电解铝清洁生产

铝产品因不同企业的销售、发展情况不同 其主要产品也不尽相同，根据边界分析，在此 只考虑铝锭一级品合格率。
环境指标较高，说明工艺比较落后，管理 水平较低。环境指标是表示污染严重程度的指 标，电解铝生产过程产生的废气污染物主要有 沥青烟、氟化物、粉尘、二氧化硫、一氧化碳、 二氧化碳等；固体污染物主要考虑废阳极炭块、 废阴极炭块和其他内衬材料等。
2、沥青烟主要来源于该工序生阳极工段的 混捏机、磨粉系统及成型工段 煤沥青的软化点为100℃～110℃，属高温沥青。 沥青对人体的主要危害有两个方面：一是由于沥青中所含 的蒽等光感物质，长时间接触，并经阳光照射，可引起皮 炎；二是沥青烟对皮肤及粘膜的刺激作用。按照现行国家 标准《职业性接触毒物危害程度分级》中对毒物毒性分级 的原则，沥青烟为Ⅲ级，属于中度危害。 3、一氧化碳产生于电解槽的阳极。 一氧化碳为无色、无嗅气体。它在血中与血红蛋白结合而 造成组织缺氧。我国车间空气中的一氧化碳最高容许浓度 为30mg/m3，按照现行国家标准《职业性接触毒物危害程 度分级》中对毒物毒性分级的原则，一氧化碳为Ⅱ级，属 于高度危害。
整流效率即整流器输出的直流电量与输入的 交流的比值，整流效率越高，得到的直流电量越 多，其转换损失越小。
（2）电流效率
电流效率是铝电解生产过程中的一项非常重 要的技术经济指标，它在一定程度 上反映了电解 生产的技术和管理水平。在电解生产过程中一方 面金属铝在阴极析出，另一方面又以各种原因损 失掉。目前，国际最先进电流效率指标已达 95.8%， 国内普遍采用的160KA预焙槽电流效率 在88.27——91.0%，而200KA预焙槽电流效率提 高到92.5%，已在国内处于领先水平，个别达到 93——95%。结合国内铝电解企业生产实际情况， 选用此项指标。
2、采用工艺简述
乐山某铝业有限公司新建l0万吨电解铝工程工艺采用 200KA大中型预焙阳极电解槽192台，电解系统包括电解 铝、氧化铝贮存及其配料、电解烟气净化、计算机控制、 铸造等。 电解铝生产采用熔融电解法，在电解槽中以氧化铝、 冰晶石和氟化盐的熔融体作为电解质，以阴、阳极炭块作 为两极，导入直流电，通过复杂的电化学反应，在阴极上 析出液态金属铝，沉积于电解槽槽膛底部的铝液，定期用 真空抬包抽出，送铸造车间精炼后，浇铸成商品铝锭。阳 极上发生氧化反应放出CO2、CO：CO2、 CO，其他气体 随同烟气排出，消耗的阳极定期更换，残极送阳极生产厂 家。氧化铝由超浓相输送系统送至电解槽上部的料箱，由 计算机控制，自动下料到电解槽中，以保证电解质中氧化 铝浓度稳定，电解过程连续进行。电解槽排出的含氟化物、 TSP及SO2等污染物的电解烟气采用氧化铝吸附干法净化 技术进行治理，净化后的电解烟气由烟囱排放。 乐山某铝业有限公司新建10万吨电解铝工程生产工艺及 污染流程见下图 ：
电解铝清洁生产
一、电解铝行业国内外清洁生产概况 二、电解铝化工原理 三、电解铝工业流程 四、电解铝排污环节 五、国内电解铝行业清洁生产评价指标体系 及其评价 六、具体案例及分析
一、电解铝行业国内外清洁生产概况
1、废水处理方面：
国外：处理后用于灌溉周围的植被
作为冷却水循环利用于铝的冷凝，发动机冷却 国内：主要通过混凝沉淀法来去除废水中污染物，采用 生产污水闭路循环来减少废水的排放
（3）直流电耗和综合交流电耗
