电解铝烟气处理措施技术探讨

吴魁+潘永宝+魏志刚+马超+姬涛

摘要：指出了电解铝在我国发展迅速，但由于其属于高能耗、高污染行业而备受关注。以某电解铝企业为例分析了电解铝烟气处理措施及烟气治理应关注的主要问题，探索可行的处理方案，以期提供参考。

关键词：电解铝；烟气处理；氟化物；烟气净化

中图分类号：X701

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8007803

1引言

随着国家铝行业准入条件的出台，某电解铝企业从企业自身长远发展考虑，通过大量考察论证，充分利用当地土地、资源、能源和劳动力等方面的优势，在各级政府的大力支持下，将列入国家火炬计划项目的电解法生产铝硅钛多元合金技术做为企业发展方向，建设20万t/年铝基合金项目，同时淘汰现有电解铝生产线。

项目采用具有国际先进水平的高效节能环保型400kA大型电解槽进行铝基合金生产，通过电解法直接生产铝硅钛多元合金。该工艺使用的原料主要为两部分：氧化铝和硅钛铝土矿粉。采用电解的方法是生产新型铝硅系铸造合金——铝硅钛多元合金的一种新的工艺方法，充分利用铝矿中有用元素，具有生产流程短、成本能耗低等特点，并获得国家发明专利。该工艺早在1998年河南登封电厂集团有限公司得以示范建设使用，在近几年的不断研究完善基础上，工艺现已相当成熟，能够在大型预焙槽中稳定使用。

2工艺技术方案

2.1反应原理

电解法直接生产铝硅钛多元合金其生产原理是在电解槽中通入强大的直流电，将氧化铝及硅钛铝土矿粉置于熔融的冰晶石作为电解质的电解槽中，在阴极和阳极发生电化学反应，铝、钛金属在阴极析出，与原料中的硅混合形成铝硅钛合金液，并定期由真空抬包抽出，送往铸造车间，阳极析出CO2 气体以及少量有害的氟化物。在电解过程中，由于冰晶石熔液温度高，具有很大侵蚀性，因此通常使用炭素材料作阴、阳极，阳极在电解过程中不断消耗。

电化学反应方程式为：

aAl3+（络合）+bTi4+（络合）+mO2-+nCxAl+ yTi+zCO2↑

（a、b、m、n、x、y、z为系数）

2.2工艺过程

外購冶金级氧化铝粉及硅钛铝土矿粉，氧化铝一部分用于阳极更换时表面覆盖料用，另一路送入袋式除尘系统的反应器内供吸附烟气中的氟化氢用。从烟气净化返回的载氟氧化铝以及外购硅钛铝土矿粉、冰晶石、氟化铝以超浓相输送方式分别送入电解槽上的各自加料箱，通过计算机分析各槽况后酌量添加各种原辅料。生产过程中定期加入氟化铝目的是为了调整电解质成分。电解所需的炭阳极是由外购阳极炭块经阳极组装车间组装后供给，电解残极返回阳极组装车间，经收集残极上电解质后，残极碳素材料返回阳极炭块生产厂家。电解槽生产的合金铝硅钛液，通过多功能机组配合真空抬包抽出，经平板拖车送至铸造车间混合炉经化验调配，铸成合金铸锭。

3电解烟气治理措施分析

电解槽排出烟气，主要含氟、二氧化硫和粉尘[1]，通过集气装置引入烟气净化系统除氟及粉尘，后由烟囱排空，未被收集的烟气排至电解车间屋顶天窗，在天窗安装隔尘设施，上部安装集气管，对逸散气体再次收集，未被收集的部分烟气经天窗无组织排放。电解槽的烟气净化方法分为干式和湿式两类[2]。将两类烟气净化系统作对比分析，结果见表1。

由表1可以看出干法净化系统在净化效果和资源利用上具有很大的优势。结合国内外电解烟气净化技术发展及环保要求，项目采用干法净化系统是可行的。

干法净化技术是利用设置于电解槽上部的集气罩捕集烟气进入净化设施，在净化设施中利用电解原料氧化铝吸附烟气中的氟化氢，再通过布袋除尘器实现气固分离，达到净化烟气，同时去除气态氟和固态氟的目的，净化之后的干净烟气通过烟囱排入大气。吸附氟之后的氧化铝作为电解生产的原料返回电解槽使用，氧化铝吸附的氟回补了电解过程所需要的氟化盐电解质，无废弃物和二次污染产生，且实现了氟化物的有效回收利用。为提高氧化铝对氟化氢的吸附效率，载氟氧化铝进入生产原料输送系统之前有一部分返回净化系统重复使用。目前，国内铝行业电解烟气干法净化技术的基本工艺流程是一致的，但由于其采用的工艺细节及净化效果则有所不同，大致分为3种类型[3]。

