电解铝行业节约与减排

电解铝行业的节约与减排

田应甫

2013.5.1、电解铝产品的能耗、物耗1.1、理论消耗量及产出物量：活性阳极铝电解的原理方程式：

直流电2Al2O3+3C=====4Al+3CO2需要的能量：电能；消耗物：氧化铝、碳；产出物：铝、二氧化碳气体。

生产一吨铝理论上物质、电能消耗和产出量：

消耗量产出量直流电6320KwhCO2：2.079t；SO2：0.063t；NO物：0.0313t（注：国家环保局折算标准：1万kwh产生CO2:3.29t;SO2:0.099t;NO物：0.0495t）氧化铝1889Kg原铝1000Kg阳极334KgCO2：1.222t阴极内衬22.5Kg(按300kA槽型筑炉材料计算100t,寿命2000天）22.5Kg1.2、生产一吨铝实际消耗的物料和产出量消耗量产出量电直流：12800Kwh；动力：800kwhCO2：4.47t；SO2：0.135t；NO物：0.067t氧化铝1930Kg原铝1000Kg阳极420Kg（净耗）含炭98%;S:1.8%CO2：1.509t;SO2:0.015t氟化盐20Kg1当量氟化物相当于6000-8000当量CO2,故120t以上阴极内衬300KA槽内衬量约100t，寿命2000天，每吨铝约22.5Kg产生内衬废渣约130t，每吨铝约30Kg1.3、实际量比理论量多消耗量产出量直流电6480KwhCO2：2.391t；SO2：0.072t；NO物：0.0357t氧化铝41Kg0阳极86KgCO2：0.287t；SO2：0.015t氟化盐20Kg换成当量CO2：120t以上阴极内衬0产生有毒内衬：30Kg2、节约2.1、节电工艺过程节电铝电解直流电耗计算公式：W=2980U/η说明：槽电压越低，电流效率越高，直流电耗越低。

U=U极化+U阳+U阴+U质+U分解+U母线电流密度为0.72A/cm2时，各部分组成典型值为U分解=1.2v；U极化=0.45v；U阳=0.36v；U阴=0.34v；U质=1.55v；U母线=0.18v。对于定型电解槽，除U质可调外，其余为定值。阳极极距模型，如图。

a层为铝液波动层，b层为阳极底部气泡层，c为防止气泡与铝液接触的隔层。对于普通平底阴极电解槽，采用普通形状阳极，a层一般为1.5cm；当阳极宽度为660mm时，b层约为2cm（中南大学李贺松教授计算值）；c层一般为1cm。我们用改进阳极结构，即时排出阳极气体的方法，可将阳极气泡层从2cm降到1.4cm左右（中南大学李贺松教授已做过理论计算，400mm宽的阳极气泡层降到1.4cm），如天泰铝业和中南大学等研究成功的穿孔阳极，已可将阳极气泡层降到1.4cm以下。目前，已研究成功的多种阴极技术（异型阴极、新型阴极、双钢棒、阴极钢棒部分绝缘、变电阻阴极钢棒等），均可将铝液波动层降到0.8cm以下，可以降低极距0.7cm。根据阳极极距三层液模型，异型阴极技术和穿孔阳极技术可以叠加应用，即异型阴极技术可将铝液波浪层降到0.8cm，穿孔阳极技术可将气泡层降到1.4cm，中间层保持0.8cm，阳极极距可达到3cm左右。若电流密度取0.72A/cm2,电解质比电阻0.41Ω

