電解極板高效烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：電解是金屬提純的主要方法，而電解錳在洗滌后、剝離前需要烘干，以避免錳在潮濕的環(huán)境下被氧化。目前，大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)在清洗和烘干過程中采用人工操作，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，烘干能耗高。該文結(jié)合我國電解錳后處理裝備發(fā)展的現(xiàn)狀，通過對極板烘干機(jī)理的研究，提出將吹干與烘干結(jié)合，在電解極板洗滌后進(jìn)入烘箱前增加風(fēng)刀吹干，將極板表面水分預(yù)先吹落，再對極板進(jìn)行烘干的高效烘干系統(tǒng)，該技術(shù)應(yīng)用于某大型電解錳企業(yè)的新建20 kt/a電解錳項(xiàng)目上，實(shí)現(xiàn)極板后處理作業(yè)自動生產(chǎn)，同時烘干綜合能耗降低30%以上的良好效果。

關(guān)鍵詞：電解；極板；烘干；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；電解錳

中圖分類號：X38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0１１４-0４

Abstract： Electrolysis is the main method for metal purification， and electrolytic manganese needs to be dried after washing and before stripping to avoid oxidation of manganese in humid environments. At present， most production enterprises use manual operations in the cleaning and drying process， which results in high labor intensity， low production efficiency， and high drying energy consumption. This paper combines the current situation of the development of electrolytic manganese post-treatment equipment in Chinaand， through the study of the drying mechanism of the electrode plate， proposes an efficient drying system that combines blow drying and drying. After washing the electrolytic electrode plate and entering the oven， an air knife is added to blow dry the surface moisture of the electrode plate in advance， and then dry the electrode plate. This technology is applied to a new 20 kt/a electrolytic manganese project of a large electrolytic manganese enterprise. The good effect of automatic production of plate post-processing operation and reduction of comprehensive energy consumption of drying by more than 30% has been achieved.

Keywords： electrolysis; electrode plate; drying; system design; electrolytic manganese

電解是金屬提純的主要方法，錳、銅、鉛、鋅和鎳等大宗金屬的提純均采用電解法，電解均需要對陽極、陰極進(jìn)行加工作業(yè)，成為合格陽極、陰極后再進(jìn)行出裝槽作業(yè)。電解錳在洗滌后剝離前需要烘干，以避免錳在潮濕的環(huán)境下被氧化。由于電解錳屬于高能耗、重污染行業(yè)，我國是世界最大的電解錳生產(chǎn)國、消費(fèi)國和出口國，產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的97%以上[1]，2020年中國電解錳產(chǎn)量為150.13萬t，但整個電解錳行業(yè)自動化程度不高、產(chǎn)業(yè)集中度較低，人工勞動強(qiáng)度大。隨著國家環(huán)保政策越來越嚴(yán)，企業(yè)用人成本越來越高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整會加快，單廠產(chǎn)能規(guī)模將逐步加大，因此，生產(chǎn)自動化、少人化將成為企業(yè)的迫切需要。

電解錳后處理生產(chǎn)過程中需要對陰極進(jìn)行清洗、烘干和剝離[1-2]，在整個電解錳后處理生產(chǎn)過程中，能耗主要在于烘干，本文結(jié)合我國電解錳后處理裝備發(fā)展的現(xiàn)狀，提出的極板快速烘干方法，有效地降低了烘干能耗，同時，烘干速度可匹配自動化生產(chǎn)的洗滌剝離速度。

1 電解錳烘干現(xiàn)狀

1.1 人工清洗，烘箱烘干

目前，大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)清洗和烘干還是人工操作，先將半槽陰極從電解槽中提出，之后放入清洗槽中進(jìn)行清洗，清洗完成再通過輸送鏈條或極板車送入烘干房中進(jìn)行烘干[3-4]，一般烘干時間在20～30 min，之后再從烘干房中取出進(jìn)行剝離，其烘干原理如圖1所示。整個過程人工勞動強(qiáng)度大，人工干預(yù)多，生產(chǎn)效率低，烘干能耗高。同時由于人工粗放式清洗導(dǎo)致洗滌水消耗大，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中存在較嚴(yán)重的跑冒滴漏現(xiàn)象，作業(yè)環(huán)境惡劣。

