基于物质流分析的电解铝氟化物全过程污染防治研究_林雨琛.pdf

基于物质流分析的电解铝氟化物全过程污染防治研究林雨琛1，刘园2，银光3，党春阁1*，熊仁艳31.中国环境科学研究院,国家环境保护生态工业重点实验室2.贵州省环境工程评估中心3.包头铝业集团有限责任公司摘要以国内某大型电解铝企业为例，针对氟化物产生的重点环节进行分析测试，通过物质流分析方法构建电解铝企业氟平衡，研究电解铝生产过程中特征污染物氟化物的分布特征。结果表明：除电解槽大修渣外，无组织烟气以及炭渣是电解铝生产过程中氟化物排放的关键环节，其中无组织烟气中氟化物含量折合单位产品排放量为 0.374 kg/t(以 Al 质量计，全文同)，约为有组织排放量的 3.7 倍；炭渣中氟化物含量为 6.347 kg/t，约为大修渣中氟化物含量的 2.7 倍。为了加强电解铝行业氟化物风险防控，建议从生产全过程入手，通过提高电解槽的集气效率以及科学控制排烟量的方法有效控制无组织排放，优化电解槽排烟管道以提高有组织烟气治理的效率，控制原料含水量从源头减少氟化物的产生，强化含氟固体废物管控，以期减少电解铝企业对周边环境造成的氟污染。关键词电解铝；物质流分析；氟平衡；氟化物风险防控中图分类号：X502 文章编号：1674-991X（2023）02-0800-08doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220351Research on fluoride whole-process prevention and control in the electrolyticaluminum enterprise based on material flow analysisLIN Yuchen1,LIU Yuan2,YIN Guang3,DANG Chunge1*,XIONG Renyan31.State Environmental Protection Key Laboratory of Eco-industry,Chinese Research Academy of Environmental Sciences2.Guizhou Environment&Engineering Appraisal Center3.Baotou Aluminum Co.,Ltd.AbstractTaking a large domestic electrolytic aluminum enterprise as an example,the key links of fluorideproduction were analyzed and tested,the fluorine balance of the enterprise was constructed by material flow analysismethod,and the distribution features of the characteristic pollutant fluoride in the electrolytic aluminum productionprocess was studied.The results showed that apart from the overhaul slag of electrolytic cell,unorganized flue gasand carbon slag were the key points of fluoride emission in electrolytic aluminum production.The fluoride contentof unorganized flue gas was 0.374 kg/t per unit product,which was about 3.7 times of that of organized emissions.The fluoride content in carbon slag was 6.347 kg/t,which was about 2.7 times of that in overhaul slag.In order tostrengthen the fluoride risk prevention and control in the electrolytic aluminum industry,some suggestions were putforward starting from the whole production process,including effectively controlling the unorganized emissions byimproving the gas collecting efficiency of electrolytic cells and controlling the smoke emissions scientifically,optimizing the smoke exhaust pipes of the electrolytic cells to improve the efficiency of organized flue gastreatment,controlling the water content of raw materials to reduce fluoride production at source,and strengtheningthe control of fluorine-containing solid wastes.Through these methods,the fluorine pollution caused by electrolyticaluminum enterprises to the surrounding environment could be reduced.Key wordselectrolytic aluminium;material flow analysis;fluorine balance;fluoride risk prevention and control 收稿日期：2022-04-15作者简介：林雨琛(1995)，男，工程师，硕士，主要从事清洁生产、物质流分析相关研究，*责任作者：党春阁（1984），男，高级工程师，主要从事清洁生产、有色金属冶炼研究， Vol.13，No.2环境工程技术学报第 13 卷，第 2 期Mar.