400 kA鋁電解槽陽極殘極煙氣回收的研究與實(shí)踐*

劉 強(qiáng)，鐘代勇，楊福全，陳大松，湯其吉，李井觀，郭祥勇

（云南云鋁海鑫鋁業(yè)有限公司，云南 昆明 650000）

在采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法生產(chǎn)鋁的過程中，需要消耗各種輔助原料，作為主要消耗輔助原料之一的氟化鹽，需要不斷補(bǔ)充作為氧化鋁的溶劑，構(gòu)成了氟化鹽單耗的指標(biāo)。眾所周知，包括氟化鹽在內(nèi)的各類輔助原料單耗，是鋁電解生產(chǎn)的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，其不僅嚴(yán)重影響鋁的生產(chǎn)成本。而且還間接地反應(yīng)鋁電解生產(chǎn)過程中的污染狀況。在很大程度上決定了各類污染物（如氟化物、粉塵等）的產(chǎn)生量。隨著社會的發(fā)展，降低生產(chǎn)輔助原料的單耗、最大限度地降低成本及減少生產(chǎn)對環(huán)境的污染是現(xiàn)代鋁電解工業(yè)生存、發(fā)展的前提，因此必須要采取有效的措施回收鋁電解生產(chǎn)所產(chǎn)生煙氣中的氟化物，同時(shí)不斷提高其煙氣的捕集效率及凈化效果，這樣不僅能減少鋁電解生產(chǎn)過程中氟化物的排放量，減少生產(chǎn)對環(huán)境造成的污染，而且可以實(shí)現(xiàn)最大限度的降低氟化鹽的消耗，為節(jié)約生產(chǎn)成本提供了最有效的辦法。無法連續(xù)性的預(yù)焙陽極，每塊陽極不能全部耗損，其剩余部分被稱之為殘極，而目前各企業(yè)預(yù)焙陽極鋁電解槽更換陽極時(shí)會從槽內(nèi)帶走大量熱量，熱殘極溫度可達(dá)600℃以上，自然冷卻需要近8 h，期間散發(fā)大量氟化物、粉塵等有害煙氣。而目前國內(nèi)絕大多數(shù)電解鋁廠對于熱殘極煙氣并沒有使用裝置收集，屬于車間無組織排放，無法適應(yīng)國家相關(guān)法律法規(guī)的要求。

1 殘極煙氣產(chǎn)生的危害

鋁電解生產(chǎn)過程中不僅產(chǎn)生大量的溫室效應(yīng)氣體CO2和過氟化物（主要是CF4和少量C2F6），散發(fā)有害氣體（氟化氫和二氧化硫）、粉塵（含氟粉塵、氧化鋁和碳粉） 和瀝青揮發(fā)份（苯并芘）等有害物質(zhì)[1]。

氟化物對人、動植物有一定的影響，大多數(shù)氟化物的毒害作用都是由氟離子決定的，而與氟化物分子中的其它元素?zé)o關(guān)。因此，易溶于水的氟及氟化物呈酸性一般有較大的危害作用。氟離子是各種細(xì)胞的毒物，因此它對人體的細(xì)胞有一定影響。但是，氟化物又是人體組織中一種正常的成份，它在軟組織中占十萬分之一，在骨骼中占千分之—。人體攝取水中痕量氟是正常的。無機(jī)氟化物進(jìn)入人的消化系統(tǒng)時(shí)，先被小腸吸收，然后進(jìn)入血液；在那里，大部分氟沉積在骨骼的磷灰石組分中。氟離子對鈣和磷的親和力很大，能優(yōu)先沉積在諸如骨骼，牙齒、指甲和頭發(fā)這類硬組織中[1]。彌漫在電解車間電解煙氣及附帶的粉塵，將嚴(yán)重惡化勞動生產(chǎn)作業(yè)人員的作業(yè)條件，嚴(yán)重影響生產(chǎn)作業(yè)人員的身體健康，電解煙氣不凈化處理，擴(kuò)散到大氣中，對生態(tài)有一定的危害，將造成一定的環(huán)境污染。

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，世界各國都頒發(fā)了鋁氟化物排放量的法規(guī)。牧草和干草中含有過量氟化物對生畜有危害，特別是那些工作和居住在排放源周圍的人們，對于鋁有毒有害氣體排放在大氣中污染環(huán)境，危害人體身體健康是一個(gè)嚴(yán)重的問題。氟化鈉比冰晶石和氟化鋁這些低水溶性物質(zhì)毒性更大些。因某些情形下吸入的含氟化物的粉塵已被證明跟吸入的相同濃度氟化氫氣體在生理上同樣起作用[6]。

