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氧化铝工业节能减排策略

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自1953年我国第一个氧化铝厂——山东铝厂建成投产以来,我国氧化铝工业取得了长足发展。特别是20世纪80年代以来,我国新建了山西铝厂、中州铝厂、平果铝厂等多个大型氧化铝生产基地,对原有的氧化铝老企业也进行了大规模的扩建和技术改造,氧化铝产量大幅度提高。由于国内氧化铝供应缺口较大,各地争上氧化铝项目的积极性高涨,我国氧化铝工业正处于飞速发展之中,年平均增长速度超过11%,2006年我国氧化铝产量1370万t,进口量689万t。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了约束性指标,“十一五”期间单位GDP能耗降低20%左右,主要污染物排放总量减少10%。国务院分别以“国发[2006]28号”和“国发[2007]15号”发布了《关于加强节能工作的决定》及《节能减排综合性工作方案》,节能减排将是近一个时期环境保护工作的重点任务,为此,环境保护部提出了结构减排、工程减排和管理减排的三大措施。氧化铝工业属于耗能、耗水、耗资源的工业类型:铝土矿开采中的资源利用率不高及破坏生态、氧化铝生产工艺及能耗指标与国际先进水平的差距、污染治理设施不能稳定高效运行和生产过程中的废气排放和赤泥堆存等,都有待改进和提高。为实现氧化铝工业的可持续发展,应提高资源利用率并加大节能减排的工作力度。

1我国氧化铝工业现状

我国铝土矿资源居世界第六位,储量仅占世界总量的2.4%,但具有经济意义可开采利用的储量只占查明资源储量的21.5%,资源保障程度有限,是铝土矿资源相对缺乏的国家。铝土矿资源主要分布在山西、广西、贵州和河南四省区,占全国资源储量的90%以上。大部分地区矿床类型以沉积型为主,适于露天开采的矿量占总量的38%,坑采储量约占总储量的60%以上,年开采量占世界开采总量的8%。

国外铝土矿多为铝硅比高的三水铝石和一水软铝石,而我国铝土矿资源可经济应用的大部分是高铝、高硅、低铁、难溶(铝硅比较低)的中低品位的一水硬铝石。沉积型一水硬铝石占全国铝土矿资源总量的98%以上,与国外应用的铝土矿相比,其提取氧化铝的难度大,磨矿及溶出条件苛刻,工艺能耗及生产成本较高。三水型铝土矿占全国总量的不足1%,且由于品位低、规模小、生产工艺不成熟,尚不具备工业意义。

1.1氧化铝生产工艺

世界上氧化铝的生产主要是碱法,包括三种不同方法,即拜耳法、烧结法和联合法,工艺技术方法应用主要依据铝矿石的质量。

拜耳法是利用较高品位的铝矿石,与碱液、石灰乳及母液按比例混合后磨制成料浆,经预脱硅后在相应温度、压力条件下直接溶出铝酸钠,再经赤泥分离、种子分解和氢氧化铝焙烧等工序制得成品氧化铝。对于铝硅比大于7的高品位矿石,以拜耳法生产工艺为首选,其能耗低、投资省、产品质量好且污染物产生量少,属于氧化铝工业清洁生产工艺。

烧结法是将铝土矿破碎后与石灰、纯碱、无烟煤及返回母液按比例混合,磨成生料浆,喷入烧成窑制成熟料,再经熟料溶出、赤泥分离、铝酸钠分解和氢氧化铝焙烧等工序,制得成品氧化铝。该工艺流程长、能耗高、污染物产生量大,但其最大优点是可利用低品位铝土矿,符合我国铝土矿资源的特点。

