铝电解企业降低氟盐消耗调研分析.docx
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铝电解企业降低氟盐消耗调研分析
中铝铝电解企业氟盐消耗状况调研与分析
中铝贵州分公司电解铝厂郭吉星崔健刘世恒
摘要：
本文对中铝股份公司铝电解企业氟盐消耗状况进行了介绍和分析，并提出了降低氟盐消耗的建议。
关键词：
中铝股份公司铝电解企业氟盐消耗
前言
作为铝电解工业，降低氟盐消耗的重要意义和目的在于减少含氟气体排放量，减少氟化物对环境的污染，同时可以改善作业现场工作环境；降低生产成本，提高企业市场竞争力。
我国铝电解吨铝氟盐消耗指标与国外先进指标相比差距较大，国外最好的氟盐消耗指标已达18kg/t-Al，而我国氟盐消耗指标最好水平约在22kg/t-Al，比国外先进企业高4kg/t-Al，同时国内各企业之间的氟盐消耗差异很大。
因此降低氟盐消耗对中铝公司具有重要意义。
贵州分公司2006年7月分3个调研组分别对广西平果铝业、郑州轻金属研究院沁阳试验厂、焦作万方铝业、山东分公司、抚顺铝厂、包头铝业、白银红鹭铝业、连城铝业、兰州铝业、山西华泽铝厂、山西华圣铝厂及青海分公司12家电解铝厂进行了氟盐消耗调研，每个调研组历时15天，调研内容主要涉及技术条件控制、氟化铝添加方法、结壳块返回流程方式、电解生产用原料、以及净化效率和现场情况等。
中铝各企业氟盐消耗指标对比
2004~2006年各企业氟盐消耗指标变化情况看（见表1），2004~2006年中铝各企业氟盐消耗指标平均值分别为30.3kg/t-Al、27.7kg/t-Al、26kg/t-Al，总体在逐步降低，但部分企业的氟盐消耗存在不稳定性。
单位名称
电解系列（KA）
氟盐消耗平均值
2006系列综合平均
（KA）
2004年
2005年
2006年
广西分公司
160
30.7
30.7
28.7
29.8
320
34.9
41.6
30.9
郑州研究院
150
27
25.9
23.2
23.3
300
27.1
25.6
23.3
焦作铝业
280
24.5
21.5
22.3
22.3
山东分公司
200
28
23.6
23.3
24.7
抚顺铝厂
200
/
/
27
27
包头铝业
200
27.3
21.7
24.2
23.1
240
/
22.3
22
白银红鹭铝业
155
30
23
26
28
210
41
34
30
兰州铝业
200
27.7
26
24.5
24.7
连城铝业
200
/
/
24
24
青海分公司
160-1
30
27.3
25.4
25.2
160-2
30
27.4
25.4
200
27.8
27.4
24.6
华泽铝厂
300
/
/
27.3
27.3
贵州分公司
186
31.4
31.7
29.5
29.7
160-1
30.9
29.9
29.7
160-2
33.5
30.4
30.0
累计/平均
30.2
27.6
25.9
25.9
表12004~2006年各电解系列氟盐消耗指标统计
不同槽容量电解系列氟盐消耗对比分析
1、300KA级
300KA级电解系列2004~2006年各电解系列氟盐消耗指标总体呈下降趋势，2006年上半年平均值比2004年降低了2.8kg/t-Al。
2、200KA级
200KA级电解槽系列的氟盐消耗指标除包头200KA电解槽2006年指标出现波动外，总体上呈现下降趋势，2006年上半年平均值比2004年降低了5.1kg/t-Al。
3、160KA级
160KA级电解槽系列的氟盐消耗指标呈现下降趋势，2006年上半年平均值比2004年降低了3.4kg/t-Al。
不同容量级槽型综合比较
1、氟盐消耗差异性比较
表22006年1~6月不同容量电解系列氟盐消耗指标差异
容量级别
单位
电流（KA）
指标（kg/t-Al）
指标差值（kg/t-Al）
300KA级
最高
广西分公司
320
30.9
8.6
最低
焦作铝业
280
22.3
200KA级
最高
白银铝业
210
30
8
最低
包头铝业
240
22
160KA级
最高
贵州分公司
160
30
6.8
最低
郑州研究院
150
23.2
80KA级
最高
