2023年 2月上 世界有金属145
张小波
（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 １１０１６６）
摘 要：
资源环境的硬性约束是当前经济社会发展的一个重大瓶颈。铝工业作为资源消耗的大户，在降低资源消耗、循环利用资源、减少区域环境污染、节水节能等方面具有巨大的潜力。本文分析了铝厂的设计现状，并结合生产运行特点提出了一系列技术措施，以实现资源综合利用与保护。这些技术措施包括降低全厂新水能耗指标、节省动力能耗、减少污染物排放、减轻环境污染以及实现资源的综合利用。此外，本文还展望了未来铝工业资源综合利用与保护的研究方向和开发重点，为铝工业向“高品质、高效率、可持续”绿健康产业转型，以促进经济、社会和环境的协调发展，奠定了基础。
关键词：
循环经济；可持续；节水节能；资源保护；综合利用中图分类号：Ｆ４２６．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２３）０３－０１４５－３Development and application of comprehensive utilization and
protection technology of aluminum industry resources
ZHANG Xiao-bo
（Ｎ．Ｅ．Ｕ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６６，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｍａｊｏｒ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ａｓ ａ ｂｉｇ ｃｏｎｓｕｍｅｒ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｈａｓ ｅｎｏｒｍｏｕｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ， ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓａｖｉｎｇ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ａｌｕｍ
ｉｎｕｍ ｐｌａｎｔｓ， ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｆｒｅｓｈｗａｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ， ｓａｖｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ， ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ， ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｏｕｔｌｉｎｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｉｏｒｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ＇ｓ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｌａｙｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｏｗａｒｄｓ ａ ＂ｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔｙ， ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ＂ ａｎｄ ｇｒｅｅｎ ｈｅａｌｔｈｙ ｓｅｃｔｏｒ， ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｙ， ｓｏｃｉｅｔｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．．
