350kA电解系列降低氟化铝消耗的实践

章烈荣 李春早

（1.中电投宁夏青铜峡铝业股份有限公司,宁夏 青铜峡 751603；2.中南大学 冶金与环境学院，湖南 长沙401183）

0 前言

氟化铝是电解铝生产的重要原料之一,生产中主要被用作调整电解质分子比，改善电解质性质。

AlF3对电解质性质的影响主要有以下几个方面[1]：降低Na+的活度；降低电解质的初晶温度；降低电解质密度；减小电解质与铝液的界面张力；降低电解质黏度；另外，AlF3增大电解质电阻率，降低氧化铝的溶解能力，增加电解质的挥发。

通常所说的氟化铝单耗是指一定时期内电解生产每吨原铝所消耗的氟化铝量。降低氟化铝的消耗量对降低生产成本和减少氟化物排放、保护环境均有重要的意义。

某公司350kA电解系列通过深入分析影响氟化铝单耗的因素，针对性采取措施，系列氟化铝单耗降低1.5kg。

1 影响氟化铝单耗的因素

理论上，电解铝生产过程不消耗氟化铝。但是由于原料杂质、氟化铝挥发等因素的影响，生产过程要消耗一定量的氟化铝。电解铝工业生产中，影响氟化铝单耗的因素有以下几个方面。

1.1 氟化铝理化指标的影响

氟化铝自身的化学纯度和松装密度对氟化铝消耗量有较大的影响。

生产中，氟化铝纯度越高，其消耗量越小。

此外，氟化铝中的水分能与氟化铝发生化学反应：按照化学方程式（1）的计量关系，氟化铝中每增加1.0%（质量分数）的水分，将消耗其中3.1%的氟化铝。

在加料方式一定的情况下，氟化铝的松装密度越大，加料过程中的飞扬损失越少。

1.2 工艺技术条件对氟化铝消耗的影响

（l）分子比对氟化铝消耗的影响

分子比对氟化铝消耗量的影响主要体现在两个方面：一方面，分子比影响电解质的饱和蒸气压，影响电解质的挥发性，进而影响氟化铝消耗；另一方面，对同样的氧化铝、阳极等原料，要维持稳定的分子比需要的氟化铝量与分子比直接相关。

相关研究表明[2]，电解质饱和蒸气压随着分子比降低而升高，见图1。因此，随着分子比降低，电解质挥发性增强。且由于挥发出来的电解质的主要成份为NaAlF4，较电解质本体分子比低，随着电解质挥发，电解质分子比逐渐升高，需要消耗氟化铝。电解质挥发性越强，则所消耗的氟化铝越多。

图1 温度和分子比对电解质蒸气压的影响

另外，当原料中带入Na2O时，电解生产工艺要求保持的分子比越低，消耗的氟化铝越多。

（2）电解温度对氟化铝消耗的影响

从图1可以看出，随着槽温的升高电解质挥发性就越大。与分子比影响氟化铝消耗类似，槽温升高也必然导致氟化铝消耗增加。

（3）过热度对氟化铝消耗的影响

过热度增大，电解槽热行程趋势增强，电解槽化炉膛，电解质分子比上升，增加氟化铝消耗；反之，过热度减小，氟化铝消耗减小。

（4）阳极效应对氟化铝消耗的影响

根据阳极效应的电化学机理，阳极效应发生过程中，由于炭阳极的电位超过了含氟离子放电所需的电位，炭阳极上含氟离子放电，生成碳氟化合物CF4和C2F6，增加氟化铝消耗。同时，由于效应期间电解质温度急剧上升，氟化铝挥发量增加，进一步增大氟化铝的消耗。因此，效应系数越高，效应持续时间越长，氟化铝挥发损失越大，消耗量也越大。

1.3 添加方式对氟化铝消耗的影响

按照加料间隙划分，氟化铝的添加方式主要有一次性集中添加、分次添加两种。

添加方式对氟化铝消耗的影响主要表现在两个方面：一方面，不同的添加方式其飞扬损失存在差异；另一方面，不同的添加方式对电解质成分的影响不同，进而出现挥发性的差异。由于烟气净化系统基本保持稳定，挥发量的差异将导致净化环节的回收率的差异，影响氟化铝单耗。

1.4 原料对氟化铝消耗的影响

铝电解用的主要原材料有氧化铝和炭阳极。原料中化学成分直接影响生产过程氟化铝的消耗。

（l）氧化铝中杂质对氟化铝消耗的影响

氧化铝中的水分与氟化铝发生式（1）表示的化学反应。此外，氧化铝中的Na2O和CaO均能与氟化铝发生化学反应，其方程式如下：

其中，R为电解质分子比。

与H2O类似，CaO也将消耗氟化铝。与H2O和CaO有些差异的是，由于Na2O参与的反应有NaF生产，Na2O对氟化铝消耗量的影响不但与Na2O的含量有关，还和分子比有关，即分子比越低氟化铝消耗量越大。

