自1953年我國第一個氧化鋁廠——山東鋁廠建成投產以來，我國氧化鋁工業(yè)取得了長足發(fā)展。特別是20世紀80年代以來，我國新建了山西鋁廠、中州鋁廠、平果鋁廠等多個大型氧化鋁生產基地，對原有的氧化鋁老企業(yè)也進行了大規(guī)模的擴建和技術改造，氧化鋁產量大幅度提高。由于國內氧化鋁供應缺口較大，各地爭上氧化鋁項目的積極性高漲，我國氧化鋁工業(yè)正處于飛速發(fā)展之中，年平均增長速度超過11%，2006年我國氧化鋁產量1370萬t，進口量689萬t。
《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》提出了約束性指標，“十一五”期間單位GDP能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%。國務院分別以“國發(fā)[2006]28號”和“國發(fā)[2007]15號”發(fā)布了《關于加強節(jié)能工作的決定》及《節(jié)能減排綜合性工作方案》，節(jié)能減排將是近一個時期環(huán)境保護工作的重點任務，為此，環(huán)境保護部提出了結構減排、工程減排和管理減排的三大措施。氧化鋁工業(yè)屬于耗能、耗水、耗資源的工業(yè)類型：鋁土礦開采中的資源利用率不高及破壞生態(tài)、氧化鋁生產工藝及能耗指標與國際先進水平的差距、污染治理設施不能穩(wěn)定高效運行和生產過程中的廢氣排放和赤泥堆存等，都有待改進和提高。為實現氧化鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應提高資源利用率并加大節(jié)能減排的工作力度。
1 我國氧化鋁工業(yè)現狀
我國鋁土礦資源居世界第六位，儲量僅占世界總量的2.4%，但具有經濟意義可開采利用的儲量只占查明資源儲量的21.5%，資源保障程度有限，是鋁土礦資源相對缺乏的國家。鋁土礦資源主要分布在山西、廣西、貴州和河南四省區(qū)，占全國資源儲量的90%以上。大部分地區(qū)礦床類型以沉積型為主，適于露天開采的礦量占總量的38%，坑采儲量約占總儲量的60%以上，年開采量占世界開采總量的8%。
國外鋁土礦多為鋁硅比高的三水鋁石和一水軟鋁石，而我國鋁土礦資源可經濟應用的大部分是高鋁、高硅、低鐵、難溶（鋁硅比較低）的中低品位的一水硬鋁石。沉積型一水硬鋁石占全國鋁土礦資源總量的98%以上，與國外應用的鋁土礦相比，其提取氧化鋁的難度大，磨礦及溶出條件苛刻，工藝能耗及生產成本較高。三水型鋁土礦占全國總量的不足1%，且由于品位低、規(guī)模小、生產工藝不成熟，尚不具備工業(yè)意義。
1.1 氧化鋁生產工藝
世界上氧化鋁的生產主要是堿法，包括三種不同方法，即拜耳法、燒結法和聯合法，工藝技術方法應用主要依據鋁礦石的質量。
拜耳法是利用較高品位的鋁礦石，與堿液、石灰乳及母液按比例混合后磨制成料漿，經預脫硅后在相應溫度、壓力條件下直接溶出鋁酸鈉，再經赤泥分離、種子分解和氫氧化鋁焙燒等工序制得成品氧化鋁。對于鋁硅比大于7的高品位礦石，以拜耳法生產工藝為首選，其能耗低、投資省、產品質量好且污染物產生量少，屬于氧化鋁工業(yè)清潔生產工藝。
燒結法是將鋁土礦破碎后與石灰、純堿、無煙煤及返回母液按比例混合，磨成生料漿，噴入燒成窯制成熟料，再經熟料溶出、赤泥分離、鋁酸鈉分解和氫氧化鋁焙燒等工序，制得成品氧化鋁。該工藝流程長、能耗高、污染物產生量大，但其大優(yōu)點是可利用低品位鋁土礦，符合我國鋁土礦資源的特點。
聯合法是將拜耳法和燒結法聯合起來，處理鋁硅比3～7的礦石，充分發(fā)揮各自的長處，聯合法有并聯、串聯以及混聯三種基本流程。
