电解铝材料生产中氟化物污染特征及形态.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属工程 ,犱 狅 犻:犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期:基金项目:云南省人力资源社会保障厅牵头项目 年人才发展专项资金()犉 狌 狀 犱:()作者简介:梅向阳(),男,博士研究生,正高级工程师,长期从事环境影响评估和环境污染防治工作。通信作者:毛玫清(),女,硕士研究生,高工,长期从事环境影响评估和环境污染防治工作。引用格式:梅向阳,卿华,刘群星,等电解铝材料生产中氟化物污染特征及形态有色金属工程,():,():电解铝材料生产中氟化物污染特征及形态梅向阳,卿华,刘群星,赵华,毛玫清(云南省生态环境工程评估中心,昆明 ;昆明理工大学 环境科学与工程学院,昆明 )摘要:云南省电解
2、铝材料产业近年发展迅猛,其氟化物排放引起的环境污染问题一直备受关注。就某电解铝材料厂为研究对象,对电解铝材料生产各环节固废中氟化物的含量和存在形态进行检测,并对生产过程中原料、产品、固废等进行了统计,结合实际开展了氟化物平衡计算。电解铝材料生产过程中,的氟化物由固废带出,的氟化物以有组织烟气、无组织天窗废气逸散的形式进入外环境,可通过增设高效脱硫协同脱氟设施和提高电解槽集气效率等措施,减缓氟化物对环境的污染。经检测分析,固废中氟化物以 、和 等难溶或微溶于水的化合物形态存在,土壤中水溶性氟化物含量占总氟化物的比例不足,表明氟化物排放和土壤环境污染之间存在一定的关联性。氟化物在土壤中累积效应较为
3、明显,在第一类用地和第二类用地条件下,电解铝厂周围区域表层土壤中氟化物的总危害指数分别为 和 ,周围土壤健康风险评估结果为可接受。关键词:电解铝材料;氟化物;形态;污染控制中图分类号:文献标志码:文章编号:()犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊犪 狀 犱犉 狅 狉 犿 狊狅 犳犉 犾 狌 狅 狉 犻 犱 犲犘 狅 犾 犾 狌 狋 犻 狅 狀犻 狀犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犾 狔 狋 犻 犮犃 犾 狌 犿 犻 狀 狌 犿犘 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀 ,(,;,)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,第期梅向阳等:电解铝材料生产中氟化物污染特征及形态 ,犓 犲 狔狑
4、 狅 狉 犱 狊:;进入 世纪以来,拉动世界电解铝材料工业快速增长的主要因素是中国,正经历电解铝材料生产由消费地向资源丰富、电价低廉的地区转移,其中云南省是电解铝材料产能置换购入大户 。云南省由于区域水电资源丰富,近年来承接了东部省份大量的水电铝材料项目,电解铝产能从 年的 万增加到 年的 万,产能从全国第七位跃居第四,年由于承接了山东和河南的电解铝产能,产能总量跃居第三,仅次于山东和新疆。电解铝属于高耗能、高污染行业,将会产生大量的含氟废气,吨铝全氟排放量为 ,但据近期排污许可证数据统计,吨铝全氟排放量为 。电解铝含氟烟气将会经干湿沉降作用进入土壤,周围土壤环境受到污染,给土壤环境带来极大的
5、危害 。土壤中的氟化物过高,可能会影响周围地表水、地下水和农作物中的氟浓度,从而进入食物链影响生长发育和骨骼发育等 。目前,对电解铝材料厂的氟化物平衡、氟化物排放对土壤的影响、电解铝行业碳排放等研究有部分报道 ,但从电解铝生产全过程分析氟化物产生及流向,对实际生产进行系统的检测和统计基础上的平衡核算,以及对生产系统各物质的氟化物存在形态及与环境中氟化物形态响应关系研究还鲜见报道。因此,在理清电解铝氟化物的产排和流失途径及形态的基础上,系统监测大气、土壤、水环境的氟化物浓度水平,分析氟化物在土壤表层及深层的氟化物浓度及垂直分布特征,研究各固废中氟化物形态和土壤中氟化物污染特征之间的响应关系,提出
