铝电解生产的烟气净化技术综述

铝电解生产的烟气净化技术综述
【摘要】在铝电解生产中,做好烟气净化系统运行中的维护与管理, 可以提高净化效率, 减少吨铝氟排放量, 降低铝电解中氟化盐的消耗量。

可以提高除尘效率, 减少氧化铝的飞扬损失,降低生产过程向环境中排放的污染物数量, 降低对大气环境的污染, 其实质也就是减少了能源的消耗, 提高能源利用率, 实现经济效益和环境效益的“双赢”, 具有节能减排的实际意义。

本文阐明了电解烟气的基本特征，分析研究了铝电解生产的烟气净化技术。

【关键词】铝电解烟气净化技术
在铝电解生产中, 以冰晶石- 氧化铝熔体为电解质, 以炭素材料为电极进行电解。

在阴极上析出液态的金属铝, 在阳极上产生以CO2为主的阳极气体, 同时还散发出氟化物和粉尘等污染物, 它们与阳极气体统称为电解烟气。

弥漫在电解车间内部的电解烟气使劳动条件恶化, 影响生产工人的身体健康。

电解烟气扩散到厂区周围, 会对大气环境造成经常性污染。

因此, 必须对电解烟气进行治理, 这样既可保护环境, 又可回收氟化盐和AI2O3, 降低生产成本。

一、电解烟气的基本特征
1、电解铝的工艺介绍
采用霍尔- 埃鲁法（冰晶石一氧化铝熔盐电解)生产铝已有100 年的历史, 即电解槽导入强大直流电, 氧化铝、氟化盐在950℃左右高温条件下熔融(电解质) , 电解质在电解槽内经过复杂的电化学反应, 氧化铝被分解, 在槽底阴极析出液态金属铝, 阳极释放阳极气体。

2、铝电解烟气的产生
在400-600℃温度下, 氧化铝中仍可含有0.2%-0.5% 的水分。

电解铝生产过程中, 高温条件下氟化盐与水发生水解反应后产生的氟化氢气体是电解铝过程中产生的主要污染物。

铝电解时散发主要的氟化物有：
（1）熔融电解质蒸气, 主要是Na3AIF6、NaAIF4 和AIF3。

在低于920℃时, Na3AIF6 分解成亚冰晶石( NaAIF4) 与AIF3。

（2）气态氟化物主要是HF, 因为在原料中含有水分, 或电解液暴露面与空气中水分发生下述反应：
2Na3AIF6+ 3H2O= AI2O3+ 6NaF+ 6HF ↑
2AIF3+ 3H2O= AI2O3+ 6HF ↑
（3）在接近发生阳极效应时, 产生CF4 与C2F6,含量占1.5%-2% , 在阳极
效应时高达20%-40% 。

（4）向电解槽加入氟化盐时产生粉尘进入烟气。

3、电解铝烟气的成分
实验证明电解铝散发的主要污染物是氟化物及少量的SO2 和碳氢化合物, 其次是一些氧化铝粉尘。

而铝电解槽排放的氟化物有两种形态: 一种是气态氟化物, 它是由氟化盐水解产生的, 主要是HF 气体; 其次是CF4, SiF4; 另一种是固态氟化物, 它包括电解质挥发、氟化铝升华的凝聚物和含氟粉尘, 每生产1 t 铝约排氟16-20 kg。

铝电解烟气的成分、含量及沸点如表1 所示。

表1 铝电解烟气的成分、含量及沸点
4、电解烟气的危害
（1）氟污染对植物的影响
对植物而言, 氟化物是最毒的污染物之一, 植物通过叶片的呼吸吸收大气中的气态氟, 通过其根吸收水或土壤中的氟, 并在体内蓄积; 含氟粉尘由于其重力沉降作用或随降水落到植物叶片表面, 被其吸附并集累。

植物吸收过量的氟将影响其生长, 并通过食物链影响食草动物。

大气中低至1 μL/ L 的氟就能对敏感植物造成伤害, 浓度超过几十μL/ L, 大多数植物因这急性中毒而受到摧残。

（2）氟污染对动物的影响
氟对动物最突出的影响是对骨骼和生长中牙齿的损害, 最终动物因骨质松脆, 体态膨大, 不能站立甚至瘫痪, 牙齿不能咀嚼牧草而饿死。

牛长期食用含氟30-40μg / g 的草, 就会引起严重的中毒。

马、牛、羊等牲畜食用大量含氟牧草后, 会引起慢性中毒, 称为“长牙病”。

（3）氟污染对人类的影响
HF 对人体的伤害作用要比SO2 大20 倍, 比氯气大5 倍。

人体吸入过量的氟, 常常会引起骨硬化、骨质增生、斑状齿等氟骨病, 严重者使人丧失劳动能力。

另外, 氟化物还对人体呼吸道粘膜及皮肤有强烈的刺激和腐蚀作用。

我国卫生标准规定, 车间空气中氟化物( 以氟计) 的最高容许浓度为0.5 mg/ 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, 氟化物为п级, 属于高度危害。

