淺析電解鋁企業(yè)的環(huán)境污染問題及治理措施

楊桃艷，黃曉梅，胡學軍

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

金屬鋁是國民經濟發(fā)展的重要基礎原材料，隨著我國電解鋁行業(yè)的迅速發(fā)展，鋁產品產量及質量都得到大幅提高，鋁及鋁合金廣泛應用于航空、航天、汽車、軌道交通、機械制造、船舶等行業(yè)，在滿足國內鋁消費需求的同時，還能部分出口。但電解鋁生產過程中會產生多種形式的污染物，對環(huán)境造成嚴重污染。因此，在發(fā)展電解鋁行業(yè)的同時，也要重視污染防治和環(huán)境保護的問題，相關企業(yè)要嚴格控制生產過程中各種污染物的排放，制定合理的解決方案，采取有效的防治措施，以實現我國電解鋁行業(yè)的綠色、健康和可持續(xù)發(fā)展。

1 電解鋁過程中產生的環(huán)境污染問題

1.1 電解鋁工藝過程及污染物的產生

目前，世界上工業(yè)化生產金屬鋁普遍采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法。電解鋁生產的主要工藝過程其實就是一個熔鹽電化學過程，即將氧化鋁、冰晶石、氟化鋁等加入電解槽中，通以強大的直流電，在950 ℃～970 ℃溫度下，熔融電解質在電解槽內發(fā)生電化學反應，陰極析出金屬鋁液，鋁液定期用真空抬包抽吸出來，送往鑄造車間，倒入混合爐或熔煉爐，進行成分的調配或配制合金后，鑄成鋁錠或鋁合金產品。

鋁電解過程中，溶解在電解質中的氧化鋁與炭素陽極發(fā)生氧化-還原反應，在陰極上析出液態(tài)的金屬鋁，在陽極上產生以CO2為主的陽極氣體，同時還散發(fā)出以氟化物和粉塵等污染物為主的電解煙氣。其中的氟化物是煙氣中的主要有害成分，氟化物有氣態(tài)和固態(tài)兩種。氣態(tài)氟化物的主要成分是HF，其次是CF和SiF4等；固態(tài)氟化物包括氟粉塵、冰晶石、單冰晶石、亞冰晶石和氟化鋁升華物等。

氟化物和粉塵是電解生產過程中產生的主要污染物，同時，隨著電解槽生產中陽極的消耗，陽極中含有的硫被氧化成SO2，所以煙氣中還含有SO2。電解煙氣彌漫在電解車間內部會使操作勞動條件惡化，影響生產工人的身體健康。電解煙氣擴散到廠區(qū)周圍，也會對大氣環(huán)境造成經常性污染。

同時，由于電解生產過程中會消耗炭素陽極，所以需要定期需要更換殘陽極以補充消耗的炭素陽極，以保證電化學反應過程持續(xù)穩(wěn)定進行。而更換出來的高溫殘極和電解質也會散發(fā)出含氟煙氣，并在冷卻的過程中仍會持續(xù)的散發(fā)，這就成為了除電解槽以外的另一個污染源。

此外，電解槽一般工作4～7年后將對其進行大修，拆除電解槽內襯的過程中產生大量的廢陰極炭塊、廢耐火材料等大修渣。電解槽大修渣中含有氟化物和氰化物，屬于危險廢物，須嚴格按國家危險廢物管理的有關要求和規(guī)定進行專門的處理。

眾所周知，以上這些物質都是電解鋁生產過程中產生的特征污染物，若得不到有效處理，將會產生嚴重的環(huán)境和生態(tài)問題。因此，企業(yè)生產管理人員一定要從嚴把控電解鋁工藝過程的各個環(huán)節(jié)，以減少污染物的產生，降低環(huán)境污染。