直流电耗和综合交流电耗是电解生产 中一项综合技术指标，电解槽的效应越多 槽平均电压就越高，电耗就必然高。在发 生阳极效应时，不产出铝，而增加了电的 消耗。考虑大型预焙槽铝电解企业的生产 管理水和技术装备能力，选用此项指标。
（4）阳极效应系数和效应持续时间
阳极效应系数是指每台电解槽每天发 生的阳极效应系数，用“次/台/天” 表示 效应持续时问的单位是min。
环境指标
吨铝固废排放量
气态排放量 废阳极炭块 废阴极炭块 其他内衬材料 吨铝废水排放量
废阳极回收利用 情况
废物回收利用指 标
废阴极回收利用 情况
废气回收处理情 电解槽集气效率 况 废气净化效率 水循环利用情况
生产工艺设备与管理水平是实施清洁生 产的重要标志和保障。采用电解铝槽型可反 映电解铝生产的先进指标，采用国家质量管 理体系达标情况、原材料质量标准体系情况 可反映生产管理的高效指标。
2、阴极主要反应： 2Al3+（络合的）+ 6e → 2Al
3、总反应： 2Al2O3 + 3C = 4Al + 3CO2
三、电解铝工业流程
四、电解铝排污环节
铝电解以冰晶石-氧化铝氟化铝的熔体为电解质， 以炭素材料为电极进行电解。电解时在阴极上析 出液态的金属铝，在阳极上产生气体。同时还散 发出氟化物、粉尘等污染物为主的电解烟气。 1、电解过程中产生氟化物 在400℃～600℃温度下，氧化铝中仍可含有 0.2%～0.5%的水分。原料中的水分与固态氟化 盐在高温条件下可发生化学反应，同时，进入熔 融态电解质中的水分也可与液态的氟化盐发生化 学反应，生成有害的HF气体为主的气-固氟化物 等。
4、在电解过程中还有硫化物产生。
二氧化硫为无色气体，对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用。 轻度中毒时，皮肤或眼接触发生炎症或灼伤；严重中毒可在 数小时内发生肺水肿、喉水肿、声带痉挛而致窒息。我国车 间空气中二氧化硫最高容许浓度为15mg/m3，按照现行国家 标准《职业性接触毒物危害程度分级》中对毒物毒性分级的 原则，二氧化硫可为Ⅵ级，属于轻度危害。
（2）氟化铝和冰晶石单耗
氟化铝、冰晶石理论上它们都是不消耗的，然而在电 解高温下氟化物（主要是氟化铝）的挥发与碱及碱土金属 的相互作用和水解造成它们的损失。损失大部分被烟气带 走。随着烟气净化系统的建立和完善，这部分损失基本可 以避免，减少其挥发量的主要途径是降低电解温度。
国内铝电解企业氟化铝单耗处于27——30kg/t， 冰晶石单耗处于5——7kg/t，最好企业氟化铝单耗 23kg/t，冰晶石单耗5kg/t.。已经处于国际领先水平， 此项指标的选用是切合实际的。
乐山某铝业有限公司l0万吨电解铝工程为新建项目， 厂址位于四川省乐山市，工程建设规模为年产10万吨电 解铝。产品方案为普通铝锭、产品合格率为100％。工程 新建电解厂房及电解车问、铸造车问、阳极组装车问及其 他辅助车问；新建氧化铝输送系统，烟气干法净化系统及 其计算站。电解铝生产所需原辅料有氧化铝、冰晶石、氟 化铝、氟化钙和阳极块，所需直流电由整流所供给。新建 电解铝工程工艺采用200KA大中型预焙阳极电解槽192台。
２、固体废物方面:
在铝电解生产过程中，阴极碳素内衬及其他筑炉材料不 可避免地会受到钠、电解质和铝的侵蚀，吸收大量含氟盐， 同时侵蚀过程中产生的应力作用会使槽变形和内衬破损。铝 电解槽大修时，要全部清除电解槽内碳素内衬及其他筑炉材 料，即形成大修废渣。