兰州铝业
80
24.9
1.6
最低
山东分公司
80
23.3
同一级别槽容量中的不同电解系列氟盐消耗差异很大，最大差异达到8.6kg/t-Al。
说明槽容量对氟盐消耗有一定影响，但并非决定性因素。
2、四类不同容量槽型2004~2006年的氟盐消耗平均值比较
表3四类不同容量槽型2004~2006年的氟盐消耗平均值比较（单位：
kg/t-Al）
2004~2006年，不同容量槽型氟盐消耗指标平均值总体在逐年降低，2005年平均下降3kg/t-Al，2006年平均下降1.4kg/t-Al。
氟盐消耗相关基本状况对比分析
1、工艺控制对氟盐消耗的影响分析
氟盐消耗与技术条件的控制有很大关系，主要表现在氟盐的挥发损失上，就电解质蒸气压而言，氧化铝浓度越低，分子比越低，温度越高，电解质蒸气压越大，即电解质的挥发性越大，氟盐的挥发损失越大。
表4是各电解系列2006年技术条件控制情况。
表4各电解系列2006年技术条件控制情况
厂名
电流
（KA）
氟盐消耗（kg）
电流效率（%）
AE系数
（个/槽.日）
工作电压（v）
铝水平（cm）
电解质水平（cm）
分子比
槽温（℃）
广西分公司
160
28.7
93.19
0.100
4.159
22.7
20.0
2.50
957.1
320
30.9
94.64
0.164
4.234
29.1
19.1
2.52
963.7
郑州研究院
150
23.2
93.15
0.035
4.072
20.8
19.0
2.65
948.2
300
23.3
93.05
0.027
4.087
22.3
18.8
2.62
951.3
焦作铝业
280
22.3
93.57
0.055
4.000
30.9
20.8
2.38
953.6
山东分公司
200
23.3
94.43
0.100
4.078
21.05
20.5
2.39
949.5
抚顺铝厂
200
27
93.2
0.14
4.13
19.3
20.2
2.22
952.2
包头铝业
200
24.2
93.04
0.08
4.125
19.5
21
2.386
948.7
240
22
93.10
0.25
4.101
21.5
19
2.393
950.3
白银红鹭
铝业
155
26
92.83
0.28
4.164
24
24
2.60
950.9
210
30
93.68
0.26
4.178
21
23.5
2.53
958
兰州铝业
200
24.5
92.18
0.62
4.155
24.7
19.3
2.38
951
连城铝业
200
24
-
0.17
4.151
24.5
22
2.42
935
青海分公司
160
（一）
25.4
93.10
0.109
4.105
24
21
2.35
936
160
（二）
25.4
93.55
0.148
4.086
23.5
22
2.32
929.3
200
24.6
93.51
0.20
4.121
20
21
2.40
945.1
华泽铝厂
300
27.3
90.82
0.32
4.123
25
21
2.57
955
贵州分公司
186
29.5
93.2
0.06
4.135
21.6
20.8
2.36
952.2
160
（一）
29.7
92.9
0.12
4.152
21.3
20.9
2.36
942.0
160
（二）
30.0
92.5
0.11
4.148
21.2
21.2
2.36
947.4
最大差异
8.9
3.62
0.593
0.234
9.1
5.2
0.43
34.4
表5技术条件差异性比较
项目
单位
数值
指标差值（kg/t-Al）
工作电压（v）
最高
广西320KA
4.234
0.234
最低
焦作280KA
4.000
铝水平（cm）
最高
焦作280KA
（焦作280KA）
30.9
（30.9）
10.9
最低
青海200KA
20
电解质水平（cm）
最高
白银155KA
24
5.2
最低
郑院300KA
18.8
分子比
最高
郑院150KA
2.65
0.43
最低
抚顺200KA
2.22
槽温（℃）
最高
广西320KA
963.7
34.4
最低