混聯法是將高品位礦石采用拜耳法處理，拜耳法赤泥與低品位的礦石一起進入燒結法生產系統。整個工藝流程復雜，但氧化鋁實收率高。能耗、物耗比單純燒結法低，比常規(guī)拜耳法高，單位產品排污量介于二者之間。串聯法是將全部礦石先用經濟的拜耳法處理，回收絕大部分氧化鋁，然后用燒結法處理拜耳法赤泥，回收大部分堿和小部分氧化鋁，燒結法溶液經脫硅后進入拜耳法系統，溶液析出的堿返回燒結法系統配科。
1.2 污染治理效果
1.2.1 廢氣治理
熟料燒成窯煙氣治理 熟料燒成窯是以煤粉為燃料的燒結法生產主要的廢氣污染源。我國氧化鋁企業(yè)早期對熟料燒成窯煙氣治理一般采用旋風+棒緯式電除塵，由于棒緯式電除塵器為單電場，運行及除塵效率不穩(wěn)定，排塵濃度一般在250～700mg/Nm3之間，對環(huán)境污染嚴重。近年來，各氧化鋁企業(yè)加大熟料窯煙氣治理力度，改為采用板臥式電除塵取代棒緯式電除塵。板臥式電除塵器為三電場或四電場，具有除塵效率高、操作方便、運行穩(wěn)定、自動化水平高、維修量小的特點，除塵效率達99.5%以上，排塵濃度可控制在200mg/內，可達標排放。
氫氧化鋁焙燒爐煙氣治理流態(tài)化氫氧化鋁焙燒爐，產生的煙氣溫度在1000℃左右，其主要污染物粉塵主要來源于文丘里干燥器，采用電除塵器收塵凈化。為充分利用余熱，熱煙氣與氫氧化鋁物料逆向流動，利用熱煙氣余熱干燥氫氧化鋁并進行預焙燒，焙燒好的氧化鋁與熱煙氣在熱分離器中分離。熱煙氣經二級旋風預熱器及文丘里干燥器進行熱交換后，溫度降至165℃左右，經旋風筒氣固分離并經板臥式電除塵器除塵凈化后由煙囪排放。國內外氫氧化鋁焙燒爐全部采用板臥式電除塵器，排塵濃度可控制在50mg/N3內。
生產性粉塵收集與處理氧化鋁生產工序多、流程長，生產環(huán)節(jié)物料破碎、篩分、磨粉、貯倉及輸送等都易產生粉塵。目前，各氧化鋁企業(yè)對以上散塵點均采取集塵罩輔以通風收塵系統進行處理。集塵罩采用高標準設備，以提高粉塵捕集率，通風除塵系統采用布袋除塵器，除塵效率在99%以上，粉塵排放濃度一般可控制在100mg/Nm3內。目前氧化鋁廠主要環(huán)境問題是原燃料堆場的無組織排放。氧化鋁企業(yè)的原料物料貯存量大，原料堆場特別是鋁土礦堆場多為露天堆存，在風吹雨淋時，不僅容易造成原料物料的損失，而且容易造成環(huán)境污染。
1.2.2 廢水處理
我國氧化鋁企業(yè)已基本實現了生產廢水的零排放，長期實踐總結的氧化鋁工業(yè)廢水治理經驗包括：
(1)采用先進的清潔生產工藝，對壓煮溶出工藝采用全部間接加熱工藝，對赤泥、氧化鋁采用逆流洗滌，嚴格控制進入工藝系統的水量；
(2)采取“清污分流、一水多用”的技術措施，生產用水設置循環(huán)水系統，循環(huán)水系統的排污水排入生產廢水處理站處理，處理后的水返回工藝系統循環(huán)利用；
(3)赤泥附液在赤泥堆場澄清后作為生料配制用水，工藝過程的含堿溶液在工藝中循環(huán)利用，降低堿耗和減少廢水排放等。
1.2.3 赤泥堆存
溶出后的礦漿采用高效沉降槽進行赤泥的分離和洗滌，通過多次反向洗滌后，赤泥一般經泵直接由管道輸送至赤泥堆場堆存
赤泥屬于一般固體廢物，根據國內外生產實踐及試驗結果，赤泥浸出液pH≤11.78，氟化物濃度≤5.22mg/L。由于赤泥含堿量高，在堆場均設置赤泥附液回收系統，回收的赤泥附液返回氧化鋁生產工藝利用。國內赤泥堆場的建設均按《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)設置十分成熟、可靠的防止附液流失、滲漏的防滲措施，長期監(jiān)控結果表明，可有效防止赤泥堆場對環(huán)境造成污染影響。
