浮選工藝條件下鋁電解清潔生產(chǎn)方式研究

尹聚才，張 巍

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

為了符合可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)需求，傳統(tǒng)的鋁電解生產(chǎn)工藝要朝著清潔生產(chǎn)的方向進(jìn)行優(yōu)化。在生產(chǎn)的過程中盡可能降低能源的消耗和環(huán)境的污染。減少生產(chǎn)過程中對人類未來的影響，并滿足社會的需求[1]。清潔生產(chǎn)方式對環(huán)境和能源的保護(hù)提升了鋁電解生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。改變原有的生產(chǎn)工藝，改造原有的生產(chǎn)設(shè)備，在新研究出來的技術(shù)中實現(xiàn)生產(chǎn)的低能耗與低污染。節(jié)約能源和原材料的消耗，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物進(jìn)行環(huán)保處理，在污染檢測達(dá)標(biāo)之后再排放。

電解鋁產(chǎn)業(yè)是帶動國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，但電解鋁產(chǎn)業(yè)消耗大量不可再生資源，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了很多污染物。有害氣體的排放數(shù)量也是眾多金屬產(chǎn)業(yè)中最多的。電解鋁的生產(chǎn)加工工廠一般建設(shè)在金屬鋁資源豐富的地區(qū)，企業(yè)的分布比較集中[2]，集中分布的結(jié)果就是某些生產(chǎn)金屬鋁的地區(qū)，能源逐漸枯竭，遠(yuǎn)景污染也日益嚴(yán)重。隨著環(huán)保事業(yè)的逐步發(fā)展，重金屬生產(chǎn)后排放物的指標(biāo)要求不斷變化，為了適應(yīng)越來越高的環(huán)保要求，政府的監(jiān)管部門對工廠排放物的檢查頻率上升，環(huán)保部門將電解質(zhì)行業(yè)列為生態(tài)改造的重點行業(yè)。為了符合上臺改造的標(biāo)準(zhǔn)，本文將浮選工藝融入電解鋁生產(chǎn)的過程當(dāng)中，提高能源的使用效率，降低電解鋁行業(yè)的能源消耗，降低電解鋁行業(yè)的污染物排放[3]。

1 降低電解質(zhì)的過熱度

實現(xiàn)低溫電解首先要降低電解質(zhì)的過熱度。電解質(zhì)的二次氧化是導(dǎo)致低溫電解效率提升不上去的主要原因。在電解鋁的過程中，電流起到的效果越大鋁的利用率就越高。電流的使用可以控制鋁的消耗。鋁溶解的原液中電解質(zhì)擴散的計算公式為：

在上述公式中，D為原液中電解質(zhì)的擴散系數(shù)，η為電流的利用效率。原液對電解質(zhì)的溶解度用co表示。陰極的電流密度和擴散系數(shù)一起決定電流率的變化。在電解質(zhì)的擴散過程中，改變電解的環(huán)境溫度會提高電流效率。通過測試表明環(huán)境溫度降低可以提升電流的使用效率。溫度的降低會使鋁溶解的速度降低，在合理范圍內(nèi)每降低5℃的環(huán)境溫度就可以提高0.5%電流的使用效率[4]。但溫度的降低閾值是有一定的范圍的，溫度降低到一定程度后會停止溶解反應(yīng)，電解行為也會被迫停止。

2 優(yōu)化陽極和陰極之間的距離系數(shù)

單純依靠降低溫度的物理方式提升鋁電解清潔效率是十分有限的。因此在降低環(huán)境溫度的同時還應(yīng)增加陽極和陰極之間的距離。兩級之間的距離越近，產(chǎn)生的電流強度就越強，將兩級之間的距離拉遠(yuǎn)會降低電流的強度，從而降低攪拌的速度。在相同的攪拌時間內(nèi)，鋁的溶解量降低。在實際操作允許的范圍內(nèi)，給予陰極和陽極之間更多的空間，有利于提升電流效率。陰極和陽極之間的距離極限是40mm，超過40mm的距離界限，陰極和陽極之間無法相互感應(yīng)會失去作用效益，或即使還能發(fā)揮該有的能動性但由于電壓的增高，增加的電量的消耗，使電流的效率提高建立在電壓增高的前提下，失去提高電流效率的意義。

