鋁電解凈化系統(tǒng)動力電的節(jié)能探討

趙文燕

(中國鋁業(yè)青海分公司電解廠， 青海 大通 810108)

0 前言

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)主要采用冰晶石- 氧化鋁熔鹽電解法[1]，電解陰陽極采用炭陰極和炭陽極，直流電通入電解槽，在陰極和陽極上起電化學反應，陰極上產(chǎn)生鋁液[2-3]，鋁液經(jīng)真空抬包吸出后送到鑄造生產(chǎn)成鋁錠、鋁板等產(chǎn)品；陽極產(chǎn)生CO和CO2，以及少量的氟化物和SO2氣體，氣體經(jīng)過凈化系統(tǒng)凈化后，廢氣排放進入大氣，回收的氟化物返回電解槽[4]。因此，電解系列的布置一般采用電解廠房兩列縱向排列中間設置凈化系統(tǒng)的方式，即兩個電解廠房加凈化系統(tǒng)。電解凈化系統(tǒng)一般采用氧化鋁干法凈化，系統(tǒng)由氧化鋁儲運、布袋除塵器、氧化鋁輸送系統(tǒng)、排煙機等組成，主要負責電解煙氣的凈化和電解槽氧化鋁的供料任務，是電解系列的輔助單元。

電解鋁的生產(chǎn)成本主要由原料和材料費、電力費、工資、折舊和管理費等組成，其中原料和材料費約占成本的46.4%，電力費占30%～35%，其它占15%～20%[1]。作為高耗能企業(yè)，想在鋁行業(yè)立于不敗之地需要有低成本氧化鋁和低成本的電價。而對于國內(nèi)鋁電解企業(yè)而言，氧化鋁在鋁電解生產(chǎn)中的成本差異不大，主要是電力成本造成的優(yōu)勢差別。目前許多鋁電解企業(yè)一方面積極爭取政府電價優(yōu)惠政策，另一方面降本增效，降低噸鋁生產(chǎn)電耗來增加自身的優(yōu)勢，尋找企業(yè)生存發(fā)展之路。鋁電解生產(chǎn)中的電耗由直流電和動力電兩部分組成，電解槽生產(chǎn)使用直流電，這部分能耗的降低主要通過推廣使用新型節(jié)能電解槽技術、低電壓生產(chǎn)技術來逐步實現(xiàn)；輔助生產(chǎn)設備使用交流電(動力電)，其中凈化系統(tǒng)動力電消耗比重最大，在整個動力電構成中約占79%，有進一步節(jié)約的空間。

1 凈化系統(tǒng)工藝現(xiàn)狀及動力電的組成

某公司三系列凈化系統(tǒng)分為東、中、西三套系統(tǒng)，負責282臺200 kA電解槽煙氣的凈化和供料工作，其中西部系統(tǒng)負責108臺電解槽煙氣回收、中部系統(tǒng)負責80臺電解槽煙氣回收、東部系統(tǒng)負責94臺電解槽煙氣回收。

1.1 電解煙氣干法凈化工藝流程

電解煙氣凈化采用干法凈化方式，來自電解槽的煙氣收集后通過地下煙道進入12～14個垂直煙道，與來自新鮮氧化鋁料倉的新鮮氧化鋁通過VIR反應器充分反應吸附進入袋濾室，吸附煙氣在針刺尼布袋的過濾下通過煙道收集沿煙囪排出；吸附在布袋外表面的氧化鋁在反吹氣缸的作用下沉降到袋濾室底部，一部分通過溜槽輸送到氣力提升機提升到33 m處的載氟氧化鋁料倉，最后在超濃相系統(tǒng)的輸送下輸送到電解槽上部料箱供電解使用；另一部分則通過溜槽輸送到垂直煙道VIR反應器再次循環(huán)吸附。電解煙氣干法凈化工藝流程如圖1所示。

圖1 電解煙氣干法凈化工藝流程

1.2 凈化系統(tǒng)的動力電組成

凈化系統(tǒng)動力電消耗的主要設備包括三個方面，一是用于電解煙氣收集排出功率在630～900 kW的型號為Y4- 73 No23.50和Y4- 73 No29.50的排煙機；二是用于氧化鋁輸送功率在7.5～75 kW的型號為9- 19- 7.1D的高壓離心風機和型號為R602a羅茨風機，其中羅茨風機主要用于氣力提升和袋濾室供風，高壓風機主要用于氧化鋁溜槽供風；三是照明及控制設備。其主要風機類設備運行情況及用途見表1。

表1 三系列凈化系統(tǒng)風機類主要設備運行情況及用途

根據(jù)每月凈化系統(tǒng)動力電總表電量抄表數(shù)字統(tǒng)計，2018年1—12月份三系列凈化系統(tǒng)動力電總電量及噸鋁電耗見表2。由表2可知，整個三系列凈化系統(tǒng)動力電每月電量平均為2 490 452 kWh，噸鋁電耗平均為206.2 kWh/t-Al，占所在電解系列月平均電解生產(chǎn)動力電消耗量(3 172 550.38 kWh)的78.5～79.0%。

