電解鋁煙氣處理措施技術(shù)探討

吳魁+潘永寶+魏志剛+馬超+姬濤

摘要：指出了電解鋁在我國發(fā)展迅速，但由于其屬于高能耗、高污染行業(yè)而備受關(guān)注。以某電解鋁企業(yè)為例分析了電解鋁煙氣處理措施及煙氣治理應(yīng)關(guān)注的主要問題，探索可行的處理方案，以期提供參考。

關(guān)鍵詞：電解鋁；煙氣處理；氟化物；煙氣凈化

中圖分類號：X701

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）8007803

1引言

隨著國家鋁行業(yè)準(zhǔn)入條件的出臺，某電解鋁企業(yè)從企業(yè)自身長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，通過大量考察論證，充分利用當(dāng)?shù)赝恋亍①Y源、能源和勞動力等方面的優(yōu)勢，在各級政府的大力支持下，將列入國家火炬計劃項目的電解法生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金技術(shù)做為企業(yè)發(fā)展方向，建設(shè)20萬t/年鋁基合金項目，同時淘汰現(xiàn)有電解鋁生產(chǎn)線。

項目采用具有國際先進(jìn)水平的高效節(jié)能環(huán)保型400kA大型電解槽進(jìn)行鋁基合金生產(chǎn)，通過電解法直接生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金。該工藝使用的原料主要為兩部分：氧化鋁和硅鈦鋁土礦粉。采用電解的方法是生產(chǎn)新型鋁硅系鑄造合金——鋁硅鈦多元合金的一種新的工藝方法，充分利用鋁礦中有用元素，具有生產(chǎn)流程短、成本能耗低等特點，并獲得國家發(fā)明專利。該工藝早在1998年河南登封電廠集團(tuán)有限公司得以示范建設(shè)使用，在近幾年的不斷研究完善基礎(chǔ)上，工藝現(xiàn)已相當(dāng)成熟，能夠在大型預(yù)焙槽中穩(wěn)定使用。

2工藝技術(shù)方案

2.1反應(yīng)原理

電解法直接生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金其生產(chǎn)原理是在電解槽中通入強大的直流電，將氧化鋁及硅鈦鋁土礦粉置于熔融的冰晶石作為電解質(zhì)的電解槽中，在陰極和陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋁、鈦金屬在陰極析出，與原料中的硅混合形成鋁硅鈦合金液，并定期由真空抬包抽出，送往鑄造車間，陽極析出CO2 氣體以及少量有害的氟化物。在電解過程中，由于冰晶石熔液溫度高，具有很大侵蝕性，因此通常使用炭素材料作陰、陽極，陽極在電解過程中不斷消耗。

電化學(xué)反應(yīng)方程式為：

aAl3+（絡(luò)合）+bTi4+（絡(luò)合）+mO2-+nCxAl+ yTi+zCO2↑

（a、b、m、n、x、y、z為系數(shù)）

2.2工藝過程

外購冶金級氧化鋁粉及硅鈦鋁土礦粉，氧化鋁一部分用于陽極更換時表面覆蓋料用，另一路送入袋式除塵系統(tǒng)的反應(yīng)器內(nèi)供吸附煙氣中的氟化氫用。從煙氣凈化返回的載氟氧化鋁以及外購硅鈦鋁土礦粉、冰晶石、氟化鋁以超濃相輸送方式分別送入電解槽上的各自加料箱，通過計算機分析各槽況后酌量添加各種原輔料。生產(chǎn)過程中定期加入氟化鋁目的是為了調(diào)整電解質(zhì)成分。電解所需的炭陽極是由外購陽極炭塊經(jīng)陽極組裝車間組裝后供給，電解殘極返回陽極組裝車間，經(jīng)收集殘極上電解質(zhì)后，殘極碳素材料返回陽極炭塊生產(chǎn)廠家。電解槽生產(chǎn)的合金鋁硅鈦液，通過多功能機組配合真空抬包抽出，經(jīng)平板拖車送至鑄造車間混合爐經(jīng)化驗調(diào)配，鑄成合金鑄錠。

