鋁產業(yè)生態(tài)化低碳發(fā)展實證剖析和途徑

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0引言

降低能消耗率以減少溫室氣體排放量，節(jié)約資源以謀求可持續(xù)發(fā)展和建設環(huán)境友好型社會已成為人們的共識.鋁業(yè)作為國民經濟的基礎產業(yè)，已形成以采礦、選礦、冶金、消費者以及廢雜鋁的回收與循環(huán)利用的完整產業(yè)鏈.鋁業(yè)如何適應社會這一發(fā)展潮流，走生態(tài)化低碳經濟發(fā)展模式之路，將鋁產業(yè)鏈衍化為生態(tài)化低碳經濟發(fā)展模式是本文研究的核心和關鍵所在.所謂生態(tài)化低碳經濟發(fā)展模式，其關鍵詞有“生態(tài)化”和“低碳經濟”，生態(tài)化是借鑒生態(tài)學的物質循環(huán)和能量轉化的原理，使物質、能源、廢棄物梯級循環(huán)利用，在產業(yè)鏈條上的每一個節(jié)點企業(yè)和企業(yè)內部各工序全部節(jié)點的生態(tài)化鏈接；低碳經濟是指低能耗、低污染、低排放的經濟模式，達到減少溫室氣體排放的目的.這對高能耗高污染的鋁產業(yè)適應節(jié)能減排具有特別的現實意義.

1鋁產業(yè)鏈的物質運動及其存在問題的分析

1.1中國鋁產業(yè)鏈的物質運動情況我國鋁產業(yè)鏈上的物質運動包括：開采、選礦、冶金、電解、加工、消費和廢雜鋁的回收與循環(huán)利用以及各環(huán)節(jié)排放出的物質運動等，見圖1所示.

1.2中國鋁產業(yè)鏈存在問題進行分析根據鋁產業(yè)鏈的物質運動情況，對鋁產業(yè)鏈存在問題進行歸納與分析如下.（1）鋁土礦山采選情況及其存在問題分析.我國鋁土礦資源自然稟賦較差，90%以上的鋁土礦資源為沉積型鋁土礦，礦石為一水硬鋁石，屬于高鋁、高硅、低鐵、難溶的中低品位鋁土礦，集中在山西、河南、貴州、廣西.主要應用露采方法和單一的自卸汽車直進溝開拓方式，這種方法剝采比大，采礦損失率和礦石貧化率很高.一般剝采比達10～15m3/m3，有的高達22～25m3/m3，總體剝離量占采剝總量的80%～90%[1]，這樣導致占用土地多，影響面大，鋁土礦資源的開采問題已成為鋁產業(yè)鏈發(fā)展壯大的制約瓶頸.我國鋁土礦選礦常采用手選，再用浮選脫硅、機械或化學處理辦法脫除鈦和鐵等雜質，進一步采取相應措施脫除鉀和鈉雜質，人工揀選導致鋁資源遭到嚴重破壞.（2）鋁冶煉情況及其存在問題分析.采用不同的冶煉方法對鋁土礦品質要求不一樣，拜耳法要求鋁土礦的鋁硅比≥8～10，聯合法要求鋁土礦的鋁硅比為5～7之間，燒結法要求鋁土礦的鋁硅比為3.5～5.0，提高鋁硅比成為冶煉的關鍵.目前我國企業(yè)氧化鋁的生產多采用聯合法，這種方法先以拜耳法處理大部分易溶的一水硬鋁石，再將難溶或不溶部分轉入燒結法，在燒結時再配入部分鋁土礦來提高品位，我國大型氧化鋁生產企業(yè)均用此法生產氧化鋁.氧化鋁生產過程中產生的大量赤泥，赤泥堆存因含有大量的廢液，污染地下水.我國原鋁生產企業(yè)一般采用熔鹽電解法.電解鋁時需要消耗大量電能，生產1t鋁約耗電16000kWh.而目前我國的鋁電解槽大部分是自焙陽極電解槽，這類自焙槽幾乎沒有安裝消除氟化物等毒氣裝置，從煙囪直接排放，有的小鋁廠就是“裸排”，工作環(huán)境中彌漫著氟化物和瀝青煙，導致工作場地環(huán)境惡劣，嚴重威脅著工人身心健康.（3）綜合回收利用的現狀及其存在問題分析.我國鋁土礦共伴生的有益礦產尚未得到充分的綜合利用，鋁土礦中伴生的豐富的稀有、稀土及稀散元素中，目前只對部分鎵和鐵元素進行回收利用，其他的均進入赤泥中.而國外90％以上的鎵和鈧是在氧化鋁生產的過程中提取的[2].再生鋁冶煉加工可以節(jié)省大量的能源消耗，理論估計每生產1t再生鋁與生產原鋁相比，可以節(jié)約95%的能源，節(jié)水10.05t，少用固體材料11t，少排放CO20.8t、SO20.6t[3].目前我國再生鋁企業(yè)“小、多、散”，科技開發(fā)力量薄弱，技術水平低，能源與資源浪費大，遠未達到理論估計水平.特別是大量作坊式的企業(yè)，在拆解廢舊電器、舊電機、舊電纜的過程中，產生的廢棄物到處亂扔，廢水流入農田，進入水系，自然環(huán)境受到嚴重污染.鋁產品深加工企業(yè)結構不合理，生產經營分散，生產集中度低，深加工能力薄弱，產品附加值低，產品結構單一，技術含量高的鋁加工產品主要依靠進口，抵御風險能力不強.（4）產業(yè)鏈信息系統(tǒng)分析.鋁產業(yè)鏈單元企業(yè)基本上都建立了自己的信息系統(tǒng)，大型骨干企業(yè)建立了生產執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、供應鏈管理系統(tǒng)及企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）系統(tǒng).但應用方面還需完善，實現了基礎管理，在生產、經營與管理方面發(fā)揮了積極作用，增強了企業(yè)對市場的快速反應和綜合競爭能力.對鋁產業(yè)鏈信息系統(tǒng)有待建立和運行.針對以上鋁產業(yè)鏈現實情況及其存在問題，構建生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型，試圖系統(tǒng)地解決這些問題.

