整體成型陰極實驗排煙分析及控制

鄧 翔,曹斌,張嘉,楊運(yùn)川,柴婉秋,吳中鼎

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

在鋁電解槽整體成型陰極焙燒過程中,由于糊料升溫散發(fā)大量的揮發(fā)分(瀝青煙、焦油等),這部分揮發(fā)分散發(fā)到車間內(nèi)將對車間環(huán)境造成破壞,而現(xiàn)有設(shè)計的電解槽排煙系統(tǒng),理念是在電解槽閉槽工作條件下進(jìn)行排煙,無法實現(xiàn)在無槽蓋板密閉條件下進(jìn)行集氣排煙。另外,鋁電解槽整體成型陰極焙燒高溫階段,陰極下層材料隨著溫度升高釋放的揮發(fā)分無法穿透上層材料釋放,通過陰極鋼棒窗口從電解槽兩側(cè)逸散出來,使電解槽焙燒煙氣通過不同位置按一定時間周期散發(fā)。

電解槽整體成型陰極焙燒采用在爐膛內(nèi)燃?xì)獗簾?爐膛內(nèi)陰極和陽極之間保持250 mm左右空間,燃燒煙氣及上層陰極材料釋放的揮發(fā)分通過上部排氣口排出,下層材料釋放的揮發(fā)分通過陰極鋼棒窗口從電解槽兩側(cè)散發(fā),電解槽兩側(cè)煙氣散發(fā)成為鋁電解槽整體成型陰極焙燒煙氣收集的難題。

1 煙氣成分及煙氣量分析

鋁電解槽整體成型陰極主要材料為改性石油焦+粘結(jié)劑,粘結(jié)劑主要成分是煤瀝青和煤焦油,其中,煤瀝青30%,煤焦油70%,陰極材料揮發(fā)分主要是煤瀝青和煤焦油受熱過程中產(chǎn)生的揮發(fā)分。

1.1 陰極材料揮發(fā)分總量分析

以200kA電解槽為例,電解槽底部糊用量27.5噸,側(cè)部糊用量9.5噸。其中底部糊粘結(jié)劑比例為15%(其中煤瀝青占4.5%,煤焦油占10.5%),側(cè)部糊粘結(jié)劑比例為12%(其中煤瀝青占3.6%,煤焦油占8.4%),則煤瀝青用量為27.5噸×4.5%+9.5噸×3.6%=1.5795噸,煤焦油用量為27.5噸×10.5%+9.5噸×8.4%=3.6855噸。

通過小試試驗測試分析,粘結(jié)劑揮發(fā)分轉(zhuǎn)化為粘結(jié)劑焦比例為30%～50%,取值35%計算;底部糊入槽揮發(fā)分為8.4%,側(cè)部糊入槽揮發(fā)分為6.5%。200 kA電解槽排放的揮發(fā)分總量為:27.5×8.4%×65%+9.5×6.5%×65%=1.903噸。

1.2 最大揮發(fā)速率

焙燒期間揮發(fā)分揮發(fā)最快溫度區(qū)間為200～450 ℃,加熱期間溫度升至450 ℃前揮發(fā)總量約為1.52噸(總量2.234噸),其中溫度200 ℃以下?lián)]發(fā)量0.3噸,約占1/5,200～450 ℃溫度段揮發(fā)量約為1.22噸。

圖1 煙氣散發(fā)量與溫度的關(guān)系圖

1.3 排煙量的確定

根據(jù)升溫曲線控制升溫速率,200～450 ℃升溫速率控制在每小時5 ℃左右,揮發(fā)分最大散發(fā)速率為24.4 kg/h。

整體成型陰極焙燒在200～450 ℃升溫過程中,焙燒用天然氣消耗量最大,煙氣量和煙氣中顆粒物濃度最高。根據(jù)焙燒熱量輸入及平衡計算,200 kA電解槽整體成型焙燒最大小時天然氣消耗量為20 Nm3/h(實際均值13 Nm3/h),瞬時可能最大天然氣消耗量為45 Nm3/h(實際瞬時峰值),氧氣消耗量約為40～45 Nm3/h,過氧量取值10倍,空氣需要量約為2000～2250 Nm3/h(實際值1588～1800 Nm3/h),產(chǎn)生煙氣量約為2000～2250 Nm3/h,系統(tǒng)排煙量理論計算最大4500 Nm3/h,凈化系統(tǒng)設(shè)計開槽最大工況排煙量為9000 m3/h,系統(tǒng)單槽排煙可滿足排煙要求。