1.2 電解鋁污染物及其危害分析

電解鋁企業(yè)在生產過程中，主要污染物分為廢氣污染、廢水污染、廢渣污染和噪聲污染。其中，廢氣污染是影響最大的污染因素。

廢氣污染：主要污染物是電解煙氣中所含的氟化物、粉塵及SO2，其中最主要的污染物是氟化物，對電解煙氣的治理是控制該項目空氣污染物的關鍵。電解原料——冰晶石和氧化鋁中含有大量的氟化物，在電解槽高溫和電流作用下，氟化物發(fā)生化學反應生成氟化氫、氟化碳和氟化硅等氟化物氣體；在電解槽內，部分含氟顆粒隨電解質揮發(fā)和氟化物升華而散出，這部分含氟顆粒形成粉塵散布于生產車間直至隨空氣排出，以游離態(tài)存在的氟離子與陽極炭結合生成的氟化物氣體也會對環(huán)境造成污染。CO2會污染環(huán)境，造成溫室效應；CO會和人體內血紅蛋白結合，導致血液輸送氧氣的量減少，會使人窒息。鋁電解反應過程還會產生SO2和硫化氫氣體，這些都是污染環(huán)境的氣體。此外，電解鋁廠在生產過程中產生的生產性粉塵，如氧化鋁粉塵、氟化鋁粉塵、電解質粉塵、含炭粉塵等，是另一大空氣污染物；這些粉塵如果吸入人體，會造成急慢性中毒或皮膚過敏，呼吸道炎癥等病癥。

廢水污染：電解鋁企業(yè)涉及的廢水包括生產廢水和生活污水，廢水污染在電解鋁企業(yè)的污染排放中所占的比例相對較輕，廢水經處理后可在企業(yè)內部循環(huán)利用。生產廢水主要來自空壓站、鑄造車間及陽極組裝車間等工序的零星生產廢水、各種設備的冷卻用水及廠區(qū)初期雨水。生活污水主要來自于辦公樓、食堂、宿舍、浴室、各廠房及倉庫衛(wèi)生間等生活排水。由于電解鋁操作過程中產生的氟化物會對生產水和生污水產生一定程度的污染，如果不加凈化和處理就外排，將會污染企業(yè)周圍的水體，受污染的水中各種無機和有機化學物質超過一定含量，可危害人體健康，可引起急、慢性中毒和致癌、致畸等遠期危害。

廢渣污染：主要是電解槽大修渣，其次為碳渣、鋁灰、殘極及污水處理站污泥等。電解槽大修渣、碳渣、鋁灰等固廢均屬于工業(yè)危險廢物，其危害主要在于電解槽大修渣中含有大量的可溶性氟化物和氰化物；碳渣中氟化鹽含量高達60%～80%；鋁灰對環(huán)境的主要污染是氟的污染，鋁灰中的含氟量超出正常規(guī)定值的3～4倍。以前國內鋁廠普遍采用的填埋、堆存方法處理這些固廢，所含的可溶性氟化物及氰化物會通過風吹、日曬、雨淋的作用轉移或揮發(fā)進入大氣，或隨雨水混入江河、滲入地下污染土壤和地下水，對動物植物及人體產生很大損害，破壞生態(tài)環(huán)境，影響農業(yè)生態(tài)平衡，使農作物減產，如不及時進行無害化處理，其危害將是長期的。殘極和污水處理站污泥等一般工業(yè)固廢，長期堆存不僅占用大量土地，而且會造成對水系和大氣的污染和危害。

噪聲污染：除水、氣、渣三類污染外，電解鋁生產企業(yè)生產中的另一類污染——噪聲污染，往往被人們所忽略。電解鋁企業(yè)產生的噪聲污染主要表現為企業(yè)內部污染，對操作人員的健康有很大的危害。噪聲污染源主要有：鑄造機、空壓機、鼓風機、排煙風機、高壓離心風機、各類輸送泵等，噪聲性質屬于機械性噪聲和動力性噪聲。這些噪聲對人體均可產生不良影響，如損傷耳膜、聽力下降，嚴重時引起耳聾。