2 氧化鋁工業(yè)節(jié)能減排途徑分析
2.1 清潔生產技術途徑2.1.1 采用先進的工藝技術和設備
間接加熱溶出工藝蒸汽直接加熱壓煮溶出是傳統技術，由于溶出礦漿只進行二次自蒸發(fā)降溫，熱利用率低，并且新蒸汽直接加熱，礦漿中堿液濃度被沖淡，為保證溶出，需提高循環(huán)母液的堿濃度，增加蒸發(fā)工序的蒸發(fā)量和汽耗。間接加熱連續(xù)脫硅溶出工藝，新蒸汽冷凝水返回熱電系統鍋爐循環(huán)利用，二次汽用于預熱礦漿，蒸汽冷凝水不進入礦漿系統，因此，采用具有國際先進水平的間接加熱、高溫溶出的溶出器組將有效降低能耗，與傳統的壓煮溶出技術及裝備相比，噸氧化鋁的溶出熱耗低1.86GJ。
降膜蒸
發(fā)器母液蒸發(fā)工序是氧化鋁生產工藝中的汽耗大戶，約占總汽耗的50%以上，同時占總能耗的20%以上，占生產成本的10%以上。要降低母液蒸發(fā)的汽耗，除采用先進合理的生產工藝和高效的生產設備外，有效的措施就是增加蒸汽的利用次數即蒸發(fā)器組的效數。目前氧化鋁工業(yè)上使用的蒸發(fā)器主要有外加熱式自然循環(huán)蒸發(fā)器和降膜蒸發(fā)器兩種：
(1)外加熱自然循環(huán)蒸發(fā)器，一般為三效或四效作業(yè)流程，其技術裝備水平相當于前蘇聯20世紀五、六十年代水平，主要缺點是產能低，每組蒸發(fā)器蒸水量約40t/h，運轉率只有約70%，且結垢速度快、清理周期短；汽耗高，每噸氧化鋁汽耗為5.23t，折合14.11GJ。
(2)降膜蒸發(fā)器是國外普遍采用的拜耳法種分母液蒸發(fā)設備，是世界上先進的蒸發(fā)器，其主要優(yōu)點是蒸水量大。傳統的四效自然循環(huán)蒸發(fā)器汽耗為0.45～0.5t汽／t水，六效管式降膜蒸發(fā)器汽耗為0.30t汽／t水。按年產氧化鋁80萬t計，其配套的蒸發(fā)裝置年節(jié)約蒸汽422～563kt，折標準煤39.6～52.9kt。
一段種子分解技術 目前，砂狀氧化鋁種子分解技術有兩種：一種是以法鋁為代表的使用大量種子的高濃度一段分解技術，另一種是以瑞鋁為代表的一段細種子附聚和二段結晶長大的兩段分解技術。采用一段分解技術比兩段分解技術產出率高10kg/m[3]，設備費投資減少21%以上，運行費用減少24%以上，電耗降低32%。
機械攪拌技術種分槽是氧化鋁生產中不可取代的大型專用設備，它要求固體含量高的物流長時間停留并攪拌均勻，攪拌裝置是種分槽的運行和耗能中心。目前所用攪拌裝置有兩種：壓縮空氣攪拌和機械攪拌。壓縮空氣攪拌是通過將壓縮空氣由種分槽底通入對料漿進行攪拌，空氣壓縮機能量消耗巨大，加上輔助設施，科漿攪拌能耗高達0.1142kW/m[3]。而機械攪拌能耗僅0.023kW/m[3]左右，較壓縮空氣攪拌減少電耗80%左右，節(jié)省電能約21kWh/tAL2O3氫氧化鋁流態(tài)化焙燒流態(tài)化焙燒的特點是利用1000℃左右焙燒產品的顯熱，在多級旋風冷卻系統中預熱進入流程的助燃空氣，利用焙燒爐的高溫煙氣烘干并預熱進入流程的氫氧化鋁，充分回收余熱，降低焙燒能耗，是當今世界先進的氫氧化鋁焙燒技術。流態(tài)化焙燒的能耗較焙燒窯低40%左右，投資比回轉窯低15%，設備運轉率高達95%以上，且內襯壽命長，維修量小。同時由于燃料減少，相應減少了so2和NO3產生量，煙氣初始濃度也低，對環(huán)境的污染影響小。