3電解煙氣治理措施分析

電解槽排出煙氣，主要含氟、二氧化硫和粉塵[1]，通過集氣裝置引入煙氣凈化系統(tǒng)除氟及粉塵，后由煙囪排空，未被收集的煙氣排至電解車間屋頂天窗，在天窗安裝隔塵設(shè)施，上部安裝集氣管，對逸散氣體再次收集，未被收集的部分煙氣經(jīng)天窗無組織排放。電解槽的煙氣凈化方法分為干式和濕式兩類[2]。將兩類煙氣凈化系統(tǒng)作對比分析，結(jié)果見表1。

由表1可以看出干法凈化系統(tǒng)在凈化效果和資源利用上具有很大的優(yōu)勢。結(jié)合國內(nèi)外電解煙氣凈化技術(shù)發(fā)展及環(huán)保要求，項目采用干法凈化系統(tǒng)是可行的。

干法凈化技術(shù)是利用設(shè)置于電解槽上部的集氣罩捕集煙氣進(jìn)入凈化設(shè)施，在凈化設(shè)施中利用電解原料氧化鋁吸附煙氣中的氟化氫，再通過布袋除塵器實現(xiàn)氣固分離，達(dá)到凈化煙氣，同時去除氣態(tài)氟和固態(tài)氟的目的，凈化之后的干凈煙氣通過煙囪排入大氣。吸附氟之后的氧化鋁作為電解生產(chǎn)的原料返回電解槽使用，氧化鋁吸附的氟回補了電解過程所需要的氟化鹽電解質(zhì)，無廢棄物和二次污染產(chǎn)生，且實現(xiàn)了氟化物的有效回收利用。為提高氧化鋁對氟化氫的吸附效率，載氟氧化鋁進(jìn)入生產(chǎn)原料輸送系統(tǒng)之前有一部分返回凈化系統(tǒng)重復(fù)使用。目前，國內(nèi)鋁行業(yè)電解煙氣干法凈化技術(shù)的基本工藝流程是一致的，但由于其采用的工藝細(xì)節(jié)及凈化效果則有所不同，大致分為3種類型[3]。

（1）傳統(tǒng)干法凈化工藝。傳統(tǒng)干法凈化工藝流程為電解煙氣干法凈化工程最早使用的工藝流程，其特點為新鮮氧化鋁與載氟氧化鋁同時加入反應(yīng)器內(nèi)（文丘里、VRI、管道），反應(yīng)后通過布袋進(jìn)行氣固分離[4]。該工藝缺點：①沒有充分利用新鮮氧化鋁和載氟氧化鋁對氟化氫不同的吸附反應(yīng)特性，致使全氟凈化效率不夠高；②由于采用新鮮氧化鋁與載氟氧化鋁同時進(jìn)入除塵器的工藝流程，致使大量的載氟氧化鋁在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行無功死循環(huán)，粉化嚴(yán)重，加之氧化鋁吸附氟化氫之后粘性增加，造成大量的粉化氧化鋁粘附在布袋上，清灰困難，增大系統(tǒng)負(fù)荷，降低除塵器的凈化效率。同時由于清灰困難，也導(dǎo)致除塵器運行阻力不斷增大，風(fēng)機抽風(fēng)能力降低，電解槽的集氣效率降低，增加了天窗的無組織排放。

（2）兩段干法凈化工藝。兩段干法凈化工藝與傳統(tǒng)工藝流程的不同之處在于，在反應(yīng)器上游約20 m的煙氣總管處加載氟氧化鋁，吸附煙氣中的高濃度氟化氫；在反應(yīng)器內(nèi)加新鮮氧化鋁（傳統(tǒng)兩段反應(yīng)工藝），吸附煙氣中的低濃度氟化氫；反應(yīng)后通過布袋進(jìn)行氣固分離。