表2 2018年1—12月三系列凈化系統(tǒng)動力電月總電量及噸鋁電耗

2 凈化系統(tǒng)的優(yōu)化改造

從凈化系統(tǒng)動力電消耗的組成來看，照明及控制設備動力電節(jié)能空間有限，風機類設備才是優(yōu)化動力電消耗的主要方向。在凈化系統(tǒng)的各類風機中，排煙機雖然功率最大，消耗電量也最大，但由于排煙機負責電解煙氣的回收，關乎電解廠房煙氣的凈化效果和氟化鹽的回收，在目前環(huán)保督查和氟化鹽高價格的壓力下已無節(jié)電的潛力和空間。因此，凈化系統(tǒng)風機類設備的動力電節(jié)電主要依靠羅茨風機、高壓風機這兩類氧化鋁輸送、供風設備，此類設備節(jié)電除主要依靠變頻控制等節(jié)能技術外，還有一種就是通過減少設備運行臺數(shù)或調(diào)整運行壓力達到節(jié)能的目的。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，要實現(xiàn)供料風機的后者節(jié)電措施，凈化系統(tǒng)供料工藝就必須滿足兩個條件，一是氧化鋁供料在較小的風量和壓力下就可以達到氧化鋁輸送流動的目的；二是在減少系統(tǒng)用風量或減少風機運行臺數(shù)的條件下同樣也能滿足凈化工藝要求。

2.1 系統(tǒng)供料工藝存在的問題

在參照一系列凈化系統(tǒng)氧化鋁輸送優(yōu)化先進經(jīng)驗的基礎上，對三系列凈化系統(tǒng)供料工藝存在問題進行診斷和分析，系統(tǒng)存在以下主要問題：

1)從新鮮氧化鋁料倉進入凈化系統(tǒng)氧化鋁輸送溜槽之前，氧化鋁除雜裝置單一，僅能清除氧化鋁中較大的雜質(zhì)，如掃把棍、塑料等，無法清除細小的顆粒雜質(zhì)，顆粒雜質(zhì)進入溜槽和袋濾室后，在沸騰版上部形成一層厚厚的雜質(zhì)層影響氧化鋁的輸送，增加風機運行時間和運行壓力。

2)現(xiàn)有的垂直煙道氧化鋁與煙氣的VIR反應器由于雜質(zhì)原因，經(jīng)常造成氧化鋁堵塞，影響電解煙氣凈化效果，與一系列凈化系統(tǒng)地下煙道投料方式比較，職工操作難度大、清料工作頻繁，需要消耗一定的壓縮空氣和高壓風。

3)新鮮氧化鋁料倉底部出料溜槽為水平溜槽，在雜質(zhì)的影響下，溜槽經(jīng)常堵料、下料不暢，現(xiàn)場設置了多處清理溜槽積料的高壓風機管道。

上述問題不僅影響凈化系統(tǒng)的正常供料，而且增加了供料系統(tǒng)的用風量即增加動力電耗。

2.2 優(yōu)化改造方案

針對上述問題，對三系列凈化系統(tǒng)制定了節(jié)能優(yōu)化改造方案：

1)將新鮮氧化鋁料倉底部水平溜槽改造為傾斜角在7°左右的斜溜槽，增加溜槽內(nèi)氧化鋁的流動性，杜絕堵料現(xiàn)象的發(fā)生。

2)在新鮮氧化鋁料倉底部出料溜槽下方，增設1套組合式氧化鋁除雜裝置，如圖2所示。根據(jù)粉狀氧化鋁安息角大于40°的特性，在氧化鋁料下料口安裝坡度大于40°的10 mm×10 mm鐵絲網(wǎng)溜槽，先除去掃把棍、塑料條等大塊雜質(zhì)，過濾后的氧化鋁及小于鐵絲網(wǎng)網(wǎng)眼的顆粒雜物在重力作用下進入鐵絲網(wǎng)溜槽下方的沸騰室，在沸騰板的作用下，較輕的氧化鋁通過導流板流入控料室，細小顆粒雜質(zhì)則沉淀在沸騰室底部，通過人工定期從快開門處進行清理，確保細小雜質(zhì)也過濾在凈化系統(tǒng)供料溜槽前端，防止細小顆粒雜質(zhì)進入溜槽或袋濾室。該組合除雜裝置保證了溜槽和袋濾室沸騰板無雜質(zhì)，并確保供料暢通。

3)將現(xiàn)有的三套系統(tǒng)40個電解煙氣與氧化鋁反應VIR器投料停運，在電解煙氣進入袋濾室前的地下煙道上方安裝線性布料器，將VIR反應器投料改為地下煙道投料，停用VIR反應器所用壓縮空氣和溜槽供風的高壓風。

