淺談電解鋁廢氣中氟化物的控制技術

馬曉娟，楊慧彬

（1.云南云鋁涌鑫鋁業有限公司，云南 建水 654399；2.云南鋁業股份有限公司,云南 昆明 650000；）

0 引言

近年來，大容量鋁電解槽的開發應用，使我國電解鋁技術達到了國際先進水平，電解鋁工業的面貌發生了翻天覆地的變化。目前電解鋁企業主要采用成熟的冰晶石—氧化鋁熔融電解法，即通過碳素材料導入直流電，在槽內發生電化學反應，在陰極上析出液態鋁[1]。電解槽的煙氣主要來自于炭陽極以及高溫電解液，其污染物主要有二氧化硫、氣態和固態氟化物及顆粒物。其中，電解鋁的特征污染物為氟化物，含氟氣體是劇毒氣體[2]，極易通過呼吸道或皮膚進入人體，會引發骨質增生和肺部疾病，同時也會危害周圍的動植物及腐蝕金屬建筑物，因此研究電解鋁廢氣中的氟化物的控制技術對社會具有重要意義。

1 電解鋁廢氣凈化技術的研究現狀

1.1 干法吸附凈化廢氣氟化物的技術方法

目前，氧化鋁干法吸附凈化技術是行業內最常見的鋁電解煙氣凈化技術，直接將鋁電解的生產原料新鮮氧化鋁作為吸附劑去吸附電解煙氣中的氟化物[3]，具有效率高、成本低、不會產生二次污染物的特點。在處理過程中利用新鮮氧化鋁作為吸附劑是最合理的技術選擇，發生吸附反應后的生成物又是電解鋁生產的原料，符合清潔生產的生產理念。在干法凈化系統中，整個系統均在負壓狀態下運行，通常氟化物凈化效率達97.5%以上，除塵器的漏風率為0.56%，氟化物的凈化效率99.7%。氟化物排放濃度能夠滿足相應排放標準要求，如對現有集氣設備和人員操作進行改進，從提高電解槽集氣效率入手，則能進一步削減電解鋁氟化物的排放量。

1.2 干法吸附凈化廢氣氟化物的案例分析

假設按照2013年工信部《鋁行業規范條件》規定噸鋁氟排放量＜0.6kg.F/t.Al。一個年產30萬t的鋁廠，按0.6kg/t Al標準計算，年排放總量為0.6kg.F-/t.Al×300000t/a=180000kg.F-/a，每小時排出氟化物是180000÷8760h/a=20.55kg.F-/h。而年產120萬t鋁廠，產量翻4倍，氟化物由20.55kg.F-/h翻到82.2kg.F-/h時，廠區及其周圍的空氣量是常數，顯然污染物排放量越大影響越大，而廠界大氣污染物任何1h氟化物濃度限制值0.02mg/m3是絕對必須遵守的底線。在同等環境條件下，電解鋁廠的規模越小越容易達到廠界氟化物排放濃度0.02mg/m3的要求。因此，噸鋁排放量這個指標必須與總量控制指標或邊界大氣污染物任何1h濃度限制值結合在一起來評價達標。同理反推，針對0.6kg.F-/t.Al，無論多大規模的鋁廠都能達到，可是后者對環境污染的程度比前者擴大了4倍。電解槽集氣效率98%，干法凈化系統凈化率99%。電解鋁廠氟排放的途徑，除主要進入電解車間外，還有陽極組裝和殘極處理、槽內襯大修、電解質粉碎與回收和陽極焙燒爐等均有固氟（顆粒）排放。特別是陽極組裝車間人工處理固體電解質和破碎殘極，致使大量固氟無組織排放進入大氣，收塵灰、電解質等物料，含氟較高，減少無組織排放可起到減少對周邊土壤以及周邊地表水的危害，起到源頭防控的作用。通過氟化物無組織管控，減少的物料飛揚損失，各個收塵點的無組織減少量不好計算，但是相對直觀的，假設殘極拉運、破碎料拉運每天需倒運80車，按照每車減少15kg計算，物料運輸一年可減少粉塵無組織排放438t。