2構建鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展的理論模型

2.1構建生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型構建生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型，主要基于兩點考慮，一是用生態(tài)化辦法解決物質循環(huán)問題，二是考慮節(jié)能減排問題.構建鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型，首先要完善鋁產業(yè)鏈節(jié)點的組成與聯系，將通過鋁產業(yè)鏈中每一個節(jié)點的物質、能量、水、技術和信息進行系統(tǒng)集成，對鋁產品進行非物質化設計，并形成科技開發(fā)、技術服務支持系統(tǒng)，構建鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型[4-6]，如圖2所示.

2.2對鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展模型的解釋對上述所構建的鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展模型的解釋：

（1）節(jié)點組成.圍繞鋁產業(yè)鏈，針對采、選、冶、加工企業(yè)和企業(yè)內部核心工序構建起鋁產業(yè)鏈生態(tài)化的主體，從而形成鋁產業(yè)鏈共生生態(tài)群落.

（2）系統(tǒng)集成.針對構建鋁產業(yè)鏈的物質流，以減量化、再利用、資源化為原則，通過物質集成、能量集成、水集成、技術集成和信息集成[4]，使鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳運行分述如下.第1，物質集成.通過深入分析鋁產業(yè)鏈的生產工藝流程，采用新工藝和新技術，使鋁產業(yè)鏈的生產流程朝著簡單化、緊湊化、大型化、連續(xù)化和循環(huán)化的方向發(fā)展，實現鋁產業(yè)鏈的物質集成，從而減少鋁產業(yè)鏈廢棄物的產生與排放，用較少的鋁資源投入，最大限度地并可持續(xù)利用鋁再生資源，使鋁資源利用效率最大化、廢物循環(huán)利用升值化、廢水廢氣廢渣產生最小化[4].第2，能量集成.運用以系統(tǒng)工程理論和熱力學分析為基礎的能量集成技術，對鋁產業(yè)鏈全生產過程的耗能現實進行深入細致分析與診斷，發(fā)現耗能高的部位及原因，通過采用“能量集成策略”，并結合鋁產業(yè)鏈的生產過程中的操作、管理、工藝等因素，應用先進的節(jié)能設備和環(huán)保工藝，對鋁產業(yè)鏈系統(tǒng)節(jié)能降耗改造方案進行決策，淘汰或改造資源浪費、污染嚴重的落后生產工藝和裝備，采用新能量集成系統(tǒng)高效運行，提高能源使用效率，減少溫室氣體的產生與排放.第3，水集成.水的梯級利用與開發(fā)是實現水集成的有效方法，其本質要求是全過程控制、分散和集中相結合，水的梯級利用技術主要包括鋁產業(yè)鏈的水梯級利用技術和企業(yè)內部的水梯級利用技術，建立企業(yè)內部工序之間和產業(yè)鏈各企業(yè)之間多級用水循環(huán)系統(tǒng)，提高水的循環(huán)利用率，采用先進工藝與裝備，對鋁產業(yè)鏈的水系統(tǒng)進行有效的改造，使鋁產業(yè)鏈的水集成系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現廢水資源化，污水“零”排放.第4，技術集成.技術集成包括軟技術和硬技術的成組配套.依據鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳設計的理念，把相關高新技術、抗風險技術、廢物利用和交換技術、信息技術、管理技術等成組配套集成起來，建立起資源和能源消耗最小化、廢物和污染物產生最少的高新技術系統(tǒng)，以實現鋁業(yè)生態(tài)化低碳經濟發(fā)展模式的技術要求.第5，信息集成.建立完善鋁產業(yè)鏈的數據庫和信息管理系統(tǒng)，包括物質流、能源流和廢物流的信息，鋁產業(yè)鏈上的相關企業(yè)采購原材料、生產半成品、成品、技術進步、市場發(fā)展等方面的信息，以及法律法規(guī)、相關的宏觀環(huán)境的信息，從而形成鋁業(yè)生態(tài)化低碳經濟發(fā)展模式的信息支持系統(tǒng).