联合法是将拜耳法和烧结法联合起来,处理铝硅比3~7的矿石,充分发挥各自的长处,联合法有并联、串联以及混联三种基本流程。

混联法是将高品位矿石采用拜耳法处理,拜耳法赤泥与低品位的矿石一起进入烧结法生产系统。整个工艺流程复杂,但氧化铝实收率高。能耗、物耗比单纯烧结法低,比常规拜耳法高,单位产品排污量介于二者之间。串联法是将全部矿石先用经济的拜耳法处理,回收绝大部分氧化铝,然后用烧结法处理拜耳法赤泥,回收大部分碱和小部分氧化铝,烧结法溶液经脱硅后进入拜耳法系统,溶液析出的碱返回烧结法系统配科。

1.2污染治理效果

1.2.1废气治理

熟料烧成窑烟气治理熟料烧成窑是以煤粉为燃料的烧结法生产最主要的废气污染源。我国氧化铝企业早期对熟料烧成窑烟气治理一般采用旋风+棒纬式电除尘,由于棒纬式电除尘器为单电场,运行及除尘效率不稳定,排尘浓度一般在250~700mg/之间,对环境污染严重。近年来,各氧化铝企业加大熟料窑烟气治理力度,改为采用板卧式电除尘取代棒纬式电除尘。板卧式电除尘器为三电场或四电场,具有除尘效率高、操作方便、运行稳定、自动化水平高、维修量小的特点,除尘效率达99.5%以上,排尘浓度可控制在200mg/内,可达标排放。

氢氧化铝焙烧炉烟气治理流态化氢氧化铝焙烧炉,产生的烟气温度在1000℃左右,其主要污染物粉尘主要来源于文丘里干燥器,采用电除尘器收尘净化。为充分利用余热,热烟气与氢氧化铝物料逆向流动,利用热烟气余热干燥氢氧化铝并进行预焙烧,焙烧好的氧化铝与热烟气在热分离器中分离。热烟气经二级旋风预热器及文丘里干燥器进行热交换后,温度降至165℃左右,经旋风筒气固分离并经板卧式电除尘器除尘净化后由烟囱排放。国内外氢氧化铝焙烧炉全部采用板卧式电除尘器,排尘浓度可控制在50mg/内。

生产性粉尘收集与处理氧化铝生产工序多、流程长,生产环节物料破碎、筛分、磨粉、贮仓及输送等都易产生粉尘。目前,各氧化铝企业对以上散尘点均采取集尘罩辅以通风收尘系统进行处理。集尘罩采用高标准设备,以提高粉尘捕集率,通风除尘系统采用布袋除尘器,除尘效率在99%以上,粉尘排放浓度一般可控制在100mg/内。目前氧化铝厂主要环境问题是原燃料堆场的无组织排放。氧化铝企业的原料物料贮存量大,原料堆场特别是铝土矿堆场多为露天堆存,在风吹雨淋时,不仅容易造成原料物料的损失,而且容易造成环境污染。

1.2.2废水处理

我国氧化铝企业已基本实现了生产废水的零排放,长期实践总结的氧化铝工业废水治理经验包括:

(1)采用先进的清洁生产工艺,对压煮溶出工艺采用全部间接加热工艺,对赤泥、氧化铝采用逆流洗涤,严格控制进入工艺系统的水量;

(2)采取“清污分流、一水多用”的技术措施,生产用水设置循环水系统,循环水系统的排污水排入生产废水处理站处理,处理后的水返回工艺系统循环利用;

(3)赤泥附液在赤泥堆场澄清后作为生料配制用水,工艺过程的含碱溶液在工艺中循环利用,降低碱耗和减少废水排放等。

1.2.3赤泥堆存

溶出后的矿浆采用高效沉降槽进行赤泥的分离和洗涤,通过多次反向洗涤后,赤泥一般经泵直接由管道输送至赤泥堆场堆存。

赤泥属于一般固体废物,根据国内外生产实践及试验结果,赤泥浸出液pH≤11.78,氟化物浓度≤5.22mg/L。由于赤泥含碱量高,在堆场均设置赤泥附液回收系统,回收的赤泥附液返回氧化铝生产工艺利用。国内赤泥堆场的建设均按《危险废物填埋污染控制标准》(GB18598-2001)设置十分成熟、可靠的防止附液流失、渗漏的防渗措施,长期监控结果表明,可有效防止赤泥堆场对环境造成污染影响。