（3）新型兩段逆流干法凈化工藝。新型逆流兩段煙氣干法凈化工藝技術(shù)，充分利用了新鮮氧化鋁和載氟氧化鋁吸附氟化氫的反應(yīng)特性，克服了上述兩種干法凈化工藝存在的無法進(jìn)一步提高全氟凈化效率、載氟氧化鋁存在死循環(huán)、影響布袋清灰效果的問題。新型兩段逆流干法凈化工藝技術(shù)與原有兩段凈化工藝相比，其特點是兩個反應(yīng)階段相互分離。即：除塵器分離出的一次載氟氧化鋁與高濃度氟化氫煙氣在反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，完成吸附反應(yīng)的二次載氟氧化鋁在進(jìn)入袋濾器前通過動力分離器與煙氣分離；與二次載氟氧化鋁分離后的低HF含量的煙氣，在除塵器內(nèi)被新鮮氧化鋁進(jìn)行二次吸氟，完成煙氣干法凈化的所有吸氟過程。動力分離器分離出的二次載氟氧化鋁被收集在除塵器底部的灰斗中，作為電解原料返回電解槽使用。除塵器分離的主要為新鮮氧化鋁吸氟后的一次載氟氧化鋁，該載氟氧化鋁進(jìn)入氟化氫吸附反應(yīng)器。此干法凈化的工藝流程主要優(yōu)點體現(xiàn)在：提高全氟凈化效率、降低除塵器運行阻力、延長布袋使用壽命。

三種電解煙氣干法處理措施效率及優(yōu)缺點對比見表2。新型逆向兩段干法凈化工藝處理效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)干法凈化工藝和兩段干法凈化工藝。

4電解煙氣處理關(guān)注的主要問題

電解槽煙氣的無組織排放對環(huán)境有較大影響，因此，集氣效率的高低對擬建項目大氣污染物排放與電解槽集氣效率有很大關(guān)系。

集氣罩及方式：本項目電解槽集氣罩結(jié)構(gòu)形式為多區(qū)上部集氣方式，該方式改變了電解槽密閉排煙罩結(jié)構(gòu)，改水平罩板下的排煙道為水平罩板上的排煙道，且分為多區(qū)多煙道集氣；使集氣罩內(nèi)負(fù)壓分布均勻，合理利用罩內(nèi)氣體溫度產(chǎn)生的壓差，可以有效的提高煙氣捕集效率。

雙排煙技術(shù)：本項目采用雙煙管排煙技術(shù)，控制電解槽操作時污染物的排放，提高電解槽集氣效率。正常生產(chǎn)時，煙氣通過主排煙支管排到車間外的主排煙管，并通過控制設(shè)在主排煙支管上的氣動調(diào)節(jié)蝶閥調(diào)節(jié)排煙量，實現(xiàn)槽罩內(nèi)的負(fù)壓控制目標(biāo)。當(dāng)對電解槽進(jìn)行工藝操作時，需打開部分槽罩，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉主排煙支管，并啟動輔助排煙系統(tǒng)，此時每臺電解槽的排煙量為正常操作時的2倍。采用電解槽雙排煙技術(shù)可以穩(wěn)定未打開槽罩部分電解槽的負(fù)壓，并減少打開槽罩板時排入車間的煙氣量，達(dá)到提高電解槽煙氣捕集效率的目的。

控制系統(tǒng)：擬建項目通過采用PLC作為主控制器，上位計算機為管理機，通過人機界面實現(xiàn)對凈化系統(tǒng)的監(jiān)視、控制。要實現(xiàn)凈化系統(tǒng)高效、平穩(wěn)地運行，就必須對系統(tǒng)主要的工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)視設(shè)備的運行狀況，實現(xiàn)關(guān)鍵被控參數(shù)的自動控制。

通過上述措施，能夠保證電解槽煙氣集氣效率大于99%。

5結(jié)語

本項目電解煙氣采用新型逆向兩段干法凈化工藝，氟化物的凈化效率大于99%，粉塵捕集效率達(dá)到99.9%，均滿足GB25465-2010《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表5規(guī)定：達(dá)到氟化物排放濃度3.0 mg/Nm3、粉塵排放濃度20 mg/Nm3、SO2排放濃度200 mg/Nm3 的要求。因此項目采取電解煙氣治理措施是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]

薛建剛，閆穎.鋁電解煙氣治理中干法凈化技術(shù)的運用[J].工業(yè)，2015（24）：112.

[2]高慧平.干法凈化技術(shù)在鋁電解煙氣治理中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財富，2015（35）：80.

[3]陳高強.鋁電解煙氣凈化工藝技術(shù)簡析[J].中國科技博覽，2016（3）：48.

[4]閆穎，薛建剛.鋁電解煙氣凈化技術(shù)優(yōu)化的探索[J].工程技術(shù)，2015（58）.