Keywords: ｃｉｒｃｕｌａｒ ｅｃｏｎｏｍｙ； Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ； Ｗａｔｅｒ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ； Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ； Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
收稿日期：
２０２３－０１作者简介：
张小波，男，生于１９７６年，汉族，辽宁阜新人，学士，高级工程师，研究方向：给排水及环境保护。
环境资源是人类生活和生产不可缺少且不可替代的重要自然资源，也是经济和社会可持续发展的基础。随着我国经济的迅猛发展，大部分城市和地区，本来极有限的资源却还遭受污染的冲击。为了改善环境资源现状对我国经济与社会发展造成的制约，目前最需要解决的就是资源综合利用与保护问题。铝是国民经济发展的重要基础原材料，我国的铝工业主要由氧化铝厂、电解铝厂、铝用炭素厂和铝加工生产企业组成。随着国民经济的快速发展，铝被广泛应用于建筑、电力、交通、机械、轻工、国防等领域。随着各领域对电解铝及铝加工材料需求的日益增大，促使我国铝工业生产迅猛发展。铝工业虽然为国民经济的快速发展做出了巨大的贡献，但也带来了高能耗、高污染等严重的环境污染问题。尤其对部分区域的大气、土壤、地下水、农作物、牲畜及人体造成不同程度的影响。为了有效控
制铝工业对环境和资源带来的影响，国家相继出台了一系列环保政策及标准。从发展循环经济环境保护的铝工业目标，到上下游产业结构的建立
和优化调整，从供给侧的产能控制，再到水和大气等排放总量的指标限制等，均对铝工业的可持续发展提出了更高的标准和要求。
我国铝企业虽然响应国家号召，对环境和资源保护采取了相应的措施，例如采用新水循环利用的方式节水，但每年仍会消耗大量的水资源并产生一定量的废水。采用电解烟气净化的方式来降低气体排放量，也仍存在优化改进的空间。为了促进铝工业循环经济的大力发展，构建循环经济型产业体系，为了预防和控制铝工业发展过程中造成的环境污染，推动实现碳达峰、碳中和，为了推进铝工业资源节约集约利用，满足综合单耗指标的优化需求。作为铝生产和消费的大国，对铝工业资源综合利用与保护等技术措施的开发和应用，终将成为长期奋斗的目标。
1 资源综合利用与保护技术的开发
面对有限的环境资源和严苛的国家标准，我们应以循环经济和工业生态学理论为指导，并通过资源的综合利用来减少资源和能源的消耗，降低废物排放量，实现铝工业资源和能源利用效率最大化。因此，在铝工业的系统设计中，我们可在以下方面进行研究和开发。1.1 关于资源综合利用设计
（1）氧化铝厂中，生产设备的冷却形式大多采用集中式
的水冷、蒸发和风吹，造成了大量水资源的消耗。连接各用水点的管网具有管径小、管道长的特点。为了满足各用水点的压力要求，按最不利点确定的供水设备扬程大多偏高，进而造成能耗的增加。因此，可采取改变循环系统的供水形式及冷却形式的方式，以达到节水和节能的目的。
（2）氧化铝厂内储存的生产新水具有温度低、储量大的特点。在生产中，通常将低温水加热后再使用，但这会增加能耗。循环水系统常选用冷却塔作为换热设备，以满足工艺设备冷却的需求，但由此使用是增加了系统的水耗。因此，在生产过程中结合新水特点及工艺用水需求，可以有效地结合新水储存系统与循环冷却系统，以实现资源的综合利用。
（3）对于采用重力形式回水的循环冷却系统，通常采取增加提升设备的方式，将热水供至冷却塔入口，以满足进水口压力要求。由于国家对工业用地批复的限制，新建铝厂厂址经常位于山区或丘陵地段。因此，可充分合理利用总图地势带来的优势，减少循环系统中的动力设备，最大程度降低动力消耗，以达到节能的目的。
1.2 关于资源保护设计
（1）电解车间在运行过程中，会产生一定量的烟气，并经由屋顶通风器无组织形式排放到大气，随着国家对大气污染物排放指标严控政策的出台，针对电解车间无组织排放的烟气，可采用喷淋吸收液进行吸附处理，以达到净化烟气、减少环境污染的目的。
（2）赤泥库在投入使用初期，雨季时会汇集大量的雨水。为了确保库区的安全稳定性且避免造成环境污染，库区内的含碱雨水必须排出并回收。在此情况下，可结合氧化铝厂赤泥洗水用量大、水温高、对水中含碱量无要求的特点，将赤泥堆场回收的含碱雨水与工艺的蒸汽冷凝水换热，加热后的含碱雨水可以作为赤泥洗水使用，降温后的冷凝水可以作为循环水补充水使用。这样既能保证环境效益，同时还实现了资源的综合利用。