氫氧化鋁平盤過濾機洗滌氫氧化鋁成品的附著水分對焙燒爐的熱耗有直接影響，每降低1%的水份，可降低熱耗55kJ/kgAL2O3，平盤過濾機具有過濾和洗滌的雙重功能，生產能力大，濾餅水分低，卸車及反沖洗濾布再生均由計算機程序控制。平盤過濾機與相同生產能力的轉鼓過濾機相比，節(jié)能2.3×1 MJ/tA 。
深錐體式高效赤泥沉降槽 赤泥沉降槽是重要的液固分離設備，目前世界先進的沉降技術首推高效沉降槽，又稱深錐體式高效沉降槽。和傳統沉降槽相比，高效沉降槽周邊清液層高，一般可達10m以上；底流固相濃度≥40%，溢流浮物濃度≤200mg/L；水力負荷和固體負荷分別達6m[3]/ 和0.3t/ 。其處理能力是傳統沉降槽的2.6倍以上。高效沉降槽的底流固含為46%～53%，這樣就減少了一道過濾工序，50%左右的含水率使得赤泥堆放適用干法堆存，赤泥輸送采用高壓隔膜泵。干法堆存既解決了濕法堆存可能存在的安全隱患及相應的地下水污染問題，也有利于減小赤泥堆場庫容，降低基建投資。
2.1.2 提高砂狀氧化鋁產量
氧化鋁是電解鋁生產的原料，國內外均采用氧化鋁吸附干法凈化技術處理電解鋁的特征污染物——氟。氟化氫分子具有較強的極性，氧化鋁可以提供很大的活性吸附表面，此吸附反應生成物能夠滿足電解生產對原料的要求，只要氣固兩相具備充分的接觸條件，在極短的時間（0.1秒）內，氧化鋁對氟化氫的吸附反應即可完成。
氧化鋁分為粉狀氧化鋁、中間狀氧化鋁和砂狀氧化鋁，氧化鋁比表面積越大，接受吸附物的能力越強。砂狀氧化鋁比其他形狀氧化鋁的比表面積大的多，是電解鋁理想的吸附劑。國外先進的氧化鋁產品基本為砂狀氧化鋁，而我國由于受鋁土礦資源影響，長期以來生產的大都是中間狀或粉狀氧化鋁。近年，我國氧化鋁企業(yè)均積極開展此方面的科研開發(fā)，國家科技部和中國鋁業(yè)公司已立項開展工作，中鋁旗下的各氧化鋁企業(yè)已經實施了砂狀氧化鋁技術改造，可為電解鋁凈化系統提供較好的吸附劑。
2.1.3 串聯法工藝技術產業(yè)化
串聯法是適宜處理我國中低品位鋁土礦的氧化鋁生產方法，與現行的混聯法比較，具有能耗少、投資省、生產成本低的優(yōu)點。串聯法可擴大拜耳法的比例，充分發(fā)揮拜耳法的優(yōu)勢，提取礦石中的大部分A ，同時簡化高能耗的燒結法工藝流程，縮小了其產能比例。每噸氧化鋁的建設投資可降低12%，能耗可降低11GJ/tA 。鋁土礦中的A 經拜耳法和燒結法兩次提取，提高了氧化鋁的回收率，同時又降低了堿耗，盡量回收拜耳赤泥中的Na[,2]O，可大限度地利用資源。并且燒結法不出產品，全部產品由拜耳法種子分解產出，有利于提高產品質量。
2.2 污染控制措施途徑
2.2.1 提高熟料燒成窯煙氣凈化效率
熟料燒成窯是氧化鋁燒結系統大污染源，熟料燒成窯煙氣濕度大，含堿、含塵濃度高，采用旋風加電除塵器二級治理技術，排塵濃度一般在200mg/ 以下。為了進一步降低其煙氣含塵濃度，加大回收熟科粉塵，減少粉塵排放，從而提高氧化鋁回收率，降低堿耗，國內企業(yè)對電除塵器進行改造，將原三電場除塵器改造為四電場除塵器，或采用在除塵系統加裝高頻集成整流電源技術或三相電源，通過提高自動控制系統能力，提高電流強度和電除塵器振打的有效性，來提高除塵效率。根據對熟料燒成窯煙氣治理措施實際監(jiān)測，其排塵濃度可控制在100mg/ 以下。
2.2.2 保證生產廢水處理站處理能力
