尹聚才

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

清潔生產從本質上來說，就是對生產過程與產品采取整體預防的環(huán)境策略，減少或者消除它們對人類及環(huán)境的可能危害，同時充分滿足人類需要，使社會經濟效益最大化的一種生產模式[1]。清潔生產的目的就是通過先進的生產技術、工藝設備和清潔原理，在生產過程中實現(xiàn)節(jié)省能源，降低原材料消耗，減少污染物排放等，能夠最大限度地利用資源、能源，將原材料能轉化為產品，把污染消除在生產過程中，達到保護自然和環(huán)境的目的。

電解鋁產業(yè)是我國經濟發(fā)展的支柱產業(yè)，同時也是傳統(tǒng)的高耗能、高污染、高排放的“三高”產業(yè)。隨著國家產業(yè)的轉移，西部地區(qū)承載了越來越多的電解鋁企業(yè)，目前西北五省區(qū)運行的產能約占全國的1/3，消耗了大量的能源，并對環(huán)境造成了一定的影響。當前國家對電解鋁企業(yè)污染物排放的環(huán)保要求越來越高，監(jiān)管政策越來越嚴格，對節(jié)能減排也越來越重視。我國政府提出要加強電解鋁企業(yè)的清潔生產，甘肅省將“清潔生產”列為十大生態(tài)產業(yè)之一，要從根本上加強生態(tài)環(huán)境保護，加快轉方式調結構，促進新舊動能轉換，推動甘肅省綠色發(fā)展，所以促進電解鋁清潔生產勢在必行。

1 電解鋁企業(yè)資源能源消耗

1.1 氧化鋁單耗

氧化鋁是電解鋁生產工藝中的主要原料，目前國內大型鋁電解槽冶煉水平已逐步發(fā)展至接近國際水平，氧化鋁單耗穩(wěn)步降低，每噸電解鋁的氧化鋁消耗目前為1900kg～1920kg。氧化鋁的損失主要是在運輸、儲存過程中引發(fā)的飛揚損失，還有生產設備和工具夾雜。如果鋁電解槽工藝條件設置有問題，也會造成電解槽內堆積大量沉淀，沉淀無法溶解，形成爐底結殼，同樣會造成氧化鋁損失。目前大型鋁企業(yè)開始逐步升級氧化鋁輸送系統(tǒng)，采取自動化程度更高、密閉程度更高的輸送系統(tǒng)，以此降低氧化鋁單耗。

1.2 氟化鹽單耗

氟化鹽是電解鋁的輔助原料，理論上并不參與電解鋁反應，其主要作用是降低電解質的初晶溫度，優(yōu)化電解質成分，提高電解質導電率。氟化鹽的損失主要是高溫熔融電解質氟化鋁的揮發(fā)，電解槽內排煙口管道負壓不足，造成集氣效率低下，大量煙氣的無組織排放，引起氟化鋁的揮發(fā)。電解槽中含有的Na、Ca等堿金屬離子水解也會引起氟化鋁的損失。當前國內大型鋁電解企業(yè)采用較為先進的煙氣凈化技術，煙氣凈化揮發(fā)出的氟化鋁量較少，基本可以忽略不計。甘肅省內某500KA鋁電解槽系列的氟化鋁單耗約為20kg/t-Al，已經達到國內的先進水平。

1.3 炭塊單耗

炭塊是電解鋁生產重要的原材料之一，生產過程中主要作為陽極被消耗。理論上炭塊的消耗是333kg/t-Al,國際上技術較為先進的電解鋁企業(yè)炭塊的單耗是410kg/t-Al～425kg/t-Al，國內500KA系列鋁電解槽的炭塊單耗是470kg/t-Al～500kg/t-Al，較世界先進水平還存在差距，炭塊的單耗水平主要取決于炭塊的質量，如果炭塊雜質含量較少、純度較高往往會降低碳耗。炭塊的消耗還會產生在炭陽極和空氣中的氧氣發(fā)生的化學反應中，此部分消耗的炭并沒有產生鋁液，因此會顯著的提高炭耗。目前大部分的電解鋁企業(yè)都會在炭塊上加上炭環(huán)，以此降低碳耗。

