延長鋁電解炭渣熔煉爐內(nèi)襯使用壽命

王利俊

(內(nèi)蒙古大唐國際呼和浩特鋁電有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206)

1 炭渣產(chǎn)生的原因

鋁電解用陽極是將煅后焦、瀝青、生碎和殘極按照一定比例進行混合，經(jīng)振動成型、高溫焙燒等工序生產(chǎn)出滿足電解需要的陽極塊。在電解槽內(nèi)工作過程中，炭陽極不斷消耗，與氧化鋁發(fā)生電化學反應(yīng)生成 CO2及CO氣體和金屬鋁液[1]。由于原料質(zhì)量、陽極加工質(zhì)量、換極作業(yè)質(zhì)量和電解質(zhì)體系自身存在的問題，使炭陽極在電解槽中出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，進而熔解或漂浮于電解質(zhì)表面，形成炭渣[2]。

2 炭渣對鋁電解生產(chǎn)的影響

2.1 對電解質(zhì)成分的影響

炭陽極在槽內(nèi)掉渣后，炭渣漂浮或熔解在電解質(zhì)中，一部分靠電解槽自身分離排出，一部分由人工打撈，還有少部分不能撈出，仍滯留在電解質(zhì)內(nèi)或漂浮在電解質(zhì)表層，導(dǎo)致電解質(zhì)含碳增加，惡化電解質(zhì)成分，影響到電流效率[3]。

2.2 對電解能耗的影響

電解質(zhì)含炭渣會使熔體電阻增大，電耗隨之增加，同時槽溫上升，嚴重時破壞現(xiàn)有的規(guī)整爐膛。炭渣粒度越小越易熔解在電解質(zhì)中，還不易分離排出，造成惡性循環(huán)。炭渣還會加劇鋁液的二次熔解，降低電流效率[4]。

2.3 對環(huán)境保護的影響

正常情況下，陽極在電解槽內(nèi)發(fā)生電化學反應(yīng)生成二氧化碳陽極氣體經(jīng)煙氣凈化系統(tǒng)凈化排空。隨著電解槽炭渣的增多，被凈化系統(tǒng)帶出的炭渣粉末及其夾雜物進入大氣中，成為大氣污染物，嚴重地影響環(huán)境質(zhì)量。炭渣增多，打撈力度的增大，進入炭渣的氟化鹽必將增多，勢必造成氟化鹽的大量浪費，同時也造成對環(huán)境的污染[4]。

3 炭渣熔煉爐設(shè)計與砌筑

當前炭渣處理技木有浮選和火法處理技術(shù)。二者相比較，火法處理技術(shù)具有電解質(zhì)純度高、經(jīng)濟效益好的特點，是一種十分有前景的處理技術(shù)[5]。經(jīng)統(tǒng)計，我公司電解車間每日約打撈出12 t廢炭渣，年產(chǎn)生量約4380 t。為實現(xiàn)廢物綜合利用，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，保護生態(tài)環(huán)境，我公司于2018年6月1日開工新建2臺火法熔煉爐，日處理20 t廢炭渣，車間占地面積800 m2。

炭渣熔煉爐主要包括熔煉爐本體、燃燒系統(tǒng)、煙氣摻冷風系統(tǒng)、出料系統(tǒng)。炭渣通過爐口加入爐膛內(nèi)，燃燒系統(tǒng)將爐膛爐溫升至1300℃左右，經(jīng)過一段時間后物料融化，爐渣析出，由扒渣爪(斗)從爐口扒出，液態(tài)電解質(zhì)由爐底出料口流出至料斗，經(jīng)自然冷卻成為固態(tài)。熔煉過程中產(chǎn)生的煙氣接入電解煙氣凈化系統(tǒng)，用氧化鋁吸收揮發(fā)的氟化物返回電解槽使用，回收的電解質(zhì)供電解槽再次使用，實現(xiàn)陽極炭渣的無害化處理與電解質(zhì)綜合回收利用。

