關(guān)于電解鋁產(chǎn)業(yè)清潔生產(chǎn)的思考

尹聚才

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

清潔生產(chǎn)從本質(zhì)上來說，就是對生產(chǎn)過程與產(chǎn)品采取整體預(yù)防的環(huán)境策略，減少或者消除它們對人類及環(huán)境的可能危害，同時充分滿足人類需要，使社會經(jīng)濟效益最大化的一種生產(chǎn)模式[1]。清潔生產(chǎn)的目的就是通過先進的生產(chǎn)技術(shù)、工藝設(shè)備和清潔原理，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)節(jié)省能源，降低原材料消耗，減少污染物排放等，能夠最大限度地利用資源、能源，將原材料能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，把污染消除在生產(chǎn)過程中，達到保護自然和環(huán)境的目的。

電解鋁產(chǎn)業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是傳統(tǒng)的高耗能、高污染、高排放的“三高”產(chǎn)業(yè)。隨著國家產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，西部地區(qū)承載了越來越多的電解鋁企業(yè)，目前西北五省區(qū)運行的產(chǎn)能約占全國的1/3，消耗了大量的能源，并對環(huán)境造成了一定的影響。當前國家對電解鋁企業(yè)污染物排放的環(huán)保要求越來越高，監(jiān)管政策越來越嚴格，對節(jié)能減排也越來越重視。我國政府提出要加強電解鋁企業(yè)的清潔生產(chǎn)，甘肅省將“清潔生產(chǎn)”列為十大生態(tài)產(chǎn)業(yè)之一，要從根本上加強生態(tài)環(huán)境保護，加快轉(zhuǎn)方式調(diào)結(jié)構(gòu)，促進新舊動能轉(zhuǎn)換，推動甘肅省綠色發(fā)展，所以促進電解鋁清潔生產(chǎn)勢在必行。

1 電解鋁企業(yè)資源能源消耗

1.1 氧化鋁單耗

氧化鋁是電解鋁生產(chǎn)工藝中的主要原料，目前國內(nèi)大型鋁電解槽冶煉水平已逐步發(fā)展至接近國際水平，氧化鋁單耗穩(wěn)步降低，每噸電解鋁的氧化鋁消耗目前為1900kg～1920kg。氧化鋁的損失主要是在運輸、儲存過程中引發(fā)的飛揚損失，還有生產(chǎn)設(shè)備和工具夾雜。如果鋁電解槽工藝條件設(shè)置有問題，也會造成電解槽內(nèi)堆積大量沉淀，沉淀無法溶解，形成爐底結(jié)殼，同樣會造成氧化鋁損失。目前大型鋁企業(yè)開始逐步升級氧化鋁輸送系統(tǒng)，采取自動化程度更高、密閉程度更高的輸送系統(tǒng)，以此降低氧化鋁單耗。

1.2 氟化鹽單耗

氟化鹽是電解鋁的輔助原料，理論上并不參與電解鋁反應(yīng)，其主要作用是降低電解質(zhì)的初晶溫度，優(yōu)化電解質(zhì)成分，提高電解質(zhì)導(dǎo)電率。氟化鹽的損失主要是高溫熔融電解質(zhì)氟化鋁的揮發(fā)，電解槽內(nèi)排煙口管道負壓不足，造成集氣效率低下，大量煙氣的無組織排放，引起氟化鋁的揮發(fā)。電解槽中含有的Na、Ca等堿金屬離子水解也會引起氟化鋁的損失。當前國內(nèi)大型鋁電解企業(yè)采用較為先進的煙氣凈化技術(shù)，煙氣凈化揮發(fā)出的氟化鋁量較少，基本可以忽略不計。甘肅省內(nèi)某500KA鋁電解槽系列的氟化鋁單耗約為20kg/t-Al，已經(jīng)達到國內(nèi)的先進水平。

1.3 炭塊單耗

炭塊是電解鋁生產(chǎn)重要的原材料之一，生產(chǎn)過程中主要作為陽極被消耗。理論上炭塊的消耗是333kg/t-Al,國際上技術(shù)較為先進的電解鋁企業(yè)炭塊的單耗是410kg/t-Al～425kg/t-Al，國內(nèi)500KA系列鋁電解槽的炭塊單耗是470kg/t-Al～500kg/t-Al，較世界先進水平還存在差距，炭塊的單耗水平主要取決于炭塊的質(zhì)量，如果炭塊雜質(zhì)含量較少、純度較高往往會降低碳耗。炭塊的消耗還會產(chǎn)生在炭陽極和空氣中的氧氣發(fā)生的化學反應(yīng)中，此部分消耗的炭并沒有產(chǎn)生鋁液，因此會顯著的提高炭耗。目前大部分的電解鋁企業(yè)都會在炭塊上加上炭環(huán)，以此降低碳耗。