（3）铝厂在生产及运输过程中，会产生一定的粉尘，并附着在厂区屋面及地面上。受雨水的冲刷后，这些粉尘会随雨水流出厂外，造成对周围环境的污染。因此，可以收集厂区的初期含碱、含氟雨水及排污水，并对其进行有效处理及循环利用，以降低新水资源的消耗，实现废水的资源化，使区域环境得到持续改善。
2 资源综合利用与保护技术的应用
2.1 一体式循环水自循环系统
在铝厂的多数车间，工艺泵都需要机封冷却水。目前，铝厂对机封用水采用了一个全厂集中式常规循环水系统，该系统主要由循环水泵房、循环水池、冷却塔、供回水管道、配件及阀门等组成，用水点排出的循环回水通过管网汇至循环热水池，再由热水泵提升至冷却塔冷却，收集到冷水池内。然而，经过多年运行后，该系统出现了以下问题：①循环冷却过程中需要补充大量新水；②受用水点用水量
小的影响，
冷却水供回水管径小且管道长，管路易堵塞且管网漏损严重，增加了系统的排污量的同时增加了新水的消耗；③受用水点距离循环泵站远近的不同，造成供水设备扬程偏高，能量消耗偏大，同时由于各车间供水压力不均衡，导致水量不均衡，工艺泵冷却效果不佳。
针对现有技术存在的问题，并结合机封冷却用水温度（水温≤60℃）的特点，一体式循环水自循环系统被应用于工艺水泵的机封冷却[1]。即：将集中式循环系统改为分散式循环系统，并设置在用水点附近；取消循环水池、冷却塔和循环水泵房，仅设置循环水箱和循环水泵，并采用自然降温形式；根据各用水点对压力和流量的需求进行供水设备选型；通过全自动在线监测系统控制供水温度（水温≤55℃）及系统排污量；系统可采用模块化设计，满足循环水量变化需求的同时节省设计周期。这样一体式循环水自循环系统可以弥补传统工艺的不足，在保证工艺设备的正常运行的条件下，大幅度减少了因冷却系统补水、管网漏损导致的新水损失，达到节水的目的；降低了循环供水设备的扬程，并采用全自动化控制，提高了系统的先进性，并达到了节能的目的。
该系统已成功应用于山东魏桥印尼年产200万吨氧化铝项目，运行稳定，并在铝工业节水节能方面做出一定贡献。
2.2 盘管降温循环水冷却技术
氧化铝厂的新水主要用于生产工艺和循环水的补充。低温新水在工艺中使用时通常需要加热，这会增加铝厂的能耗；受蒸发、风吹损失以及排污等因素的影响，循环水在冷却过程中的损失较大，厂区需要补充大量新水来维持循环水的水量平衡，从而增加了新水的消耗。为了降低厂区的吨铝消耗指标，减少废水排放量，节省整体投资和充分利用能源，我们必须有效合理地利用循环水系统的余热，优化循环水系统设计，从而使设计更有竞争力。
盘管降温循环水冷却技术[2]，主要是将供水系统储水装置内部设置冷却盘管。设备冷却回水利用余压进入氧化铝厂供水系统储水装置的盘管内，通过与储水装置内的低温态新水进行换热，实现对循环回水的冷却降温。冷却后的水进入循环水池，再经过循环水泵加压供给到各个设备用水点，从而实现循环使用。该系统主要由储水装置、冷却盘管、循环水池、循环水泵、管道和阀门等组成。
盘管降温循环水冷却技术针对传统工艺存在的诸多问题，将氧化铝厂供水系统与循环水系统有效结合，具有以下特点：
（1）取消了传统的机械通风冷却塔，极大程度上节省了冷却塔高额的运行和维护费用，同时减少了因冷却塔造成的蒸发、风吹等水量损失，降低了全厂的综合水耗和系统排污量。
（2）循环回水经过该盘管降温装置与储水装置内低温态新水进行换热后，循环水水温可从50℃降至35℃，满足工艺设备冷却的用水要求。同时，低温态新水水温也可由25℃升至29℃，降低了工艺新水
加热能耗，实现了循环水的余热
世界有金属 2023年 2月上146
利用，从而实现了资源的综合利用。
（3）减小了系统的占地面积，节省了系统的设备投资和基础建设费用，降低了施工难度，缩短了施工周期。
该技术已成功应用于山西灵石年产160万吨氧化铝项目。从运行情况来看，该系统连续稳定运行，为铝工业资源综合利用做出了突出的贡献。
2.3 蒸发循环水余压利用一体化技术
氧化铝厂的蒸发站循环水通常以重力回水的形式进行设计。这主要是因为在氧化铝工艺专业设计蒸发站时，为了保证水冷器内的负压，避免蒸汽外溢，蒸发站车间在▽±0.000m平面设置了密闭常压水封槽。循环水依靠重力形式回流到循环水泵站的热水池，并经过热水泵的加压后进入冷却设备。与压力回水形式的循环水相比，重力形式回流的循环水存在能耗高、系统复杂、占地面积大等缺点。为了应对这些缺点，我们可以采用蒸发循环水余压利用一体化技术。
