浮选工艺条件下铝电解清洁生产方式研究

尹聚才，张 巍

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100）

为了符合可持续发展的生产需求，传统的铝电解生产工艺要朝着清洁生产的方向进行优化。在生产的过程中尽可能降低能源的消耗和环境的污染。减少生产过程中对人类未来的影响，并满足社会的需求[1]。清洁生产方式对环境和能源的保护提升了铝电解生产的经济效益。改变原有的生产工艺，改造原有的生产设备，在新研究出来的技术中实现生产的低能耗与低污染。节约能源和原材料的消耗，将生产过程中产生的污染物进行环保处理，在污染检测达标之后再排放。

电解铝产业是带动国家经济发展的重要产业之一，但电解铝产业消耗大量不可再生资源，在生产过程中产生了很多污染物。有害气体的排放数量也是众多金属产业中最多的。电解铝的生产加工工厂一般建设在金属铝资源丰富的地区，企业的分布比较集中[2]，集中分布的结果就是某些生产金属铝的地区，能源逐渐枯竭，远景污染也日益严重。随着环保事业的逐步发展，重金属生产后排放物的指标要求不断变化，为了适应越来越高的环保要求，政府的监管部门对工厂排放物的检查频率上升，环保部门将电解质行业列为生态改造的重点行业。为了符合上台改造的标准，本文将浮选工艺融入电解铝生产的过程当中，提高能源的使用效率，降低电解铝行业的能源消耗，降低电解铝行业的污染物排放[3]。

1 降低电解质的过热度

实现低温电解首先要降低电解质的过热度。电解质的二次氧化是导致低温电解效率提升不上去的主要原因。在电解铝的过程中，电流起到的效果越大铝的利用率就越高。电流的使用可以控制铝的消耗。铝溶解的原液中电解质扩散的计算公式为：

在上述公式中，D为原液中电解质的扩散系数，η为电流的利用效率。原液对电解质的溶解度用co表示。阴极的电流密度和扩散系数一起决定电流率的变化。在电解质的扩散过程中，改变电解的环境温度会提高电流效率。通过测试表明环境温度降低可以提升电流的使用效率。温度的降低会使铝溶解的速度降低，在合理范围内每降低5℃的环境温度就可以提高0.5%电流的使用效率[4]。但温度的降低阈值是有一定的范围的，温度降低到一定程度后会停止溶解反应，电解行为也会被迫停止。

2 优化阳极和阴极之间的距离系数

单纯依靠降低温度的物理方式提升铝电解清洁效率是十分有限的。因此在降低环境温度的同时还应增加阳极和阴极之间的距离。两级之间的距离越近，产生的电流强度就越强，将两级之间的距离拉远会降低电流的强度，从而降低搅拌的速度。在相同的搅拌时间内，铝的溶解量降低。在实际操作允许的范围内，给予阴极和阳极之间更多的空间，有利于提升电流效率。阴极和阳极之间的距离极限是40mm，超过40mm的距离界限，阴极和阳极之间无法相互感应会失去作用效益，或即使还能发挥该有的能动性但由于电压的增高，增加的电量的消耗，使电流的效率提高建立在电压增高的前提下，失去提高电流效率的意义。

3 降低平均电耗优化铝电解槽高温焙烧

在原本的电解槽内增加耐高温的材料，达到电解槽的有效防护。电解槽的阴极替换成石墨材质提高性能。降低电解槽的平均耗电量，首先分析最耗费电量的部分。根据需要分配成五份。第一部分用来弥补电解反应中的能量消耗，第二部分用来升高温度直到温度符合电解的要求。第三部分用来补偿束缚力的能量空缺，第四部分补偿机械设备散热消耗的热量，最后一部分的电能补充线路电解消耗。在上述的铝电解步骤当中，提升温度和弥补能量消耗的部分是耗能最多的。首先要计算电解槽的平均电耗：

在平均电耗的计算公式中，平均电压V和电流效率v的比值乘以固定的系数就等于平均的电耗Q。在电压不变的情况下，电流的利用效率上升则电能消耗的数值下降。基于以上原理，降低电耗可以采用降低阳极压降的方式。将阳极的组块和导杆母线等用卡具相连接。在电解溶液中加满Al2O3溶液实现保温，提高阳极与电解溶液的接触温度。在电流达到120kA的时候电解使用的电能最节省。

4 利用浮选脱氟提取凝固电解质

在铝电解的过程中产生的氧气和阳极炭碰撞产生一定的有害气体，在传统的有害气体净化中，依靠加入氟的盐水进行分解。在净化过程中产生氟化氢等含氟烟气，直接排入大气中会对空气造成污染。

因此含氟烟气应被收集起来统一进行净化后处理。净化后的气体中要求去氟量达到75%以上才算符合环保规定。随着预焙技术的不断发展，干净化技术被应用到含氟烟气的净化当中，在直流电的作用下，阳极上直接析出熔融氟化盐。而阴极上则是铝溶液[5]。基于浮选原理，在析出熔融氟化盐中加入CaSO4产生化学反应：

加入CaSO4后，F被Ca从电解质中带出。过滤出沉淀物，过滤和吸附的装备包括文氏管和流化床。经过该方式的含氟烟气净化，脱氟率理想状态下能达到99%以上。

5 测试实验

通过对铝电解生产工艺与烟气脱氟之间关系的分析知，生产用的预焙阳极电解槽烟气干法净化方式已经与冶炼铝产品的生产工艺紧密结合，它不仅是含氟净化系统的重要组成部分，同时在铝产品的生产过程中，也发挥着重要作用。本文设计的用预焙阳极电解槽烟气干法净化方式突破了传统生产方式的功能限制，因此在研究路线、控制目标和技术措施上与传统含氟脱硫方式存在必然差异。

5.1 实验准备

取一定含氟烟气液化后的熔融氟化盐溶液作为实验样品，将溶液放置在三口瓶中。将实验样品的温度加到45℃，冷却至常温环境后，静置一段时间试两种清洁生产方式进行，使用真空泵将脱氟后的样品再进行真空过滤，测定剩余样品中的氟离子含量。脱氟率的计算公式：

其中，Z为脱氟率，d为原有的含氟量，l为脱氟的数值。

5.2 实验结果与分析

对比传统的自焙阳极电解槽烟气干法净化方式和本文设计的预焙阳极电解槽烟气干法净化方式的脱氟效果，结果如表1所示：

表1 脱氟效果对比

实验结果如表1所示，对于预焙阳极电解槽烟气干法净化方式，不管是资源消耗指标还是污染物产生指标，都明显优于传统方式。因此，铝电解生产向技术先进、大容量、大电流、预焙化电解槽方向发展，其目的在于降低原材料及能源消耗、提高劳动生产力、提高原铝产量、减少含氟气体的排放，实现清洁生产。

6 结语

本文设计的铝电解清洁生产方式中的排放物处理方式，能够达到清洁生产的环保要求。为日后电解铝生产中含氟烟气的排放合格率上升作出了贡献。