1.4 電耗

電解鋁企業(yè)主要的能源消耗就是電力能源，近一半的生產(chǎn)成本都是電力成本。所以大型電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)工藝技術(shù)水平可以通過噸鋁電耗來反應(yīng)，國內(nèi)最先進的鋁電解槽可達12500kwh/t-Al，普遍在13000kwh/t-Al上下浮動。電耗越高對環(huán)境的影響就越大，成本就越高，影響電耗的因素主要有整流效率、電流效率、陽極效應(yīng)系數(shù)等因素。

1.4.1 整流效率

電解鋁生產(chǎn)車間一般需要的是200KA以上的高電流強度直流電，通常自備的火力發(fā)電廠生產(chǎn)的都是交流電，交流電轉(zhuǎn)換為直流電的這個過程稱之為整流，這個轉(zhuǎn)化效率就是整流效率，在整流過程中會存在大量的電能損失，整流效率越高，電能損失就越低。主要的電能損失來自變壓器損耗、主電路連接導(dǎo)體的損耗、整流裝置的損耗等。目前國內(nèi)的主流鋁電解廠采用大功率整流系統(tǒng)，一般整流效率都能達到98%以上。

1.4.2 電流效率

電流效率是指鋁電解過程中實際產(chǎn)出的鋁量與理論產(chǎn)出的鋁量之比的百分數(shù)。鋁電解電流效率是電解鋁行業(yè)的重要技術(shù)經(jīng)濟指標，可以衡量電解鋁廠的技術(shù)水平和管理水平。電流通過陰極但是沒有產(chǎn)出鋁液，這就造成了電能損失，損失的這部分就引起電流效率的下降。目前省內(nèi)500KA鋁電解槽的電流效率在90%～94%之間波動，國際先進鋁電解槽電流效率可達95%左右，國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)接近國際先進水平。

1.4.3 陽極效應(yīng)系數(shù)

陽極效應(yīng)是在鋁電解過程中，發(fā)生在陽極炭塊上的一種特殊現(xiàn)象。當發(fā)生陽極效應(yīng)時，陽極與高溫電解液接觸的周邊出現(xiàn)許多細小電弧光，槽電壓迅速上升至幾十伏特，電解質(zhì)停止沸騰，鋁電解過程處于停滯狀態(tài)，電解液以小滴狀在陽極周邊飛濺，電解槽的陽極和母線出現(xiàn)微微顫抖，并伴有響聲[2]。鋁電解槽槽電壓突然升高，達到8V～35V，持續(xù)時間在20s～3min。如果系列有多臺電解槽同時發(fā)生陽極效應(yīng)，整個系列電流強度降低的較多，影響整個系列的生產(chǎn)。通常將每天每臺電解槽發(fā)生的陽極效應(yīng)個數(shù)稱為陽極效應(yīng)系數(shù)。陽極效應(yīng)系數(shù)過高會顯著增加電解鋁生產(chǎn)的電耗，增加生產(chǎn)成本。

2 電解鋁企業(yè)污染物排放

2.1 氟化物

電解質(zhì)在高溫下會揮發(fā)出AlF3、NaAlF4等含氟有毒有害氣體，還有氣態(tài)的HF，會造成人體骨骼鈣質(zhì)流失，容易骨質(zhì)疏松。陽極效應(yīng)發(fā)生時會產(chǎn)生CF等物質(zhì)，會對人體眼睛、皮膚和呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害，長期接觸會慢性中毒。

2.2 瀝青煙

陽極炭塊生產(chǎn)中會用到大量的瀝青，瀝青在高溫下會產(chǎn)生瀝青煙。瀝青煙對人體皮膚和眼睛具有刺激性毒性，可引發(fā)鼻炎、喉炎、結(jié)膜炎等，國家相關(guān)職業(yè)病危害中將其列為中度危害物。瀝青煙中含有苯并芘類和蒽類物質(zhì)，這類物質(zhì)都有一定的致癌作用，對人體危害較大。電解鋁廠普遍采用吸附法、靜電捕集法、冷凝、旋風分離等方法處理產(chǎn)生的瀝青煙。

2.3 CO

在電解鋁過程中，氧化鋁被還原，炭塊理論上全部被氧化成為CO2，如果不完全反應(yīng)會產(chǎn)生CO，CO2和炭塊在高溫下同樣也會產(chǎn)生CO，CO在職業(yè)危害等級中屬于高度危害毒物，我國車間空氣中CO的最高容許濃度為30mg/m3，濃度過高會對血液系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的危害，還有可能引發(fā)煤氣中毒。

2.4 硫化物

電解鋁生產(chǎn)需要用到陽極炭塊，通常炭塊里面含有硫元素，電解反應(yīng)會產(chǎn)生一些SO2之類的硫化物。而SO2是世界上主要的工業(yè)環(huán)境危害物之一，其對人體眼睛、皮膚還有一定毒性，在職業(yè)危害等級中屬于輕度危害。