2 殘極煙氣產(chǎn)生的原因分析

在采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法生產(chǎn)鋁的過程中，由于陽極碳塊參與反應(yīng)消耗，需按一定周期更換，從而為成品鋁的冶煉提供輔助原料，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2Al2O3+6C=Al4C3+3CO2[9]。在實(shí)際冶煉的過程中，產(chǎn)生成品鋁的條件需要達(dá)到950℃左右的溫度，意味著，陽極碳塊靠近反應(yīng)區(qū)的溫度也將達(dá)到950℃左右的溫度，為不影響鋁電解冶煉原鋁及槽況的穩(wěn)定性，需源源不斷的消耗陽極碳塊，陽極碳塊將會被不斷消耗，直至消耗殆盡。但是為了保證原鋁的品質(zhì)，陽極碳塊不能全部被耗盡，一旦將陽極碳塊完全耗盡，將融化一部分陽極鋼爪甚至出現(xiàn)嚴(yán)重穿餅現(xiàn)象，這樣一來，所冶煉的原鋁中鐵的含量將大大升高，大大降低了原鋁的品質(zhì)，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往需要根據(jù)陽極碳塊的消耗情況，在即將耗盡之前將殘極提出再更換新陽極，俗稱換極作業(yè)。殘極在提出時(shí)，其溫度高達(dá)950℃左右，簡而言之，其殘極碳塊還處于燃燒狀態(tài)，其燃燒狀態(tài)如圖1所示。由于其陽極碳塊中含有S、F等元素，意味著殘極在外部環(huán)境中將繼續(xù)燃燒，待殘極自然冷卻所需時(shí)間近8 h，期間將散發(fā)有害氣體（氟化氫和二氧化硫）、粉塵（含氟粉塵、氧化鋁和碳粉）和瀝青揮發(fā)份（苯并芘）等有害物質(zhì)[10]。其有毒有害的氣體如圖2所示。

圖1 殘極燃燒實(shí)拍圖Fig.1 Photo of residual anode combustion

圖2 殘極散發(fā)有毒有害氣體實(shí)拍圖Fig.2 Toxic and harmful gas emitting from residual anode

3 處理措施

3.1 鋁電解槽煙塵的干法凈化

在鋁電解生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)排出的煙氣通過槽罩密閉集氣，由排煙支管匯集于廠房外一側(cè)的排煙總管，通過主排煙風(fēng)機(jī)形成管道負(fù)壓，捕集的煙氣進(jìn)入布袋除塵器，在此，由新鮮氧化鋁貯槽通過風(fēng)動溜槽輸送來的氧化鋁定量加入反應(yīng)器中，并根據(jù)需要加入一定量的由布袋除塵器沸騰床來的循環(huán)氧化鋁[10]。通過投入新鮮氧化鋁進(jìn)行充分混合，使其吸附、化學(xué)反應(yīng)氟及氟化物等污染物，氟及氟化物吸附于氧化鋁形成載氟氧化鋁。載氟氧化鋁、粉塵等固體物與煙氣一道進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行二次反應(yīng)并氣固分離，而載氟氧化鋁中的氟及氟化物再返回電解生產(chǎn)所用，凈化后的煙氣通過煙囪排入大氣。

3.2 殘極煙氣處理措施

使用鋁電解生產(chǎn)車間的多功能天車將殘極進(jìn)行開口后，將殘極上提剛好脫離電解質(zhì)液面，再將小盒卡具打緊，讓殘極懸掛、固定在剛好脫離電解質(zhì)液面上空，其如圖3所示，讓殘極氣體能夠得到充分的釋放在鋁電解槽內(nèi)，并及時(shí)關(guān)閉槽罩，讓陽極氣體在電解槽內(nèi)通過煙氣凈化負(fù)壓抽走有毒、有害氣體及粉塵，并通過鋁電解除塵系統(tǒng)將有毒有害氣體進(jìn)行吸附、化學(xué)反應(yīng)待充分吸收反應(yīng)后，再將粉塵通過除塵器布袋過濾后再排入大氣。當(dāng)提離電解質(zhì)液面的殘極待其冷卻40～60 min后再開始更換新陽極，其冷卻后所提出殘極如圖4所示，這樣一來殘極可以得到充分的冷卻，絕大部分有毒有害的氣體可以得到回收處理，并將氟及氟化物吸附再回收利用，在解決了環(huán)境污染，影響人身體健康的同時(shí)還將氟及氟化物再回收利用。

圖3 殘極脫離電解質(zhì)實(shí)拍圖Fig.3 Photo of residual anode separated from electrolyte

圖4 冷卻后殘極圖Fig.4 Residual anode after cooling

4 應(yīng)用效果及分析

4.1 傳統(tǒng)殘極更換的方式

傳統(tǒng)的換極方式是：通過天車開口后，將殘極上極上物料扒下后，直接將陽極從槽內(nèi)提出，放入殘極托盤，再將新陽極放入同等高度（殘極）槽內(nèi)，將新陽極極上及極周圍物料蓋滿，以達(dá)到保溫，防止陽極氧化，待殘極在托盤內(nèi)自然冷卻后，再將殘極拖入陽極車間再次進(jìn)行加工。表1為采用傳統(tǒng)殘極更換方式每月氧化鋁載氟量；

