浮選工藝條件下鋁電解清潔生產方式研究

尹聚才，張 巍

（甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

為了符合可持續發展的生產需求，傳統的鋁電解生產工藝要朝著清潔生產的方向進行優化。在生產的過程中盡可能降低能源的消耗和環境的污染。減少生產過程中對人類未來的影響，并滿足社會的需求[1]。清潔生產方式對環境和能源的保護提升了鋁電解生產的經濟效益。改變原有的生產工藝，改造原有的生產設備，在新研究出來的技術中實現生產的低能耗與低污染。節約能源和原材料的消耗，將生產過程中產生的污染物進行環保處理，在污染檢測達標之后再排放。

電解鋁產業是帶動國家經濟發展的重要產業之一，但電解鋁產業消耗大量不可再生資源，在生產過程中產生了很多污染物。有害氣體的排放數量也是眾多金屬產業中最多的。電解鋁的生產加工工廠一般建設在金屬鋁資源豐富的地區，企業的分布比較集中[2]，集中分布的結果就是某些生產金屬鋁的地區，能源逐漸枯竭，遠景污染也日益嚴重。隨著環保事業的逐步發展，重金屬生產后排放物的指標要求不斷變化，為了適應越來越高的環保要求，政府的監管部門對工廠排放物的檢查頻率上升，環保部門將電解質行業列為生態改造的重點行業。為了符合上臺改造的標準，本文將浮選工藝融入電解鋁生產的過程當中，提高能源的使用效率，降低電解鋁行業的能源消耗，降低電解鋁行業的污染物排放[3]。

1 降低電解質的過熱度

實現低溫電解首先要降低電解質的過熱度。電解質的二次氧化是導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擴散的計算公式為：

在上述公式中，D為原液中電解質的擴散系數，η為電流的利用效率。原液對電解質的溶解度用co表示。陰極的電流密度和擴散系數一起決定電流率的變化。在電解質的擴散過程中，改變電解的環境溫度會提高電流效率。通過測試表明環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，在合理范圍內每降低5℃的環境溫度就可以提高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，電解行為也會被迫停止。

2 優化陽極和陰極之間的距離系數

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。因此在降低環境溫度的同時還應增加陽極和陰極之間的距離。兩級之間的距離越近，產生的電流強度就越強，將兩級之間的距離拉遠會降低電流的強度，從而降低攪拌的速度。在相同的攪拌時間內，鋁的溶解量降低。在實際操作允許的范圍內，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會失去作用效益，或即使還能發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 降低平均電耗優化鋁電解槽高溫焙燒

在原本的電解槽內增加耐高溫的材料，達到電解槽的有效防護。電解槽的陰極替換成石墨材質提高性能。降低電解槽的平均耗電量，首先分析最耗費電量的部分。根據需要分配成五份。第一部分用來彌補電解反應中的能量消耗，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。將陽極的組塊和導桿母線等用卡具相連接。在電解溶液中加滿Al2O3溶液實現保溫，提高陽極與電解溶液的接觸溫度。在電流達到120kA的時候電解使用的電能最節省。

4 利用浮選脫氟提取凝固電解質

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

因此含氟煙氣應被收集起來統一進行凈化后處理。凈化后的氣體中要求去氟量達到75%以上才算符合環保規定。隨著預焙技術的不斷發展，干凈化技術被應用到含氟煙氣的凈化當中，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產生化學反應：

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

5 測試實驗

通過對鋁電解生產工藝與煙氣脫氟之間關系的分析知，生產用的預焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式已經與冶煉鋁產品的生產工藝緊密結合，它不僅是含氟凈化系統的重要組成部分，同時在鋁產品的生產過程中，也發揮著重要作用。本文設計的用預焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式突破了傳統生產方式的功能限制，因此在研究路線、控制目標和技術措施上與傳統含氟脫硫方式存在必然差異。

5.1 實驗準備

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℃，冷卻至常溫環境后，靜置一段時間試兩種清潔生產方式進行，使用真空泵將脫氟后的樣品再進行真空過濾，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為脫氟的數值。

5.2 實驗結果與分析

對比傳統的自焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式和本文設計的預焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式的脫氟效果，結果如表1所示：

表1 脫氟效果對比

實驗結果如表1所示，對于預焙陽極電解槽煙氣干法凈化方式，不管是資源消耗指標還是污染物產生指標，都明顯優于傳統方式。因此，鋁電解生產向技術先進、大容量、大電流、預焙化電解槽方向發展，其目的在于降低原材料及能源消耗、提高勞動生產力、提高原鋁產量、減少含氟氣體的排放，實現清潔生產。

6 結語

本文設計的鋁電解清潔生產方式中的排放物處理方式，能夠達到清潔生產的環保要求。為日后電解鋁生產中含氟煙氣的排放合格率上升作出了貢獻。