2 電解鋁廢氣中氟化物的控制技術研究

物料運行平衡法優化生產技術。物料運行平衡法是指向槽內所供原料中的各組分量達到與其在各產物中分布量總和相等的狀態[4]。例如在電解生產過程中，采用420KA大型預焙陽極電解槽生產技術時，每生產1t鋁，消耗氟化鹽為18kg，折純氟13.957kg，該過程中，電解槽氟的支出主要有四部分：一是隨電解煙氣排出；二是槽內襯吸附，隨電解槽大修渣排出；三是原料運輸、殘極加工帶出等造成的機械損失；四是殘極帶走。電解煙氣中的氟大部分由煙氣凈化系統回收，返回電解槽，少量排入環境空氣；殘極帶出的氟大部分以電解質的形式回收，少量由殘極帶至陽極焙燒系統，焙燒時經煙氣凈化系統處理后，一部分進入凈化收下的焦油和粉塵中，少部分凈化后經煙囪排入大氣。加入到電解槽中的氟有三部分：一是添加的氟化鹽；二是煙氣凈化系統回收的氟；三是陽極中帶回的氟。以噸鋁產品計算氟平衡，電解槽氟的總收入為29.982kg/t.Al，其中補充的氟化鹽中氟為15.018kg/t.Al，占總氟量的50.09%；干法凈化系統回收返回的氟量為13.957kg/t.Al，占總氟量的46.55%；陽極中返回的氟量為1.007kg/t.Al，占總氟量的3.36%。在支出中槽內襯吸收11.196 kg/t.Al，占總氟量的37.34%；電解煙氣排出的氟16.051kg/t.Al，占總氟量的53.53%；運輸等機械損失、鑄造撈渣、殘極等帶出的氟分別為1.795kg/t.Al、0.209kg/t.Al、0.731kg/t.Al，占氟量的比例分別為5.99%、0.7%、2.44%。電解生產氟平衡見表1及圖1。

圖1 氟平衡圖 /（ kg/t·Al）

表1 氟收支平衡表

根據氟平衡圖可知，噸鋁排氟量為0.27kg，＜0.6 kg/t·Al，達到了國內的領先水平。為了從根本上解決電解鋁含氟廢氣污染治理問題，促進電解鋁高效生產，只有進一步提高含氟廢氣凈化效率、集氣率，降低噸鋁氟化鹽消耗及噸鋁氟化物排放量，才能具有較好的環保效益、經濟效益和社會效益。

3 電解鋁廢氣中氟化物排放管理系統建議

完善電解鋁廢氣中氟化物排放的全面管理系統，尤其是補充與完善電解槽集氣體系、改進操作特別是更換陽極和殘極存放作業，能夠有效減少氟化物的排放。具體為在每一個實際操作中，通過有效的操作，潛在氟化物的排放途徑很容易得到識別。例如出鋁作業，氟的排出是通過打開電解槽端頭爐門散發的，當虹吸管插入電解質的過程中，由于端頭爐門敞開，電解槽靜壓力損失，降低電解槽集氣或捕集效率，因此，導致更高的氟化物從電解槽爐門逸出。此外，在出鋁虹吸過程中，氟化物排放的主要來源是從抬包中釋放的含氟煙氣，它是通過抬包風口排出的，而不是電解槽直接排出的。因此，出鋁工的熟練程度十分重要，出鋁門設計與出鋁時間控制以及防止抬包風口跑氣的措施變成解決的重點。具體的氟化物排放管理系統見表2。

表2 氟化物排放管理系統

4 結論

綜上，在電解鋁行業，氟化物的管控和減排任務延伸到各個領域。電解車間作為氟化物排放的主要領域，其它領域的減排也尤為重要，譬如電解質加工、陽極組裝、殘極處理等領域，也能為減排做出貢獻。在現有的技術條件下，只有優選先進技術才能使電解鋁廠在環境性能方面達到顯著的改進。嚴格執行國家和地區的環保要求，通過對電解鋁行業各領域的精心操作、物料管理和無組織排放過程控制，使之顯著降低氟化物排放，才能在環境保護方面取得顯著效益，這才是鋁工業健康可持續發展的重要條件。