青海160KA-2
929.3
AE系数
（个/槽.日）
最高
兰州200KA
0.62
0.593
最低
郑院300KA
0.027
从表4、表5可以看出：
不同企业和电解系列的技术条件控制差异性很大。
（1）分子比对氟盐损失的影响分析
从表6可知：
5家高分子比电解系列氟盐消耗平均值比5家低分子比电解系列氟盐消耗平均值低1.8kg/t-Al，说明分子比低，氟盐消耗指标高，这与理论上低分子比，电解质挥发性大一致。
因此单从对氟盐的影响上来看，过低分子比工艺控制方法，不利于氟盐消耗的降低。
（2）电解温度对氟盐损失的影响分析
从表7可知：
4个高电解温度电解系列的氟盐消耗平均值比4个低电解温度电解系列氟盐消耗平均值高4.7kg/t-Al，说明槽温对氟盐消耗的影响很大，温度越高，电解质挥发性越大，因此保持适当低的电解温度，有利于降低氟盐消耗。
（3）阳极效应系数对氟盐消耗的影响
阳极效应发生过程中，由于炭阳极的电位超过了氟离子放电所需的电位，炭阳极上氟离子放电，生成碳氟化合物CF4和C2F6，研究表明阳极效应时的气体成分中，CF4和C2F6的气体总量占18%，造成氟盐的损失非常明显。
表8可知：
5个高效应系数电解系列氟盐消耗平均值比5个低效应系数电解系列高1.66kg/t-Al，说明高效应系数对氟盐消耗有较大影响，效应系数越高，氟盐挥发损失越大，因此保持低效应系数，有利于降低氟盐消耗。
（4）综合技术条件匹配对氟盐消耗的影响分析
高电解温度、高分子比组合对氟盐损失的影响
表9是槽温＞955℃、分子比＞2.5的4个电解系列氟盐消耗数据。
从表9数据可知：
四个高电解温度，高分子比电解系列，氟盐消耗都很高，说明高温、高分子比组合的技术条件，氟盐的挥发性很大，主要是高槽温起了决定性的作用。
低电解温度、低分子比组合对氟盐损失的影响
表21是槽温＜940℃、分子比＜2.4的3个电解系列的氟盐消耗数据。
从表10中数据可知：
3个低电解温度、低分子比电解系列，氟盐消耗总体上比较低，这要归结于槽温低的结果，但低电解温度、低分子比容易造成炉膛恶化，影响槽稳定性，这是各个采用低电解温度、低分子组织生产的电解系列应该重视问题。
适当电解温度和适当分子比组合对氟盐损失的影响
表11是955℃＞槽温≥940℃、2.5＞分子比≥2.4的10个电解系列的氟盐消耗数据。
从表11中数据可知：
10个适当电解温度和分子比电解系列氟盐消耗平均值比高电解温度、高分子比电解系列低4.0kg/t-Al，比低电解温度、低分子比电解系列高0.5kg/t-Al。
说明保持适当的电解温度和分子比，有利于降低氟盐消耗。
因此，合理的技术条件匹配，得到合适的电解质过热度，同时控制较低的阳极效应系数，不仅有利于降低氟盐消耗，同时对提高电解各项技术经济指标意义重大。
2、氟盐添加方式对比分析
（1）氟盐添加方式
表12是部分电解系列氟化铝添加的具体方法：
从表中数据可以看出：
中铝各电解系列在氟化铝添加上存在多种添加方式，不同的氟化铝添加方式对氟化铝消耗存在差异性。
表12不同电解系列氟化铝添加方式
企业名称
电流（KA）
自动带浓相输送
自动不带浓相输送
与Al2O3混合添加
人工添加
广西
分公司
160
√
320
√
郑州
研究院
150
√
300
√
焦作铝业
280
√
山东
分公司
200
√
抚顺铝厂
200
√
包头铝业
200
√
240
√
白银红鹭
铝业
155
√
210
√
兰州铝业
200
√
连城铝业
200
√
青海
分公司
160
（一）
√
160
（二）
√
200
√
华泽铝厂
300
√
贵州
分公司
186
√
160
（一）
√
160
（二）
√
电解系列累计（个）
5
7
6
2
（2）氟化铝不同添加方式对氟盐消耗的影响
氟化铝添加方式不同，氟化铝的飞扬损失不一样。
采用浓相输送氟化铝，槽上设有氟化铝专用料箱，这种添加方式有诸多优点：
密闭性好；料箱中的氟化铝得到预热干燥，可以烘干部分水分；添加间隔均匀，每次添加量少，易于溶解，电解质中游离氟化铝浓度基本稳定，有利于电解槽的平稳运行；加料后有氧化铝覆盖，飞扬损失少。
3、结壳块回收及使用情况分析
结壳块返回流程的方式不同，造成的损失也不同。
（1）结壳块回收使用情况