2氧化铝工业节能减排途径分析

2.1清洁生产技术途径

2.1.1采用先进的工艺技术和设备

间接加热溶出工艺蒸汽直接加热压煮溶出是传统技术,由于溶出矿浆只进行二次自蒸发降温,热利用率低,并且新蒸汽直接加热,矿浆中碱液浓度被冲淡,为保证溶出,需提高循环母液的碱浓度,增加蒸发工序的蒸发量和汽耗。间接加热连续脱硅溶出工艺,新蒸汽冷凝水返回热电系统锅炉循环利用,二次汽用于预热矿浆,蒸汽冷凝水不进入矿浆系统,因此,采用具有国际先进水平的间接加热、高温溶出的溶出器组将有效降低能耗,与传统的压煮溶出技术及装备相比,吨氧化铝的溶出热耗低1.86GJ。

降膜蒸发器母液蒸发工序是氧化铝生产工艺中的汽耗大户,约占总汽耗的50%以上,同时占总能耗的20%以上,占生产成本的10%以上。要降低母液蒸发的汽耗,除采用先进合理的生产工艺和高效的生产设备外,最有效的措施就是增加蒸汽的利用次数即蒸发器组的效数。目前氧化铝工业上使用的蒸发器主要有外加热式自然循环蒸发器和降膜蒸发器两种:

(1)外加热自然循环蒸发器,一般为三效或四效作业流程,其技术装备水平相当于前苏联20世纪

五、六十年代水平,主要缺点是产能低,每组蒸发器蒸水量约40t/h,运转率只有约70%,且结垢速度快、清理周期短;汽耗高,每吨氧化铝汽耗为5.23t,折合14.11GJ。

(2)降膜蒸发器是国外普遍采用的拜耳法种分母液蒸发设备,是世界上最先进的蒸发器,其主要优点是蒸水量大。传统的四效自然循环蒸发器汽耗为0.45~0.5t汽/t水,六效管式降膜蒸发器汽耗为0.30t汽/t水。按年产氧化铝80万t计,其配套的蒸发装置年节约蒸汽422~563kt,折标准煤39.6~52.9kt。

一段种子分解技术目前,砂状氧化铝种子分解技术有两种:一种是以法铝为代表的使用大量种子的高浓度一段分解技术,另一种是以瑞铝为代表的一段细种子附聚和二段结晶长大的两段分解技术。采用一段分解技术比两段分解技术产出率高10kg/m[3],设备费投资减少21%以上,运行费用减少24%以上,电耗降低32%。

机械搅拌技术种分槽是氧化铝生产中不可取代的大型专用设备,它要求固体含量高的物流长时间停留并搅拌均匀,搅拌装置是种分槽的运行和耗能中心。目前所用搅拌装置有两种:压缩空气搅拌和机械搅拌。压缩空气搅拌是通过将压缩空气由种分槽底通入对料浆进行搅拌,空气压缩机能量消耗巨大,加上辅助设施,科浆搅拌能耗高达0.1142kW/m[3]。而机械搅拌能耗仅0.023kW/m[3]左右,较压缩空气搅拌减少电耗80%左右,节省电能约21kWh/tA。

氢氧化铝流态化焙烧流态化焙烧的特点是利用1000℃左右焙烧产品的显热,在多级旋风冷却系统中预热进入流程的助燃空气,利用焙烧炉的高温烟气烘干并预热进入流程的氢氧化铝,充分回收余热,降低焙烧能耗,是当今世界最先进的氢氧化铝焙烧技术。流态化焙烧的能耗较焙烧窑低40%左右,投资比回转窑低15%,设备运转率高达95%以上,且内衬寿命长,维修量小。同时由于燃料减少,相应减少了和产生量,烟气初始浓度也低,对环境的污染影响小。

