電解鋁行業(yè)中氟化鋁單耗升高的研究與分析

朱作貴

摘 要：氟化鋁是鋁電解生產中的溶劑，也是主要的添加劑，本文通過氟化鋁消耗原理，氟化鋁本身的物理特性以及電解生產技術條件分析和煙氣凈化系統(tǒng)幾個方面分析了氟化鋁單耗高的原因并對如何降低氟化鋁單耗進行了研究。

關鍵詞：揮發(fā);水解反應;技術條件;物料平衡

氟化鋁是鋁電解生產的熔劑，也是最主要的添加劑，主要用來調控電解質的分子比，ALF3對電解質性質的影響主要有以下幾個方面：降低Na+的活度;降低電解質的初晶溫度;降低電解質密度;減小電解質與鋁液的界面張力;降低電解質粘度;另外，ALF3還能增大電解質電阻率，降低氧化鋁的溶解能力，增加電解質的揮發(fā)。所以氟化鋁的消耗量是鋁電解生產的重要技術經濟指標之一。

1 氟化鋁的消耗原理

對于正常運行的電解槽，槽內襯對氟鹽的吸附已達到平衡。氟化鋁僅作為電解鋁生產中熔鹽添加劑。理論上在電解鋁生產中并不消耗，但實際上由于：①高溫蒸發(fā)、水解、原料雜質、技術條件紊亂、凈化系統(tǒng)不能完全吸附等;②原料雜質中Na2O、CaO、SiO2、MgO等在電解里產生的中和作用和分解反應：2ALF3+3H2O=6HF+AL2O33Na2O+

2ALF3=6NaF+AL2O3，3SiO2+4Na3ALF3=2AL2O3+12NaF+3SiF4，3CaO+2Na3ALF3=3CaF2+6NaF+AL2O3，3MgO+

2Na3ALF3=3MgF+6NaF+AL2O3，3Na2SO4+2Na3ALF3+3C=12NaF+AL2O3+3SO2+3CO造成了電解質中游離氟化鋁濃度降低，使氟化鋁的單耗約為15-20kg/t-Al。

2 氟化鋁的揮發(fā)

氟化鋁的揮發(fā)可以分為兩種：直接揮發(fā)與間接揮發(fā)。①直接揮發(fā)是指氟化鋁自身受熱后的揮發(fā)。氟化鋁無液相，受熱直接升華為氣體，升華速度隨溫度的升高逐漸增大。直接揮發(fā)與槽溫和添加方式有關;②間接揮發(fā)是指電解質體系中，由于電解質（其組分或生成物）的蒸發(fā)，而使氟化鋁消耗增大。在Na3#ALF6#AL2O3的三元電解質體系下，易生成一些不穩(wěn)定物資，如單冰晶石（NaALF4）等，再由其揮發(fā)或分解。電解質溫度對電解質蒸發(fā)的影響較大，正常運行時期，通過揮發(fā)損失的氟化鋁較少，主要是在效應次數多且效應時間長的時候揮發(fā)量較大。另，電解槽由于槽罩板密封不好，以及各種操作打開槽罩板期間揮發(fā)物及粉塵直接排在電解槽外，還有部分的揮發(fā)和飛揚經過車間廠房排放無法回收。

3 氟化鋁的水解反應

氟化鋁作為鋁電解生產過程中重要的添加劑，在電解槽內反應中起負反應--水解反應。這一反應對電解行程中的原料和能量都有很大的影響。氟化鋁在鋁電解反應過程中，其所含水分對氟化鋁的使用效果將產生相當大的負作用。這是因為在電解槽內的高溫條件下，ALF3和H2O作用發(fā)生如下反應：2ALF3+3H2O=6HF+AL2O3，根據該反應式計算：氟化鋁每含1kgH2O會使3.1kgALF3發(fā)生水解反應而損失并產生2.2kgHF氣體，從而使氟化鋁的實際有效成分減少，降低了氟化鋁的利用率，致使氟化鋁的消耗增加，產生的氟化氫氣體也相應增加。

