電解鋁行業(yè)節(jié)約與減排

電解鋁行業(yè)的節(jié)約與減排

田應(yīng)甫

2013.5.1、電解鋁產(chǎn)品的能耗、物耗1.1、理論消耗量及產(chǎn)出物量：活性陽極鋁電解的原理方程式：

直流電2Al2O3+3C=====4Al+3CO2需要的能量：電能；消耗物：氧化鋁、碳；產(chǎn)出物：鋁、二氧化碳氣體。

生產(chǎn)一噸鋁理論上物質(zhì)、電能消耗和產(chǎn)出量：

消耗量產(chǎn)出量直流電6320KwhCO2：2.079t；SO2：0.063t；NO物：0.0313t（注：國家環(huán)保局折算標準：1萬kwh產(chǎn)生CO2:3.29t;SO2:0.099t;NO物：0.0495t）氧化鋁1889Kg原鋁1000Kg陽極334KgCO2：1.222t陰極內(nèi)襯22.5Kg(按300kA槽型筑爐材料計算100t,壽命2000天）22.5Kg1.2、生產(chǎn)一噸鋁實際消耗的物料和產(chǎn)出量消耗量產(chǎn)出量電直流：12800Kwh；動力：800kwhCO2：4.47t；SO2：0.135t；NO物：0.067t氧化鋁1930Kg原鋁1000Kg陽極420Kg（凈耗）含炭98%;S:1.8%CO2：1.509t;SO2:0.015t氟化鹽20Kg1當(dāng)量氟化物相當(dāng)于6000-8000當(dāng)量CO2,故120t以上陰極內(nèi)襯300KA槽內(nèi)襯量約100t，壽命2000天，每噸鋁約22.5Kg產(chǎn)生內(nèi)襯廢渣約130t，每噸鋁約30Kg1.3、實際量比理論量多消耗量產(chǎn)出量直流電6480KwhCO2：2.391t；SO2：0.072t；NO物：0.0357t氧化鋁41Kg0陽極86KgCO2：0.287t；SO2：0.015t氟化鹽20Kg換成當(dāng)量CO2：120t以上陰極內(nèi)襯0產(chǎn)生有毒內(nèi)襯：30Kg2、節(jié)約2.1、節(jié)電工藝過程節(jié)電鋁電解直流電耗計算公式：W=2980U/η說明：槽電壓越低，電流效率越高，直流電耗越低。

U=U極化+U陽+U陰+U質(zhì)+U分解+U母線電流密度為0.72A/cm2時，各部分組成典型值為U分解=1.2v；U極化=0.45v；U陽=0.36v；U陰=0.34v；U質(zhì)=1.55v；U母線=0.18v。對于定型電解槽，除U質(zhì)可調(diào)外，其余為定值。陽極極距模型，如圖。

a層為鋁液波動層，b層為陽極底部氣泡層，c為防止氣泡與鋁液接觸的隔層。對于普通平底陰極電解槽，采用普通形狀陽極，a層一般為1.5cm；當(dāng)陽極寬度為660mm時，b層約為2cm（中南大學(xué)李賀松教授計算值）；c層一般為1cm。我們用改進陽極結(jié)構(gòu)，即時排出陽極氣體的方法，可將陽極氣泡層從2cm降到1.4cm左右（中南大學(xué)李賀松教授已做過理論計算，400mm寬的陽極氣泡層降到1.4cm），如天泰鋁業(yè)和中南大學(xué)等研究成功的穿孔陽極，已可將陽極氣泡層降到1.4cm以下。目前，已研究成功的多種陰極技術(shù)（異型陰極、新型陰極、雙鋼棒、陰極鋼棒部分絕緣、變電阻陰極鋼棒等），均可將鋁液波動層降到0.8cm以下，可以降低極距0.7cm。根據(jù)陽極極距三層液模型，異型陰極技術(shù)和穿孔陽極技術(shù)可以疊加應(yīng)用，即異型陰極技術(shù)可將鋁液波浪層降到0.8cm，穿孔陽極技術(shù)可將氣泡層降到1.4cm，中間層保持0.8cm，陽極極距可達到3cm左右。若電流密度取0.72A/cm2,電解質(zhì)比電阻0.41Ω

