电解铝业氟污染特点和防治策略

1、电解铝业氟污染特点和防治策略1前言 在工业快速发展时期,氟化物作为一种空气污染物,不仅对环境、植物及家畜造成污染,还对人类的遗传、免疫、生殖、骨骼、心脏、甲状腺、牙齿、呼吸、认知功能、神经等系统产生影响。包头市是一个重工业城市,工业生产同样给包头市的环境带来了污染。早在八十年代,包头市以冶金工业为重点,建设了多个工业项目涉及到氟污染。随着国家环境污染整治力度的逐步加大,污染企业正在不断完善含氟废气的污染治理工艺。但仍存在污染物净化设备效率偏低的现象。本文通过对包头某电解铝企业的污染源调查与监测、污染物扩散预测,探查了氟化物排放及扩散稀释的规律,提出了相应的科学、合理的减排防治对策。 2研究目标

2、概况 企业的现状排氟污染源有1#、2#、3#共三个电解公司(见表1)。电解铝主要生产工艺为:以氧化铝为原料,以冰晶石和其它氟盐为熔剂,组成电解质溶液。在电解槽内经碳素电极导入直流电,发生电化学反应,在碳阴极上析出金属铝,在碳素阳极产生一氧化碳和二氧化碳。电解槽产出的液态原铝,通过由压缩空气造成的负压吸入真空出铝抬包,送往铸造车间。在铸造车间,将铝液注入铝混合炉,并按产品的品种及牌号的要求,进行合理调配、精炼、扒渣和静置;通过铸造机组,浇铸成各种合金产品。铸造成品经质量检验、打捆、称重后由叉车送入成品堆场或直接装车外运。电解过程中产生的含氟废气采用氧化铝干法净化工艺净化。其原理为含氟烟气通过排烟

3、总管进入净化反应器,在净化反应器中加入新鲜氧化铝和循环氧化铝,进行吸附净化反应,在气固两相充分接触过程中,氟化氢被氧化铝吸附。净化后的烟气进入袋式除尘器,加入的氧化铝和从电解槽中随烟气带出的粉尘,均在袋式除尘器内被分离下来返回电解槽使用。经过净化后的烟气,通过排烟风机送入烟囱排放。 3监测方法 对1#和2#电解车间所排放的氟化物分别进行了有组织和无组织排放监测。氟化物有组织排放使用青岛崂山应用技术研究所生产的3012H型自动烟尘(气)测试仪。氟化物无组织排放使用青岛崂山应用技术研究所生产的2050型空气智能综合采样器。氟化物监测严格按照固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法GB/T16

4、1571996以及空气和废气监测分析方法(第四版)的相关要求进行。 4监测结果 (1)电解1#公司氟化物有组织排放量为33.99吨/年;天窗氟化物排放量为81.99吨/年;1#公司年氟化物排放总量为115.98吨。天窗氟化物排放量占排放总量的70.69%。 (2)电解2#公司氟化物有组织排放量为27.60吨/年;天窗氟化物排放量为202.70吨/年;2#公司年氟化物排放总量为230.30吨。天窗氟化物排放量占排放总量的88.01%。 (3)电解3#公司氟化物有组织排放量为38.85吨/年;天窗氟化物排放量为80.1吨/年;3#年氟化物排放总量为118.95吨。天窗氟化物排放量占排放总量的67.