圖1 炭渣熔煉爐

圖2 炭渣熔煉工藝流程圖

4 火法處理過程存在的主要問題

我公司電解炭渣熔煉爐于2019年3月4日開始烘爐進行調(diào)試生產(chǎn)。新建炭渣熔煉爐采用普通紅磚及高鋁磚進行砌筑，電解質(zhì)具有強烈的腐蝕性,對炭渣熔煉爐內(nèi)襯產(chǎn)生腐蝕。由于內(nèi)襯材料選型及砌筑不合理，熔煉爐試運行12天后出現(xiàn)爐壁多處發(fā)紅，耐火磚塌陷，熔煉爐被迫停爐重新進行砌筑。同時由于熔煉爐采用平頂結(jié)構(gòu)，不利于氣體的流動，爐溫不均勻[6]，提煉的成品電解質(zhì)中碳含量偏高。

圖3 熔煉爐內(nèi)襯材料被電解質(zhì)侵蝕

5 措 施

5.1 合理選用內(nèi)襯材料

經(jīng)過對同行業(yè)現(xiàn)有熔煉爐進行實地考察與數(shù)據(jù)收集，重新對炭渣熔煉爐內(nèi)襯材料進行優(yōu)化選型，新砌筑內(nèi)襯采用普通紅磚、高鋁磚及電熔鎂鉻磚進行砌筑。

圖4 熔煉爐重新砌筑

表1 炭渣熔煉爐內(nèi)襯砌筑材料明細表

5.2 優(yōu)化砌筑方式

爐頂采用拱形結(jié)構(gòu)，由于拱頂結(jié)構(gòu)相對平頂結(jié)構(gòu)而言，完善了燃燒空間的合理性，過渡轉(zhuǎn)角有利于氣體的流動性，提高了爐內(nèi)橫截面的溫度均勻性，并在保證燃燒性能基礎(chǔ)上，兼顧結(jié)構(gòu)尺寸的科學性和用材的穩(wěn)固性，確保爐頂?shù)睦喂贪惭b。

5.3 合理制定烘爐曲線

在熔煉爐烘爐過程中，嚴格按事先制定的烘爐曲線執(zhí)行，使在烘爐過程中有可以遵循的標準，保證烘爐質(zhì)量，逐漸升溫將爐膛內(nèi)內(nèi)襯水分逐步蒸干，使耐火膠泥充分燒結(jié)，增加內(nèi)襯的使用壽命，做到安全烘爐。

圖5 熔煉爐烘爐曲線

5.4 規(guī)范操作形成爐幫

生產(chǎn)過程中通過工藝不斷優(yōu)化制定出操作規(guī)程，嚴格按規(guī)程執(zhí)行。烘爐結(jié)束后將約600 kg炭渣通過加料口加入爐膛內(nèi)。點火將燃燒器開至最大功率，待爐膛爐溫升至1300℃左右，持續(xù)約30分鐘后停止加熱，期間嚴禁向爐膛內(nèi)吹風。將熔融電解質(zhì)液面上的炭渣，用扒渣爪(斗)從加料口扒出，扒渣完畢后，從出料口放出部分液態(tài)電解質(zhì)(約150 kg)后，使爐膛自然冷卻。當爐膛溫度降至850℃后(降溫過程嚴禁吹風)形成保護層，檢查爐壁掛料情況，如保護層不明顯，重新進行掛料，直至形成保護層后進行正常生產(chǎn)。

5.5 局部修補內(nèi)襯

生產(chǎn)過程中由于熔煉爐出料口側(cè)頻繁出料，難以形成爐幫。熔煉爐運行五個月后出現(xiàn)出料口側(cè)內(nèi)襯沖刷嚴重，爐外壁溫度升高現(xiàn)象。為延長爐內(nèi)襯整體使用壽命，采用對出料口側(cè)內(nèi)襯進行局部修補方式，局部修補后，熔煉爐運行比較穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

通過對電解炭渣熔煉爐內(nèi)襯材料及砌筑方式合理進行選型、以及加強基礎(chǔ)管理使熔煉爐爐膛內(nèi)建立爐幫、對熔煉爐內(nèi)襯進行局部修補等措施，熔煉爐內(nèi)襯使用壽命由原設(shè)計120天延長至240天左右，每年節(jié)約了大修費用80余萬元，降低了火法處理炭渣的生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益。

圖6 重新修補內(nèi)襯