2 電解鋁環(huán)境污染的治理措施

2.1 廢氣污染的治理措施

鋁電解過程中產生最多的污染物就是氣體污染物。一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫以及氟化物等等，不僅污染環(huán)境還危害人體健康。

首先，企業(yè)應該提高環(huán)保意識，采用先進的工藝技術，提高反應效率，使電解反應發(fā)生充分，減少殘留物，從源頭上減少污染物排放。其次，加強電解槽的密閉操作是減少污染物無組織排放的重要措施之一。但在電解生產過程中又必須進行開槽更換殘極等操作，此時，就需要通過加大電解槽排煙量對電解槽散發(fā)的煙氣進行捕集。再次，在電解生產過程中換極和殘極冷卻過程中，可設置高效的殘極煙氣回收系統，將散發(fā)出的高溫煙氣引入電解煙氣凈化系統進行凈化處理。

對于電解鋁煙氣凈化，目前世界上幾乎所有采用預焙陽極電解鋁槽的鋁廠均采用氧化鋁化學吸附氟化氫的干法凈化技術，不但凈化效率高，還變害為利減少氟化鹽用量。電解煙氣中的氟化氫被氧化鋁吸附，吸附后的氧化鋁成為載氟氧化鋁，一部分重新循環(huán)返回凈化系統，另一部分送電解槽供生產使用，凈化后尾氣通過煙囪達標排放。

但隨著環(huán)境質量要求的變化，環(huán)境質量標準和污染物排放標準也在相應地進行修改，國家對環(huán)保的要求也越來越趨于嚴格。SO2成為了環(huán)保重點關注的一大氣體污染物。中國鋁業(yè)作為中國最大的電解鋁生產企業(yè)，也率先提出了超凈排放標準：SO2<35 mg/Nm3，F<0.3 mg/Nm3，粉塵<5 mg/Nm3。

總的來說，控制SO2的排放，可以從控制生產原料或燃料中含硫率、降低生產原料及燃料耗量，改進生產工藝以及采用優(yōu)化的煙氣后續(xù)處理凈化工藝等方面著手。針對電解鋁廠SO2和氟化物同時治理的要求，最直接有效的方式就是電解鋁廠采用優(yōu)化的煙氣脫氟、脫硫凈化系統，即傳統的氧化鋁化學吸附氟化氫的干法凈化技術+脫硫技術。

國內煙氣脫硫技術主要是在火力發(fā)電、鋼鐵等行業(yè)應用較多。煙氣脫硫技術可分為干法煙氣脫硫、半干法煙氣脫硫和濕法煙氣脫硫三大類。對于脫硫技術而言，鋁電解行業(yè)電解槽煙氣具有和電力、鋼鐵行業(yè)不同的特點：煙氣量大、煙氣中SO2濃度低、煙氣含濕量低、煙氣溫度較低等。上述特點決定了電解煙氣脫硫方案的選擇不宜照搬電力、鋼鐵行業(yè)經驗，應根據煙氣自身特點和工程實際，選擇滿足技術要求，性價比高的技術方案。

因此，提高電解鋁煙氣凈化行業(yè)環(huán)保技術，降低電解鋁煙氣造成的環(huán)境影響，是電解鋁工業(yè)發(fā)展的命門關鍵。

2.2 廢水污染的治理措施

電解鋁生產中產生的氟化物和氰化物會污染水質。在排放各類廢水之前，應該對廢水進行凈化處理，在達到國家標準規(guī)范要求之后才能排放。目前，多數企業(yè)為充分利用水資源，同時響應國家綠色環(huán)保號召，減少對環(huán)境的危害，在對各類廢水進行凈化處理后，不再外排，而作為生產、生活用水再次使用。