1.2 自動清洗，烘箱烘干

部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動生產(chǎn)，但極板是排列好整體進(jìn)入烘箱，在進(jìn)入烘箱前沒有吹干[2]或者對排列好的極板用風(fēng)機(jī)直接在兩側(cè)鼓風(fēng)[5]，其烘干原理如圖2所示。雖然相較于人工清洗對于環(huán)境影響及自動化程度有一定的進(jìn)步，但由于相鄰極板是面對面排列，且極板間間距較小，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓較低，無法直接吹掃掉板面的水滴，只能在一定程度上加大空氣對流，從而加快蒸發(fā)速度，極板仍然帶有較多的水分進(jìn)入烘箱，導(dǎo)致烘干時間長、能耗高。

2 電解錳高效烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高烘干效率，節(jié)約能源，烘干系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)采用橫向輸送帶將電極板自動送入及送出，在載錳陰極板洗滌之后送入烘干機(jī)之前，為有效減少極板上的水分含量，先用風(fēng)刀吹掃掉載錳陰極板表面85%以上的水分，之后載錳陰極板再依次進(jìn)入烘干箱進(jìn)行烘干，經(jīng)過多個烘干工位，總烘干時間約1.5 min，烘干后的載錳陰極板再依次進(jìn)行剝離等操作，從而實(shí)現(xiàn)極板后處理生產(chǎn)的自動化運(yùn)行。

2.1 高效烘干原理

烘干箱采用熱風(fēng)循環(huán)蒸氣加熱或電加熱的方式進(jìn)行。通過循環(huán)風(fēng)機(jī)及管道，加熱后的空氣進(jìn)入烘干箱內(nèi)與工件進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)對工件的升溫加熱，換熱后的空氣由回風(fēng)管收集，與補(bǔ)充的新鮮空氣一起返回到加熱室，形成內(nèi)循環(huán)。經(jīng)過不斷的循環(huán)，使工件表面溫度升至規(guī)定溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時，加熱器自動停止工作，此時風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作，室內(nèi)溫度會逐漸降低，當(dāng)溫度降低到一設(shè)定值時，加熱器自動工作，使溫度重新上升到設(shè)定值。在烘干過程中，為了調(diào)節(jié)循環(huán)空氣的濕度，加快烘干速度，烘干室需要排除一部分的熱空氣，同時需要吸入一部分新鮮空氣予以補(bǔ)充。

如圖3所示為高效烘干系統(tǒng)流程圖，經(jīng)過過濾的循環(huán)空氣由高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)（送風(fēng)）送入翅片管式蒸汽加熱器，被蒸汽加熱至100 ℃以上后，啟動電加熱器繼續(xù)加溫，將空氣加熱至150 ℃（最高180 ℃），然后通過風(fēng)管送入烘箱，由噴風(fēng)孔噴向極板，干燥經(jīng)由風(fēng)刀吹掃掉85%以上水分的載錳陰極板上的剩余水分，熱風(fēng)通過回風(fēng)管輸送到高溫風(fēng)機(jī)入口，根據(jù)循環(huán)空氣濕度控制抽濕風(fēng)機(jī)開啟，排除掉部分廢氣，再補(bǔ)入適量的新鮮空氣。

為提高烘干效率，烘箱內(nèi)每個工位均設(shè)有梯形的靜壓箱，如圖4所示的靜壓箱的噴風(fēng)口均設(shè)置在與極板板面平行的兩側(cè)，靜壓箱噴風(fēng)面尺寸與極板相近，噴風(fēng)面沖壓有噴風(fēng)孔，噴風(fēng)孔布滿噴風(fēng)面。在靜壓箱內(nèi)側(cè)設(shè)有熱風(fēng)導(dǎo)流板，確保噴風(fēng)面風(fēng)速的均勻性在允許的范圍內(nèi)。通過上述方式可增大熱風(fēng)與極板的對流，使極板表面溫度更均勻，同時提高烘干速度，進(jìn)一步降低能耗。

