При производстве каждой тонны глинозёма образуется более 1,1 тонны красного шлама. С 2001 года, когда Китай стал крупнейшим в мире производителем первичного алюминия, ежегодный прирост красного шлама уже много лет подряд превышает 100 млн тонн. Ожидается, что к концу 2025 года общий объём накопленного красного шлама в стране превысит 1,6 млрд тонн. Эта общепризнанная мировая проблема промышленных твёрдых отходов благодаря технологиям многоотходной синергии и высокоценной утилизации совершает исторический скачок от «экологического бремени» к «зелёному сокровищу».
Серьёзный дисбаланс между уровнем утилизации красного шлама и масштабами его складирования
Красный шлам, являющийся крупнотоннажным промышленным твёрдым отходом, образующимся при производстве глинозёма, обязан своим красным цветом высокому содержанию оксида железа, а также содержит оксид алюминия, диоксид кремния, оксид кальция и другие компоненты, включая микроколичества калия, хрома, ванадия, мышьяка и др. Сильная щёлочность красного шлама (pH обычно 10–12,5) и высокая сложность его состава являются ключевыми узкими местами, сдерживающими его масштабную утилизацию.
«Сложность состава красного шлама увеличивает трудности разработки и применения технологий его переработки», — отмечает Ян Тун, руководитель отдела научно-технических инноваций компании «Шаньси Хуасин Алюминий» (дочернее предприятие Алюминиевой корпорации Китая). Из-за различий в источниках бокситов и технологиях производства химический состав красного шлама существенно различается, и ни одна отдельная технология переработки не может быть адаптирована ко всем типам красного шлама. Традиционные методы удаления натрия и фиксации щёлочи при использовании в строительных материалах приводят к появлению высолов и разрушению структуры — согласно данным исследований, прочность на сжатие цементных изделий с содержанием красного шлама более 15% через 28 дней снижается на 30%, а степень отслаивания поверхности после циклов замораживания-оттаивания увеличивается в 5 раз.
В то же время, хотя стоимость складирования каждой тонны красного шлама может быть низкой — от 15 до 30 юаней, потенциальные экологические риски нельзя игнорировать. При недостаточной защите полигонов щелочные вещества и тяжёлые металлы просачиваются с дождевой водой в почву и грунтовые воды, вызывая необратимый экологический ущерб.
Хотя уровень комплексной утилизации красного шлама в Китае вырос с 5,5% в 2021 году до 14% в 2025 году, он всё ещё отстаёт от целевых показателей политики: 15% к 2027 году и 25% к 2030 году. Как добиться масштабной, высокоценной и экологичной утилизации красного шлама стало ключевым вопросом для обеспечения устойчивого развития алюминиевой промышленности.
Двойной движущий механизм: многоотходная синергия и сокращение объёмов на источнике
Перед лицом этой мировой проблемы научно-исследовательские группы и промышленность прокладывают путь по двум технологическим направлениям:
Направление 1: Многоотходная синергия — «утилизация отходов с помощью отходов», превращение «одиночных отходов» в «композитное сырьё»
Команда профессора Лю Сяомина из Пекинского университета науки и технологий совместно с компанией «Шаньси Чжункэ Хунюань Энвайронментал Протекшн Текнолоджи Ко., Лтд.» предложила «механизм многоотходной синергии». Разные отходы имеют свои недостатки и преимущества — благодаря своей сильной щёлочности красный шлам может активировать потенциальную пуццолановую активность золы-уноса, при гидратации образуя цементирующие продукты, которые при смешивании формируют композитные цементирующие материалы на основе отходов с отличными связующими свойствами, обеспечивая синергетическую утилизацию нескольких видов отходов.
Этот принцип перешёл от теории к практике, преодолев ключевые трудности многоотходной синергии. «У каждого вида отходов есть свои недостатки и преимущества, — объясняет Жэнь Сяомин, генеральный директор «Чжункэ Хунюань». — Многоотходная синергия подобна замешиванию теста: при переходе к крупномасштабному промышленному применению получаемая нами "мука" часто бывает разных марок, с неравномерным помолом и разной влажностью, что создаёт огромные проблемы для промышленного производства». Исследовательская группа отказалась от общепринятого метода сушки, перейдя к технологии смешивания с влажным красным шламом, и, используя точное смешивание по «объёмному соотношению» и предварительную обработку вылёживанием, а также внедрив полный набор технологий интеллектуального согласования режимов, включая систему PCS, в конечном итоге нашла стабильный баланс между точностью дозирования и качеством продукции. В настоящее время эта технология позволяет контролировать точность соотношения красного шлама и золы-уноса в пределах 5%, общее содержание отходов достигает 97%, прочность на сжатие без ограничения бокового расширения через 7 дней составляет 6,2 МПа, а моделируемое выщелачивание натрия за 7 дней — всего 0,0013% (массовая доля).