（3）非物質化設計.指通過鋁產品小型化、輕型化、使用循環(huán)材料和部件，以及提高鋁產品壽命，在相同或者更少鋁材的基礎上，獲取最大價值的鋁產品，或者在獲取相同鋁產品的功能時，實現鋁產業(yè)鏈物質和能量的投入最小化.

（4）鋁業(yè)生態(tài)化低碳產業(yè)鏈設計.這是指依據工業(yè)生態(tài)學的原理，進行物質、能量和信息鏈接所進行的最優(yōu)化組合設計與改造.按我們構建生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型，下面以中國鋁業(yè)貴州分公司為例進行實證研究.

3鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳經濟發(fā)展實證分析

中國鋁業(yè)貴州分公司針對產業(yè)鏈，圍繞“四個環(huán)節(jié)和四個重點”[7-9]，對鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳經濟發(fā)展進行了努力的探索，并取得了一些進展.其具體做法如下.

3.1重視四個環(huán)節(jié)①重視在資源開采環(huán)節(jié)的回采率和綜合回收率的提高，延長礦山經濟壽命周期；②重視在資源消耗環(huán)節(jié)能耗降低，資源產出效率的提高，開展能源梯級利用、資源高效利用和循環(huán)利用的工程實踐活動；③重視資源的再利用，進行科技開發(fā)回收鎵，做強產業(yè)鏈；④重視原燃材料供應和產品銷售的節(jié)能環(huán)保標準的使用，努力建設生態(tài)鋁業(yè).

3.2狠抓四個重點

（1）狠抓上游一體化發(fā)展戰(zhàn)略控制資源.力爭礦權，加快對礦山的控制，合理儲備礦產資源，制定向上游擴張的前向一體化發(fā)展戰(zhàn)略.

（2）狠抓能量集成技術開發(fā)降低能耗.針對能耗高的問題，開展一系列的科研攻關和技術開發(fā)工作，如對已使用的混聯法生產氧化鋁的工藝流程及設備，展開了“自流式外循環(huán)板式降膜蒸發(fā)器”、“燒結法赤泥快速分離技術與裝備”、“燒成窯提產工藝裝備創(chuàng)新技術”、“單套管預熱———高壓釜強化溶出技術”、“混聯法高濃度氧化鋁生產工藝技術”、“混聯法二段分解生產砂狀氧化鋁工藝技術”、“熟料窯增產、提質、節(jié)能技術”、“常壓脫硅”、“高效精濾技術”等一系列重大技術創(chuàng)新和產業(yè)化開發(fā)項目，主要技術指標達到國際領先水平，取得了顯著的節(jié)能降耗效果；在電解鋁方面同樣通過技術開發(fā)，如通過“180kA級鋁電解槽技術”和“230kA高效節(jié)能型預焙鋁電解槽”技術產業(yè)化開發(fā)，提高了該企業(yè)的電解槽的穩(wěn)定性和單位面積產能，降低了能耗；在電解控制技術上開發(fā)了“大型預焙電解槽自適應控制及新型風動下料裝置”、“186kA預焙槽系列智能模糊控制技術”、“鋁電解在線檢測”、“預焙鋁電解槽槽電壓噪聲控制”、“鋁電解物料儲運及煙氣凈化管控一體化綜合系統(tǒng)”，建成了“鋁電解工藝-控制研究室”，經集成創(chuàng)新所形成的“DJYF-1型鋁電解工藝過程控制系統(tǒng)”，成功應用于電解鋁的生產，綜合節(jié)能效果顯著.

（3）狠抓廢棄物的綜合利用建生態(tài)礦山.該公司圍繞氧化鋁、電解鋁、碳素三大塊產生大量廢棄物的問題，從原輔材料和能源、生產工藝、生產設備、過程控制、管理制度、員工素質、產品和污染物8個方面，仔細分析原因、判明具體部位，尋求系統(tǒng)解決方案：首先從廢水治理入手，控制廢水產生源頭、完善廢水處理過程，梯度利用再生水，基本達到“污水零排放”理想目標；同時對固體廢棄物加以綜合利用，如粉煤灰用于水泥生產原料，用作建筑材料生產的原料，燒結赤泥和粉煤灰混合用于筑壩.該公司對崗位粉塵和噪聲進行了治理，對老礦山進行復墾，將廢棄排土填埋采空區(qū)，平整場地，種樹、種花、種草，使老礦區(qū)草化、花化、綠化，通過綜合利用廢棄物，取得了節(jié)能降耗、減污添綠，增效增收的良好效果.