1.4 電耗

電解鋁企業(yè)主要的能源消耗就是電力能源，近一半的生產成本都是電力成本。所以大型電解鋁企業(yè)的生產工藝技術水平可以通過噸鋁電耗來反應，國內最先進的鋁電解槽可達12500kwh/t-Al，普遍在13000kwh/t-Al上下浮動。電耗越高對環(huán)境的影響就越大，成本就越高，影響電耗的因素主要有整流效率、電流效率、陽極效應系數(shù)等因素。

1.4.1 整流效率

電解鋁生產車間一般需要的是200KA以上的高電流強度直流電，通常自備的火力發(fā)電廠生產的都是交流電，交流電轉換為直流電的這個過程稱之為整流，這個轉化效率就是整流效率，在整流過程中會存在大量的電能損失，整流效率越高，電能損失就越低。主要的電能損失來自變壓器損耗、主電路連接導體的損耗、整流裝置的損耗等。目前國內的主流鋁電解廠采用大功率整流系統(tǒng)，一般整流效率都能達到98%以上。

1.4.2 電流效率

電流效率是指鋁電解過程中實際產出的鋁量與理論產出的鋁量之比的百分數(shù)。鋁電解電流效率是電解鋁行業(yè)的重要技術經濟指標，可以衡量電解鋁廠的技術水平和管理水平。電流通過陰極但是沒有產出鋁液，這就造成了電能損失，損失的這部分就引起電流效率的下降。目前省內500KA鋁電解槽的電流效率在90%～94%之間波動，國際先進鋁電解槽電流效率可達95%左右，國內部分企業(yè)已經接近國際先進水平。

1.4.3 陽極效應系數(shù)

陽極效應是在鋁電解過程中，發(fā)生在陽極炭塊上的一種特殊現(xiàn)象。當發(fā)生陽極效應時，陽極與高溫電解液接觸的周邊出現(xiàn)許多細小電弧光，槽電壓迅速上升至幾十伏特，電解質停止沸騰，鋁電解過程處于停滯狀態(tài)，電解液以小滴狀在陽極周邊飛濺，電解槽的陽極和母線出現(xiàn)微微顫抖，并伴有響聲[2]。鋁電解槽槽電壓突然升高，達到8V～35V，持續(xù)時間在20s～3min。如果系列有多臺電解槽同時發(fā)生陽極效應，整個系列電流強度降低的較多，影響整個系列的生產。通常將每天每臺電解槽發(fā)生的陽極效應個數(shù)稱為陽極效應系數(shù)。陽極效應系數(shù)過高會顯著增加電解鋁生產的電耗，增加生產成本。

2 電解鋁企業(yè)污染物排放

2.1 氟化物

電解質在高溫下會揮發(fā)出AlF3、NaAlF4等含氟有毒有害氣體，還有氣態(tài)的HF，會造成人體骨骼鈣質流失，容易骨質疏松。陽極效應發(fā)生時會產生CF等物質，會對人體眼睛、皮膚和呼吸系統(tǒng)產生危害，長期接觸會慢性中毒。

2.2 瀝青煙

陽極炭塊生產中會用到大量的瀝青，瀝青在高溫下會產生瀝青煙。瀝青煙對人體皮膚和眼睛具有刺激性毒性，可引發(fā)鼻炎、喉炎、結膜炎等，國家相關職業(yè)病危害中將其列為中度危害物。瀝青煙中含有苯并芘類和蒽類物質，這類物質都有一定的致癌作用，對人體危害較大。電解鋁廠普遍采用吸附法、靜電捕集法、冷凝、旋風分離等方法處理產生的瀝青煙。

2.3 CO

在電解鋁過程中，氧化鋁被還原，炭塊理論上全部被氧化成為CO2，如果不完全反應會產生CO，CO2和炭塊在高溫下同樣也會產生CO，CO在職業(yè)危害等級中屬于高度危害毒物，我國車間空氣中CO的最高容許濃度為30mg/m3，濃度過高會對血液系統(tǒng)和神經系統(tǒng)造成一定的危害，還有可能引發(fā)煤氣中毒。

2.4 硫化物

電解鋁生產需要用到陽極炭塊，通常炭塊里面含有硫元素，電解反應會產生一些SO2之類的硫化物。而SO2是世界上主要的工業(yè)環(huán)境危害物之一，其對人體眼睛、皮膚還有一定毒性，在職業(yè)危害等級中屬于輕度危害。

