推广 热搜: 电解铝  铝合金  工艺  阳极氧化  氧化  技术  热处理  铝土矿  铝材加工  铝及铝合金 
 

浅谈电解铝行业的节约与减排-田应甫

   日期:2013-05-21     来源:田应甫    浏览:1936    评论:0    
核心提示: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,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
 第三届电解铝行业节能技术创新会上,行业专家田应甫谈电解铝行业的节能与减排。

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      2 Al2O3+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 6320Kwh CO2:2.079t;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 334Kg CO2:1.222t
阴极内衬 22.5Kg(按300kA槽型筑炉材料计算100t,寿命2000天) 22.5Kg

1.2、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:800kwh CO2:4.47t;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 20Kg 1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30Kg

.3、实际量比理论量多

消耗量 产出量
直流电 6480Kwh CO2:2.391t;SO2:0.072t;NO物:0.0357t
氧化铝 41Kg 0
阳  极 86Kg CO2:0.287t;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:30Kg

2、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。

阳极极距模型图-dalilvcai.com
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0.41 Ω /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。

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;

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。

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,可使渣中的铁含量降低1%以上。
废旧钢棒可直接回收炼钢。

废旧耐火材料回收利用
电解槽用的耐火材料通常是高铝砖,氧化铝平均含量在60%以上,所以,可把耐火材料磨细按比例(不超过0.4%,可不影响原铝质量)直接配入氧化铝中作为电解原料(伊川铝厂已试验成功);也可作为生产氧化铝的原料。

通过上述分析,铝电解节能潜力很大,原材物料节约空间不小,废物可做到充分利用,减排的效果会很好。当然还需要做很多科研及试验,只要铝行业广大科技工作者不断努力,一定能实现电解铝的完全清洁生产。
 
打赏
 
更多>同类技术
0相关评论

推荐图文
推荐技术
点击排行

网站首页  |  铝材QQ群大全  |  大沥著名铝企  |  铝锭手机短信  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  RSS订阅  |  违规举报  |  粤ICP备18150991号  |