4)將系統(tǒng)中袋濾室底部羅茨風機、高壓風機管道串聯(lián)實現(xiàn)風源的共享。

通過上述一系列優(yōu)化改造方案，在確保氧化鋁輸送的前提下，可極大降低氧化鋁輸送系統(tǒng)的用風量，為凈化系統(tǒng)部分風機的停用創(chuàng)造條件。

1-鐵絲網(wǎng)；2-排渣快開門；3-觀察快開門；4-收塵管；5-導流板；6-流量控制閘閥圖2 組合式氧化鋁除雜箱示意圖

2.3 煙氣凈化投料方式改變對凈化效果的影響

目前，各鋁電解企業(yè)對電解煙氣的凈化多采用干法凈化方式，但干法凈化的氧化鋁投料方式各有不同，主要有文丘里法、VIR反應器、地下煙道(兩段干法凈化)等。某公司一、二系列凈化系統(tǒng)均采用線性布料器地下煙道投料方式，一直沿用至今，凈化效果良好，因此由VIR反應器投料改為地下煙道線性布料器投料有成熟的經(jīng)驗技術可以借鑒。地下煙道投料沒有改變煙道結構或增加負壓泄漏點，即沒有增加系統(tǒng)煙氣阻力或負壓損失，不會對煙氣凈化系統(tǒng)凈化效率造成任何影響。

根據(jù)國家《鋁工業(yè)污染物排放標準》[5]規(guī)定，現(xiàn)有企業(yè)電解煙氣凈化污染物排放標準為：顆粒物≤30 mg/m3，二氧化硫≤200 mg/m3，氟化物≤4.0 mg/m3。經(jīng)查閱,改造前2018年三系列凈化煙氣在線檢測數(shù)據(jù)顆粒物平均為8.0 mg/m3、二氧化硫平均值為124.9 mg/m3(氟化物因不在檢測范圍內(nèi)無法統(tǒng)計),遠遠小于國家環(huán)保要求。但為確保改造效果，先選取某一凈化系統(tǒng)4個電解煙氣地下煙道的一處進行改造，持續(xù)監(jiān)控改造后凈化煙氣污染物中的顆粒物、二氧化硫排放量，待滿足要求后再繼續(xù)改造，避免造成環(huán)保問題。

3 凈化系統(tǒng)優(yōu)化改造方案的實施效果

由于生產(chǎn)工藝影響，某公司的三系列凈化系統(tǒng)優(yōu)化改造持續(xù)了約一年，至2019年12月初完成全部改造工作。經(jīng)過3個月的運行，三系列凈化系統(tǒng)在停用部分風機后，對凈化效率和污染物排放沒有造成影響，實現(xiàn)了節(jié)約風機運行動力電的目的。

3.1 凈化效果滿足環(huán)保要求

2020年1—3月的電解三系列凈化后的環(huán)保煙氣在線檢測數(shù)據(jù)為：顆粒物平均8.9 mg/m3、二氧化硫平均值112.3 mg/m3、煙氣靜壓平均值-1 514.7 Pa，滿足凈化效率及環(huán)保要求。

3.2 噸鋁電耗降低

風機電機動力電消耗計算公式如下：

E=1.732UICOSψt/1 000

(1)

式中：E——風機電機動力電耗，kWh；

U——電機電壓，通常為308 V；

I——額定電流，A；

COSψ——功率因數(shù)，一般取0.85；

t——電機運行時間，h。

根據(jù)式(1)，三系列凈化系統(tǒng)優(yōu)化改造后停用 2臺75 kW羅茨風機、1臺55 kW羅茨風機，理論上每年可節(jié)約用電量為1.732×380×(141×2+104.4)×0.85×365×24/1 000≈1 893 614.8 kWh；以系列年生產(chǎn)原鋁16萬t計算，則理論上噸鋁可節(jié)電約11.8 kWh/t-Al。

對改造全部完成后的2020年1—3月動力電總量和噸鋁耗電量進行統(tǒng)計分析，見表3。由表3可知，與改造前的噸鋁電耗206.20 kWh/t-Al相比，改造后實際降低了4.42 kWh/t-Al，理論和實際的偏差與排煙機開啟角度等其它因素有關。

表3 2020年1—3月三系列凈化動力電總電量及噸鋁電耗

3.3 節(jié)約空壓風量

凈化系統(tǒng)改變投料方式后，停運40個VRI反應器，年節(jié)約空壓風量約1 087 992 m3。

4 結束語

風機類設備節(jié)電措施除了傳統(tǒng)的變頻控制等方法外，從生產(chǎn)工藝方面進行優(yōu)化也可以達到節(jié)能的目的。這種優(yōu)化實踐不僅達到了節(jié)能的目的，同時也節(jié)約了設備維修費用，降低了職工巡檢勞動強度，對各鋁冶煉企業(yè)凈化系統(tǒng)的節(jié)能降耗具有一定的借鑒意義。下一步，某公司將從選用節(jié)能電機、節(jié)能LED廠房照明燈等多方面進一步優(yōu)化電耗，力爭從各個方面降低電耗，提高公司成本競爭力。