3 電解鋁清潔生產的對策

3.1 改進現(xiàn)場工藝條件

根據(jù)鋁電解槽的槽型、電流強度、槽電壓等合理匹配主要的技術條件。通過氧化鋁濃度、電解質溫度、電解質水平、過熱度、初晶溫度等技術條件之間平衡作用，互相協(xié)調，使電解槽電壓和氧化鋁濃度等盡可能處于最佳狀態(tài)。通過保持較高的電流效率、較低的陽極效應系數(shù)、較少的氧化鋁沉淀，從而顯著提高電解鋁企業(yè)的主要經濟技術指標，降低電解鋁能耗，促進清潔生產。

3.2 抓好生產基礎管理

電解鋁車間的煙氣、粉塵主要來自出鋁、換陽極、效應熄滅等工藝操作。為防止環(huán)境污染和對人體健康造成危害，鋁電解企業(yè)必須嚴抓生產基礎管理，提高電解工的操作技能水平，縮短陽極更換時間，及時蓋好打開的槽蓋板，減少鋁電解槽有害氣體的外逸，保證車間整體環(huán)境的清潔健康。在陽極更換操作中，及時將電解槽里面的沉淀、大塊等清理干凈，并經常性地打撈炭渣，保證電解槽的正常運行，減少針振和擺動，將電流效率保持在較高水平。根據(jù)季節(jié)的溫度變化，隨時做好保溫料的添加，保證電解槽溫度，減少沉淀。

3.3 加強原料質量管理

電解鋁主要原料有氧化鋁、炭塊等，污染物的產生與原料的質量息息相關。含硫的污染物主要來自于炭塊，所以要保證炭塊中的硫磷含量在較低的范圍。氧化鋁中鈉含量較多，會提高電解質分子比，需要加入更多的氟化鹽，氟鹽單耗會增加。氧化鋁中含有Fe2O3、SiO2、TiO2等比鋁更正電性的氧化物，這些元素在陰極上優(yōu)先析出，會大幅影響電流效率，提高能耗。氧化鋁的物理性能還會影響到氧化鋁在電解質中的溶解，引起電解槽沉淀，對生產尤為不利。因此要嚴格把控原料質量，測定原料的主要質量指標，加強質量管理，促進清潔生產。

3.4 加大節(jié)能環(huán)保設備投入

電解鋁產生的氟化物、硫化物和粉塵等一般用基本的干法凈化系統(tǒng)處理，目前大型鋁電解槽煙氣凈化率達到99%。要繼續(xù)加大節(jié)能環(huán)保設施的投入，對現(xiàn)有的電解槽集氣罩改進，有針對性加大集氣孔徑，抑制氟化物無組織排放，提高整個凈化系統(tǒng)的密封性，還可對排放的煙氣進行二次處理，減少有害氣體的排放。同時可以采用直降式變壓整流機組，加大投入改造交流、直流電量的計量設備，改造供變電整流系統(tǒng)，提高功率因數(shù)，不斷提高整流效率，降低能耗。

3.5 加強對生產設備的巡檢

定期對電解槽供料系統(tǒng)設備進行檢修和維護，確保設備的密封性，防止氧化鋁料飛揚。對槽蓋板定期修復，保證電解槽膛內的空氣負壓，避免大量煙氣外逸至廠房內部。加強對槽控箱、氣缸等設備的巡檢，及時處理設備故障，防止堆料、堵料等現(xiàn)象的發(fā)生，保持電解槽的穩(wěn)定運行[3]。?

4 結語

本文列舉了電解鋁企業(yè)資源、能源消耗，簡要分析了資源能源消耗的主要因素，將電解鋁產生的污染物進行了列舉和說明，對未來電解鋁清潔生產提出了思考。作為傳統(tǒng)的高耗能、高污染、高排放的“三高”行業(yè)，國家對電解鋁行業(yè)的政策監(jiān)管越來越嚴，電解鋁企業(yè)要通過工藝條件、生產基礎管理、原料質量管理、環(huán)保節(jié)能設備投入、設備檢修與維護等方面采取措施，促進整個行業(yè)清潔生產。