2.2 高效烘干計(jì)算

計(jì)算條件：相對最大濕度為95%～100%；年平均氣溫為26 ℃，最低氣溫為15 ℃，最高氣溫為35 ℃；烘干電極板上面的金屬錳產(chǎn)品，允許烘干溫度范圍120～180 ℃，正常操作溫度為150 ℃（可調(diào)）。為實(shí)現(xiàn)極板后處理生產(chǎn)的自動化，極板的清洗、吹干、烘干和剝離均在橫向輸送線上完成，橫向輸送帶將極板洗滌后先經(jīng)風(fēng)刀吹干，再送至烘干室烘干，之后送至剝離裝置進(jìn)行錳片剝離，每塊載錳陰極板重約55 kg，錳片表面粗糙，洗滌后極板上含水約0.5 L，經(jīng)過風(fēng)刀吹掃后剩余水分約0.1 L，電解錳極板設(shè)計(jì)處理能力為240片/h，烘干箱內(nèi)設(shè)有6個烘干工位，每塊極板的總烘干時間為1.5 min。

為簡化計(jì)算，假設(shè)烘干箱自身的熱損失忽略不計(jì)。

每小時烘干極板上水分消耗的熱量

Q1=C1·m1·ΔT1+m1·h+m1·（h2-h1）=67 815.48 kJ，

式中：Q1為吸熱量，單位kJ；C1為水的比熱，4.187 kJ/kg·℃；m1為1 h蒸發(fā)水的質(zhì)量，0.1 L/片×240片/h=24 kg；ΔT1為溫升，100-15=85℃；h為汽化熱，kJ/kg，水的汽化潛熱為2 256.6 kJ/kg；h1為100 ℃的比焓，kJ/kg，查水蒸汽的焓熵圖（h-s圖）為419.06 kJ/kg；h2為150℃的比焓，kJ/kg，查h-s圖為632.21 kJ/kg。

每小時陰極板吸熱量

Q2=C2·m2·ΔT2=538 560 kJ，

式中：Q2為吸熱量，單位kJ；C2為工件的比熱，0.480 kJ/kg·℃；m2為1 h工件的質(zhì)量，55 kg/片×240片/h=13 200 kg；ΔT2為工件溫升，取工件水分剛好除去時工件出烘箱，故工件出口溫度為100℃，100-15=85℃。

每小時補(bǔ)充新鮮空氣所吸收的熱量，

Q3=C3·m3·ΔT3=101 756.25 kJ，

式中：C3為新鮮空氣的比熱，1.005 kJ/kg·℃；m3為1 h補(bǔ)充新鮮空氣的質(zhì)量，循環(huán)空氣中干空氣量與進(jìn)入烘干箱內(nèi)干空氣量的比值為循環(huán)比，循環(huán)比為0.85～0.95時，烘干效率最高[4]，故暫取750 kg；ΔT3為溫升，150-15=135℃。

每小時總耗能

Q=（Q1+Q2+Q3）·k=849 758.08 kJ，

式中：k為考慮到其他熱損耗量儲備系數(shù)，一般k=1.1～1.3，取1.2。

每小時的再循環(huán)空氣量

W=Q/（C3·ΔT3·？籽1）=17 866.64 m3/h，

式中：C3為空氣的比熱，1.005 kJ/kg·℃；ΔT3加熱器出口和進(jìn)口的空氣溫度差℃，ΔT3=150-100=50 ℃；？籽1為循環(huán)入口熱空氣密度，100 ℃時干空氣密度0.946 kg/m3。

每小時最大蒸汽消耗量

G=Q/r=403 kg，

式中：r為蒸汽壓力0.5 MPa時蒸汽溫度為151.87 ℃，其蒸氣的潛能為2 108.5 kJ/kg。

電加熱器最大功率

P=Q/3 600=236 kW。

2.3 溫度控制系統(tǒng)