（4）狠抓科學管理推動生態(tài)化低碳發(fā)展.完善管理制度，再造優(yōu)化流程，嚴格規(guī)范管理，確保質量管理、職業(yè)健康安全管理、環(huán)境管理和計量檢測制度有效運行.推行精益生產、預算管理、成本管理，引進ERP系統(tǒng)，推進信息化建設，實現生產過程自動化和管理信息化.嚴格執(zhí)行國家安全法律法規(guī)，開展企業(yè)亞文化建設，初步形成了具有貴鋁文化特色的形象識別系統(tǒng)，使員工的日常行為規(guī)范能做到內化于心，外化于行，固化于制，科學管理推動了貴鋁產業(yè)鏈朝著生態(tài)化低碳經濟方向發(fā)展.

4鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳經濟發(fā)展模式的路徑

從中國鋁業(yè)貴州分公司具體實踐看，朝著生態(tài)化低碳經濟方向發(fā)展確實取得了很大進步，但缺乏對產業(yè)鏈的系統(tǒng)思考，與鋁業(yè)生態(tài)化低碳發(fā)展理論模型還有較大差距，為此，提出鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展模式的實現的具體路徑如下.鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展理論模式是通過模仿自然生態(tài)系統(tǒng)構造鋁產業(yè)鏈生態(tài)系統(tǒng)，首先要完善鋁產業(yè)鏈的節(jié)點的組成與聯系，將通過鋁產業(yè)鏈中每一個節(jié)點的物質、能量、水、技術和信息進行系統(tǒng)集成，以達到有機鏈接，減少廢渣、廢液、廢氣和溫室氣體等物質的排放和鋁資源的循環(huán)利用，鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展的目標.其實現途徑主要有[10-12]：

4.1科學地規(guī)劃設計首先考慮鋁產業(yè)鏈上各節(jié)點企業(yè)之間物質循環(huán)，上游企業(yè)所產生物質（包括廢物）為下游企業(yè)提供資源，使鋁產業(yè)鏈做到盡量少的廢棄排放.其次考慮將物質、能量、水、技術和信息進行系統(tǒng)集成設計，形成循環(huán)鏈；最后考慮節(jié)能問題，采用高新大設備與先進工藝進行綜合改造方案，形成全新的鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳運行系統(tǒng)規(guī)劃.

4.2按設計方案進行改造按鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳發(fā)展模式進行改造，在改造過程中要注意引進冶金高技術、新工藝、大裝備，并利用管理信息技術將他們集成起來；要敢想敢干，構建起鋁產業(yè)鏈資源綜合利用效率最大化和能耗、廢物和污染物產生最小化的高新技術系統(tǒng)，以滿足鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳運行的要求.

4.3加強企業(yè)管理鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳高新技術系統(tǒng)建成以后，要加強企業(yè)日常管理，特別是強化現場管理，做到物流有序、操作規(guī)范，切實落實崗位責任制，建立激勵與約束長效機制，努力使鋁產業(yè)鏈做到生態(tài)化運行和低碳化排放.加強企業(yè)管理是確保鋁產業(yè)鏈生態(tài)化低碳長效機制的重要保障.

4.4依靠科技創(chuàng)新因為科技創(chuàng)新是動態(tài)的，在鋁產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產技術和工藝方面，只能依靠當前的科學技術來開發(fā)的資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的生產工藝、技術和和裝備，當科學技術取得階段成果時，再加以開發(fā)應用，不斷提高鋁產業(yè)鏈物質和能量的使用效率，不斷降低鋁產業(yè)鏈物質和能量的消耗，減少鋁產業(yè)鏈的污染排放量，動態(tài)地實現鋁產業(yè)鏈向生態(tài)化低碳方向發(fā)展.

4.5延長鋁產業(yè)鏈延長鋁產業(yè)鏈，開展鋁深加工研究，應準確把握世界上鋁業(yè)最新的先進技術和應用消費的動向，建立以市場為導向的鋁產品技術開發(fā)體系，加強產業(yè)之間的緊密聯系，研發(fā)對國民經濟發(fā)展有重要作用，又具有市場潛力的新產品、新材料和新工藝，形成具有自主知識產權的專有技術及相應的工藝裝備.加快鋁產業(yè)鏈結構優(yōu)化，合理利用和分配鋁資源，擴大產品品種規(guī)格范圍，提升綜合經濟指標和產品質量，形成具有世界競爭優(yōu)勢的生態(tài)化低碳產業(yè)鏈.