铝行业全流程烟气污染控制技术与策略

第1章 绪 论 1.1 铝行业大气污染物排放现状 1.1.1 铝行业发展现状及趋势 铝及其合金是仅次于钢的*常用金属，具有质轻、耐腐蚀、韧性好等优良特 性。根据生产原料和生产工艺的不同，铝可以分为从铝土矿中经化学分解提炼、 电解得到的原铝和由废旧铝、废铝合金材料经重新熔化提炼而得到的再生铝两大 类。随着铝材料的应用越来越广泛，铝行业得到了快速的发展。2010～2019年全 球铝的总产量一直呈增长趋势（图1-1)，2019年铝的总产量已达到9669.9万吨，其中原铝的产量为6369.7万吨，占总产量的65.87%，再生铝的产量3300.2万吨， 占总产量的34.13%。 图1-2 世界原铝产量分布图（2019年） 近年来，随着我国大规模基建投资、工业化进程的快速推进，中国铝行业得 到了发展迅速，生产规模、产品质量不断提升，全行业的产量和消费量都在迅猛 增长。据国际铝业协会对全球不同地区和国家的原铝产量统计，中国是*大的原铝生产国，且2010～2018年期间原铝产量逐年增加（图1-3)。 图1-3 2010～2019年全球主要地区和国家的原铝产量 然而，我国铝行业发展也存在着较多问题，如产能严重过剩、成本偏高、原材料对外依存度高和环保压力大等。对于铝行业的发展而言，电解铝属于资源密 集型产业，在国内铝土矿资源总量的限制和供求关系相对稳定的情况下，其产能 增长空间较小。而对于可重复利用的再生铝，因其具有成本低、污染少和可循环 利用的特点，成为铝行业未来发展的主要方向。总的来说，受资源环境的约束， 绿色可持续发展已成为我国铝行业未来的必然趋势。 1.1.2 铝工业生产流程及大气污染物排放 1.铝工业生产主要流程 铝工业生产流程（图1-4)主要分为电解铝工艺和再生铝工艺。电解铝工艺的 起点是铝矿石、石油焦等原料，终点是铝徒等产品，包括米矿、选矿、氧化铝焙 烧、石油焦煅烧、碳电极焙烧、电解铝等工序。其中，大部分的电解铝生产，釆 用碳阳极电解，少数釆用碳阴极电解。 再生铝的起点是回收的废铝，终点是铝锭等产品，包括废铝预处理、熔化、 精炼等工序。 图1-4 铝工业生产主要流程 铝工业的基础原料为铝土矿，经釆矿、选矿处理后，由氧化铝厂脱硅、溶出、 分离、焙烧生产氧化铝，再由电解铝厂电解生产金属铝。同时，电解铝厂生产所 需的阳极、阴极由铝用碳素生产企业提供。 2.氧化铝生产流程及污染物来源 1)氧化铝生产主要流程 从矿石中提取氧化铝有多种方法，包括拜耳法、碱石灰烧结法、拜耳-烧结 联合法。拜耳法是生产氧化铝的主要方法，其生产所需燃料主要消耗在焙烧工 序。为了降低成本，氧化铝厂燃料以自制煤气发生炉煤气为主，也有部分氧化 铝厂掺烧一部分天然气作为煤气的补充。氧化铝厂配套煤气发生炉通常配备煤 气脱硫设施。 拜耳法氧化铝工艺是用苛性钠（NaOH)溶液加温溶出铝土矿中的氧化铝， 得到铝酸钠溶液。溶液降低温度后加入氢氧化铝作晶种，经长时间搅拌分解析出 氢氧化铝，然后在950～1200°C温度下煅烧，得到氧化铝成品。析出氢氧化铝后 的溶液称为母液，蒸发浓缩后可循环使用。 烧结法是将铝土矿、石灰（或石灰石)、碱粉、无烟煤以及碳分母液配成炉料 在1200～1300C的高温回转窑中进行烧结的工艺。烧结过程中，铝土矿中的AI2O3 与Na2CO3反应生成易溶于水或稀碱溶液的固体铝酸钠（Na2O.Al2O3)，Fe2O3转变 为易水解的铁酸钠（Na2O.Fe2O3)，S1O2、T1O2等杂质转变为不溶于水或稀碱液的 2CaO-SiO2、CaO T1O2等化合物。烧结后进行溶解过滤，将有用组分与有害杂质 分离开来，*大限度提取氧化铝和回收碱。 2)氧化铝生产主要污染物 拜耳法氧化铝焙烧工艺产生的主要污染物为：粉尘和SO2、NOX (表1-1)。 氧化铝焙烧炉烟气中SO2浓度取决于燃料中的硫含量，浓度范围为35～180 mg/m3。 氧化铝厂焙烧炉采用的燃料主要是天然气和自制煤气。以天然气为燃料的焙烧炉 产生的烟气的SO2浓度一般在10 mg/m3以下。由于天然气燃料成本较高，大多数 氧化铝厂都采用自制煤气为燃料。为了控制SO2排放浓度，自制煤气通常先脱除 燃料中的H2S，再进入焙烧炉燃烧，基本可以达到SO2排放达标。因此通过自制 煤气控制H2S排放是通过源头减排解决污染问题的合适途径。氧化铝焙烧炉烟气 中NOX浓度与燃料种类有关，采用天然气为燃料时，其NOX通常在100 mg/m3以 下；采用自制煤气，NOX在200～400 mg/m3;使用天然气与煤气掺烧，NOX通常 在200 mg/m3以下。 