生產廢水處理站設計除了考慮日常生產廢水的處理，還應考慮回收初期雨水處理量，突發(fā)性事故消防用水處理量，以及生產系統不正常時盈水處理問題，因此，工業(yè)廢水處理站的能力應遠大于日常廢水產生量。一旦發(fā)生以上情況，廢水可進入廢水處理站沉淀池暫時儲存，待生產系統恢復正常后，儲存池內的事故廢水分期分批進入污水處理站進行處理后，取代部分水源進入生產系統循環(huán)，確保各種情況下，工程廢水都能實現零排放。如中州分公司日常廢水量15822m[3]/d，廢水處理站處理能力38400m[3]/d，處理后的水全部返回生產系統綜合利用，可確保廢水零排放。
2.2.3 加強監(jiān)控和監(jiān)測
無組織排放控制 氧化鋁企業(yè)對有組織粉塵排放均設置有完善的除塵設施，工業(yè)粉塵能夠得到有效控制，對環(huán)境影響較小。但原礦堆場、預均化堆場及配套熱電系統煤堆場的露天堆存存在無組織排放，特別在春季風大時易對廠區(qū)及附近地區(qū)造成影響。為了減少原料物料損失，減輕物料揚塵對環(huán)境的污染，應對原礦槽、均化堆場、煤堆場實施封閉或半封閉措施。
赤泥堆場監(jiān)控 氧化鋁企業(yè)除按危險廢物處置標準對赤泥堆場采取嚴格防滲措施外，還應設置相應的長期監(jiān)測井以及壩體位移和浸潤線觀測設施。赤泥堆場長期監(jiān)測井是監(jiān)控赤泥堆場環(huán)境安全的重要手段，若赤泥堆場防滲措施稍有紕漏，長期監(jiān)測井監(jiān)測數據即可出現pH值偏高現象，可加大取樣頻率，查找原因，以便采取補救措施，因此，長期監(jiān)測井是防止赤泥附液污染地下水的有效監(jiān)控措施。位移監(jiān)控系統是赤泥堆場穩(wěn)定安全運行的重要手段，一般在壩體埋設變形位移觀測點，可依據壩體位移值及時發(fā)現壩體裂縫或滑坡預兆，以便采取防范應急措施，避免發(fā)生安全事故和環(huán)境風險。
連續(xù)監(jiān)測裝置 多數氧化鋁企業(yè)對熟料燒成窯、焙燒爐、鍋爐等煙氣的監(jiān)測基本采
用人工取樣，實驗室分析。污染源監(jiān)測頻次一般為每月或每季1次。一旦凈化系統出現故障，難以及時發(fā)現和維修，不正常排放時間延長。目前中鋁中州分公司在爐窯凈化系統排放口裝設連續(xù)監(jiān)測裝置，對煙粉塵、 等污染物濃度實行在線監(jiān)控，可為氧化鋁企業(yè)煙氣凈化設施高效穩(wěn)定運行提供管理保障。
2.3 環(huán)境管理措施途徑
2.3.1 提高鋁土礦資源利用率
近年氧化鋁價格處于高位，為追求氧化鋁產量，部分企業(yè)采富礦、棄貧礦，造成鋁土礦資源的極大浪費。為了提高資源利用率，應貧富兼顧，合理開采和利用現有鋁土礦資源。應整合鋁土礦資源配置，發(fā)揮集團公司既有利用中高品位氧化鋁生產系統，又有處理中低品位鋁土礦生產系統的優(yōu)勢，使鋁土礦資源得到充分利用。禁止建設資源利用率低的鋁土礦山，采礦損失率坑采不超過6.4%，露采不超過4.5%；采礦貧化率坑采不超過5.6%，露采不超過2.5%。為提高資源保證率，還應加大我國鋁土礦資源的勘查工作。
鋁土礦露天開采應實行“剝離—采礦—復墾”一體化工藝，將復墾工程作為采礦工藝的組成部分，及時恢復被采礦作業(yè)破壞的耕地、林地、草地等的生態(tài)性能，改善植被立地條件。應實行生態(tài)補償政策和措施，促使企業(yè)進一步提高資源利用率和減少生態(tài)破壞。
2.3.2 利用國外優(yōu)質鋁土礦
我國周邊國家如越南、印度、印度尼西亞、菲律賓等和澳大利亞的鋁土礦資源十分豐富，且品位優(yōu)良，多為三水鋁石或三水鋁石——水鋁石的混合礦。利用其優(yōu)質的鋁土礦資源，采用拜耳法生產工藝技術，低成本、低污染生產氧化鋁的優(yōu)勢十分明顯。因此，可實施鼓勵“走出去”戰(zhàn)略，積極合理開發(fā)國外優(yōu)質鋁土礦資源。