我国各家铝厂对大修槽废渣除部分耐火材料 回收利用外，其余排放途径基本为填沟倾倒，或 露天堆放，没有妥善的处置措施。这些大修废渣 受雨雪冲刷和浸泡，其中的可溶性氟浸出进入水 中，渗入地下，有可能污染土壤和地下水；另外 废渣长期露天堆放，渣表面风化,形成粉尘，可产 生二次扬尘而污染大气。 从目前的情况看，国内外在电解铝产生的危 险均未找到最适宜的处理方式。但以美铝为代表 的国际大铝业公司在堆存方式上则投入了大量财 力以减少环境风险。例如，废渣的堆存场地有多 个防渗层设计，并设有渗滤液收集处理系统和地 下水监测系统，以防止二次污染。 寻求电解铝废渣的最佳处置方式，将是国内 外电解铝业亟待解决的问题。
（二）电解铝清洁生产分析

乐山某铝业有限公司10万吨电解铝工程采用的是大中型预 焙阳极电解槽技术，预焙槽和自焙槽相比，首先是工艺和设 计的改进，因此，预焙阳极电解槽技术是铝电解行业的清洁 生产工艺，具体表现在下述各个环节。 1、先进生产工艺及污染物排放量少 乐山某铝业有限公司10万吨电解铝工程电解采用具有国 内先进水平的200KA大中型预焙阳极电解槽192台，该装置 在工艺控制、加料装置及槽内衬结构等方面做了可靠的改进， 即工艺控制由原自熔槽的人工控制改为计算机控制；加料由 原一点式加料改为两点式加料，两点式加料具投料均匀、反 应完全的效果；在槽内衬改造采用槽底加保温、侧部散热、 带人造炉帮的内衬结构形式。提高了电流效率。并经生产实 践验证，都证明该工艺比采用自焙槽工艺先进。在控制污染 方面也有工艺先进的特点。其主要特点是，电解槽的大型化 和预焙化。
与固体废物回收利用有关的指标 为废阳极回收利用情况、废阴极回收 利用情况；与废气有关的指标为废气 回收、处理情况；同时考虑废水循环 利用情况。电解铝生产过程中所产生 这几项废物基本具有可回收利用的特 点和价值，只有回收和利用才可以减 少对环境的影响。
六、具体案例及分析
（一）新建工程概况
1、新建工程基本情况
综合交流电耗
能源消耗指标 资源消耗指标 原材料消耗指标
直流电耗 整流电耗
电流效率 氟化铝单耗 氧化铝单耗 冰晶石单耗 阳极单耗
不同企业因销售发 展情况及主要产品 不尽相同，据LCA边 界分析，只考虑铝 锭一级品合格率
产品指标
铝锭一级品合格 率
粉尘排放量
SO2排放量 吨铝废气排放总 量 CO2排放量 CO排放量
直流电的作用是以热能形式保持冰晶石、氧化铝等原料呈熔融状态和实
现电化学反应。
1、阳极反应 通常的阳极反应写成 C+2O2--4e=CO2
但是电解质中无O2-,主要含氧离子形式为（Al2OF6 ） 2和（Al2O2F4 ） 2- ，从（Al2O2F4 ） 2-中移出第一个氧比移出 第二个氧或比从（Al2OF6）2-中移出氧所需能量小得多，故 正常情况下，阳极反应为： （Al2O2F4）2-+C-4e=CO2+2Al2OF4 消耗掉的Al2O2F42-通过下列反应补充： Al2OF4+Al2OF62-=Al2O2F42-+2AlF3
二、电解铝化工原理
目前世界上所有的铝都是用电解法生产出来的。 铝电解工业生产采用霍尔-埃鲁冰晶石-氧化铝融 盐电解法，即以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂， 氧化铝为熔质组成多相电解质体系。