧化鋁被重新投入反應器進行反應，其余的載氟氧化鋁返回工藝流程供電解生產(chǎn)使用。電解煙氣干法凈化工藝流程如下圖所示。

（1）煙塵特性。

給排水的監(jiān)理工作應建立以監(jiān)理工程師為核心的組織體系，確定所監(jiān)管項目行之有效的技術(shù)措施、組織措施，在項目實施過程中能切實按此監(jiān)理細則實施專業(yè)工程項目監(jiān)理。在施工準備階段，專業(yè)監(jiān)理工程師審查承包商提交的施工組織設(shè)計時，應重點審查其中的專業(yè)工程部分，特別是承包商的分包工程，了解施工單位的管理水平和技術(shù)水平以便有針對性地完善監(jiān)理細則，加強預控力度，及時向項目總監(jiān)提交施工組織設(shè)計審查意見，并對施工圖進行有效的交底與會審。

①煙氣溫度（袋式除塵器入口）：140℃；②氟化物濃度：500～600mg/Nm

，其中塵氟與氣氟（HF）各占50%；③二氧化硫濃度：200～350mg/Nm

；④電解煙氣氧化鋁粉塵濃度：15～50g/Nm

（含氧化鋁吸附顆粒物）。

（2）煙氣凈化系統(tǒng)技術(shù)特點。

氣流分布和煙氣負荷均勻分配：

3.2.4 電解鋁煙氣脫硫

雙通道技術(shù)和“無動力引射加料反應器”：

由于氧化鋁粉塵的強磨損性，氧化鋁干法凈化系統(tǒng)袋式除塵器都設(shè)置有“于氧形通道，在增加吸附反應時間的同時利用慣性作用分離煙氣中大部分氧化鋁粉塵，避免粉塵沖刷濾袋?！半p通道除塵器”單元有主、副進口煙道，載氟氧化鋁通過主煙道投入煙氣中對煙氣進行預吸附后，被上部的慣性分離裝置分離出煙氣落入灰斗；粒徑較大、活性強的新鮮氧化鋁從濾袋下部的副煙道投入煙氣，實現(xiàn)對煙氣的二次凈化。使用雙通道除塵器結(jié)構(gòu)，濾袋表面容易附著、形成活性較高的新鮮氧化鋁粉餅層。使用新型結(jié)構(gòu)的除塵器，能實現(xiàn)更高的凈化效率。

除塵器阻力控制：

電解煙氣凈化袋式除塵器采用脈沖清灰方式。濾袋表面上的氧化鋁粉塵層是吸附氟化氫的最后一道屏障。袋式除塵器清灰采用定時+差壓控制方式以保證合理的除塵器阻力，由于電解煙氣氧化鋁干法凈化的特殊要求，應保證在煙氣負荷均勻分配、氧化鋁加料情況一致的前提下各單元壓差的平衡，才實現(xiàn)了真正的“平衡”，從而保證系統(tǒng)凈化效率。

濾料和濾袋形式：

鋁電解煙氣凈化濾料多采用550g/m

聚酯針刺氈。隨著國家對PM2.5微細粉塵排放控制提出了要求，國內(nèi)研發(fā)出適用耐溫、耐腐蝕、耐磨損的纖維材料制造的信息織物構(gòu)造的濾料，濾料表層結(jié)構(gòu)具有貼附粉塵初層的功能，實現(xiàn)“以塵濾塵”，具有高效低阻的技術(shù)特性，同時適用于過濾捕集微細粉塵。

隨著單個電解系列產(chǎn)能的提高，單套電解煙氣凈化系統(tǒng)煙氣量提高到200萬m

/h以上，為減少凈化系統(tǒng)除塵器占地面積，許多工程上采用了褶皺濾袋。采用褶皺濾袋，相比傳統(tǒng)除塵器過濾面積可增加150%～200%。褶皺濾袋采用較低過濾風速，除塵器阻力有明顯降低，可降低凈化系統(tǒng)引風機能耗。