①電解溫度升高，氟化鋁的分解率上升，不同溫度對應不同的分解率（930-940-950-960-970-980℃對應23.34%-

24.56%-25.83%-27.2%-28.42%-29.77%）;②在氟化鋁原料中水分主要以兩種形式存在，一種是以吸潮等形式引入的吸附水，另一種是以水化物形式存在于其中的結晶水;③正常生產時，氧化鋁濃度在一定范圍內波動（1%-3%），這種動態(tài)的平衡對反應式影響不大。但在陽極效應發(fā)生時，氧化鋁濃度低，從而使反應就會向右加快進行;④炭渣的吸附：炭渣結構疏松，有一定的吸附性能。從電解槽中打撈出的炭渣，其中70%左右是電解質。在電解槽中不僅吸附電解質，也吸附HF，由于炭渣的吸附，造成反應不斷地向右進行。水分是氟化鋁分解的根源。1kgH2O會使3.1kg ALF3發(fā)生水解，其分解而造成的影響不可忽視。當采用不合格原料或原料庫存時間長，含水量就會增加?，F在國內外鋁廠對氟化鋁的主要要求為含水份低、氟含量高、顆粒較粗、流動性好、雜質低，氟化鋁自身的化學純度和松裝密度對氟化鋁消耗量有較大的影響，生產中，純度越高消耗量越小。

4 技術條件紊亂的影響

4.1 物料平衡破壞

電解質水平是物料平衡的重要標志之一。電解質水平過高時，就會出現熔化上部結殼和覆蓋料，嚴重時會出現大面積塌殼，這時電解質水平會越來越高且分子比上升較快。為了保證技術條件，一是要取出大量電解質（里面本身含有氟化鋁），二是要添加過多的氟化鋁，這都會造成ALF3的浪費。電解質水平高往往是由于化爐幫、塌殼造成的，而化爐幫、塌殼又是造成物料平衡破壞的重要原因。

4.2 能量平衡破壞

電解質溫度是能量平衡的重要標志之一。槽溫升高，電解質過熱度增大時，一方面溫度升高本身會造成氟化鋁揮發(fā)和分解增加，再者又會出現化爐幫、塌殼現象，從而又造成物料平衡破壞進而增加氟化鋁的消耗。槽溫降低時，電解質過熱度減小，電解質收縮。嚴重時，電解質水平過低且電解質發(fā)粘，槽底沉淀多，效應偏多。這時為了改善電解質成分和提高電解質水平，往往需要加入一些物料和較多的氟化鋁，從而使得氟化鋁的消耗增加。

5 煙氣凈化系統(tǒng)的影響

煙氣凈化系統(tǒng)的重要作用之一就是將電解槽產生的煙氣通過干法煙氣凈化系統(tǒng)回收并完成吸附反應后，達標外排。其中吸附反應的過程就是對煙氣中的HF氣體重新回收的過程，然后再利用超濃相輸送系統(tǒng)返回電解槽進行再利用。

根據凈化干法煙氣回收系統(tǒng)工藝條件得知，含氟量的多少，能夠體現出煙氣中HF氣體的回收效果的好壞。因此，提高煙氣凈化系統(tǒng)的運行效率，增加吸附反應后的氧化鋁含氟量，理論上可以對降低氟化鋁單耗起到一定的作用。因此，提高集氣效率和凈化效率是降低氟化鋁單耗需要努力的重點之一。

6 結束語

綜合以上分析可以看出，影響氟化鋁消耗的原因有原料質量、電解質成分和煙氣凈化回收。在進一步提高凈化煙氣回收率和集氣效率的同時，原材物料影響氟化鋁單耗上升，電解槽在產鋁量的大小以及是否長期保持各項工藝技術條件的穩(wěn)定對氟化鋁單耗上升起到至關重要的作用。

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