从调研情况看，大型铝电解生产企业都需要通过其它途径将结壳块返回流程，在此过程中，结壳块在打块方式、破碎粒度、破碎料添加方式上存在区别。
表13是部分企业结壳块返回流程的基本情况。
表13部分企业结壳块返回流程方式
企业名称
电流（KA）
打块方式
破碎料粒度
破碎料添加方式
集中打块
厂房打块
颗粒
粉状
浓相输送
天车/人工
郑州
研究院
150
√
√
√
300
√
√
√
焦作铝业
280
√
√
√
山东分公司
200
√
√
√
抚顺铝厂
200
√
√
√
包头铝业
200
√
√
√
240
√
√
√
白银红鹭铝业
155
√
√
√
210
√
√
√
兰州铝业
200
√
√
√
青海分公司
160
（一）
√
√
√
160
（二）
√
√
√
200
√
√
√
华泽铝厂
300
√
√
√
贵州
分公司
186
√
√
√
160
（一）
√
√
√
160
（二）
√
√
√
电解系列累计（个）
11
6
9
8
2
15
氟盐消耗平均值（kg/t-Al）
24.3
28.8
25.5
26.3
28.3
25.5
从表中数据可知，从结壳块破碎方式看，集中破碎比在厂房破碎要好，其氟盐消耗平均值要比在厂房破碎低4.5kg/t-Al。
从破碎料的破碎粒度来看，粗破碎氟盐消耗平均值要比细破碎低0.8kg/t-Al，这是因为破碎越细，运输及使用过程的飞扬损失越大。
由于结壳块不能直接返回流程，需要通过破碎后添加，结壳块在运输、破碎等过程中，转运次数多，整个系统不密闭，呈开放状；如采取人工添加又要增加部分氟盐损耗，所有这些是造成氟盐损失的最主要原因之一。
4、原料对氟盐消耗的影响分析
铝电解用的主要原材料有氧化铝、炭阳极、氟盐。
原料的好坏除了直接影响生产指标外，还对氟盐消耗产生直接影响。
（1）氧化铝对氟盐消耗的影响
氧化铝对氟盐消耗的影响主要体现在两个方面：
一是氧化铝粒度；二是氧化铝中的杂质含量，氧化铝中的Na2O、CaO及H2O含量会消耗部分氟化铝，其反应如下：
3Na2O+2AlF3=6NaF+Al2O3
3CaO+2AlF3=3CaF3+Al2O3
3H2O+2AlF3=6HF+Al2O3
对氧化铝粒度来说，氧化铝粒度越细，其比表面积越小，吸附氟化物气体的能力越弱，目前我国生产的氧化铝主要是中间状氧化铝或粉状氧化铝。
由于氧化铝在净化过程中会细化，影响其在电解质中的溶解性，因此在我国大多数电解铝厂净化系统中的氧化铝都是采用一次性循环，这也制约了净化效果的进一步提高。
如焦作铝业在2005年11月前采用进口氧化铝，其2005年氟盐消耗在21kg/t-Al，2006年采用国内氧化铝后，氟盐消耗逐步升高到26~28kg/t-Al，可见，氧化铝质量对氟盐消耗的影响非常大。
（2）炭阳极对氟盐消耗的影响
炭阳极对氟盐消耗的影响主要体现在其产生的碳渣量的多少，捞碳渣时会带走部分氟盐，造成氟盐损失。
从调研的情况看，各个企业使用的阳极参差不齐，如山东分公司、抚顺铝厂等厂家的阳极质量好，基本上不进行捞碳渣工作，而部分厂使用多个厂家的阳极，如郑州研究院、焦作铝业等，这样不利于生产的平稳和降低氟盐消耗。
另外，使用开槽阳极产生的碳渣量相对较大，如郑州研究院。
（3）氟化铝质量对其消耗的影响
氟化铝质量对氟盐消耗的影响主要体现在：
一是氟化铝中水的含量；二是氟化铝的假比重。
理论上，氟化铝原料中水含量增加1%，反应过程要损失3%的氟化铝。
从调研中的氟化铝分析看，成份均不一样，特别是水份的含量，相差较大，水份含量最高达5.2%，这将使生产过程中的氟化铝消耗增加，说明目前氟化铝生产质量的差异较大，且不稳定。
目前，国内外各种氟化铝产品根据生产工艺的区别可分为三种：
无水氟化铝、干法氟化铝和湿法氟化铝。
无水氟化铝——以无水氟化氢（含量99.9%以上）气体为原料，与氢氧化铝反应生产的高性能氟化铝产品。
干法氟化铝——以90%氟化氢气体为原料，与氢氧化铝反应生产的氟化铝产品。
湿法氟化铝——以浓度30%的氢氟酸为原料，与氢氧化铝反应生产的氟化铝产品。
三种氟化铝的产品质量见表14：
表14三种氟化铝产品质量对比表
组成
无水
氟化铝
干法
氟化铝
湿法
氟化铝
氟化铝，%
≥
90.5
90