3 電解鋁清潔生產(chǎn)的對策

3.1 改進現(xiàn)場工藝條件

根據(jù)鋁電解槽的槽型、電流強度、槽電壓等合理匹配主要的技術(shù)條件。通過氧化鋁濃度、電解質(zhì)溫度、電解質(zhì)水平、過熱度、初晶溫度等技術(shù)條件之間平衡作用，互相協(xié)調(diào)，使電解槽電壓和氧化鋁濃度等盡可能處于最佳狀態(tài)。通過保持較高的電流效率、較低的陽極效應(yīng)系數(shù)、較少的氧化鋁沉淀，從而顯著提高電解鋁企業(yè)的主要經(jīng)濟技術(shù)指標，降低電解鋁能耗，促進清潔生產(chǎn)。

3.2 抓好生產(chǎn)基礎(chǔ)管理

電解鋁車間的煙氣、粉塵主要來自出鋁、換陽極、效應(yīng)熄滅等工藝操作。為防止環(huán)境污染和對人體健康造成危害，鋁電解企業(yè)必須嚴抓生產(chǎn)基礎(chǔ)管理，提高電解工的操作技能水平，縮短陽極更換時間，及時蓋好打開的槽蓋板，減少鋁電解槽有害氣體的外逸，保證車間整體環(huán)境的清潔健康。在陽極更換操作中，及時將電解槽里面的沉淀、大塊等清理干凈，并經(jīng)常性地打撈炭渣，保證電解槽的正常運行，減少針振和擺動，將電流效率保持在較高水平。根據(jù)季節(jié)的溫度變化，隨時做好保溫料的添加，保證電解槽溫度，減少沉淀。

3.3 加強原料質(zhì)量管理

電解鋁主要原料有氧化鋁、炭塊等，污染物的產(chǎn)生與原料的質(zhì)量息息相關(guān)。含硫的污染物主要來自于炭塊，所以要保證炭塊中的硫磷含量在較低的范圍。氧化鋁中鈉含量較多，會提高電解質(zhì)分子比，需要加入更多的氟化鹽，氟鹽單耗會增加。氧化鋁中含有Fe2O3、SiO2、TiO2等比鋁更正電性的氧化物，這些元素在陰極上優(yōu)先析出，會大幅影響電流效率，提高能耗。氧化鋁的物理性能還會影響到氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解，引起電解槽沉淀，對生產(chǎn)尤為不利。因此要嚴格把控原料質(zhì)量，測定原料的主要質(zhì)量指標，加強質(zhì)量管理，促進清潔生產(chǎn)。

3.4 加大節(jié)能環(huán)保設(shè)備投入

電解鋁產(chǎn)生的氟化物、硫化物和粉塵等一般用基本的干法凈化系統(tǒng)處理，目前大型鋁電解槽煙氣凈化率達到99%。要繼續(xù)加大節(jié)能環(huán)保設(shè)施的投入，對現(xiàn)有的電解槽集氣罩改進，有針對性加大集氣孔徑，抑制氟化物無組織排放，提高整個凈化系統(tǒng)的密封性，還可對排放的煙氣進行二次處理，減少有害氣體的排放。同時可以采用直降式變壓整流機組，加大投入改造交流、直流電量的計量設(shè)備，改造供變電整流系統(tǒng)，提高功率因數(shù)，不斷提高整流效率，降低能耗。

3.5 加強對生產(chǎn)設(shè)備的巡檢

定期對電解槽供料系統(tǒng)設(shè)備進行檢修和維護，確保設(shè)備的密封性，防止氧化鋁料飛揚。對槽蓋板定期修復(fù)，保證電解槽膛內(nèi)的空氣負壓，避免大量煙氣外逸至廠房內(nèi)部。加強對槽控箱、氣缸等設(shè)備的巡檢，及時處理設(shè)備故障，防止堆料、堵料等現(xiàn)象的發(fā)生，保持電解槽的穩(wěn)定運行[3]。?

4 結(jié)語

本文列舉了電解鋁企業(yè)資源、能源消耗，簡要分析了資源能源消耗的主要因素，將電解鋁產(chǎn)生的污染物進行了列舉和說明，對未來電解鋁清潔生產(chǎn)提出了思考。作為傳統(tǒng)的高耗能、高污染、高排放的“三高”行業(yè)，國家對電解鋁行業(yè)的政策監(jiān)管越來越嚴，電解鋁企業(yè)要通過工藝條件、生產(chǎn)基礎(chǔ)管理、原料質(zhì)量管理、環(huán)保節(jié)能設(shè)備投入、設(shè)備檢修與維護等方面采取措施，促進整個行業(yè)清潔生產(chǎn)。