5、34%。 (4)氟化物的有组织排放指标均达到GB16297-1996大气污染物综合排放标准三级标准(新污染源)的标准要求。企业排氟总量为465.23吨/年,其中无组织排放占364.79吨/年,占排放总量的78.41%。企业排氟总量超过了包头市环保局下达的216吨/年的限值。 5污染影响预测 污染源参数见表2。氟化物预测浓度计算采用订正的高斯烟羽模式,小风和静风时则用高斯烟团积分模式。根据研究地区全年风向、风速、稳定度联合频率计算。全年考虑E风和W风影响范围,以C、D稳定度为代表,预测单一风速、风向条件下的年氟化物的最大落地浓度。预测结果见表3。预测结果表明不同风速下,全年氟化物的最大落地浓度范

6、围为2237-3940g/m3,最大值超过小时均值标准196倍,污染严重。最大落地浓度点基本出现在企业东南方向224-608m的范围内。关心点处单一风速、风向条件下氟化物浓度见表4。预测结果表明不同风速下,关心点处氟化物的浓度范围为0.9-55.3g/m3,河北村、山河园、居民区和糖厂处预测值超过环境空气质量标准中小时均值标准,最大超标倍数为1.765。 6存在的问题 (1)在电解铝过程中,需不断向电解质中添加氧化铝并更换碳阳极。更换阳极块时,需要打开电解槽盖板,用天车将已消耗的旧阳极块从电解槽内吊出到指定区域进行处理,然后再将新阳极块吊入电解槽内,盖上电解槽盖板继续生产。此过程所用时间平均为

7、30分钟。此操作过程中会有大量的电解槽烟气从车间天窗溢出,污染周围环境。 (2)电解铝工艺要求电解槽效应系数0.5次/日?槽。电解槽效应是由于电解质在电解过程中消耗过快,电解质层厚度过薄,导致阴极和阳极发生短路现象,造成生产不正常。处理电解槽效应需打开电解槽门或槽盖3-5分钟的时间,此时也会产生较大量的烟气直接排放。 (3)作为溶剂的冰晶石在高温熔融状态下会发生挥发损失和其他机械损失,需及时补充。电解过程中还要观察电解槽内下料口是否有堵塞现象,如有堵塞应进行打壳处理。另外,电解槽出铝阶段,也需要打开电解槽门甚至是电解槽盖。这些操作过程都会有大量的电解槽烟气直接从车间天窗溢出,污染周围环境。可见

8、,电解车间天窗无组织排放对周边环境的污染影响严重,是造成周边环境质量超标的主要原因。 7污染防治对策 电解车间天窗排出的无组织烟气,由于烟气量大,其污染治理受到诸多因素的限制,如车间的高度、天窗的大小、车间内部结构、生产工艺条件等。如何高效地把电解槽排放的污染物捕集起来集中处理,是治理电解槽烟气的关键,提高烟气的捕集效率,减少天窗排放是一条比较实际、可行的措施。针对该企业氟污染治理提出如下建议: (1)进一步加强对新型电解工艺、电解槽的技术研发,提高电解槽的生产效率,降低产品的单位能耗比,实现电解铝行业的清洁生产工艺。目前国内已有很多对电解铝新技术及新工艺进行的革新、改进,都取得了比较满意的效

9、果。例如,采用非对称6端进电母线,进行磁场优化设计,使电解槽运行平稳;运用电解槽本体热平衡仿真与厂房通风模拟相结合的“系统热平衡”设计新方法,获得良好的电解槽热平衡和厂房通风设计效果;采用窄加工面、槽壳增设散热片、大间距摇篮架结构,获得了电解槽材料用量省、结构紧凑、槽壳变形小、热工况稳定的良好效果;开发3段式排烟技术,有利于提高集气效率和改善环境。 (2)继续加强对电解铝厂技术工人的技术教育和培训,提高电解铝工人的操作技能,争取在尽量短的时间内完成如更换阳极块、排除电解效应、打壳、添加电解质等操作,保证生产时电解槽盖板按要求盖好,以最大限度地减少无组织烟气的排放。 (3)科学控制排烟量。排烟量