表1 用傳統(tǒng)殘極更換方式每月氧化鋁載氟量Tab.1 Fluorine bearing content in alumina per monthly by using of traditional residual anode changing method %

采用傳統(tǒng)換極方式陽極在陽極托盤內(nèi)放置自然冷卻，殘極煙氣熏天，周圍濃煙滾滾，有毒有害氣體無組織排放，危害人的身體健康，在更換殘極與新陽極時(shí)間間隔短，換極區(qū)域氧化鋁濃度、溫度低不利于生產(chǎn)，且殘極所余留的溫度高在提出或是放置在大面陽極托盤內(nèi)，存在人員燙傷等潛在危險(xiǎn)因素。

4.2 創(chuàng)新型殘極更換的方式

天車開口后，殘極上提剛好脫離電解質(zhì)液面，使陽極氣體能夠得到釋放，及時(shí)關(guān)閉槽罩，讓陽極氣體在電解槽內(nèi)通過煙氣凈化負(fù)壓抽走有毒有害氣體，并通過鋁電解除塵系統(tǒng)將有毒有害氣體吸附、化學(xué)反應(yīng)充分吸收反應(yīng)，再排入大氣，當(dāng)提離電解質(zhì)液面的殘極（40～60） min后開始更換陽極，這樣一來殘極可以充分的冷卻，絕大部分有毒有害的氣體得以回收處理，并將氟及氟化物吸附再回收利用，在解決了環(huán)境污染，影響人身體健康的同時(shí)還將氟及氟化物回收利用。表2為采用創(chuàng)新型殘極更換方式每月氧化鋁載氟量；

表2 采用創(chuàng)新型殘極更換方式每月氧化鋁載氟量Tab.2 Fluorine bearing content in alumina per monthly by using of innovative residual anode changing method %

4.3 效果分析

采用傳統(tǒng)換極方式陽極在陽極托盤內(nèi)放置自然冷卻，殘極煙氣熏天，周圍濃煙滾滾，有毒有害氣體無組織排放，危害人的身體健康，在更換殘極與新陽極時(shí)間間隔短，換極區(qū)域氧化鋁濃度高、溫度低，不利于生產(chǎn)，且殘極所余留的溫度高，在提出或是放置在大面陽極托盤內(nèi)，存在著人員燙傷等潛在危險(xiǎn)因素。

采用創(chuàng)新型換極方式使殘極氣體能夠得到充分釋放，陽極氣體在電解槽內(nèi)通過煙氣凈化負(fù)壓抽走有毒有害氣體，大大降低了無組織排放，改善了作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境，大大規(guī)避了人的身體健康危害因素。在更換殘極與新陽極時(shí)間間隔長，換極區(qū)域氧化鋁濃度高、溫度低不利于生產(chǎn)，得到了緩減，利用殘極提離電解質(zhì)液面時(shí)間段，可有效降低換極區(qū)域氧化鋁濃度。殘極所余留的溫度高在提出或是放置在大面殘極、陽極托盤內(nèi)，規(guī)避了人員燙傷等潛在危險(xiǎn)因素。

通過傳統(tǒng)換極方式與創(chuàng)新型換極方式進(jìn)行對比，創(chuàng)新型換極方式能大大地降低無組織排放，減少環(huán)境污染，改善了換極作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境，降低了換極作業(yè)人員的職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避了從事鋁電解工作的相關(guān)人員燙傷等潛在危險(xiǎn)因素，將氟及氟化物再回收利用，可有效降低生產(chǎn)成本。

電解槽內(nèi)通過煙氣凈化負(fù)壓抽走的有毒有害氣體中的氟及氟化物，通過除塵系統(tǒng)將氟及氟化物吸附再回收利用，可有效降低生產(chǎn)成本。氧化鋁載氟量由原來的每月為0.004 787%，上升至0.005 183%左右，全年可節(jié)約成本234.6萬元。

5 結(jié)語

1）采用創(chuàng)新型換極方式使殘極氣體能夠得到充分釋放，陽極氣體在電解槽內(nèi)通過煙氣凈化負(fù)壓抽走有毒有害氣體，減少了無組織排放，改善了作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境，避免了人的身體健康危害因素；

2）更換殘極與新陽極時(shí)間間隔長，換極區(qū)域氧化鋁濃度高、溫度低不利于生產(chǎn)的情況得到緩減，利用殘極提離電解質(zhì)液面時(shí)間段，可有效降低換極區(qū)域氧化鋁濃度；

3）殘極所余留的溫度高在提出或是放置在大面陽極托盤內(nèi)，避免了從事鋁電解工作的相關(guān)人員燙傷等潛在危險(xiǎn)因素；

4）電解槽內(nèi)通過煙氣凈化負(fù)壓抽走的有毒有害氣體中的氟及氟化物，通過除塵系統(tǒng)將氟及氟化物吸附再回收利用，氧化鋁載氟量由原來的每月為0.004 787%，上升至0.005 183%左右，全年可節(jié)約成本234.6萬元。