3 降低平均電耗優(yōu)化鋁電解槽高溫焙燒

在原本的電解槽內(nèi)增加耐高溫的材料，達(dá)到電解槽的有效防護(hù)。電解槽的陰極替換成石墨材質(zhì)提高性能。降低電解槽的平均耗電量，首先分析最耗費電量的部分。根據(jù)需要分配成五份。第一部分用來彌補電解反應(yīng)中的能量消耗，第二部分用來升高溫度直到溫度符合電解的要求。第三部分用來補償束縛力的能量空缺，第四部分補償機械設(shè)備散熱消耗的熱量，最后一部分的電能補充線路電解消耗。在上述的鋁電解步驟當(dāng)中，提升溫度和彌補能量消耗的部分是耗能最多的。首先要計算電解槽的平均電耗：

在平均電耗的計算公式中，平均電壓V和電流效率v的比值乘以固定的系數(shù)就等于平均的電耗Q。在電壓不變的情況下，電流的利用效率上升則電能消耗的數(shù)值下降。基于以上原理，降低電耗可以采用降低陽極壓降的方式。將陽極的組塊和導(dǎo)桿母線等用卡具相連接。在電解溶液中加滿Al2O3溶液實現(xiàn)保溫，提高陽極與電解溶液的接觸溫度。在電流達(dá)到120kA的時候電解使用的電能最節(jié)省。

4 利用浮選脫氟提取凝固電解質(zhì)

在鋁電解的過程中產(chǎn)生的氧氣和陽極炭碰撞產(chǎn)生一定的有害氣體，在傳統(tǒng)的有害氣體凈化中，依靠加入氟的鹽水進(jìn)行分解。在凈化過程中產(chǎn)生氟化氫等含氟煙氣，直接排入大氣中會對空氣造成污染。

因此含氟煙氣應(yīng)被收集起來統(tǒng)一進(jìn)行凈化后處理。凈化后的氣體中要求去氟量達(dá)到75%以上才算符合環(huán)保規(guī)定。隨著預(yù)焙技術(shù)的不斷發(fā)展，干凈化技術(shù)被應(yīng)用到含氟煙氣的凈化當(dāng)中，在直流電的作用下，陽極上直接析出熔融氟化鹽。而陰極上則是鋁溶液[5]。基于浮選原理，在析出熔融氟化鹽中加入CaSO4產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)：

加入CaSO4后，F(xiàn)被Ca從電解質(zhì)中帶出。過濾出沉淀物，過濾和吸附的裝備包括文氏管和流化床。經(jīng)過該方式的含氟煙氣凈化，脫氟率理想狀態(tài)下能達(dá)到99%以上。

5 測試實驗

通過對鋁電解生產(chǎn)工藝與煙氣脫氟之間關(guān)系的分析知，生產(chǎn)用的預(yù)焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式已經(jīng)與冶煉鋁產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合，它不僅是含氟凈化系統(tǒng)的重要組成部分，同時在鋁產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，也發(fā)揮著重要作用。本文設(shè)計的用預(yù)焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式突破了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的功能限制，因此在研究路線、控制目標(biāo)和技術(shù)措施上與傳統(tǒng)含氟脫硫方式存在必然差異。

5.1 實驗準(zhǔn)備

取一定含氟煙氣液化后的熔融氟化鹽溶液作為實驗樣品，將溶液放置在三口瓶中。將實驗樣品的溫度加到45℃，冷卻至常溫環(huán)境后，靜置一段時間試兩種清潔生產(chǎn)方式進(jìn)行，使用真空泵將脫氟后的樣品再進(jìn)行真空過濾，測定剩余樣品中的氟離子含量。脫氟率的計算公式：

其中，Z為脫氟率，d為原有的含氟量，l為脫氟的數(shù)值。

5.2 實驗結(jié)果與分析

對比傳統(tǒng)的自焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式和本文設(shè)計的預(yù)焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式的脫氟效果，結(jié)果如表1所示：

表1 脫氟效果對比

實驗結(jié)果如表1所示，對于預(yù)焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式，不管是資源消耗指標(biāo)還是污染物產(chǎn)生指標(biāo)，都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方式。因此，鋁電解生產(chǎn)向技術(shù)先進(jìn)、大容量、大電流、預(yù)焙化電解槽方向發(fā)展，其目的在于降低原材料及能源消耗、提高勞動生產(chǎn)力、提高原鋁產(chǎn)量、減少含氟氣體的排放，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的鋁電解清潔生產(chǎn)方式中的排放物處理方式，能夠達(dá)到清潔生產(chǎn)的環(huán)保要求。為日后電解鋁生產(chǎn)中含氟煙氣的排放合格率上升作出了貢獻(xiàn)。