关于电解铝产业清洁生产的思考

尹聚才

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100）

清洁生产从本质上来说，就是对生产过程与产品采取整体预防的环境策略，减少或者消除它们对人类及环境的可能危害，同时充分满足人类需要，使社会经济效益最大化的一种生产模式[1]。清洁生产的目的就是通过先进的生产技术、工艺设备和清洁原理，在生产过程中实现节省能源，降低原材料消耗，减少污染物排放等，能够最大限度地利用资源、能源，将原材料能转化为产品，把污染消除在生产过程中，达到保护自然和环境的目的。

电解铝产业是我国经济发展的支柱产业，同时也是传统的高耗能、高污染、高排放的“三高”产业。随着国家产业的转移，西部地区承载了越来越多的电解铝企业，目前西北五省区运行的产能约占全国的1/3，消耗了大量的能源，并对环境造成了一定的影响。当前国家对电解铝企业污染物排放的环保要求越来越高，监管政策越来越严格，对节能减排也越来越重视。我国政府提出要加强电解铝企业的清洁生产，甘肃省将“清洁生产”列为十大生态产业之一，要从根本上加强生态环境保护，加快转方式调结构，促进新旧动能转换，推动甘肃省绿色发展，所以促进电解铝清洁生产势在必行。

1 电解铝企业资源能源消耗

1.1 氧化铝单耗

氧化铝是电解铝生产工艺中的主要原料，目前国内大型铝电解槽冶炼水平已逐步发展至接近国际水平，氧化铝单耗稳步降低，每吨电解铝的氧化铝消耗目前为1900kg～1920kg。氧化铝的损失主要是在运输、储存过程中引发的飞扬损失，还有生产设备和工具夹杂。如果铝电解槽工艺条件设置有问题，也会造成电解槽内堆积大量沉淀，沉淀无法溶解，形成炉底结壳，同样会造成氧化铝损失。目前大型铝企业开始逐步升级氧化铝输送系统，采取自动化程度更高、密闭程度更高的输送系统，以此降低氧化铝单耗。

1.2 氟化盐单耗

氟化盐是电解铝的辅助原料，理论上并不参与电解铝反应，其主要作用是降低电解质的初晶温度，优化电解质成分，提高电解质导电率。氟化盐的损失主要是高温熔融电解质氟化铝的挥发，电解槽内排烟口管道负压不足，造成集气效率低下，大量烟气的无组织排放，引起氟化铝的挥发。电解槽中含有的Na、Ca等碱金属离子水解也会引起氟化铝的损失。当前国内大型铝电解企业采用较为先进的烟气净化技术，烟气净化挥发出的氟化铝量较少，基本可以忽略不计。甘肃省内某500KA铝电解槽系列的氟化铝单耗约为20kg/t-Al，已经达到国内的先进水平。

1.3 炭块单耗

炭块是电解铝生产重要的原材料之一，生产过程中主要作为阳极被消耗。理论上炭块的消耗是333kg/t-Al,国际上技术较为先进的电解铝企业炭块的单耗是410kg/t-Al～425kg/t-Al，国内500KA系列铝电解槽的炭块单耗是470kg/t-Al～500kg/t-Al，较世界先进水平还存在差距，炭块的单耗水平主要取决于炭块的质量，如果炭块杂质含量较少、纯度较高往往会降低碳耗。炭块的消耗还会产生在炭阳极和空气中的氧气发生的化学反应中，此部分消耗的炭并没有产生铝液，因此会显著的提高炭耗。目前大部分的电解铝企业都会在炭块上加上炭环，以此降低碳耗。

1.4 电耗

电解铝企业主要的能源消耗就是电力能源，近一半的生产成本都是电力成本。所以大型电解铝企业的生产工艺技术水平可以通过吨铝电耗来反应，国内最先进的铝电解槽可达12500kwh/t-Al，普遍在13000kwh/t-Al上下浮动。电耗越高对环境的影响就越大，成本就越高，影响电耗的因素主要有整流效率、电流效率、阳极效应系数等因素。

1.4.1 整流效率

电解铝生产车间一般需要的是200KA以上的高电流强度直流电，通常自备的火力发电厂生产的都是交流电，交流电转换为直流电的这个过程称之为整流，这个转化效率就是整流效率，在整流过程中会存在大量的电能损失，整流效率越高，电能损失就越低。主要的电能损失来自变压器损耗、主电路连接导体的损耗、整流装置的损耗等。目前国内的主流铝电解厂采用大功率整流系统，一般整流效率都能达到98%以上。

1.4.2 电流效率

电流效率是指铝电解过程中实际产出的铝量与理论产出的铝量之比的百分数。铝电解电流效率是电解铝行业的重要技术经济指标，可以衡量电解铝厂的技术水平和管理水平。电流通过阴极但是没有产出铝液，这就造成了电能损失，损失的这部分就引起电流效率的下降。目前省内500KA铝电解槽的电流效率在90%～94%之间波动，国际先进铝电解槽电流效率可达95%左右，国内部分企业已经接近国际先进水平。

1.4.3 阳极效应系数

阳极效应是在铝电解过程中，发生在阳极炭块上的一种特殊现象。当发生阳极效应时，阳极与高温电解液接触的周边出现许多细小电弧光，槽电压迅速上升至几十伏特，电解质停止沸腾，铝电解过程处于停滞状态，电解液以小滴状在阳极周边飞溅，电解槽的阳极和母线出现微微颤抖，并伴有响声[2]。铝电解槽槽电压突然升高，达到8V～35V，持续时间在20s～3min。如果系列有多台电解槽同时发生阳极效应，整个系列电流强度降低的较多，影响整个系列的生产。通常将每天每台电解槽发生的阳极效应个数称为阳极效应系数。阳极效应系数过高会显著增加电解铝生产的电耗，增加生产成本。