電加熱器的分4組，每組功率為60 kW，4組負(fù)載接法均采用三角形接法，每一組均可獨(dú)立加熱，當(dāng)蒸汽輔助加熱，熱風(fēng)溫度未達(dá)到設(shè)定溫度時，電控系統(tǒng)可自動切換加熱器組數(shù)。為實(shí)現(xiàn)烘干箱內(nèi)溫度均勻，溫差控制在±5 ℃范圍內(nèi)，在蒸汽加熱器后、電加熱器后和烘干箱前后工位各設(shè)有溫度傳感器和PID溫控儀進(jìn)行溫度檢測及控制，溫度傳感器實(shí)時測量烘箱內(nèi)熱空氣溫度，并將溫度值反饋給PID溫控儀，溫控儀根據(jù)反饋信號計(jì)算出輸出量，輸出控制信號到蒸汽調(diào)節(jié)閥和可控硅控制器作為設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，可控硅控制器根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行加熱器功率的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的高低調(diào)節(jié)控制，以使溫度達(dá)到設(shè)定溫度并保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)極板既快又好地烘干。在溫度控制系統(tǒng)中設(shè)定風(fēng)機(jī)與加熱器的連鎖控制，即循環(huán)風(fēng)機(jī)啟動后加熱器才允許啟動，加熱器關(guān)閉后風(fēng)機(jī)自動延時一段時間后再關(guān)機(jī)，同時還設(shè)置有超溫聲光報警并自動聯(lián)鎖停機(jī)功能。

烘箱內(nèi)濕度由濕度傳感器進(jìn)行檢測及控制，由濕度控制器按設(shè)定的濕度值對電動風(fēng)閥和抽濕風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動控制，當(dāng)烘箱內(nèi)濕度高于設(shè)定值時電動風(fēng)閥自動打開，同時排濕風(fēng)機(jī)自動開啟，抽出部分循環(huán)空氣并補(bǔ)充適量的新鮮空氣，以達(dá)到濕度平衡并加快烘干速度；當(dāng)濕度低于設(shè)定值時，排濕風(fēng)機(jī)自動關(guān)閉，同時電動風(fēng)閥自動關(guān)閉。

3 高效烘干系統(tǒng)的應(yīng)用

某大型電解錳企業(yè)應(yīng)用本文所述方案設(shè)計(jì)的烘干系統(tǒng)如圖5所示，在生產(chǎn)中，極板從電解槽中成組取出后送入受板鏈運(yùn)機(jī)，之后通過分片移載裝置將極板逐塊送入橫向輸送帶，橫向輸送帶再依次將極板橫向送入洗滌工位、風(fēng)刀吹干工位、烘干系統(tǒng)和極板剝離工位，實(shí)現(xiàn)了極板后處理自動化連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)線的處理能力為240片/h，烘干系統(tǒng)電加熱器總功率為240 kW。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)驗(yàn)證，極板在規(guī)定時間（1.5 min）內(nèi)完全烘干，且烘箱內(nèi)溫度均勻，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 高效烘干系統(tǒng)節(jié)能分析

根據(jù)本文3.2章節(jié)的烘干計(jì)算，極板經(jīng)由風(fēng)刀吹掃掉85%以上水分，相較于傳統(tǒng)烘干方式，每小時減少帶入烘箱中的水約96 kg，僅水蒸發(fā)需消耗的能量271 261.92 kJ/h，由于高效烘干系統(tǒng)中增加了風(fēng)刀吹掃，增加的風(fēng)刀能耗54 000 kJ/h（吹干風(fēng)機(jī)功率2×7.5 kW），故綜合后可降低能耗217 261.92 kJ/h，且由于循環(huán)空氣中水分總量少了80%，可大幅減少補(bǔ)充新鮮空氣量，循環(huán)熱空氣的損失小，故綜合考慮烘干能耗可降低30%以上。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)錳電解在生產(chǎn)中存在勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、烘干能耗高等難題，通過對極板烘干機(jī)理的研究，研發(fā)了吹干與烘干結(jié)合的高效烘干系統(tǒng)，將風(fēng)刀吹干技術(shù)應(yīng)用到烘干系統(tǒng)中，使電解極板洗滌后進(jìn)入烘箱前脫水85%以上，實(shí)現(xiàn)極板單片快速烘干，能滿足極板后處理作業(yè)自動化對速度的要求，同時采用靜壓箱噴風(fēng)口及溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)與極板強(qiáng)化接觸且箱體內(nèi)溫度均勻，溫差控制在±5 ℃以內(nèi)。

應(yīng)用于某廠的實(shí)際生產(chǎn)裝備中，實(shí)踐驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性及可靠性，裝備整體生產(chǎn)能力達(dá)到240片/h，烘干綜合能耗降低30%以上，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對促進(jìn)電解錳行業(yè)裝備的升級起到了積極作用。

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