鋁電解生產(chǎn)中均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓分析

蘇義鵬

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 811600）

干法凈化技術(shù)作為一種新技術(shù)，其優(yōu)勢為高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和效率高，因此，在鋁電解生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用極為普遍。這種方法的原理是將氧化鋁做吸附劑，對鋁電解煙氣中HF等有害成分進(jìn)行吸附，同時對載氟氧化鋁進(jìn)行回收，并使其重新返回到電解槽用于生產(chǎn)。目前，這種方法的成熟度較高，因此，國內(nèi)多數(shù)電解鋁企業(yè)對這種方法進(jìn)行了采用。研究結(jié)果表明，均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓有利于控制污染、減少電解槽熱損失和改善作業(yè)環(huán)境。

1 促進(jìn)煙氣凈化系統(tǒng)集氣效率提升的方法

現(xiàn)階段，國內(nèi)公司設(shè)計的凈化系統(tǒng)，其集氣效率普遍超過98%，但由于電解槽負(fù)壓管理方面存在缺陷，其實際效率與設(shè)計效率之間存在一定的差距，具體為8%左右。提升集氣效率，需要以均衡電解槽負(fù)壓為切入點，為此，本文提出了以下幾點建議：第一，對電解槽操作管理進(jìn)行規(guī)范，如通過密閉槽蓋板的方式，對電解槽煙氣泄漏量進(jìn)行控制；第二，均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓，將負(fù)壓控制在合理的范圍內(nèi)，實現(xiàn)對氟化物等有害氣體的高效捕捉；第三，做好除塵器的維護(hù)工作，在規(guī)定時間內(nèi)檢查其濾袋，確保有效過濾面積保持不變；第四，保證排煙風(fēng)氣的運行穩(wěn)定性，工作人員可以對風(fēng)門開啟角度進(jìn)行調(diào)整，使其與設(shè)計排煙量需求相符；第五，對供配料系統(tǒng)進(jìn)入凈化系統(tǒng)的正壓氣體進(jìn)行控制，這里所說的氣體主要包括電解質(zhì)、超濃相輸送氣體等[1]。

2 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓研究

2.1 電解槽負(fù)壓調(diào)節(jié)現(xiàn)狀

在查閱文獻(xiàn)資料后得知，當(dāng)前國內(nèi)的電解鋁生產(chǎn)企業(yè)，其電解槽在容量、排煙量、煙氣凈化系統(tǒng)等方面存在極為顯著的差異，對電解槽負(fù)壓適用作出明確規(guī)定的企業(yè)相對較少，在調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓時，多數(shù)企業(yè)主要依據(jù)近小遠(yuǎn)大的原則，將目測電解槽無煙氣直接泄漏到廠房作為調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，這種調(diào)節(jié)方法雖然較為簡單，卻沒有考慮電解槽風(fēng)量間的差異。長此以往，會導(dǎo)致電解生產(chǎn)效率下降，嚴(yán)重時，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的安全事故。

本文對某企業(yè)電解槽檢測點負(fù)壓進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1所示。通過觀察下表可知，部分電解槽檢測點的負(fù)壓高達(dá)600Paa以上，而有的僅為80Pa，其高低差值高達(dá)6倍以上，這種情況的存在，使集氣效率受到了不利影響，與設(shè)計要求相距甚遠(yuǎn)，散發(fā)到廠房內(nèi)的無組織煙氣量也因此而增加，制約了電解槽生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展[2]。