氢氧化铝平盘过滤机洗涤氢氧化铝成品的附着水分对焙烧炉的热耗有直接影响,每降低1%的水份,可降低热耗55kJ/kgA,平盘过滤机具有过滤和洗涤的双重功能,生产能力大,滤饼水分低,卸车及反冲洗滤布再生均由计算机程序控制。平盘过滤机与相同生产能力的转鼓过滤机相比,节能2.3×1MJ/tA。

深锥体式高效赤泥沉降槽赤泥沉降槽是重要的液固分离设备,目前世界最先进的沉降技术首推高效沉降槽,又称深锥体式高效沉降槽。和传统沉降槽相比,高效沉降槽周边清液层高,一般可达10m以上;底流固相浓度≥40%,溢流浮物浓度≤200mg/L;水力负荷和固体负荷分别达6m[3]/和0.3t/。其处理能力是传统沉降槽的2.6倍以上。高效沉降槽的底流固含为46%~53%,这样就减少了一道过滤工序,50%左右的含水率使得赤泥堆放适用干法堆存,赤泥输送采用高压隔膜泵。干法堆存既解决了湿法堆存可能存在的安全隐患及相应的地下水污染问题,也有利于减小赤泥堆场库容,降低基建投资。

2.1.2提高砂状氧化铝产量

氧化铝是电解铝生产的原料,国内外均采用氧化铝吸附干法净化技术处理电解铝的特征污染物——氟。氟化氢分子具有较强的极性,氧化铝可以提供很大的活性吸附表面,此吸附反应生成物能够满足电解生产对原料的要求,只要气固两相具备充分的接触条件,在极短的时间(0.1秒)内,氧化铝对氟化氢的吸附反应即可完成。

氧化铝分为粉状氧化铝、中间状氧化铝和砂状氧化铝,氧化铝比表面积越大,接受吸附物的能力越强。砂状氧化铝比其他形状氧化铝的比表面积大的多,是电解铝理想的吸附剂。国外先进的氧化铝产品基本为砂状氧化铝,而我国由于受铝土矿资源影响,长期以来生产的大都是中间状或粉状氧化铝。近年,我国氧化铝企业均积极开展此方面的科研开发,国家科技部和中国铝业公司已立项开展工作,中铝旗下的各氧化铝企业已经实施了砂状氧化铝技术改造,可为电解铝净化系统提供较好的吸附剂。

2.1.3串联法工艺技术产业化

串联法是适宜处理我国中低品位铝土矿的氧化铝生产方法,与现行的混联法比较,具有能耗少、投资省、生产成本低的优点。串联法可扩大拜耳法的比例,充分发挥拜耳法的优势,提取矿石中的大部分A,同时简化高能耗的烧结法工艺流程,缩小了其产能比例。每吨氧化铝的建设投资可降低12%,能耗可降低11GJ/tA。铝土矿中的A经拜耳法和烧结法两次提取,提高了氧化铝的回收率,同时又降低了碱耗,尽量回收拜耳赤泥中的Na[,2]O,可最大限度地利用资源。并且烧结法不出产品,全部产品由拜耳法种子分解产出,有利于提高产品质量。

2.2污染控制措施途径

2.2.1提高熟料烧成窑烟气净化效率

熟料烧成窑是氧化铝烧结系统最大污染源,熟料烧成窑烟气湿度大,含碱、含尘浓度高,采用旋风加电除尘器二级治理技术,排尘浓度一般在200mg/以下。为了进一步降低其烟气含尘浓度,加大回收熟科粉尘,减少粉尘排放,从而提高氧化铝回收率,降低碱耗,国内企业对电除尘器进行改造,将原三电场除尘器改造为四电场除尘器,或采用在除尘系统加装高频集成整流电源技术或三相电源,通过提高自动控制系统能力,提高电流强度和电除尘器振打的有效性,来提高除尘效率。根据对熟料烧成窑烟气治理措施实际监测,其排尘浓度可控制在100mg/以下。