6、电解铝厂氟化物污染控制途径和措施,对缓解电解铝项目氟污染具有重要意义,为电解铝行业绿色环保发展奠定一定的理论基础。电解铝工艺及氟化物产排节点云南省电解铝材料企业生产工艺相对成熟,均采用氟化盐氧化铝熔盐电解法,仅生产规模不一致,电解槽的规模上有所区别,省内近年来新建项目以 及以上规模的大型预焙阳极电解槽为主,早期以 及以下预焙阳极电解槽为主。生产工艺以氟化盐作熔剂,采用炭素材料作阳极,直流电流通入电解槽,在阴极和阳极上发生电化学反应。(阴极反应)(总反应)同时由于原料和空气中水分的存在,电解过程还发生如下副反应:?,此副反应是电解铝生产过程污染物氟化氢的主要来源。生产过程中加入电解槽的氟主要由原
7、辅料氟化盐、烟气净化系统吸收形成的载氟氧化铝和返回生产工艺的废电解质带入,氟的去向主要为电解槽内槽衬吸收、烟气净化系统吸收形成的载氟氧化铝、经处理后的电解烟气排放和电解车间电解槽含氟烟气无组织逸散,以及炭渣、铸造渣、残阳极、废电解质、脱硫渣等固废带出。氟化盐在熔盐电解过程产生电解烟气中气态氟化物以氟化氢为主,固态粉尘中氟化 物 以 氟 化 铝 和 氟 化 钠 为 主,约 占 粉 尘 总 量的 。研究区和监测方案 研究区基本情况研究对象为云南省某电解铝材料厂,地处山区,用地大致呈梯形,原始地形起伏较大,场地现有地形总体西高东低。场地东北、西北及正北方紧邻山丘,西面临近的高地主要是农田和村庄,场地
8、周边地形地貌如图所示。该厂投 产于 年 月,电解铝总生产规模为 万,建设两个电解铝车间,采取车间内配料、密闭的超浓相输送,电解槽采用高效导杆密封装置与整体模压弧形槽罩板等密闭结构,设残极冷却箱,电解槽有组织含氟废气采用氧化铝吸附布袋除尘半干法有 色 金 属 工 程第 卷脱硫,脱氟效率为。图场地周边地形地貌三维图犉 犻 犵 犜 犺 狉 犲 犲 犱 犻 犿 犲 狀 狊 犻 狅 狀 犪 犾犿 犪 狆狅 犳 狋 犲 狉 狉 犪 犻 狀犪 狀 犱 犾 犪 狀 犱 犳 狅 狉 犿犪 狉 狅 狌 狀 犱狋 犺 犲 狊 犻 狋 犲 监测方案对生产工艺原料、固废和周围环境进行同时监测,周围环境监测分为土壤、大气
9、、水环境监测及农作物氟化物含量监测,监测布点见图。兼顾周围距离较近的环境敏感点及风向布设土壤监测点,每个采样点分别在 和 土层取样,环境监测取样时间为 年 月。为了分析氟化物在土壤中垂直输送和迁移规律,对每个点位土壤中的水溶性氟化物和总氟化物进行了测定,土壤中水溶性氟化物和总氟化物的测定方法为离子选择电极法();对该电解铝厂的上下风向大气环境质量氟化物进行了布点监测,连续一年每个月连续监测三天;地表水环境布点选取了厂区附近的河流上下游进行了布点监测(监测因子为氟化物),分别为厂区上游 处、上游 处、下游 处和 处,共个断面;区域地下水总体流向为西北向东南,监测点选取了厂区侧上游和下游的泉点图场
10、地周边监测采样布点图犉 犻 犵 犕 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵 狊 犪 犿 狆 犾 犻 狀 犵 犾 犪 狔 狅 狌 狋 犪 狉 狅 狌 狀 犱狋 犺 犲 狊 犻 狋 犲进行了监测(监测因子为氟化物);对厂区附近个点位的农作物蒜苗和白菜进行了取样分析,监测因子为氟化物;同时,为了解生产工艺氟化物排放和周围土壤中氟化物累积的关联性,对生产工艺各固废及周围土壤中氟化物含量及氟化物赋存形态进行了粉末多晶 分析检测。结果与讨论 氟化物的带入该电解铝厂加入电解槽中的氟化盐主要为氟化铝、烟气净化系统吸收形成的载氟氧化铝和返回生产工艺的废电解质。氟化铝()中明确氟化铝中氟占比约,经本次取样检测氟含量为
11、 。经取样检测,烟气净化系统吸收形成的载氟氧化铝中氟占比为 ,返回生产工艺的废电解质中氟占比为 。根据该电解铝厂生产统计,该电解铝厂生产中使用的含氟原辅料主要为氟化铝,仅在开始启槽时加入冰晶石,其他过程中利用返回生产的废电解质,不再加入冰晶石,加入氟化铝量为 铝,带入工艺的总氟为 铝;返回工艺的废电解质来源于残极清理回收的电解质和电解槽铝水带出的电解质,两个工序合计带出废电解质含氟为 铝,该部分废电解质全部返回电解槽利用;载氟氧化铝带出总氟量为 铝,该部分载氟氧化铝全部返回电解铝生产工艺。氟化物的输出氟在生产工艺中的去向主要为电解槽内槽衬吸收、烟气净化系统吸收形成的载氟氧化铝、经处理后的电解烟