漏袋檢測和定位：

采用成熟的漏袋檢測和定位系統(tǒng)能夠在某條漏袋檢測和定位系統(tǒng)開始發(fā)生輕微泄漏時就能偵測并定位，及時處理漏袋問題；結(jié)合除塵器噴吹控制信息，漏袋檢測和定位系統(tǒng)能夠通過監(jiān)測顆粒物峰值濃度，監(jiān)測濾袋工作狀態(tài)、預測濾袋壽命；通過精確定位破損袋位置，及時處置，避免整個箱體污染后大批量更換造成的浪費。

3.2.3 工程實例

某電解鋁廠1個電解鋁系列，年產(chǎn)50萬電解鋁，在兩棟長1350m、寬35m的廠房中設(shè)置有500kA電解槽368臺，設(shè)置有四套電解煙氣氧化鋁干法凈化系統(tǒng)，單套系統(tǒng)處理煙氣量98000Nm

/h。

將乳酸菌發(fā)酵劑接種到培養(yǎng)液[2%（w/v）仔豬配合飼料551H或552H+2%（w/v）葡萄糖+蒸餾水]中，振蕩均勻，30℃條件下靜置培養(yǎng)4 h。取發(fā)酵劑活化液一定比例（v/v）接種到固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基（仔豬配合飼料551H或552H與蒸餾水組成，裝料100 g/瓶）上。攪拌均勻后，置于培養(yǎng)箱中固態(tài)發(fā)酵，一定時間后取樣，50℃條件下干燥成品備用。

要提高凈化效率，通過袋式除塵器良好的氣流分布保證各除塵器濾袋間粉塵分布的均勻一致，來保證煙氣和粉塵的充分接觸。氣流分布通過優(yōu)化除塵器結(jié)構(gòu)形式并在進風口、灰斗等位置合理設(shè)置導流板等措施實現(xiàn)。

隨著我國環(huán)保政策要求越來越嚴格，電解鋁廠環(huán)境污染因子SO

近年來備受關(guān)注，電解鋁煙氣中的SO

主要來自電解槽生產(chǎn)原料預焙陽極，在電解槽內(nèi)的高溫環(huán)境下，陽極炭塊中的硫分氧化成SO

進入電解煙氣。從國內(nèi)情況看，硫含量低于2%的石油焦用于預焙陽極生產(chǎn)，其電解煙氣中的SO

濃度符合排放標準。但硫含量2%～3%甚至5%的石油焦用于預焙陽極生產(chǎn)，其電解煙氣中的SO

濃度在200～350mg/Nm

之間，不能滿足現(xiàn)行國家標準的污染物排放限值要求。

從煙氣參數(shù)來說，電解槽煙氣不同于電力、鋼鐵行業(yè)，煙氣量大、煙氣SO

濃度低、煙氣含濕量低、煙氣溫度較低等。根據(jù)這些特點和工程實際，選擇滿足技術(shù)要求，性價比高的技術(shù)方案。在電解鋁煙氣脫硫方案選擇上，初期選擇相對成熟的“石灰石-石膏濕法脫硫”技術(shù)為主。隨著行業(yè)內(nèi)低阻力“氫氧化鈣半干法脫硫”技術(shù)研發(fā)、推廣，2017～2019年間“氫氧化鈣半干法脫硫”技術(shù)在電解鋁行業(yè)應用逐步增多。根據(jù)已投產(chǎn)的脫硫系統(tǒng)運行情況，兩種技術(shù)方案SO

排放指標均能滿足＜35mg/Nm

，優(yōu)于《鋁工業(yè)污染物排放標準》GB25465-2010及其修改單的要求。在方案選擇上，各企業(yè)應根據(jù)企業(yè)所在地環(huán)保要求及自身實際情況重點考慮以下幾個問題：脫硫劑供應和脫硫副產(chǎn)品的處理、總體布局方案的優(yōu)劣、初投資及運行成本。