（2）炭阳极对氟化铝消耗的影响

炭阳极中的杂质成分对氟化铝消耗也有一定的影响。

1.5 电解槽集气效率对氟化铝消耗的影响

电解槽挥发出来的氟化铝和生产过程中产生的HF气体或通过烟道进入烟气净化系统被氧化铝吸附后重新进入电解槽循环使用，或直接逸散到电解槽外排放到大气中。

电解槽集气效率越高，逸散到槽外的烟气越少，则氟化铝的消耗量越小。

1.6 烟气净化系统氟化物回收效率对氟化铝消耗的影响

电解过程产生的HF在净化系统与新鲜氧化铝发生式（4）所表示反应被吸附，进而被循环利用。

正常情况下，烟气净化系统处于相对稳定的工作状态，其氟化物回收效率主要跟新鲜氧化铝的性质和系统各参数设置有关。新鲜氧化铝吸附能力越强，参数设置越合理，氟化铝回收效率则越高，氟化铝单耗则越低。

2 降低氟化铝单耗的措施

2.1 加强氧化铝质量控制

对每批次氧化铝进行采样分析，及时了解氧化铝理化指标，保证氧化铝质量稳定、达标。

同时，根据氧化铝原料供应商多，不同批次氧化铝化学成分存在一定差异的情况，该系列采用搭配使用的方法，将氧化铝主要杂质含量按照表1的要求进行控制，确保氧化铝化学成分基本稳定、受控。

表1 某公司350kA电解系列氧化铝杂质含量控制标准

稳定的氧化铝理化指标为稳定生产过程氟化物的挥发量和氧化铝吸附能力提高了保证，为降低氟化铝单耗奠定了基础。

2.2 优化电解工艺控制

由于一定时间内净化系统净化效率基本保持稳定，因此该系列在生产管理中重点提高工艺条件的受控性和稳定性着手，保证分子比、电解质温度和过热度稳定，从而降低氟化铝单耗。具体而言，该系列采取了以下工艺控制措施：

（1）根据系统相关条件，确定氟化铝添加量

主要根据氧化铝原料的杂质成分分析数据、烟气净化系统效率和分子比控制目标确定维持目标分子比所需要的氟化铝基准量。

该系列2013年1-8月份氧化铝主要杂质成分分析结果如表2所示。

表2 2013年1-8月份氧化铝主要杂质分析结果

根据1-8月份分析数据，氧化铝中杂质总量为0.904%，按照吨铝氧化铝理论消耗量为1889kg计算，吨铝氧化铝实际消耗量为1906kg。

按照方程式（2）的计量关系计算，保持该系列2.55左右的分子比，Na2O引起的氟化铝单耗Q1为：

根据该系列净化系统实测数据，系统的集气效率约为93%，净化效率约为97%。按照方程式（1）和（4）的计量关系，H2O引起的氟化铝单耗Q2为：

此外，根据该公司氟化铝化学成分分析数据（表3）可知，氟化铝纯度约为96.44%，忽略其中Na2O的影响，考虑水分消耗其含量3.1倍的氟化铝，则其纯度可视为94.12%。

表3 2013年1-8月份氟化铝主要杂质分析结果

因此，为维持2.55的分子比所需的氟化铝总量为：

（2）提高分子比稳定性,降低控制氟化铝单耗

确定氟化铝基准量以后，根据是否需要调整分子比和电解槽的冷/热行程,适当增减氟化铝添加量。

对于分子比适宜的电解槽,按照基准量添加氟化铝,保持各项条件稳定。

对于分子比偏高需要降低分子比的电解槽,遵循以下原则加氟化铝降分子比：根据电解质总量和分子比的情况,估算需要的氟化铝总量；按照“高于基准值5-10kg/天”的标准设定氟化铝添加量；实际添加量达到测算总量的80%左右后，减少设定量至基准量3-5天；重新评估槽况，重复上述步骤或辅以其它措施直至分子比调整到位。这种调整策略有效的避免了短时间添加大量氟化铝引发的电解槽过热度剧变，保证槽况的稳定，避免氟化铝短时间内大量挥发，降低氟化铝消耗。这是因为过量挥发的氟化铝超出净化系统的回收能力，不能被回收利用。同时，由于留有电解槽自适应的反应时间，期间电解槽可能出现温度降低甚至伴随电解质偏析的反应，这也能起到降低氟化铝单耗的作用。