2.2.2保证生产废水处理站处理能力

生产废水处理站设计除了考虑日常生产废水的处理,还应考虑回收初期雨水处理量,突发性事故消防用水处理量,以及生产系统不正常时盈水处理问题,因此,工业废水处理站的能力应远大于日常废水产生量。一旦发生以上情况,废水可进入废水处理站沉淀池暂时储存,待生产系统恢复正常后,储存池内的事故废水分期分批进入污水处理站进行处理后,取代部分水源进入生产系统循环,确保各种情况下,工程废水都能实现零排放。如中州分公司日常废水量15822m[3]/d,废水处理站处理能力38400m[3]/d,处理后的水全部返回生产系统综合利用,可确保废水零排放。

2.2.3加强监控和监测

无组织排放控制氧化铝企业对有组织粉尘排放均设置有完善的除尘设施,工业粉尘能够得到有效控制,对环境影响较小。但原矿堆场、预均化堆场及配套热电系统煤堆场的露天堆存存在无组织排放,特别在春季风大时易对厂区及附近地区造成影响。为了减少原料物料损失,减轻物料扬尘对环境的污染,应对原矿槽、均化堆场、煤堆场实施封闭或半封闭措施。

赤泥堆场监控氧化铝企业除按危险废物处置标准对赤泥堆场采取严格防渗措施外,还应设置相应的长期监测井以及坝体位移和浸润线观测设施。赤泥堆场长期监测井是监控赤泥堆场环境安全的重要手段,若赤泥堆场防渗措施稍有纰漏,长期监测井监测数据即可出现pH值偏高现象,可加大取样频率,查找原因,以便采取补救措施,因此,长期监测井是防止赤泥附液污染地下水的有效监控措施。位移监控系统是赤泥堆场稳定安全运行的重要手段,一般在坝体埋设变形位移观测点,可依据坝体位移值及时发现坝体裂缝或滑坡预兆,以便采取防范应急措施,避免发生安全事故和环境风险。

连续监测装置多数氧化铝企业对熟料烧成窑、焙烧炉、锅炉等烟气的监测基本采用人工取样,实验室分析。污染源监测频次一般为每月或每季1次。一旦净化系统出现故障,难以及时发现和维修,不正常排放时间延长。目前中铝中州分公司在炉窑净化系统排放口装设连续监测装置,对烟粉尘、等污染物浓度实行在线监控,可为氧化铝企业烟气净化设施高效稳定运行提供管理保障。

2.3环境管理措施途径

2.3.1提高铝土矿资源利用率

近年氧化铝价格处于高位,为追求氧化铝产量,部分企业采富矿、弃贫矿,造成铝土矿资源的极大浪费。为了提高资源利用率,应贫富兼顾,合理开采和利用现有铝土矿资源。应整合铝土矿资源配置,发挥集团公司既有利用中高品位氧化铝生产系统,又有处理中低品位铝土矿生产系统的优势,使铝土矿资源得到充分利用。禁止建设资源利用率低的铝土矿山,采矿损失率坑采不超过6.4%,露采不超过4.5%;采矿贫化率坑采不超过5.6%,露采不超过2.5%。为提高资源保证率,还应加大我国铝土矿资源的勘查工作。

铝土矿露天开采应实行“剥离—采矿—复垦”一体化工艺,将复垦工程作为采矿工艺的组成部分,及时恢复被采矿作业破坏的耕地、林地、草地等的生态性能,改善植被立地条件。应实行生态补偿政策和措施,促使企业进一步提高资源利用率和减少生态破坏。

2.3.2利用国外优质铝土矿

我国周边国家如越南、印度、印度尼西亚、菲律宾等和澳大利亚的铝土矿资源十分丰富,且品位优良,多为三水铝石或三水铝石——水铝石的混合矿。利用其优质的铝土矿资源,采用拜耳法生产工艺技术,低成本、低污染生产氧化铝的优势十分明显。因此,可实施鼓励“走出去”战略,积极合理开发国外优质铝土矿资源。

氧化铝工业节能减排策略责任编辑:小胥老师    阅读:人次