На уровне практического применения результаты исследований уже полностью внедрены. Опираясь на эту теорию, в Янцюане (провинция Шаньси) были построены производственные линии дорожных материалов производительностью от 300 до 500 тонн в час и полностью автоматизированная линия по производству безобжиговых строительных блоков из отходов мощностью 300 000 тонн в год. После полного ввода в эксплуатацию общий объём утилизации красного шлама, угольных пород, золы-уноса CFB и других отходов, как ожидается, достигнет 2 млн тонн в год. На участке дублёра национальной трассы G207 в провинции Шаньси дорожное полотно длиной более 500 метров было изготовлено из красного шлама, золы-уноса CFB, угольных пород и других отходов; дорога эксплуатируется уже 7 лет и находится в отличном состоянии. По словам Жэнь Сяомина, «это знаменует собой официальный переход синергетической утилизации крупнотоннажных промышленных отходов Китая от отдельных технологических решений к систематизированному и индустриализированному новому этапу».
Направление 2: Сокращение объёмов на источнике и высокоценная конверсия — «сначала похудеть, потом повысить эффективность»
Сокращение объёмов является предпосылкой для ресурсного использования. Команда проекта Национальной ключевой программы исследований и разработок под руководством профессора Чжоу Цюшэна из Центрально-Южного университета предложила системное решение, направленное на значительное снижение объёмов выводимого красного шлама. В рамках проекта «Сокращение объёмов красного шлама на источнике при байеровском выщелачивании бокситов и крупномасштабное промышленное демонстрирование» Центрально-Южный университет совместно с Южно-Китайским технологическим университетом, Северо-Восточным университетом, Институтом инженерных процессов Академии наук Китая, Алюминиевой корпорацией Китая и другими ведущими отечественными научно-производственными силами проводит совместные исследования. Исследовательская группа, регулируя параметры процесса байеровского выщелачивания, оптимизируя условия выщелачивания и добавляя новые реагенты, значительно снизила образование красного шлама. Кроме того, проект активно продвигает интеграцию высокоэффективных технологий выщелачивания с новой моделью «синергетической утилизации стали и алюминия». Предварительные данные показывают, что этот двойной технологический подход — сокращение объёмов на источнике и контроль процесса — позволил значительно снизить объёмы выводимого красного шлама, а некоторые ключевые технологии уже прошли демонстрационную проверку на предприятиях по производству глинозёма в Гуанси, Шаньси и других регионах.
Пять основных направлений формируют новую структуру «зелёной» промышленности
В настоящее время в Китае сформировались пять основных направлений утилизации красного шлама: порошковые материалы, извлечение элементов, цементирующие материалы, дорожные материалы и керамические строительные материалы. Среди них проекты по извлечению железа из красного шлама, производству цементирующих материалов и дорожных материалов уже успешно внедрены. Благодаря синергетическим инновациям в области сокращения объёмов на источнике, контроля процесса и ресурсного использования на конечном этапе красный шлам превратился из «промышленного бремени» в «общий ресурс» для алюминиевой промышленности, промышленности стройматериалов, транспортной инфраструктуры, чёрной металлургии и других отраслей. Кроме того, экосистема производственной цепочки претерпевает глубокие изменения. Под руководством правительства в регионах интенсивного образования красного шлама, таких как Шаньси, Гуанси и Шаньдун, началось формирование интегрированных промышленных кластеров «производство глинозёма — утилизация красного шлама — ресурсное использование», решающих проблемы различий в составе и региональной промышленной базы с помощью подхода «адаптация к местным условиям, индивидуальный подход к каждому предприятию». В будущем комплексное управление красным шламом позволит добиться полной синергии сокращения объёмов, повышения эффективности и снижения выбросов углерода, предоставив «китайский путь», который может служить ориентиром для преодоления глобальных узких мест в утилизации твёрдых отходов.
Равное внимание к технологическому драйву и политической поддержке
Ускорение утилизации красного шлама невозможно без технологической поддержки и политического сопровождения. В 2014 году введение «Норм проектирования полигонов для сухого складирования красного шлама» заполнило пробел в инженерных стандартах Китая в этой области; в 2021 году «План развития зелёной промышленности в 14-й пятилетке» определил комплексную утилизацию красного шлама как одну из ключевых задач; в 2024 году Министерство промышленности и информатизации совместно с пятью другими ведомствами опубликовало «План действий по комплексной утилизации красного шлама», чётко установив целевые показатели: «уровень утилизации 15% к 2027 году и 25% к 2030 году».
Цзэн Цинмэн, заместитель исполнительного директора Офиса по продвижению комплексной утилизации красного шлама Китайского общества цветной металлургии, заявил, что для достижения установленных государством целей необходимо в полной мере раскрыть инновационный потенциал предприятий и научно-исследовательских институтов, способствовать углублённой интеграции промышленности, академических кругов и исследований с помощью политического руководства, поощрять алюминиевые предприятия к созданию механизмов регулярного взаимодействия с отраслями стройматериалов, металлургии и охраны окружающей среды, продвигая переход красного шлама от конечной обработки к ресурсному использованию по всей цепочке.
Отраслевые эксперты рекомендуют перенять опыт политики «привязки производства к отходам» в провинции Гуйчжоу в отношении фосфогипса, увязав производственные мощности предприятий с утилизацией твёрдых отходов, чтобы ещё больше усилить ответственность предприятий по производству глинозёма.