对于分子比偏低的电解槽，计算需要减量的氟化铝总量，按照“升分子比要快”的原则，在尽可能短的时间内使分子比恢复到正常。生产中，实际需要减少的量达到测算总量的80%以后，同样恢复到基准量，观察3-5天。这主要是为了避免分子比上升过量。

（3）多维度调整，降低氟化铝单耗

对于电解槽的工艺调整，尤其是“低电压、低分子比、低电解质温度、低电耗”技术路线下的工艺调整，传统的强调减少变量的控制策略所需的调整周期长。该系列结合九区控制思路，以电解质温度为控制核心，以分子比为关键控制点，在确定氟化铝基准量的基础上，辅以短期主调电压，长期主调在产铝量，长短期兼顾的原则，多变量同时调整，控制适宜的过热度（重点控制热行程）。这种控制策略缩短了调整周期，降低了氟化铝单耗。

（4）控制阳极效应，降低氟化铝单耗

阳极效应系数和持续时间都对氟化铝消耗有影响。单纯的阳极效应系数不足以全面反应这一影响。为控制阳极效应，该系列按照“效应次数×平均持续时间（min）/3”的标准将阳极效应折算为标准效应（即每持续3min算1个标准效应），并依据标准效应系数进行相关管理。

通过拉大效应等待间隔时长、增加氧化铝打料次数等措施，目前系列标准效应系数控制在0.05次/槽日以内，为降低氟化铝消耗提供了条件。

2.3 改变氟化铝添加方式

350kA电解系添加氟化铝加料的程序：将袋装氟化铝装入专用料斗；用天车将料斗提升至槽上部氟化铝料箱；人工操作将料斗中的料加入料箱。

2013年以前，该系列使用符合质量标准的50kg装干法氟化铝。使用过程中，袋余量多，且拆袋次数多，遗落在料斗外的料量也很大。2013年以来，该系列改用1t装氟化铝，并使用密封性更好的氟化铝料斗。经粗略统计，此项措施约能节约氟化铝5‰。

氟化铝的下料速度与料箱内料位有关，料位越高下料速度越快，下料过程飞扬越少。该系列采取每三天补充一次的措施，保证料位一致处于高位，这既减少飞扬损失，又对氟化铝进行了充分的预热，减少其中的水分，降低氟化铝消耗。

此外，定期检查修复下料口，使氟化铝能直接下到电解质中，避免因物料散落到壳面造成的氟化铝额外消耗。

2.4 优化现场管理，提高集气效率

电解槽密封和烟道参数是保证及其效率的关键。提高电解槽密封性主要从以下几个方面着手：

（1）减少作业过程中槽盖板揭开的数量；

（2）缩短槽盖板揭开时间；

（3）保持槽盖板密封条完好；

（4）盖严槽盖板，减小盖板间的缝隙；

（5）对水平挂板上阳极导杆口进行加装毛毡等进行密封处理。

优化烟道参数主要从以下几个方面着手：

（1）定期（每季度一次）测量各支烟管管口负压、单槽烟气流量等参数；

（2）调节主排风机电流、支烟管阀门开度，均衡分布单槽烟气流量和支烟管负压；

（3）定期（每月一次）检查电解槽支烟管阀门开度；

（4）定期（每两年一次）清理烟道。

2.5 优化净化工艺，提高净化效率

在净化工艺方面，重点关注一下几个方面：

（1）搭配使用国产氧化铝和进口氧化铝，确保氧化铝的吸附性能；

（2）稳定新鲜氧化铝投入速度；

（3）保持稳定的反应器运行参数。

3 结束语

氟化铝是电解铝生产中的重要原料,对改善电解质成分优化生产有重要意义。

氟化铝单耗是衡量电解铝生产管理水平的重要指标之一。降低氟化铝单耗既能降低电解铝生产成本，增加企业的经济效益，又能有效减少氟化物排放，保护环境。

工业生产中，氧化铝等原材物料理化指标、生产工艺控制策略及水平、氟化铝自身质量、氟化铝添加方式、电解烟气净化系统的集气效率和和氟化物回收效率等对氟化铝单耗有着至关重要的影响。

某公司350kA电解系列从控制原料质量、优化工艺控制、改变氟化铝添加方式、提高烟气集气效率和提高烟气净化效率等几个方面着手，将氟化铝单耗由20.0kg降到18.5kg左右，接近该系统当前条件下的理论消耗量18.2kg，取得了良好的效果。

［1］刘业翔,李劼.现代铝电解[M].北京:冶金工业出版社,2008:25-32.

［2］冯乃祥.铝电解[M].北京:化学工业出版社,2006:389-390.