表1-1 氧化铝生产过程污染源和主要污染物 3.石油焦煅烧流程及污染物来源 1)石油焦煅烧主要流程 生石油焦煅烧是指生石油焦在不隔绝空气的情况下，在回转窑或者罐式炉中 加热，以此排除石油焦中的水分以及挥发分，促使石油焦颗粒缩合，提高石油焦 原料的真密度、抗氧化性并降低其电阻率等。煅烧过程是一个设备温度随着时间 的变化不断变化的过程，其中十分重要的控制变量有加热速率、*终煅烧温度等。 为了获得满足工业要求的焦炭，生焦必须在1200～1350°C或更高的温度下锻烧， 以完善其晶体结构。其中，石油焦回转窑对其的锻烧成品质量直接取决于进料含 油焦炭的质量和性质。 经过锻烧的石油焦从回转窑窑头下料溜子进入到冷却筒中，经筒中水雾直喷 和筒外冷却水套双重作用，使锻烧石油焦降至60C左右，即得成品锻烧石油焦。 2)石油焦煅烧主要污染物 石油焦锻烧过程中产生的污染物如表1-2所示。石油焦原料贮运、上料、下 料、破碎、筛分过程中主要产生的污染物是粉尘；锻烧阶段会产生大量含SO2的 高温烟气及少量粉尘；冷却阶段主要污染物是直冷水汽化产生的大量含尘烟气，以及冷却筒出料产生的石油焦粉尘。 表1-2 石油焦煅烧过程污染源和主要污染物 4.碳素阳极焙烧流程及污染物来源 1)碳素阳极焙烧主要流程 铝用阳极的原料一般为锻后焦、浙青和残极，并按照一定的比例混合、振动 成型，在敞开式焙烧炉进行高温焙烧，得到预焙阳极。石油焦经破碎分级将大颗 粒的石油焦破碎成所需的粒级，并将不同的粒级分类堆放，从而获得阳极*大的 堆积密度。此外，进行配料和混捏过程是指按照配方选取不同粒级的石油焦进行 混合，再把浙青添加到按照配方称取的石油焦中，使石油焦与浙青进行均匀混合。 在此过程中，作为黏结剂的浙青要求具有良好的流动性，使其能够均匀地润湿并 覆盖在石油焦颗粒料及粉料的表面。配料和混捏都是为了*终的碳素制品具有高 密实度，低孔隙率。 生块的成型方法主要有挤压、模压、振动等，而振动成型应用*为普遍，它 主要依靠振动机的强烈的振动使得糊料能够克服颗粒间的内摩擦力以及颗粒与模 具壁的外摩擦力移动进而紧密地聚集在一起成型。生块的焙烧指的是将经过成型 得到的生阳极制品填埋在石油焦中即在隔绝空气的条件下进行高温加热，使得黏 结剂完全结焦的过程。在生块焙烧的过程中，生成的浙青焦将阳极内部的石油焦 颗粒连接在一起，提高阳极的电导率、抗压强度、反应性等性能。在阳极生产中， 焙烧工艺是一个能源时间消耗都很大的工序[1]。 2)碳素阳极焙烧主要污染物 由于碳素生产工序相对较多，其生产过程中的污染源也相对较多（表1-3)，主要包括：浙青熔化器产生的浙青烟；生阳极焙烧烟气中的残极氟气化挥发逸出、 填充焦及浙青所含硫燃烧生成S02、浙青未完全燃烧部分挥发以及填充焦细粉颗 粒物等；球磨、配料、混捏等工序产生的粉尘及阳极整理、组装粉尘。其中，焙 烧炉烟气中含有的浙青烟、炭尘、氟化物和S02等是阳极生产系统中的主要大气 污染物，具有成分复杂、黏结性强、多种污染物并存、易发生着火等特点。数据 表明，阳极焙烧炉的大气污染负荷占阳极生产系统的2/3以上。 表1-3 碳素阳极焙烧过程污染源和主要污染物 5.电解铝生产流程及污染物来源 1)电解铝主要生产流程 在电解铝生产当中，阳极是碳素体，阴极是铝液，在反应中，将温度控制在 950～970°C，碳素阳极与氧反应生成C02和CO而不断消耗，因此需要定期更换 阳极块进行补充。阴极铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯型材等。 2)电解铝生产主要污染物 电解原料中的冰晶石和氧化铝中含有大量的氟化物，在电解槽高温和电流作 用下氟化物发生化学反应生成氟化氢、氟化碳和氟化硅等氟化物气体；在电解槽 内，部分含氟颗粒随电解质挥发和氟化物升华而散出，这部分含氟颗粒形成粉尘 散布于生产车间直至随空气排出；以游离态存在的氟离子与阳极碳结合生成的氟 化物气体也会对环境造成污染；阳极糊中含有的浙青在电解过程中会产生少量的 二氧化硫、硫化氢气体和苯并芘等物质；电解车间还有一定量的无组织排放烟气 及少量的粉尘污染等；另外，在电解过程中，游离氧与阳极碳素相结合生成二氧 化碳和一氧化碳气体，二氧化碳是重要的温室气体，一氧化碳是剧毒物质。电解 铝企业在生产过程中会产生氟化氢、氟化碳、二氧化硫、硫化氢等多种有害气体 和含氟颗粒，是电解铝企业*主要的大气污染源[2](表1-4)。其产生量约为总氟