二、铝电解生产的烟气净化技术
1、烟气收集
对于预焙电解槽通常采用给电解槽加密封集气罩的办法来收集铝电解槽散发出来的烟气。

由槽上集气罩收集下来的烟气, 称为一次烟气一次。

烟气的体积较小、氟化物浓渡较大。

收集一次烟气的设备系统, 称为一次集气系统, 一次烟气经排烟管道进入一次烟气净化系统。

未经集气罩收集而直接进入电解厂房空气中的烟气, 称为二次烟气。

二次烟气的体积较大、氟化物浓渡较小。

收集二次烟气的设备系统, 称为二次集气系统, 二次烟气利用厂房的通风作用在天窗口收集, 然后进入二次烟气净化系统。

2、烟气净化
铝电解烟气净化工艺主要有湿法净化和干法净化回收两种。

（1）湿法净化
湿法净化回收有多种方法, 如先用清水洗涤、碱水洗涤、海水洗涤等, 洗液再通过碱法、氨法和酸法流程加以回收制取冰晶石、氟化钠、氟化铝等。

一般多用于制造冰晶石。

虽然烟气净化最简单经济的方法是用水洗涤, 但由于水溶解氟化氢后变为氢氟酸,最容易腐蚀设备。

从近十几年的发展趋势看, 湿法净化回收大部分已被干法净化回收所取代。

这不但是因为干法净化易于控制、流程简单、环境好、操作容易, 而且干法净化回收过程中产生的二次污染小、净化效果好。

湿法净化回收系统已逐渐不适应环保的要求, 而趋于被淘汰。

（2）干法净化
干法净化就是以某种固体物质吸附另一种气体物质所完成的净化过程。

具有吸附作用的物质称吸附剂, 被吸附的物质叫吸附质。

铝电解含氟烟气的干法净化是使用电解铝生产用的AI2O3 做为吸附剂吸附烟气中的HF 等大气污染物来完成对烟气的净化。

Al2O3 吸附HF的反应如下:
Al2O3 与烟气中的HF 接触后, 吸附反应速度很快, 几乎是在0. 1 秒钟完成。

干法净化回收的吸附效率主要取决于Al2O3 的物理性能和投入到烟气中的数量。

Al2O3 分为粉状Al2O3 和砂状Al2O3, 它们的Al2O3 一些物理特性见表2。

( Al2O3 的比表面积的大小, 不仅影响Al2O3 的熔解性能, 而且也影响对HF 的吸附效率。

Al2O3 是一种多孔结构的物质, 具有很大的内表面积, 这给吸附物和吸附剂之间提供了接触机会。

所以Al2O3 的比表面积越大, 接收吸附物的能力就越大, 吸附量也随比表面积的增加而增加。

) 从表 2 中可以看出砂状Al2O3 的比表面积比粉状Al2O3 的比表面积大的多,所以砂状Al2O3 是理想的吸附剂。

国内几个氧化铝厂生产的Al2O3 都基本接近砂状Al2O3, 所以都可以做为较好的吸附剂使用。

向铝电解烟气中投入的Al2O3 数量称为气固比, 预焙槽烟气净化回收系统中的气固比为35-55 g/ m3。

经试验证明: 当载氟氧化铝加温到300-400℃, 氟化铝的载氟量无变化, 但化合物晶体发生重排, 由正四方体结构转化为正六面体结构(即氟化铝晶体) , 这样便可得到稳定的氟化铝化合物。

氧化铝吸附HF 的理论容量为每m2 表面积可吸附HF量为0.469mg, 但实际测定值为0.327mg/Nm3。

3、物料回收
吸附反应的物料连同烟气中的固体物料经布袋过滤后, 经溜槽和加料系统返回到电解槽中再生产。

由于干法净化回收的AI2O3 全部返回电解槽使用,造成杂质循环, 可使原铝中杂质总量增加约0.04%。

因此, 在不影响净化效率的前提下, 应尽量减少吸附用的AI2O3 数量。

也可以考虑设立载氟AI2O3 除杂质系统, 除去载氟AI2O3 中的无用杂质,然后返回电解槽。

参考文献：
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