根據鋁電解企業(yè)廢水規(guī)模和水質特點，通常情況下采用綜合自動化控制成套設備更為合適。整個處理過程和設備是投加系統、混合反應、氣浮、過濾、活性炭吸附和自動控制的結合。處理后的廢水可達標排放或在植物綠化、噴淋、循環(huán)水再水化等方面進行再利用。

一般生活污水中氮磷等營養(yǎng)元素都偏高，且多含有油類物質，廠區(qū)零星的生活污水必須經生活排水管網收集，進入生活污水處理設備處理達標后回用，可用于廠區(qū)綠化和道路澆灑等。

按照《有色金屬工業(yè)環(huán)境保護工程設計規(guī)范》要求，初期雨水必須經搜集后進行處理，處理后可補充至鑄造車間濁循環(huán)系統，或經軟化處理后補充至空壓站循環(huán)水系統。而鑄造車間內的冷卻水要進行除油處理，防止污染水源，處理后的冷卻水可以進行二次利用。

總之，電解鋁企業(yè)廢水處理的原則，是要控制排水量，提高工藝流程循環(huán)水利用率，滿足資源再利用要求，不僅節(jié)約用水還能保護環(huán)境，實現企業(yè)效益和環(huán)境保護雙贏。

2.3 廢渣污染的治理措施

電解鋁企業(yè)的廢渣主要分為五塊：電解槽大修渣、碳渣、鋁灰、殘極及污水處理站污泥。

按照GB50850—2013《鋁電解廠工藝設計規(guī)范》中廢渣處理要求，“電解固體廢渣應進行綜合回收利用，應包括回收氟鹽、廢陰極碳塊、鋼棒等；對不能利用的固體廢渣應首先選擇無害化處理，再設置專用渣場填埋。”

2.3.1 電解槽大修渣

電解槽大修渣的處置方式主要有：填埋法、濕法處理技術、火法處理技術。

填埋法是國內鋁廠普遍采用的固廢處理方法，但因大修渣中有害物質的毒性和腐蝕性大，填埋法對渣場防滲層的抗腐蝕性要求很高，施工難度大，成本高，并造成了大量資源浪費。

濕法在處理過程中會析出劇毒的HCN、HF氣體，造成設備嚴重腐蝕，污染操作環(huán)境，危害人類健康，少數電解鋁企業(yè)研究濕法工藝對廢槽襯進行處理，但未能實現大規(guī)模工業(yè)化化應用。

云鋁潤鑫公司開發(fā)了廢槽襯水浸生產工藝，并建成了5 000 t/a廢槽襯生產線，預計2019年內可以投入生產。該工藝可回收碳素材料中的碳質用于生產陽極炭塊使用，回收的鈉鹽作為鋁電解槽焙燒啟動物料及鋁液熔鑄的打渣劑配料返回使用，耐火材料經脫氟處理后可直接配制成鋁電解槽防滲料用于電解槽砌筑或填埋；副產品硫酸銨溶液可作為廠區(qū)及周邊綠化肥料，實現了產品的全部回收利用。

中國鋁業(yè)公司開發(fā)了廢槽襯焙燒處理技術并進行了工業(yè)實踐，對碳的利用率達到了90 %以上，對氟化物的利用率達到了95 %以上，實現了廢槽襯的無害化和資源化。

與濕法相比，火法處理技術具有無害化處理徹底、工藝流程簡單、投資少、單位處理成本低等特點。因此火法處理技術是國內外廢槽襯無害化處理利用的主導方向。

2.3.2 碳渣

鋁電解過程撈出的陽極碳渣中主要成分是碳和電解質，其中碳約占30 %、電解質約占70 %。電解質的主要成分為冰晶石和其它氟化鹽，如何有效回收碳渣中的電解質是電解鋁企業(yè)亟待解決的問題。