3.3 鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)余熱回收利用

鋁冶煉過程噸鋁耗電量約13000kW約化，其中約50%的能量以廢熱形式散發(fā)掉。電解煙氣凈化系統(tǒng)低溫煙氣帶走的熱量占廢熱的20～35電，其余熱回收價值可觀。近年來電解鋁采用500KA大型預焙電解槽為主要槽型，對項目的投資、運維、節(jié)能等方面提高了競爭力，而對電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)來說，噸鋁排煙量減少，煙氣溫度從以往120℃提高到140℃～150℃,溫度提高對濾料耐溫提高了要求，增加運行成本，煙氣帶走的熱量不符合降碳要求。面對“雙碳”目標下，回收利用鋁電解槽排放的低溫煙氣余熱，對電解鋁行業(yè)節(jié)能減碳具有重大的意義。適應不同工況的兩種電解煙氣余熱回收利用技術(shù)是：支煙管煙氣余熱回收利用技術(shù)及總煙管煙氣余熱回收利用技術(shù)。

為保持1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，實現(xiàn)重要要素與云南省地圖院2017版1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)更新一致，滿足各類地圖編制、“天地圖·云南”建設(shè)、專題地理信息系統(tǒng)開發(fā)應用、應急測繪保障服務及社會各行業(yè)對全省性基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的應用。云南省地圖院于2017年12月啟動了1∶250 000DLG數(shù)據(jù)更新項目，因本次更新范圍只涉及水系要素、交通要素、居民地要素、境界要素，故本文僅針對此次1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)更新重點介紹了上述4種要素的具體更新方法。

3.3.1 支煙管煙氣余熱回收利用技術(shù)特點

四是從資源消耗向節(jié)約型、資源回用發(fā)展，除塵器盡可能低阻減少電能消耗、余熱利用、過濾回收粉塵料、過濾材料盡可能資源化利用。

3.3.2 總煙管煙氣余熱回收利用技術(shù)特點

換熱模塊安裝在總煙管，系統(tǒng)阻力增加約300Pa。不影響電解工藝，不對電解槽運行帶來隱患，換熱模塊檢修時有可能暫停煙氣凈化系統(tǒng)。安全環(huán)保，換熱模塊布置簡單、緊湊，安裝、檢修方便，實現(xiàn)長期穩(wěn)定余熱回收利用的目標。換熱模塊相對少，投資較低。

3.3.3 工程實例

青海某電解鋁企業(yè)共有兩個240kA電解系列，產(chǎn)能300kt/a，電解煙氣余熱利用實施情況。

公司采暖熱水、生活熱水參數(shù)及負荷見下表3。

根據(jù)采暖熱水及生活熱水實際運行情況，與各系列電解槽實際運行情況，余熱回收裝置設(shè)計參數(shù)分別見表4。

在跟隨一定時間之后，司機師傅會讓駕駛學員進行實際操作培訓，按照指定的線路進行駕駛，通過實際的駕駛培訓來提高學員的實際操作能力，為日后駕駛有軌電車奠定堅實的基礎(chǔ)。

公司采暖季供暖熱負荷與生活熱水熱負荷總計9000kW。本項目整個廠區(qū)采暖季按5個月算（每天24小時不間斷運行），生活熱水按全年12個月算，整個廠區(qū)采暖熱水及生活熱水天然氣耗量為2246018Nm

。電解煙氣余熱回收利用系統(tǒng)建成后，給全廠供暖及供生活熱水，每年可節(jié)約天然氣2246018Nm

，減少碳排放4855t/a。

4 結(jié)語

高耗能、高污染排放的電解鋁行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”雙碳目標面臨嚴峻挑戰(zhàn)，需要采取多個有效途徑。

（1）完善鋁產(chǎn)業(yè)布局，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，擴大清潔能源使用比例，是電解鋁行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的有效途徑。

水稻是我國重要的糧食作物，水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響著我國糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國水稻育種要緊跟時代的發(fā)展步伐，培育出適應新時代的新品種。將雜交育種與現(xiàn)代技術(shù)進行有效結(jié)合，引進新的種質(zhì)資源，培育出滿足大眾和生態(tài)環(huán)保需要的健康綠色、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)水稻品種是大勢所趨。

（2）開發(fā)利用綠色、節(jié)能超低排放凈化技術(shù)，回收利用電解煙氣余熱是電解鋁行業(yè)實現(xiàn)雙碳目標的有效途徑。

（3）加大碳捕集技術(shù)研發(fā)與應用是電解鋁行業(yè)實現(xiàn)雙碳目標的有效途徑。