/cm,其余參數(shù)不變，槽電壓可降到3.3v左右。

此外，如鋁芯鋼爪降低鋼爪壓降；改變陽極澆注方式，改變磷生鐵性質(zhì)，降低陽極鐵-碳接觸壓降等，可把陽極壓降降到250mv左右；采用石墨化陰極，可將陰極壓降降到200mv，這樣，從理論上分析，可將鋁電解生產(chǎn)槽電壓降到3.0-3.2V正常運行。若電流效率能保持94%，鋁電解工藝直流電耗將可能達到10000kwh/t-Al以下，工藝能量利用率可達到65%以上。目前,單獨采用陰極技術(shù)，可將工藝直流電耗降到12500kwh/t-Al;單獨采用陽極技術(shù)（如重慶天泰鋁業(yè)的穿孔陽極），也可將工藝直流電耗降到12500kwh/t-Al以下，陰、陽極技術(shù)集成應(yīng)用，我們做了一些基本試驗，初步結(jié)果工藝直流電耗可到11800kwh/t-Al左右。集成應(yīng)用的困難主要是電解槽運行敏感性很強，容易波動，陽極容易長包。動力電節(jié)約動力電包括供水、供氣、供料、電解煙氣凈化、其他運轉(zhuǎn)設(shè)備動力消耗及供電設(shè)備（配電所）自用電，平均在400kwh/t-Al左右。若加強工廠管理，如杜絕電解槽供氣管網(wǎng)漏氣，可大大降低空壓機用電；電解槽蓋嚴槽罩，可大大降低凈化排煙機用電；再加強其他動力設(shè)備管理，降低用電，電解鋁動力用電可降到300kwh/t-Al以下。提高整流效率整流變壓器耗電和整流機組耗電均算到了整流效率之中。目前，250臺槽以上的大系列，整流效率可到98%以上，200臺槽以下的中小系列，整流效率一般在97%左右。采用低自耗變壓器，高效整流器，大型系列，保持整流效率在98.5%或以上，也可明顯降低交流電耗。（提高1%整流效率，噸鋁可降低130kwh）2.2、降低氧化鋁消耗氧化鋁實際消耗比理論值多36kg。氧化鋁國家標準為：AO-1：98.6%；AO-2：98.5%一級品氧化鋁含量不低于98.6%，那么，噸鋁理論上需消耗1915.82kg，實際多耗約15kg，主要是飛揚、運輸損失及凈化收塵系統(tǒng)跑、冒。加強管理和粉塵回收利用，可將氧化鈉消耗降到1920kg/t-Al及以下。2.3、降低陽極消耗

理論上陽極實際比理論多耗85kg左右，但電解電流效率不足100%，取93%，實際理論消耗359kg，實際多耗60kg左右（國外最好指標也要多耗50kg左右）。多耗的原因可分為炭陽極掉渣和炭陽極表面氧化兩類。

炭陽極掉渣又由多種形式所產(chǎn)生：1）炭陽極制造中焦粒在混捏時，表面未被液態(tài)瀝青充分包裹和浸透，所以在振動成型時顆粒之間無法充分緊密粘接，焙燒后便不能形成完善的固定焦粒的瀝青碳網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在鋁電解過程中，焦粒脫落掉入電解質(zhì)中形成炭渣；

2）激振力不足，或振幅、頻率、振動時間等參數(shù)不匹配，陽極振動不實，焙燒后陽極氣孔率高，比重小，焦粒粘接不緊密，電解過程中出現(xiàn)掉渣；

3）石油焦煅燒時過燒，降低了焦粒炭的反應(yīng)活性，而陽極制作中是由瀝青將焦粒粘接成型的，瀝青焙燒后留下的固定炭其活性高于焦粒，所以，在電解過程中，此種陽極的網(wǎng)狀瀝青炭反應(yīng)較快，活性較低的焦粒炭反應(yīng)較慢，出現(xiàn)消耗速度不一致，導(dǎo)致掉渣；

4）陽極配方不合理，尤其細粉料的配入量與孔隙率不匹配。如當(dāng)細粉料配入不足，孔隙率高，陽極體積密度低，當(dāng)在電解中使用時，電解中產(chǎn)生的氧便進入到孔中反應(yīng)，形成反應(yīng)不在同一底面上進行，引起掉渣；當(dāng)細粉料配入過量，陽極體積密度高，由于細粉料被液體瀝青浸潤的性能差，細粉難于成團，不僅不能有效膠結(jié)顆粒，而且在孔隙中形成散料，在電解使用中掉渣尤為嚴重；5）陽極電流密度較低時，出現(xiàn)選擇性碳反應(yīng)[5]，即氧原子首先選擇在活性較強的網(wǎng)狀瀝青炭表面反應(yīng)，活性較低的焦炭便不發(fā)生反應(yīng)，網(wǎng)狀瀝青炭被消耗后，焦粒便掉入電解質(zhì)中形成炭渣；