受工业用地紧张的影响，新建铝厂的厂址逐渐向山区及丘陵地段转移，为了遵循节约用地、保护环境、可持续发展的理念，总平面常依据地势呈现阶梯形式布置。结合总图布置特点，蒸发循环水余压利用一体化技术[3]充分利用了自然高差，将蒸发站设置在高地势的阶块，并适当抬高水冷器及水封槽出口，使得水冷器的循环回水以压力流方式直接进入到冷却塔进行冷却，经降温后流入冷水池，再由冷水泵将其输送至蒸发站，水冷器与蒸汽换热后，流入水封槽，形成一套压力回流的循环系统。
蒸发循环水余压利用一体化技术与传统工艺相比，具有如下特点：
（1）在保证工艺系统及循环水系统安全运行的前提下，减少了循环系统中的热水池、热水泵及配套管道和阀门，实现了系统的简化；
（2）取消系统中的热水泵，可直接降低系统运行的动力能耗和设备投资；
（3）取消了热水池构筑物及配套设施，既减少了设备和基建费用的投入，又降低了构筑物清理及维护工作量。
本技术已成功应用于山西复晟铝业有限公司平陆年产80万吨氧化铝项目，对于新建的蒸发循环水泵站设计具有一定的示范性作用。
批复的特点2.4 电解天窗无组织排放烟气的净化技术
电解铝生产过程中，电解质中的氟化物（氟化铝、冰晶石等氟化盐）与原料（氧化铝）和空气中的水分反应生成HF，与碳、硫元素反应生成CF4、C2F6、SO2等气体污染物，会从电解槽中散发出来，与生产操作造成氟化物粉尘混合形成电解烟气。
电解烟气中的气态和固态氟化物大部分被电解槽集气罩收集，进入烟气净化系统处理，但仍有部分烟气从电解槽上部结构缝隙散发，通过电解车间天窗无组织排放到大气中，造成一定的环境污染。
电解天窗无组织排放烟气的净化技术利用氢氧化钠吸收液对烟气进行吸附处理，实现净化。主要步骤包括调配、加压、净化和收集。调配采用质量浓度为0.1%~42%的氢氧化钠溶液，并储存在调配槽内。加压后的吸收液通过喷淋装置喷出，净化烟气中易溶物质，喷淋装置具有流量调节、断流监视功能，喷角10°~135°，喷淋液滴粒径0.1mm~1mm，喷淋形状扇形、空圆锥形、充圆锥形。与烟气充分接触的吸收液滴落到排水槽，通过回水管道回至调配槽。吸收液循环使用，直至饱和，再进行除杂、除氟、除硫、除钙等处理。这种技术净化效率可以达到95%以上，采用碱性调配液，运行时腐蚀性小，使用安全，调配液循环用量小，不影响通风器的防水性。采用喷淋喷头产生的液滴挥发、飘散量小，有效回收污染物。此技术在降低污染物排放、减轻环境污染的同时，为污染物回收资源化提供前提条件。
3 结语
虽然在铝厂设计中已经开发了一系列资源综合利用与环保技术并投入应用，为提高铝工业资源综合利用率、保护区域环境、节水、节能做出一定贡献，但随着环境资源形势的日趋紧张，以及中国铝行业走向国际化道路，已开发的铝工业资源综合利用与环保技术在内容的深度和范围的广度上都存在局限性，仍存在较大的开发空间。“十四五”规划及二〇三五年远景目标[4]提出的“坚持推动绿发展；坚持节约优先、保护优先；深入实施可持续发展战略；支持绿技术创新，推进清洁生产；全面提高资源利用效率；推进资源总量管理、科学配置、全面节约、循环利用；提高海洋资源、矿产资源开发保护水平。”这些都将成为铝工业的主要发展方向和重要依据。
未来，铝工业资源综合利用与保护技术的开发重点可以建立在以下方面：加强海洋资源在铝工业中的综合利用；提高铝工业固体废物的资源化水平；提高铝厂高温烟气余热回收的利用效率；提高铝工业全流程中新水计量及管控水平；提高废水处理技术的先进性。这些方面的提升旨在追求高品质、高效率、可持续、绿健康发展的铝工业，持续改善环境质量，加快推动绿低碳发展，促进经济社会全面绿转型，以及建设人与自然和谐共生的现代化。
[1] 《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五
年远景目标的建议》2020年10月29日中国共产党第十九届中央委员会第五次全体会议通过.
[2] 应建韩，李春华.污水处理厂的集约化设计[J].中国市政工程,2016 (01):34-35+92.
[3] 梁学民，张松江.现代铝电解生产技术与管理[M].长沙：中南大学出
版社，2011年。
[4] 张旭，集约化技术在氧化铝厂工业废水处理站中的应用，中国金属通
报,2020（7）.
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