1.4 排煙風(fēng)量控制分配

整體成型陰極焙燒是一個從上至下逐漸升溫的過程,在焙燒過程中,熱量傳遞及散發(fā)使陰極材料形成由爐膛至四周遞減溫度梯度,并形成煙氣逐步散發(fā)的傳遞過程。整體成型陰極焙燒過程中,實際散發(fā)煙氣量產(chǎn)生梯度延遲,電解槽中心及上部糊料含有的揮發(fā)分首先散發(fā)至電解槽爐膛內(nèi),部分在爐膛內(nèi)被氧化,另外一部分與爐膛燃燒尾氣一起從爐膛排氣口排出;隨著爐膛溫度逐步升高,等溫線逐漸向外擴(kuò)展,揮發(fā)分逸出逐漸向外擴(kuò)展,爐膛內(nèi)匯集的揮發(fā)分逐漸減少,底層糊料散發(fā)的揮發(fā)分逐步沿陰極鋼棒向電解槽槽邊逸散,焙燒煙氣控制分兩個階段進(jìn)行。

第一階段:爐膛排煙階段,爐膛溫度～450 ℃,整體成型電解槽內(nèi)溫度逐步升高,下層糊料處于預(yù)熱階段,電解槽兩側(cè)沒有煙氣散發(fā),煙氣主要是上層糊料散發(fā), 電解槽排煙口設(shè)計3個Φ150排氣管,分別安裝在電解槽兩端及電解槽中部,單管排煙量750 Nm3,管道煙氣流速16 m/s。

第二階段:爐膛排氣、電解槽側(cè)部排煙階段,爐膛煙氣中揮發(fā)分基本被燃燒充分,排氣主要是天然氣燃燒尾氣和少量揮發(fā)分燃燒后排氣,電解槽兩側(cè)陰極鋼棒位置煙氣逐步散發(fā),電解槽進(jìn)入側(cè)部排煙模式,側(cè)部排煙和爐膛頂部排氣分配比例為1∶1。

2 排煙系統(tǒng)設(shè)計及影響分析

排煙系統(tǒng)設(shè)計按兩種工況兼顧設(shè)計,電解槽頂部排煙按系統(tǒng)總排煙量設(shè)計,側(cè)部排煙按總排煙量的1/2設(shè)計,電解槽兩側(cè)設(shè)側(cè)部排煙罩,各支管設(shè)置調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)第一階段運(yùn)行時,關(guān)閉兩側(cè)調(diào)節(jié)閥,電解槽頂部排煙;第二階段運(yùn)行時,開啟電解槽兩側(cè)煙管控制閥,并調(diào)節(jié)控制電解槽兩側(cè)排煙,同時調(diào)小電解槽頂部排煙干管排煙控制閥開度,實現(xiàn)系統(tǒng)排煙平衡。

2.1 焙燒煙氣對現(xiàn)有電解煙氣凈化系統(tǒng)的影響分析

鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)本身能夠處理含有瀝青焦油的煙氣,預(yù)焙陰極電解槽啟動時,同樣有瀝青煙氣散發(fā);焙燒煙氣凈化系統(tǒng)中,采用氧化鋁吸附的干法凈化方法,在國內(nèi)外有廣泛應(yīng)用,煙氣凈化系統(tǒng)中瀝青煙氣排放濃度低于3 mg/m3。

現(xiàn)有的單套電解煙氣凈化系統(tǒng)配套原鋁產(chǎn)能規(guī)模一般在50 kt/a以上(說明:現(xiàn)有單套電解煙氣凈化系統(tǒng)配套電解鋁產(chǎn)能規(guī)模一般都在5萬噸/年以上,包括現(xiàn)有的和新建的),小時排煙量設(shè)計值為800,000 m3/h以上,單側(cè)煙氣凈化系統(tǒng)煙氣量為400,000 m3/h以上,焙燒煙氣凈化系統(tǒng)中的瀝青煙焦油濃度250～600 mg/m3。按照前述全槽全部材料揮發(fā)分為1.903噸計算,小時最大揮發(fā)量為24.4 kg/h,煙氣中揮發(fā)分濃度為61 mg/m3,比現(xiàn)有系統(tǒng)中的瀝青煙焦油濃度250～600 mg/m3要低得多,因此不會影響鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2 鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)對揮發(fā)分的處理能力及對環(huán)境的影響

