鋁電解煙氣深度處理的研究與探討
摘要：本文敘述了某公司電解鋁廠污染物排放現狀，介紹了一種采用石灰石一石膏濕法凈化技術對鋁電解煙氣進行深度處理的改造方案。該方案有效解決鋁電解煙氣脫硫的問題，同時進一步降低氟化物和粉塵排放濃度，實現了鋁電解煙氣的趨零排放。
鋁電解過程中電解槽散發煙氣中含有大氣污染物，主要包括氟化物、二氧化硫、粉塵等。這些有害物的排放不僅對作業人員身體造成嚴重傷害，還會對周圍環境造成明顯污染。為保障生產人員身體健康和不破壞大氣環境質量，電解鋁企業必須建設電解煙氣凈化系統，防止鋁電解煙氣對大氣污染。
當前鋁工業廣泛采用的干法凈化技術主要針對煙氣中的氟化物和粉塵，而對二氧化硫沒有凈化效果。而近些年，隨著國內鋁工業的快速發展，鋁電解用炭陽極需求增大，作為原料的低硫石油焦供不應求且價格偏高，各炭素企業紛紛加大高硫焦使用量，導致炭陽極含硫量升高，最終通過鋁電解煙氣排放，造成環境污染。
2013年，國家環保部在《鋁工業污染物排放標準》(GB25465—2010)基礎上發布了更加嚴格《(鋁工業污染物排放標準)修改單》，規定重點區域二氧化硫排放濃度由200mg／Nm3降低到100mg／Nm3。2017年，國家環保部發布了《京津冀及周邊地區2017年大氣污染防治工作方案》，提高了部分地區的大氣污染防治要求。同年工業和信息化部發布推動落后產能退出的指導意見，要求嚴格執行環境保護法律法規，對超過大氣和水等污染物排放標準排污、違反固體廢物管理法律法規，以及超過重點污染物總量控制指標排污的企業，責令采取限制生產、停產整治等措施；情節嚴重的，責令停業、關閉。可以預見，隨著國家對環境保護問題的高度重視，未來環保政策會進一步趨嚴。
基于企業鋁電解煙氣排放現狀和環境保護未來需求，國家電力投資集團公司組織相關科研院所和系統內環保平臺企業研究實施鋁電解煙氣趨零排放，采用電力行業常用的石灰石一石膏濕法凈化技術對脫氟除塵后電解煙氣治理，可有效脫除電解煙氣中的硫化物，同時進一步降低污染物排放總量。
1鋁電解煙氣凈化現狀
1.1鋁電解煙氣凈化方法
鋁電解煙氣凈化回收根據凈化回收工藝和所選用設備分為干法和濕法兩大類。
(1)干法：目前鋁電解煙氣主要采用的是干法凈化技術，該技術是20世紀60年代以來發展起來的鋁工業電解煙氣治理的最佳實用技術，國內國外電解鋁企業均普遍采用。該方法利用氧化鋁活性強、空隙多、比表面積大、屬兩性氧化鋁、有良好的酸性氣體吸附性等特點，吸附氟化氫氣體從氣相進入固相，通過高效除塵器分離回收載氟氧化鋁實現氣固分離，達到除去煙氣中氟化氫和粉塵的目的。干法凈化具有流程簡單，運行可靠，效率高，吸附劑不需要專門制備等優點，但脫氟效率受氧化鋁質量的影響，還無法實現氟化物的近零排放，且缺乏專門的脫硫措施。
(2)濕法：濕法工藝主要通過堿水(水)直接洗滌電解煙氣，再通過堿法或酸法流程加以回收其中的氟化物。濕法脫除效率和吸收劑利用率相對較高，但工藝系統復雜，存在廢水二次污染等問題。
1.2企業污染物排放監測情況
按照環保部《國控重點污染源自動監控項目污染源監控現場端建設規范》要求，國家電力投資集團公司五家電解鋁廠安裝了煙氣在線監測裝置。根據在線監測數據，公司各電解鋁廠煙氣凈化系統排污口顆粒物、二氧化硫、氟化物排放濃度分別見圖1、圖2、圖3。
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根據在線監測數據，公司各電解鋁廠煙氣凈化系統排污口顆粒物、二氧化硫、氟化物排放濃度均符合《鋁工業污染物排放標準》(GB25465—2010)，但部分電解鋁廠的顆粒物和二氧化硫排放濃度監測平均值高于《(鋁工業污染物排放標準)修改單》的特別排放限值。如果嚴格執行《(鋁工業污染物排放標準)修改單》，則有部分電解鋁廠的顆粒物和二氧化硫排放濃度超標，存在一定的環保風險，需要進行改造來降低煙氣中的粉塵和二氧化硫濃度。
2改造方案
2.1改造工藝選擇及凈化原理