10、大小关系到电解槽的集气效率高低,增大排烟量有利于提高集气效率,起重机配件控制污染源的无组织排放。电解槽设计排烟量增加20%,虽然导致净化系统处理烟气量的增大、投资和运行费用增加,但可降低天窗污染物排放量25%30%。因此,必须合理选择电解槽排烟量才能保证电解槽集气效率和烟气净化系统经济合理。目前,大型预焙电解槽的吨铝排烟量一般按m3/h设计。 (4)合理设计电解槽上部结构及盖板。大型预焙电解槽通过上部的集烟箱进行排烟。集烟箱按槽长度方向配置。目前国内的电解槽尺寸及排烟量都大幅增加,如350kA电解槽的长度已接近18m,而集烟箱形状及尺寸却未改变,集烟箱内风速较高,压力损失较大,导致电解槽内部出

11、铝端和烟道端的排烟压力差别很大,排烟量不等。因此,如何保证槽内的烟气能够均匀等量的排出,是设计电解槽集气效率必须注意的问题。加大集烟箱截面尺寸,油罐降低集烟箱内烟气流速;将集烟箱沿长度方向进行分区,减小集烟箱两端压力差异;在集烟箱侧部开大小不同的排烟口,烟道端小孔,出铝端大孔,均匀排烟量等,这些方式均可以有效的解决槽内排烟不均的问题,但必须根据不同的槽型经过计算和实验确定。 (5)改进电解槽槽上盖板的结构形式。电解槽槽上盖板材质选择,加工精度也直接影响电解槽的密闭性。在保证易于操作的前提下,槽盖板应选用具有一定强度且在高温下不易变形的材料,一般采用带加强肋的铝合金平盖板,保证盖板的平整度和尺寸

12、精度,在盖板边缘设密封条,减小盖板间的缝隙。 (6)合理布局烟气净化系统排烟管网。企业的电解车间一般有几百米至上千米的长度,每栋厂房内配置的电解槽台数有几十台到一百余台不等。起始端的电解槽与末端的电解槽相距几百米,很难做到每台槽等量排风,远端的电解槽就不能保证集气效率。共轨喷油器试验台想要做到等量排风就必须保持排烟干管全长上的静压恒定。通常风管的全压损失是沿着长度方向增加的。要使静压保持不变,需使风管的截面沿着气流方向逐渐扩大。采用变径排烟干管和缩短排烟干管长度可减小排烟干管最近端与最远端阻力不平衡率以利于每台槽排烟的阻力平衡。设计上,每条干管所带的电解槽数控制在5-18台,控制起始端的电解槽

13、与末端的电解槽间距在120m以内。目前采用比较多的双列排烟管网,将每一根排烟干管上并联电解槽台数减少到85台左右,虽然工程投资有所增加,但是大幅减少了电解槽排烟的不平衡率,电解槽的集气效率获得很大提高。 (7)尝试使用新的技术手段。电解槽在进行出铝,更换阳极及阳极效应维修等操作时须打开电解槽上部盖板,电解槽所散发的烟气量会大幅增加。单梁起重机在这些情况下需加大电解槽排烟量,以控制烟气无组织排放。目前,一种新的双烟道排烟管网设计正在逐渐推广。双烟道排烟管网即在一套供正常使用的排烟管网之外增设一套连接有辅助鼓风机的等径排烟管网,将烟气直接送入净化系统前端,这种双排烟管网可以在电解槽出铝、更换阳极及

14、发生阳极效应时将电解槽排烟量加大一倍,保证电解槽的集气效率,以降低无组织排放量。 (8)加强设备的维护维修工作。由于电解槽所排烟气温度较高,一般在120150左右,排烟管网存在热胀冷缩现象。通常在排烟支管上设计有一段软接管。在实际运行中,软接管破损后不及时更换,从该处吸入大量外风,不但使该台电解槽烟气不能排出,而且破坏了整个排烟管网的阻力平衡,结果使得远端电解槽的集气效率达不到设计值。所以,在生产运行时,应备有足够的备件,定期检查软接管,如有破损应及时更换。同时,在实际运行中,袋式除尘器清灰系统工作经常会出现一些问题。例如,在脉冲袋式除尘器所配的脉冲阀或反吹风除尘器所配的气缸损坏不能正常工作,或者清灰所需的压