表1 某企業(yè)電解槽檢測點負(fù)壓檢測結(jié)果 單位：Pa

2.2 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的作用

均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的作用主要體現(xiàn)在以下方面。

第一，有利于提升集氣效率。在電解槽并未被均衡調(diào)節(jié)的情況下，凈化系統(tǒng)集氣效率相對較低，無法在最大限度上對電解槽熔煉產(chǎn)生的氟化物進(jìn)行收集，導(dǎo)致氟化物回收總量減少，返回到電解車間使用的氧化鋁載氟含量也會同時減少，在這種情況下，電解槽氟化鋁的單耗指標(biāo)會顯著提升，導(dǎo)致鋁電解生產(chǎn)成本增加，不利于企業(yè)的發(fā)展。第二，有利于控制電解槽的溫度。假設(shè)電解槽的型號和生產(chǎn)技術(shù)等條件不變，鋁電解生產(chǎn)中所排放的氟化物，在濃度上不會存在過大的差異。但隨著負(fù)壓檢測點壓力的增加，電解槽膛內(nèi)的負(fù)壓就會增加，在低溫空氣進(jìn)入后，保溫層的溫度會持續(xù)下降，最終使槽溫控制效果受到不利影響。在這種情況下，工作人員需要通過調(diào)高電壓或增加保溫材料等方式，使熔煉溫度滿足正常生產(chǎn)的需求，但這些措施的使用，必然會提高生產(chǎn)成本，不利于企業(yè)獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益。第三，有利于滿足排煙管網(wǎng)的設(shè)計要求。在查閱文獻(xiàn)資料后得知，電解槽膛內(nèi)壓力與支煙管負(fù)壓檢測點壓力存在密切的關(guān)聯(lián)，二者具有正比關(guān)系。均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓，可以使電解槽膛內(nèi)負(fù)壓保持在合理的范圍內(nèi)，因而有利于滿足排煙管網(wǎng)的設(shè)計要求。

2.3 電解槽生產(chǎn)所需的理論負(fù)壓-以420kA電解槽為例

（1）在開啟角度不同時負(fù)壓及流速變化。以某電解鋁廠的電解槽設(shè)備負(fù)壓檢測為例，首先，試驗人員將平臺電解槽支煙管閥門關(guān)閉，但關(guān)閉時間較為短暫，在關(guān)閉后，煙氣沿著蓋板縫隙朝著廠房的方向移動，然后對支煙管閥門開度進(jìn)行緩慢的調(diào)節(jié)，從而獲取在開啟角度不同時，負(fù)壓及流速變化的數(shù)值，如表2所示。在開啟角度為45°時，少量煙氣會通過電解槽蓋板縫隙，朝著槽罩板外的方向散發(fā)；在開啟角度為37°時，煙氣散發(fā)現(xiàn)象幾乎停止；在開啟角度為30°時，外散的煙氣完全沒有，此時的廠房十分明亮。

表2 開啟角度不同時的負(fù)壓及流速變化數(shù)據(jù)

（2）單臺電解槽理論排煙量的計算。目前，相關(guān)領(lǐng)域在電解槽排煙量的計算方面尚未形成統(tǒng)一的看法，從理論意義上來看，生產(chǎn)1000kg鋁水，所排放的煙氣量不存在任何差異，但在考慮槽體長度和槽蓋板密閉情況后，發(fā)現(xiàn)在上述因素的影響下，進(jìn)入槽內(nèi)的空氣量會出現(xiàn)差異。在計算時可采用的計算方法分為兩種，如下所述。

方法1：以管道氣體流量標(biāo)準(zhǔn)計算公式為標(biāo)準(zhǔn)，對排煙量進(jìn)行計算。假設(shè)條件為電解槽的實際槽膛管道內(nèi)徑為600mm，槽膛長度為17.5m，寬度為4.2m。

在上述公式中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的體積流量由V表示，其單位是Nm3/h；管道內(nèi)徑由d表示，單位m；管內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速由ω表示。將這個公式作為計算標(biāo)準(zhǔn)，所得到的計算結(jié)果如下：出口流速為14.78m?s-1，流量為15036Nm3/h。

方法2：以實際生產(chǎn)量作為標(biāo)準(zhǔn)，對排煙量進(jìn)行計算。如果電解槽對傘形排煙集氣罩進(jìn)行了使用，在實際電解生產(chǎn)中所排出的煙氣量相對較小，通常僅為總排煙量的1%，因此，槽體結(jié)構(gòu)是排煙量大小的決定性因素。國內(nèi)學(xué)者在經(jīng)過多年研究后，得到了一個簡單的計算公式。

在上述公式中，單槽排煙量由Q表示，單位是m3/h；槽膛長度由L表示，單位是m；槽膛寬度由W表示，單位是m；槽罩集氣效率由η表示，其取值為0.98；槽罩內(nèi)排煙道抽風(fēng)口控制風(fēng)速，根據(jù)經(jīng)驗將其取值為每秒0.125m。在結(jié)合上述計算條件后，得知單臺電解槽排煙量為每小時9964m3。

（3）計算電解槽生產(chǎn)需求的負(fù)壓值。壓力和煙氣溫度會對電解槽排煙量造成影響，在實際計算過程中，需要對溫度和壓力進(jìn)行修正，以滿足實際工況要求，計算公式如下：