改造方案采用石灰石一石膏濕法技術對干法凈化后的電解煙氣進行深度處理，實現電解煙氣的脫硫、除塵、除氟深度處理，減少鋁電解煙氣污染物的排放總量。
石灰石／石膏濕法技術是目前世界上技術最為成熟、應用業績最多的煙氣脫硫工藝技術。經干法凈化的電解煙氣引入脫硫系統，采用合適濃度的石灰石漿液在吸收塔中循環噴淋，吸收氣體中的氟化物、二氧化硫等酸性氣體，漿液充分氧化后，生成硫酸鈣、氟化鈣等鈣鹽晶體、水合物，然后將漿液排至脫水系統進行充分脫水，得到接近固態的鈣鹽混合物，從而去除煙氣中的氟化物、二氧化硫等氣體，同時除去煙氣中的粉塵等顆粒物。
脫硫塔內凈化過程主要發生以下反應：
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2.2改造內容
在公司某電解鋁廠(產能43萬噸)現有電解廠房中間建設兩套石灰石一石膏濕法凈化裝置，處理已有八套干法凈化裝置煙氣，并對現有煙氣系統進行改造，保留原引風機，新增壓風機系統，對原煙囪接口進行合并改造。在吸收塔內，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO、HF與漿液中的碳酸鈣以及鼓人的氧化空氣進行化學反應被脫除，最終反應產物為石膏等。脫硫后的煙氣經除霧器除去帶有的細小液滴后排人煙囪。脫硫石膏漿液經脫水裝置脫水后回收。工藝流程見圖4。
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由于吸收漿液的循環利用，吸收劑的利用率很高。在脫硫的同時還可以進一步去除煙氣中剩余的粉塵。由于電解煙氣經過了干法煙氣凈化，煙氣相對比較干凈，脫硫副產物石膏品質較好，具有一定的商業價值。
濕法凈化裝置主要包括吸收系統、煙氣系統、吸收劑制備及漿液輸送系統、脫水系統、廢水處理系統、工藝水系統、排空系統、壓縮空氣系統及電氣熱控系統等。吸收系統采用先進的沸騰式泡沫脫硫除塵一體化裝置(簡稱BFI裝置)，見圖5。主要有以下優點：
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(1)氣流均布。設置沸騰式泡沫脫硫除塵一體化裝置后，進入吸收塔的氣體流速得到了很好的均布作用。設置壁環將塔壁的煙氣趕往吸收塔中間區域，避免了煙氣從塔壁逃逸，從而提高煙氣中污染物的反應效率，提高脫硫效率。
(2)降低裝置消耗。設置沸騰式泡沫脫硫除塵一體化裝置后，可保持一定高度液膜，增加了煙氣在吸收塔中的停留時間，當氣體通過時，氣液接觸，可以起到吸收氣體中部分污染成分的作用，從而有效降低液氣比，提高了漿液對SO2、HF的吸收效率，從而降低漿液循環泵的流量和功耗。煙氣通過沸騰式泡沫脫硫除塵一體化裝置及液膜層洗滌，還能把大量的粉塵洗滌下來，粉塵的脫除率能達90％左右。
(3)檢修方便。設置沸騰式泡沫脫硫除塵一體化裝置后，在塔內件進行檢修時，不需將塔內漿液全部排空，然后在塔內搭建臨時檢修平臺，運行維護人員站在合金沸騰式泡沫脫硫除塵一體化裝置上就可對塔內部件進行維護和更換，減少運行維護時問。
2.3主要技術指標
公司某電解鋁廠濕法凈化裝置投入運行兩個月后，1#凈化裝置的在線監測數據與設計指標對比如表1。
從表1可知，該公司1#濕法凈化裝置煙氣處理能力、運行指標均優于設計值，實際脫氟率>98％，脫硫率>98.5％。經濕法凈化處理后，出口煙氣氟化物濃度<0.01mg／m3、二氧化硫濃度<3mg／m3、煙塵濃度<2mg／m3，基本實現趨零排放。
3改造投入與預期效益
(2)濕法凈化有效去除了鋁電解煙氣中的二氧化硫污染物，是對干法凈化工藝的有益補充。濕法凈化的深度處理提高了企業污染物減排能力，不僅是落實國家環保政策要求，也是化解企業生產經營中的環保違法違規風險，防范落后產能淘汰的現實需要，有力支撐企業健康持續發展。
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