/cm,其余参数不变，槽电压可降到3.3v左右。

此外，如铝芯钢爪降低钢爪压降；改变阳极浇注方式，改变磷生铁性质，降低阳极铁-碳接触压降等，可把阳极压降降到250mv左右；采用石墨化阴极，可将阴极压降降到200mv，这样，从理论上分析，可将铝电解生产槽电压降到3.0-3.2V正常运行。若电流效率能保持94%，铝电解工艺直流电耗将可能达到10000kwh/t-Al以下，工艺能量利用率可达到65%以上。目前,单独采用阴极技术，可将工艺直流电耗降到12500kwh/t-Al;单独采用阳极技术（如重庆天泰铝业的穿孔阳极），也可将工艺直流电耗降到12500kwh/t-Al以下，阴、阳极技术集成应用，我们做了一些基本试验，初步结果工艺直流电耗可到11800kwh/t-Al左右。集成应用的困难主要是电解槽运行敏感性很强，容易波动，阳极容易长包。动力电节约动力电包括供水、供气、供料、电解烟气净化、其他运转设备动力消耗及供电设备（配电所）自用电，平均在400kwh/t-Al左右。若加强工厂管理，如杜绝电解槽供气管网漏气，可大大降低空压机用电；电解槽盖严槽罩，可大大降低净化排烟机用电；再加强其他动力设备管理，降低用电，电解铝动力用电可降到300kwh/t-Al以下。提高整流效率整流变压器耗电和整流机组耗电均算到了整流效率之中。目前，250台槽以上的大系列，整流效率可到98%以上，200台槽以下的中小系列，整流效率一般在97%左右。采用低自耗变压器，高效整流器，大型系列，保持整流效率在98.5%或以上，也可明显降低交流电耗。（提高1%整流效率，吨铝可降低130kwh）2.2、降低氧化铝消耗氧化铝实际消耗比理论值多36kg。氧化铝国家标准为：AO-1：98.6%；AO-2：98.5%一级品氧化铝含量不低于98.6%，那么，吨铝理论上需消耗1915.82kg，实际多耗约15kg，主要是飞扬、运输损失及净化收尘系统跑、冒。加强管理和粉尘回收利用，可将氧化钠消耗降到1920kg/t-Al及以下。2.3、降低阳极消耗

理论上阳极实际比理论多耗85kg左右，但电解电流效率不足100%，取93%，实际理论消耗359kg，实际多耗60kg左右（国外最好指标也要多耗50kg左右）。多耗的原因可分为炭阳极掉渣和炭阳极表面氧化两类。

炭阳极掉渣又由多种形式所产生：1）炭阳极制造中焦粒在混捏时，表面未被液态沥青充分包裹和浸透，所以在振动成型时颗粒之间无法充分紧密粘接，焙烧后便不能形成完善的固定焦粒的沥青碳网状结构，在铝电解过程中，焦粒脱落掉入电解质中形成炭渣；

2）激振力不足，或振幅、频率、振动时间等参数不匹配，阳极振动不实，焙烧后阳极气孔率高，比重小，焦粒粘接不紧密，电解过程中出现掉渣；

3）石油焦煅烧时过烧，降低了焦粒炭的反应活性，而阳极制作中是由沥青将焦粒粘接成型的，沥青焙烧后留下的固定炭其活性高于焦粒，所以，在电解过程中，此种阳极的网状沥青炭反应较快，活性较低的焦粒炭反应较慢，出现消耗速度不一致，导致掉渣；

4）阳极配方不合理，尤其细粉料的配入量与孔隙率不匹配。如当细粉料配入不足，孔隙率高，阳极体积密度低，当在电解中使用时，电解中产生的氧便进入到孔中反应，形成反应不在同一底面上进行，引起掉渣；当细粉料配入过量，阳极体积密度高，由于细粉料被液体沥青浸润的性能差，细粉难于成团，不仅不能有效胶结颗粒，而且在孔隙中形成散料，在电解使用中掉渣尤为严重；5）阳极电流密度较低时，出现选择性碳反应[5]，即氧原子首先选择在活性较强的网状沥青炭表面反应，活性较低的焦炭便不发生反应，网状沥青炭被消耗后，焦粒便掉入电解质中形成炭渣；