85.5
二氧化硅，%
≤
0.02
0.25
0.30
五氧化二磷，%
0.004
0.03
0.04
硫酸盐，%
0.08
0.3
1.0
烧减量，%
0.30
0.50
5.5
松装密度，g/cm³
≥
1.6
1.5
0.7
无水氟化铝生产过程中使用的氟化氢是经过冷凝精馏的高纯产品，利用该项技术生产的无水氟化铝产品主含量高、容重大、水分及杂质含量极低。
2006年5月，贵州分公司对三家氟盐厂生产的氟化铝化学成分和物理性能进行了分析（见表15和表16）
试样编号
试样名称
成分（%）
F
Al
Na
H2O
Fe2O3
SiO2
SO42-
06052628
湘铝氟化铝
63.5
32.3
0.27
3.41
0.063
0.069
0.33
06052227
多氟多无水
氟化铝
63.6
33.3
0.054
0．65
0.008
0.004
0．093
06043019
平果氟化铝
62.32
32.0
0.06
5.20
0.024
0.230
0.07
表15三家氟盐生产厂家生产的氟化铝化学成分分析结果
从表15中来看，氟化铝的水含量是较高的，无水氟化铝水分含量最低。
厂家
生产方法
假比重
粒度（%）
+149μ
+74μ
+43μ
-43μ
多氟多无水
氟化铝
干法生产
1.58
4
57.5
32.6
5.9
平果氟化铝
湿法生产
0.77
1.31
52.71
36.26
9.78
湘铝氟化铝
干法生产
1.70
11.11
63.40
19.12
6.37
表16三家氟盐生产厂家生产的氟化铝假比重和粒度分析结果
从假比重看：
各厂家之间的差别很大，干法生产的氟化铝假比重远大于湿法生产的氟化铝。
所调研企业未对氟化铝的使用效果进行详细的跟踪，但从现场使用情况看，干法生产的氟化铝假比重大，添加时的飞扬损失小，使用效果好，无水氟化铝使用效果最好，是今后的发展方向，应在电解铝企业内大力推广。
4、净化系统与集气系统分析
净化系统在氟盐回收过程中发挥着极其重要作用，净化效果的好坏直接影响到氟盐消耗量。
而目前电解工艺采用的低氧化铝浓度、低分子比控制提高技术经济指标的方法，都会增加氟盐的挥发损失，同时氟化铝在添加过程中产生的飞扬损失，以及电解生产过程中产生的氟化物气体等，都必须通过净化系统进行回收再利用，才能有效控制氟盐消耗，如连城铝厂90KA电解系列，由于净化系统未启动，直接导致该系列氟盐消耗异常。
目前，影响中铝各企业电解烟气净化效率最重要的因素是氧化铝质量，由氧化铝粒度问题导致无法进行多次循环而影响了净化效果，因此氧化铝质量问题是目前中铝各企业普遍面临的的一个主要难题。
同时部分厂净化系统老化，一些厂原净化系统设计存在缺陷，导致部分企业实际净化效率与设计值相差甚远，也是影响氟盐消耗降低的重要原因。
净化系统主要包括两部分：
一部分是风机功率，它直接影响到净化气体流量；二是净化效率，它影响到净化的实际效果。
电解槽集气系统：
包括电解槽盖的密闭程度和操作时揭开槽盖块数与槽盖敞开时间。
通过对各企业净化系统的调研，我们发现有部分企业为防止氧化铝在二次净化循环中细化，停止了氧化铝净化二次循环；部分单位由于净化系统设计问题和年久老化，净化效果达不到设计要求；个别单位甚甚至间断性停止给净化系统投氧化铝，这将造成氟盐损失的增加。
结论
1、工艺控制参数及综合控制方法对氟盐消耗指标有明显影响。
●高槽温对氟盐消耗的影响很大，温度越高，电解质挥发性越大，因此保持适当低的电解温度，有利于降低氟盐消耗。
建议电解温度控制在950℃以下。
●高效应系数对氟盐消耗有较大影响，效应系数越高，氟盐挥发损失越大，因此保持低效应系数，有利于降低氟盐消耗。
对于准连续下料电解槽来说，效应系数越低越好。
●分子比过低，电解质挥发性大，氟盐消耗指标高，因此，保持适当的分子比，有利于降低氟盐消耗。
建议分子比控制在2.2~2.4。
●适宜的技术条件组合，得到合适的电解过热度，不仅有利益降低氟盐消耗，同时对提高电解技术经济指标意义重大。
2、采用计算机控制添加氟化铝，比人工添加方式能更好地降低氟盐消耗。
结壳块中氟盐含量
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