試驗產(chǎn)生的煙氣主要是燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣、筑爐材料揮發(fā)分揮發(fā)產(chǎn)生的煙氣、槽啟動過程中可能產(chǎn)生的含氟煙氣,其中,燃料燃燒產(chǎn)生煙氣為普通煙氣,槽啟動過程中產(chǎn)生的含氟煙氣為電解煙氣凈化正常生產(chǎn)煙氣,該兩種煙氣治理均適用于鋁電解煙氣凈化系統(tǒng);對于筑爐材料揮發(fā)分揮發(fā)產(chǎn)生的煙氣,筑爐材料揮發(fā)分主要為煤瀝青和煤焦油揮發(fā)分,該煙氣也可采用鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)氧化鋁吸附的方法對這類煙氣進(jìn)行治理。

如果將焙燒煙氣全部排入電解煙氣凈化系統(tǒng),其短期(36 h)最大揮發(fā)分濃度(61 mg/m3)比現(xiàn)有瀝青煙氣氧化鋁吸附干法凈化處理系統(tǒng)中的瀝青煙焦油濃度250～600 mg/m3要低得多,加之氧化鋁對揮發(fā)分具有吸附作用,因此,煙氣不會影響鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3 揮發(fā)分通過氧化鋁吸附對電解工藝的影響

研究表明,氧化鋁中含碳量超過5%時將影響鋁電解槽的電流效率,但是在本次試驗中,揮發(fā)分含碳量不可能是100%。由于在鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)中,每小時加入系統(tǒng)的氧化鋁量為10噸,5天累計1200噸,假定所有揮發(fā)分全部被氧化鋁吸附,折算到氧化鋁中揮發(fā)分短期最大含量為0.339%,不會影響電解槽電流效率。

2.4 揮發(fā)分冷凝對管路系統(tǒng)的影響

由于小試試驗確定試驗材料在升溫過程中有部分揮發(fā)分散發(fā),在電解槽整體成型焙燒試驗啟動初期,部分揮發(fā)分在電解槽排煙支管內(nèi)部分冷凝,沒有冷凝的煙氣進(jìn)入到排煙總管以后,由于其他槽煙氣溫度的影響及稀釋作用,干管內(nèi)不再冷凝。進(jìn)入焙燒試驗后期,試驗槽排煙溫度升高,揮發(fā)分減少,排煙支管不再產(chǎn)生冷凝作用,同時由于煙氣逐步升高,先前在排煙支管內(nèi)冷凝的揮發(fā)分二次揮發(fā),被帶入到凈化系統(tǒng)中,對排煙支管起到了清理作用。實驗證明,揮發(fā)分冷凝沒有對管路系統(tǒng)產(chǎn)生影響,試驗結(jié)束后管路系統(tǒng)中沒有殘留。

3 結(jié) 語

試驗研究對陰極材料揮發(fā)分測試是在小試環(huán)境下進(jìn)行的,通過坩堝加熱形式進(jìn)行測試,電解槽試驗采用燃?xì)獗簾绞?燃?xì)獗簾倪^程中,部分揮發(fā)分(爐膛排氣部分)將會被氧化,轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水,大大減少了煙氣中揮發(fā)分含量;另外,小試試驗由于使用材料少、體積小,有利于揮發(fā)分充分揮發(fā),電解槽整體成型試驗研究材料用量大、筑爐糊料厚,不利于糊料中揮發(fā)分散發(fā),部分糊料中的揮發(fā)分在升溫過程中由于無法逸散而直接固化,同樣大大減少了煙氣中揮發(fā)分含量。

電解槽整體成型燃?xì)獗簾囼炞C明,煙氣中揮發(fā)分實際含量低于理論值,鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)經(jīng)過整體成型焙燒試驗(一臺槽)后,凈化系統(tǒng)中氧化鋁顏色略有變化(變黑),其余各項指標(biāo)(電解槽運(yùn)行指標(biāo)、氧化鋁流動性)均沒有變化。

另外,電解槽整體成型陰極焙燒試驗排煙效果證明該排煙方法可行,有效控制了整個試驗過程中不同焙燒階段的排煙,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。