目前工業(yè)上主要采用浮選法或焙燒法將鋁電解碳渣中的碳和電解質進行分離，并對碳渣中的電解質進行回收。

通過電解鋁企業(yè)及研究院所科研人員的試驗研究證明，浮選法傳統工藝處理碳渣回收的碳精粉及電解質純度較低，不能直接返回利用。通過對浮選藥劑及工藝不斷進行優(yōu)化實驗，改善浮選指標，在特定浮選條件下，浮選產品碳粉則可以直接用作預焙陽極或陰極生產的配料，而電解質亦可以直接返回電解槽使用，無需進一步加工。

焙燒法的主要原理是通過高溫焙燒，使碳渣中的炭氧化，所得焙燒殘渣即為電解質。采用焙燒法對碳渣進行處理，碳渣反應率和電解質回收率較高，且電解質純度高于99 %，可以直接返回電解槽使用。

浮選法與焙燒法二者比較，焙燒法更具優(yōu)勢，而浮選法適用于碳渣的大規(guī)模工業(yè)化處理，產品為可直接回用的冰晶石。

2.3.3 鋁灰

通常電解、熔鑄過程中定期扒出的灰渣等稱為一次鋁灰，一次鋁灰中金屬鋁含量高達70 %～80 %，一般采用鋁渣處理系統(炒灰機、熱渣處理或冷灰球磨等)回收鋁灰中的金屬鋁，灰渣冷卻后進一步細磨篩分出鋁顆粒，得到的細灰即為二次鋁灰。

二次鋁灰是一種危險廢物，里面含有大量氟化物、氰化物、碳化鋁、氮化鋁等有毒有害物質。目前電解鋁企業(yè)對二次鋁灰的處理工藝主要為：無害化和資源化。無害化工藝：通過酸浸、堿浸、洗滌等方式，去除二次鋁灰中的氮化物、氟化物、鹽分等雜質后得到無害化的鋁灰再進行安全填埋。資源化工藝：脫除有毒有害物質后，二次鋁灰經過高溫或冷加工制成不同的產品如鋼爪保護環(huán)、棕剛玉磨料、精煉劑和凈水劑等，或是返回電解槽作為電解鋁原料。

鋁灰中含有一些對環(huán)境直接或間接造成危害的物質，但也是一種具有綜合利用價值的可再生資源，電解鋁企業(yè)應根據實際情況盡可能綜合處理，既能變廢為寶，進一步降低生產成本，又能減少鋁灰堆存場地投資，保護環(huán)境。

2.3.4 殘極

通常，電解槽上更換下的殘極經過清理后，可在陽極材料生產過程中作為生陽極配料重新利用。殘極主要成分是碳，因此殘極也可用作冶煉燃料。

2.3.5 污水處理站污泥

一般生活污水處理站產生的污泥定期清除作為農家肥使用；生產廢水處理產生的污泥排至污泥池濃縮后，再經壓濾機脫水后運往渣場填埋。

2.4 噪聲污染的治理措施

針對電解鋁企業(yè)產生的噪聲污染源，在設計中應根據產生噪聲的實際情況采用隔聲、消聲、減振等措施，以改善操作工人的勞動環(huán)境。如采用高效低噪電機設備，風機進口安裝消音器，操作工人循檢時配戴耳塞，隔音操作室，基礎設置減震墊等，可使產生噪聲設備的噪聲級降低5dB(A)。通過以上措施，電解鋁企業(yè)的噪聲污染影響在可接受范圍內。

3 結 語

總之，電解鋁工業(yè)可以促進經濟發(fā)展，是國家發(fā)展必不可少的工業(yè)支持，但是由此帶來的環(huán)境污染問題也是不容小覷。電解鋁企業(yè)在生產過程中產生了各種形式的污染物，如何治理環(huán)境污染作為行業(yè)共性的突出問題，相關企業(yè)應該重視起來，盡快突破廢物再利用、無害化、資源化產業(yè)化的相關技術難題。特別是領軍企業(yè)更應該起到帶頭作用，從自己做起，讓整個行業(yè)都能切實行動起來，真正做到綠色發(fā)展、健康發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。