6）电解过程中在阳极底部产生的二氧化碳气体流向边部时，形成的巨大压力和流速冲击阳极的底表面，加速阳极掉渣。炭阳极表面氧化是当阳极未被氧化铝充分覆盖而裸露，或覆盖料不紧密，有空气漏入时，便与空气中的氧气发生氧化反应，生成二氧化碳气体：C+O2=CO2此外，电解过程中产生的CO2气体，沿着阳极外表面排出，当阳极处于高温红热状态时，CO2气体便与红热的炭发生布达反应生成CO气体，引起炭阳极多耗[6]，即：CO2+C=2CO降低阳极消耗加强制作工艺优化（控制好煅后石油焦性能；阳极配方合理；混捏充分；振动成型扎实均匀；焙烧升温合理，阳极烧透）；改进阳极制作方式，提高阳极理化性能（如冯乃祥教授团队发明的高温模压制作法）；改变阳极形状及结构（如天泰铝业与中南工大等发明的穿孔阳极，可降低阳极净耗17kg/t-Al）；加强电解工艺及操作管理，减少氧化和掉块。2.4、降低氟化盐消耗理论上，铝电解过程不消耗氟化盐，但是，目前的大型预焙槽生产，每吨铝需消耗20kg左右。氟化盐消耗主要来自两方面，一是原材料带入水分分解冰晶石，产生氟化氢气体排出:2Na3AlF6+3H2O=6HF+Al2O3+6NaF二是高温挥发。降低消耗主要从以下入手：尽量降低原材物料含水量，减少冰晶石分解损失；尽量降低电解温度，减少氟化盐挥发损失。如现在采取的低电压运行，电解槽下料口密封好，大大降低氟化盐挥发（目前已有企业氟化盐消耗到15kg以下）；密闭好电解槽，减少无组织排放；改进和管理好净化系统，高效回收氟化盐。3.减排

铝电解过程中会排出废气（CO2、SO2、HF)和粉尘（氟化物挥发粉尘和氧化铝飞扬粉尘），所用能源主要为电，中国的电能主要是火电，发电产生大量CO2、SO2和NO物，这些都是有害气体。阳极质量低劣，会产生大量碳渣，碳渣燃烧产生CO2气；捞碳渣会带出大量氟化物，成为有害废渣；电解槽大修产生的废炉渣被定义为“高危废渣”。

3.1、减少CO2、SO2、NO物排放节能是铝电解直接减少废气排放的渠道。若电解铝的综合能耗从目前的13800kwh/t-Al降到11000kwh/t-Al以下，每吨铝可减少排放CO2:0.978t；SO2:0.029t;NO物0.01485t。降低阳极消耗，也是减少CO2、SO2排放的主要渠道。若将每吨铝的碳耗（净耗）降低30kg，可降低排放CO2:110kg；SO2:1.08kg。降低阳极消耗，还能减少阳极需量，自然降低阳极生产中的废气、废物排放量。3.2、减少氟化物排放一当量氟化物相当于6000-8000当量CO2，所以，氟化物是极为有害的污染物。降低氟化物排放应从以下着手：采取低电压、低温生产，可使电解槽加料口和出铝口火眼良好密封，降低氟化盐挥发；采用高效吸附HF的净化技术，使气氟被氧化铝充分吸附；保持除尘设备完好，不出现漏气漏料，保证固氟充分回收；采取全密封电解槽结构，保证废气不外泄，杜绝无组织排放；采用高质量阳极，不产生碳渣，消除捞碳渣带走氟化盐。3.3、废旧内衬的回收利用现代大型电解槽一般槽寿命达2000天左右，内衬材料经几年使用后，侵入的氟化盐和金属铝与内衬材料发生化学反应，由无害的材料变成了含有多种有害物的高危固体废料，这些废料经雨水侵泡后，会放出氰化物等剧毒气体；氟化盐侵入地下污染地下水，造成严重环境污染。废旧阴极炭块与钢棒回收利用

碳素内衬可进行氟化盐分离后，生产出高质量的石墨粉，成为其他产品的原料（青铜峡铝厂已做成功）；也可直接用于炼钢，碳成为燃料，氟化盐成为添加剂，可使渣中