在上述公式中，單槽排煙量由Q表示，單位是m3/h；管道內(nèi)徑由d表示，單位m；管內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速由ω表示，單位是m/s；氣體在載流截面處的壓力由N表示，單位是MPa；絕對溫度由T表示；氣體在載流截面處的實際溫度由t表示。

將上述公式作為依據(jù)，在140℃的條件下，對不同負(fù)壓電解槽的流量進(jìn)行計算，其結(jié)果如表3所示。

表3 電解槽排煙量

通過觀察表3中的數(shù)據(jù)可知，如果電解槽整體密封條件較為良好，且負(fù)壓為左右時，在對其進(jìn)行溫度和壓力修正后，煙氣流量為每小時9676m3；在負(fù)壓為240Pa時，煙氣流量為每小時9045m3；因此，從理論上看，電解槽負(fù)壓為介于300Pa～350Pa的范圍內(nèi)，電解槽的集氣效率最高。

2.4 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的應(yīng)用建議

以某企業(yè)所使用的420kA電解槽為例，經(jīng)過上述計算可知，電解槽在負(fù)壓為300Pa～350Pa時，集氣效率最高，但考慮到凈化系統(tǒng)集氣效率會受到多種因素的影響，并且，每臺電解槽支煙管與凈化系統(tǒng)排煙干管存在連接，在實際調(diào)節(jié)時可能會相互影響，并出現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象。因此，想要使每臺電解槽負(fù)壓相同，在現(xiàn)階段無法實現(xiàn)，只能對其進(jìn)行控制，使其處在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。

（1）均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的方法。在調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓時，首先要測量全部的電解槽負(fù)壓測試點，并將其作為初始數(shù)據(jù)，然后嘗試第一次調(diào)節(jié)，在運行7-15天后，通過復(fù)測的方式，確定電解槽負(fù)壓，然后對較高或過低的負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式為調(diào)整電解槽負(fù)壓支煙管的開度。然后繼續(xù)測量和調(diào)整。在經(jīng)過4次測量后，技術(shù)人員最終確定了合理負(fù)壓，這個負(fù)壓為270Pa～300Pa，在這個負(fù)壓條件下，廠房排煙效果最為顯著，集氣效率也隨之提升。在后續(xù)檢查時，也沒有發(fā)現(xiàn)煙道積料現(xiàn)象，這表明，將負(fù)壓控制在270Pa～300Pa之間，能夠滿足企業(yè)的生產(chǎn)需要。企業(yè)要求作業(yè)人員遵守技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時，在進(jìn)行換極作業(yè)的過程中，每個工區(qū)的電解槽數(shù)量應(yīng)少于2臺，并且單臺槽開啟蓋板的數(shù)量不能超過4塊。在全部作業(yè)完成后，蓋實蓋板，使縫隙不超過0.5mm，且避免漏氣現(xiàn)象的出現(xiàn)，最終實現(xiàn)了負(fù)壓的充分利用。

（2）注意事項。技術(shù)人員在調(diào)節(jié)負(fù)壓的過程中，不僅需要對電解槽生產(chǎn)負(fù)壓要求進(jìn)行考慮，還要控制廠房之間負(fù)壓總值，使兩個廠房之間的差值保持在合理的范圍內(nèi)，在調(diào)節(jié)之前，需要分析電解槽負(fù)壓的數(shù)據(jù)。為確保實測數(shù)據(jù)真實有效，在進(jìn)行支煙管閥門開度調(diào)節(jié)的過程中，應(yīng)主動避開電解車間更換陽極或打開槽板作業(yè)等情況。

3 結(jié)論

實踐結(jié)果表明，在均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓后，載氟氧化鋁載氟含量明顯增加，同時噸鋁氟化鋁單耗也同步下降，證實了本文的研究結(jié)果。建議相關(guān)企業(yè)安排技術(shù)人員，對電解槽進(jìn)行定期的檢測和調(diào)節(jié)?？紤]到電解鋁企業(yè)所使用的電解槽，在容量上存在差異，因此，技術(shù)人員必須將測量數(shù)據(jù)作為調(diào)節(jié)的依據(jù)，保證每臺電解槽的負(fù)壓始終處在合理的范圍內(nèi)，從而發(fā)揮出均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的優(yōu)勢作用。