12、气排放和电解车间电解槽含氟烟气无组织逸散,以及炭渣、铸造渣、残阳极、废电解质、脱硫渣等固废带出。经 取 样 检 测,电 解 槽 内 槽 衬 中 氟 占 比 为 ,烟气净化回收的载氟氧化铝中氟占比为 ,电解过程产生的炭渣中氟占比为 ,铸造渣中氟占比为 ,残阳极中氟平均占比为 ,脱硫渣中氟占比为 。另外电解车间电解槽含氟烟气无组织逸散含氟粉尘部分沉降于车间内,其余经过车间天窗外排环境。经取样检测,电解车间地面沉降尘中氟占比为 。同时,根据竣工环境保护验收报告中烟气量和氟化物浓度监测结果,计算该电解铝厂电解烟气中氟化物最大排放量为 铝。根据电解铝厂提供的各固废产生量及本次取样检测氟化物浓度结果,电解
13、第期梅向阳等:电解铝材料生产中氟化物污染特征及形态槽内槽衬、废电 解 质、烟 气 净 化 回 收 的 载 氟 氧 化铝、炭渣、铸造渣、残阳极、脱硫渣中氟化物带出量分 别 为 、铝。由于天窗无组织排放氟化物监测较为困难,此部分氟化物排放情况由平衡推算。根据氟平衡计算可知,电解槽无组织排放和车间沉降灰总氟量为 铝,电解槽集气效率为 。据相关资料及调查研究,电解烟气无组织排放氟包含气氟和固氟,气氟和固氟各占比为,其中固氟颗粒在电解车间沉降约,气氟和其余固氟由天窗排放。由此计算可知,车间沉降灰总氟化物为 铝,车间天窗排放为 铝。该电解铝厂的氟化物平衡见图。图电解铝生产氟平衡图犉 犻 犵 犉 犾 狌 狅
14、 狉 犻 狀 犲犫 犪 犾 犪 狀 犮 犲犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 狋 犺 犲犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犾 狔 狋 犻 犮犪 犾 狌 犿 犻 狀 狌 犿狆 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀从平衡图可知,该电解铝厂的氟化铝和冰晶石加入量、电解槽集气效率及电解烟气净化效率均达到了 清洁生产标准 电解铝业()中的 国 际 先 进 水 平。在 电 解 铝 生 产 过 程 中 的氟元素赋存于固废中,的氟元素以有组织烟气排放于外环境,的氟元素在电解槽中无组织逸散,无组织逸散废气中部分含氟颗粒沉降于车间,此部分氟化物占比为 ,天窗无组织氟化物排放占比为 。由此可见,控制氟化物的排放应加大含氟固废
15、的综合利用、提高烟气集气效率和烟气中氟化物的去除效率。对于控制电解槽废气无组织排放问题,采取了车间内电解槽上部集气结构采用双烟管和高效导杆密封装置与整体模压弧形槽罩板密闭结构等措施,进一步提高电解槽集气效率。目前残阳极交由阳极碳素厂进行回收利用,废电解质和除尘灰回用于电解工艺利用;铸造浮渣可回收其中的铝和作为净水剂制备原料,综合利用的途径较多工艺相对成熟;炭渣和电解槽内槽衬综合利用近期也出现了水泥窑协同处置技术、高温熔融玻璃化资源利用技术、阴极炭块掺烧技术和电解槽协同利用技术等,但目前这两类固废综合利用技术并不成熟,成本较高,大部分电解铝企业仍然采取库内暂存或危废渣场填埋。另外,湿法脱硫渣一般
16、作为建筑材料的原料进行综合利用,但该电解铝厂半干法脱硫渣由于硫酸钙(经本次检测硫酸钙含量为 ,亚硫酸钙含量为 )和水分含量低达不到要求,造成作为建材原料综合利用后水泥缓凝效果不佳等原因而综合利用途径不畅,仍大量堆存于厂区。周围环境氟化物污染特征 周围土壤氟化物污染 周围土壤氟化物污染特征土壤中氟化物监测结果见表。利用 环境影响评价技术导则 土壤环境(试行)()土壤污染模型进行预测计算,每年氟化物在土壤中的积累增量犛为 。根据电解铝厂环评土壤环境现状监测资料,该电解铝厂项目区域土壤 氟 化 物 监 测 值 最 低 为 ,最 高 为 。从监测结果对比可知,预测结果与监测累积结果没有良好的对应关系,
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