6）電解過程中在陽極底部產(chǎn)生的二氧化碳氣體流向邊部時，形成的巨大壓力和流速沖擊陽極的底表面，加速陽極掉渣。炭陽極表面氧化是當(dāng)陽極未被氧化鋁充分覆蓋而裸露，或覆蓋料不緊密，有空氣漏入時，便與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳氣體：C+O2=CO2此外，電解過程中產(chǎn)生的CO2氣體，沿著陽極外表面排出，當(dāng)陽極處于高溫紅熱狀態(tài)時，CO2氣體便與紅熱的炭發(fā)生布達反應(yīng)生成CO氣體，引起炭陽極多耗[6]，即：CO2+C=2CO降低陽極消耗加強制作工藝優(yōu)化（控制好煅后石油焦性能；陽極配方合理；混捏充分；振動成型扎實均勻；焙燒升溫合理，陽極燒透）；改進陽極制作方式，提高陽極理化性能（如馮乃祥教授團隊發(fā)明的高溫模壓制作法）；改變陽極形狀及結(jié)構(gòu)（如天泰鋁業(yè)與中南工大等發(fā)明的穿孔陽極，可降低陽極凈耗17kg/t-Al）；加強電解工藝及操作管理，減少氧化和掉塊。2.4、降低氟化鹽消耗理論上，鋁電解過程不消耗氟化鹽，但是，目前的大型預(yù)焙槽生產(chǎn)，每噸鋁需消耗20kg左右。氟化鹽消耗主要來自兩方面，一是原材料帶入水分分解冰晶石，產(chǎn)生氟化氫氣體排出:2Na3AlF6+3H2O=6HF+Al2O3+6NaF二是高溫揮發(fā)。降低消耗主要從以下入手：盡量降低原材物料含水量，減少冰晶石分解損失；盡量降低電解溫度，減少氟化鹽揮發(fā)損失。如現(xiàn)在采取的低電壓運行，電解槽下料口密封好，大大降低氟化鹽揮發(fā)（目前已有企業(yè)氟化鹽消耗到15kg以下）；密閉好電解槽，減少無組織排放；改進和管理好凈化系統(tǒng)，高效回收氟化鹽。3.減排

鋁電解過程中會排出廢氣（CO2、SO2、HF)和粉塵（氟化物揮發(fā)粉塵和氧化鋁飛揚粉塵），所用能源主要為電，中國的電能主要是火電，發(fā)電產(chǎn)生大量CO2、SO2和NO物，這些都是有害氣體。陽極質(zhì)量低劣，會產(chǎn)生大量碳渣，碳渣燃燒產(chǎn)生CO2氣；撈碳渣會帶出大量氟化物，成為有害廢渣；電解槽大修產(chǎn)生的廢爐渣被定義為“高危廢渣”。

3.1、減少CO2、SO2、NO物排放節(jié)能是鋁電解直接減少廢氣排放的渠道。若電解鋁的綜合能耗從目前的13800kwh/t-Al降到11000kwh/t-Al以下，每噸鋁可減少排放CO2:0.978t；SO2:0.029t;NO物0.01485t。降低陽極消耗，也是減少CO2、SO2排放的主要渠道。若將每噸鋁的碳耗（凈耗）降低30kg，可降低排放CO2:110kg；SO2:1.08kg。降低陽極消耗，還能減少陽極需量，自然降低陽極生產(chǎn)中的廢氣、廢物排放量。3.2、減少氟化物排放一當(dāng)量氟化物相當(dāng)于6000-8000當(dāng)量CO2，所以，氟化物是極為有害的污染物。降低氟化物排放應(yīng)從以下著手：采取低電壓、低溫生產(chǎn)，可使電解槽加料口和出鋁口火眼良好密封，降低氟化鹽揮發(fā)；采用高效吸附HF的凈化技術(shù)，使氣氟被氧化鋁充分吸附；保持除塵設(shè)備完好，不出現(xiàn)漏氣漏料，保證固氟充分回收；采取全密封電解槽結(jié)構(gòu)，保證廢氣不外泄，杜絕無組織排放；采用高質(zhì)量陽極，不產(chǎn)生碳渣，消除撈碳渣帶走氟化鹽。3.3、廢舊內(nèi)襯的回收利用現(xiàn)代大型電解槽一般槽壽命達2000天左右，內(nèi)襯材料經(jīng)幾年使用后，侵入的氟化鹽和金屬鋁與內(nèi)襯材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由無害的材料變成了含有多種有害物的高危固體廢料，這些廢料經(jīng)雨水侵泡后，會放出氰化物等劇毒氣體；氟化鹽侵入地下污染地下水，造成嚴重環(huán)境污染。廢舊陰極炭塊與鋼棒回收利用

碳素內(nèi)襯可進行氟化鹽分離后，生產(chǎn)出高質(zhì)量的石墨粉，成為其他產(chǎn)品的原料（青銅峽鋁廠已做成功）；也可直接用于煉鋼，碳成為燃料，氟化鹽成為添加劑，可使渣中