，2023Journal of Environmental Engineering Technology2023 年 3 月林雨琛，刘园，银光，等.基于物质流分析的电解铝氟化物全过程污染防治研究 J.环境工程技术学报，2023，13（2）：800-807.LIN Y C,LIU Y,YIN G,et al.Research on fluoride whole-process prevention and control in the electrolytic aluminum enterprise based on material flowanalysisJ.Journal of Environmental Engineering Technology，2023，13（2）：800-807.中共中央、国务院印发的关于深入打好污染防治攻坚战的意见1指出，污染防治攻坚战从“坚决打好”转向“深入打好”。为深入打好污染防治攻坚战，国家发展和改革委员会与生态环境部等部门重点针对高耗能、高排放（简称“两高”）行业加强管控2，坚决遏制“两高”项目盲目发展，其中电解铝行业作为“两高”行业之一是重点管控对象3。近年来，我国电解铝行业发展迅速，从 2000 年电解铝产能仅有 284.5 万 t，到 2020 年底建成产能达到 4 848 万 t，20 年来增长了 17 倍4。行业高速发展的同时，也给周边生态环境以及居民健康带来了诸多隐患。例如行业特征污染物中的氟化氢和含氟粉尘，如果摄入过量会对人体以及动植物造成重大危害，因此对于氟化物的管控不容松懈。随着众多学者对于电解铝行业污染物防治对策研究的深入，越来越多的氟化物风险防控技术手段逐渐涌现5，但现有文献多集中于讨论电解铝污染物的处理处置技术工艺，及通过不同的技术手段对废物中的氟化物进行回收以达到重新投入生产系统循环利用的目的。例如唐剑等6辨析了现有浮选工艺和火法工艺 2 种技术路线存在的问题，并提出炭渣低温火法处理技术，该技术流程简便，成本投入相对较少，适用于中小型电解铝企业；郑丽英等7指出浮选法处理废旧阴极的方法会产生大量含氟浮选废水，而这些废水的处理更为棘手，采用结晶法在特定环境下针对浮选法处理废弃内衬所产生的高浓度含氟废水进行二次处理，可以完全去除浮选废水中的氟离子；张乐等8-14系统分析了填埋法、火法、酸法、湿法 4 种大修渣处理技术方法，对比了每种方法处理大修渣中氟化物的优缺点以及适用性。总体来说，现有学者关注重点在于通过某种特定的技术手段来减少或回收电解铝废物中的氟化物，但是通过我国环境治理进程演变的经验可知，仅依靠末端治理的发展模式无法实现可持续发展15，只有从生产全过程入手，从源头削减污染物的产生，加强生产全过程污染物管控，再通过末端污染物治理的辅助，才能实现电解铝行业氟化物有效管控。物质流分析（material flow analysis，MFA）作为一种特殊的研究方法适用于某一区域范围内特定物质的工业代谢研究16-18，该方法可以有效控制有毒有害物质的投入和流向。笔者采用物质流分析的方法，以国内某大型电解铝企业（简称企业 A）为例，从生产全过程入手，系统分析氟化物产生环节以及氟元素流向，对于氟化物产生量较大的生产环节提出有针对性的管控建议，以期提高电解铝行业氟化物环境污染风险防控水平。1氟元素物质流分析方法物质流分析起源于 20 世纪 60 年代，由美国城市学家 Wolman 提出的城市代谢概念逐渐演变而来19，随后美国物理学家 Ayres 与经济学家 Kneese20将物质平衡与国家经济系统的物质流动相结合，形成首例以国家为尺度进行物质流分析的经典案例。随着广大学者研究的深入，物质流分析理论经过多年的演变与发展，根据其研究对象的不同可以划分为 整 体 物 质 流 分 析(Bulk-MFA)和 元 素 流 分 析(substance flow analysis，SFA)2 类21。其中元素流分析可以通过定量分析某一特定系统的特定化学元素或化合物输入与输出关系22，分析其背后的隐流问题23。通过元素流分析，开展特定污染物（元素）在特定区域内的工业代谢研究，对于评估元素生命周期中的各个过程对环境产生的影响具有很大帮助。例如杜春丽等24构建了磷代谢分析框架及磷流核算模型，分析长江经济带社会经济系统磷代谢的主要过程及规律；党春阁等25通过构建元素物质流平衡图，以案例分析的形式研究涉砷企业中砷污染控制的关键环节和防控方向；白桦等26通过元素流分析方法，针对中国皮革行业中铬的流动和代谢过程建立了制革生产铬元素平衡图，识别了影响铬最终分配的关键节点和参数。笔者采用该方法，配合关键点位取样检测等定量化研究手段，构建电解铝行业氟平衡，系统分析电解铝行业生产全过程中氟元素的流向，并针对重点环节提出合理化管控建议。2电解铝企业概况与数据来源 2.1电解铝企业概况企业 A 的电解车间槽型为 400 kA 预焙烧阳极电解槽，总计包含 300 台电解槽，搭配建设 4 套（1#4#）烟气净化设施。烟气净化系统采用业内较普遍的氧化铝干法吸附+布袋除尘器净化（除尘率为99%，氟吸附率为 99.2%）的工艺，每套净化系统的后端串联 1 套干法脱硫工艺（脱硫率为 56%，脱氟率为32%）。企业电解铝生产采用熔盐电解法，主要原辅材料为氧化铝、氟化盐（冰晶石和氟化铝）、预焙阳极碳块，以电力作为主要能源。电解铝主要工序分为电解、净化、铸造，主要工艺流程以