（1）传统干法净化工艺。传统干法净化工艺流程为电解烟气干法净化工程最早使用的工艺流程，其特点为新鲜氧化铝与载氟氧化铝同时加入反应器内（文丘里、VRI、管道），反应后通过布袋进行气固分离[4]。该工艺缺点：①没有充分利用新鲜氧化铝和载氟氧化铝对氟化氢不同的吸附反应特性，致使全氟净化效率不够高；②由于采用新鲜氧化铝与载氟氧化铝同时进入除尘器的工艺流程，致使大量的载氟氧化铝在系统内进行无功死循环，粉化严重，加之氧化铝吸附氟化氢之后粘性增加，造成大量的粉化氧化铝粘附在布袋上，清灰困难，增大系统负荷，降低除尘器的净化效率。同时由于清灰困难，也导致除尘器运行阻力不断增大，风机抽风能力降低，电解槽的集气效率降低，增加了天窗的无组织排放。

（2）两段干法净化工艺。两段干法净化工艺与传统工艺流程的不同之处在于，在反应器上游约20 m的烟气总管处加载氟氧化铝，吸附烟气中的高浓度氟化氢；在反应器内加新鲜氧化铝（传统两段反应工艺），吸附烟气中的低浓度氟化氢；反应后通过布袋进行气固分离。

（3）新型两段逆流干法净化工艺。新型逆流两段烟气干法净化工艺技术，充分利用了新鲜氧化铝和载氟氧化铝吸附氟化氢的反应特性，克服了上述两种干法净化工艺存在的无法进一步提高全氟净化效率、载氟氧化铝存在死循环、影响布袋清灰效果的问题。新型两段逆流干法净化工艺技术与原有两段净化工艺相比，其特点是两个反应阶段相互分离。即：除尘器分离出的一次载氟氧化铝与高浓度氟化氢烟气在反应器中进行反应，完成吸附反应的二次载氟氧化铝在进入袋滤器前通过动力分离器与烟气分离；与二次载氟氧化铝分离后的低HF含量的烟气，在除尘器内被新鲜氧化铝进行二次吸氟，完成烟气干法净化的所有吸氟过程。动力分离器分离出的二次载氟氧化铝被收集在除尘器底部的灰斗中，作为电解原料返回电解槽使用。除尘器分离的主要为新鲜氧化铝吸氟后的一次载氟氧化铝，该载氟氧化铝进入氟化氢吸附反应器。此干法净化的工艺流程主要优点体现在：提高全氟净化效率、降低除尘器运行阻力、延长布袋使用寿命。

三种电解烟气干法处理措施效率及优缺点对比见表2。新型逆向两段干法净化工艺处理效果明显优于传统干法净化工艺和两段干法净化工艺。

4电解烟气处理关注的主要问题

电解槽烟气的无组织排放对环境有较大影响，因此，集气效率的高低对拟建项目大气污染物排放与电解槽集气效率有很大关系。

集气罩及方式：本项目电解槽集气罩结构形式为多区上部集气方式，该方式改变了电解槽密闭排烟罩结构，改水平罩板下的排烟道为水平罩板上的排烟道，且分为多区多烟道集气；使集气罩内负压分布均匀，合理利用罩内气体温度产生的压差，可以有效的提高烟气捕集效率。

双排烟技术：本项目采用双烟管排烟技术，控制电解槽操作时污染物的排放，提高电解槽集气效率。正常生产时，烟气通过主排烟支管排到车间外的主排烟管，并通过控制设在主排烟支管上的气动调节蝶阀调节排烟量，實现槽罩内的负压控制目标。当对电解槽进行工艺操作时，需打开部分槽罩，控制系统自动关闭主排烟支管，并启动辅助排烟系统，此时每台电解槽的排烟量为正常操作时的2倍。采用电解槽双排烟技术可以稳定未打开槽罩部分电解槽的负压，并减少打开槽罩板时排入车间的烟气量，达到提高电解槽烟气捕集效率的目的。

控制系统：拟建项目通过采用PLC作为主控制器，上位计算机为管理机，通过人机界面实现对净化系统的监视、控制。要实现净化系统高效、平稳地运行，就必须对系统主要的工艺参数进行监测，监视设备的运行状况，实现关键被控参数的自动控制。

通过上述措施，能够保证电解槽烟气集气效率大于99%。

5结语

本项目电解烟气采用新型逆向两段干法净化工艺，氟化物的净化效率大于99%，粉尘捕集效率达到99.9%，均满足GB25465-2010《铝工业污染物排放标准》表5规定：达到氟化物排放浓度3.0 mg/Nm3、粉尘排放浓度20 mg/Nm3、SO2排放浓度200 mg/Nm3 的要求。因此项目采取电解烟气治理措施是合理可行的。

参考文献：

[1]

薛建刚，闫颖.铝电解烟气治理中干法净化技术的运用[J].工业，2015（24）：112.

[2]高慧平.干法净化技术在铝电解烟气治理中的应用[J].科学与财富，2015（35）：80.

[3]陈高强.铝电解烟气净化工艺技术简析[J].中国科技博览，2016（3）：48.

[4]闫颖，薛建刚.铝电解烟气净化技术优化的探索[J].工程技术，2015（58）.