2 电解铝企业污染物排放

2.1 氟化物

电解质在高温下会挥发出AlF3、NaAlF4等含氟有毒有害气体，还有气态的HF，会造成人体骨骼钙质流失，容易骨质疏松。阳极效应发生时会产生CF等物质，会对人体眼睛、皮肤和呼吸系统产生危害，长期接触会慢性中毒。

2.2 沥青烟

阳极炭块生产中会用到大量的沥青，沥青在高温下会产生沥青烟。沥青烟对人体皮肤和眼睛具有刺激性毒性，可引发鼻炎、喉炎、结膜炎等，国家相关职业病危害中将其列为中度危害物。沥青烟中含有苯并芘类和蒽类物质，这类物质都有一定的致癌作用，对人体危害较大。电解铝厂普遍采用吸附法、静电捕集法、冷凝、旋风分离等方法处理产生的沥青烟。

2.3 CO

在电解铝过程中，氧化铝被还原，炭块理论上全部被氧化成为CO2，如果不完全反应会产生CO，CO2和炭块在高温下同样也会产生CO，CO在职业危害等级中属于高度危害毒物，我国车间空气中CO的最高容许浓度为30mg/m3，浓度过高会对血液系统和神经系统造成一定的危害，还有可能引发煤气中毒。

2.4 硫化物

电解铝生产需要用到阳极炭块，通常炭块里面含有硫元素，电解反应会产生一些SO2之类的硫化物。而SO2是世界上主要的工业环境危害物之一，其对人体眼睛、皮肤还有一定毒性，在职业危害等级中属于轻度危害。

3 电解铝清洁生产的对策

3.1 改进现场工艺条件

根据铝电解槽的槽型、电流强度、槽电压等合理匹配主要的技术条件。通过氧化铝浓度、电解质温度、电解质水平、过热度、初晶温度等技术条件之间平衡作用，互相协调，使电解槽电压和氧化铝浓度等尽可能处于最佳状态。通过保持较高的电流效率、较低的阳极效应系数、较少的氧化铝沉淀，从而显著提高电解铝企业的主要经济技术指标，降低电解铝能耗，促进清洁生产。

3.2 抓好生产基础管理

电解铝车间的烟气、粉尘主要来自出铝、换阳极、效应熄灭等工艺操作。为防止环境污染和对人体健康造成危害，铝电解企业必须严抓生产基础管理，提高电解工的操作技能水平，缩短阳极更换时间，及时盖好打开的槽盖板，减少铝电解槽有害气体的外逸，保证车间整体环境的清洁健康。在阳极更换操作中，及时将电解槽里面的沉淀、大块等清理干净，并经常性地打捞炭渣，保证电解槽的正常运行，减少针振和摆动，将电流效率保持在较高水平。根据季节的温度变化，随时做好保温料的添加，保证电解槽温度，减少沉淀。

3.3 加强原料质量管理

电解铝主要原料有氧化铝、炭块等，污染物的产生与原料的质量息息相关。含硫的污染物主要来自于炭块，所以要保证炭块中的硫磷含量在较低的范围。氧化铝中钠含量较多，会提高电解质分子比，需要加入更多的氟化盐，氟盐单耗会增加。氧化铝中含有Fe2O3、SiO2、TiO2等比铝更正电性的氧化物，这些元素在阴极上优先析出，会大幅影响电流效率，提高能耗。氧化铝的物理性能还会影响到氧化铝在电解质中的溶解，引起电解槽沉淀，对生产尤为不利。因此要严格把控原料质量，测定原料的主要质量指标，加强质量管理，促进清洁生产。

3.4 加大节能环保设备投入

电解铝产生的氟化物、硫化物和粉尘等一般用基本的干法净化系统处理，目前大型铝电解槽烟气净化率达到99%。要继续加大节能环保设施的投入，对现有的电解槽集气罩改进，有针对性加大集气孔径，抑制氟化物无组织排放，提高整个净化系统的密封性，还可对排放的烟气进行二次处理，减少有害气体的排放。同时可以采用直降式变压整流机组，加大投入改造交流、直流电量的计量设备，改造供变电整流系统，提高功率因数，不断提高整流效率，降低能耗。

3.5 加强对生产设备的巡检

定期对电解槽供料系统设备进行检修和维护，确保设备的密封性，防止氧化铝料飞扬。对槽盖板定期修复，保证电解槽膛内的空气负压，避免大量烟气外逸至厂房内部。加强对槽控箱、气缸等设备的巡检，及时处理设备故障，防止堆料、堵料等现象的发生，保持电解槽的稳定运行[3]。?

4 结语

本文列举了电解铝企业资源、能源消耗，简要分析了资源能源消耗的主要因素，将电解铝产生的污染物进行了列举和说明，对未来电解铝清洁生产提出了思考。作为传统的高耗能、高污染、高排放的“三高”行业，国家对电解铝行业的政策监管越来越严，电解铝企业要通过工艺条件、生产基础管理、原料质量管理、环保节能设备投入、设备检修与维护等方面采取措施，促进整个行业清洁生产。