何智軍 陳金輝 陸國(guó)磊

(廣西百礦鋁業(yè)有限公司，廣西 田陽(yáng) 533615)

0 前言

干法凈化技術(shù)是近40年逐漸發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，因具有高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。所謂干法凈化就是直接用鋁電解的生產(chǎn)原料——氧化鋁做吸附劑，吸附鋁電解煙氣中的HF等有害成分，回收的載氟氧化鋁再返回到電解槽生產(chǎn)使用的過(guò)程。電解鋁煙氣干法凈化技術(shù)日趨成熟，目前，國(guó)內(nèi)大部分電解鋁企業(yè)均采用成熟的干法凈化技術(shù)。

在電解鋁煙氣干法凈化生產(chǎn)過(guò)程中，均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓可以減少電解煙氣無(wú)組織排放，改善作業(yè)環(huán)境，減少電解槽熱損失，促進(jìn)電解槽工藝技術(shù)平穩(wěn)，提高煙氣凈化系統(tǒng)集氣效率，是實(shí)現(xiàn)煙氣凈化系統(tǒng)超低排放氟化物的關(guān)鍵技術(shù)條件。本文就如何實(shí)現(xiàn)電解槽負(fù)壓均衡調(diào)節(jié)展開(kāi)探索。

1 提高煙氣凈化系統(tǒng)集氣效率的途徑

煙氣干法凈化技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)是提高集氣效率。所謂集氣效率就是有效捕集生產(chǎn)過(guò)程散發(fā)的氟化物等有害煙氣，集氣效率的高低是衡量?jī)艋到y(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)重要標(biāo)志。目前，國(guó)內(nèi)電解鋁設(shè)計(jì)的凈化系統(tǒng)集氣效率一般在98.5%以上，但是由于對(duì)電解槽負(fù)壓管理并不是很到位，實(shí)際集氣效率一般只有90%左右。可以通過(guò)以下途徑提高凈化系統(tǒng)的集氣效率，其中最重要的是均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓：

1)規(guī)范電解槽操作管理，密閉槽蓋板，減少電解槽煙氣泄漏。

2)均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓，確保負(fù)壓在一個(gè)合理范圍內(nèi)，有效捕集電解槽生產(chǎn)過(guò)程中氟化物等有害煙氣。

3)加強(qiáng)對(duì)除塵器的維護(hù)，定期對(duì)除塵器濾袋進(jìn)行檢查，保障有效過(guò)濾面積。

4)加強(qiáng)排煙風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)整風(fēng)門開(kāi)啟角度滿足設(shè)計(jì)排煙量需求。

5)減少供配料系統(tǒng)進(jìn)入凈化系統(tǒng)的正壓氣體，如電解質(zhì)、氟化鹽料倉(cāng)打料的氣體及超濃相輸送的氣體等[1]。

2 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓

2.1 電解槽負(fù)壓的企業(yè)管理現(xiàn)狀

目前，電解鋁企業(yè)的電解槽容量、排煙量、煙氣凈化系統(tǒng)等存在不同差異，多數(shù)企業(yè)并未對(duì)電解槽適用多少負(fù)壓作出明確的規(guī)定，一般對(duì)電解槽支煙管閥門開(kāi)度按照離排煙干管“近小遠(yuǎn)大”的原則進(jìn)行調(diào)節(jié)，以目測(cè)電解槽無(wú)煙氣直接泄漏到廠房為主，方法較為簡(jiǎn)單直接，看似閥門開(kāi)度合理，實(shí)際每一臺(tái)電解槽之間風(fēng)量差異卻很大。個(gè)別企業(yè)不夠重視電解槽負(fù)壓的均衡，采取的調(diào)節(jié)措施較為簡(jiǎn)單，管理粗放，非常不利于電解生產(chǎn)。

隨著電解鋁企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的擴(kuò)大，槽容量逐漸向大型化發(fā)展，凈化系統(tǒng)處理風(fēng)量也大幅提升，除塵器入口可以獲得較高的負(fù)壓，但是作用到電解槽的負(fù)壓確存在高低不均的情況，每臺(tái)電解槽負(fù)壓很難做到等量控制，在電解槽支煙管檢測(cè)點(diǎn)測(cè)得的負(fù)壓值偏差較大(表1)，有的高達(dá)500 Pa以上，有的不足100 Pa，存在著過(guò)度排煙和排煙不足的情況。因此，集氣效率無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，散發(fā)到廠房的無(wú)組織煙氣量較多，作業(yè)環(huán)境惡化，不利于電解槽生產(chǎn)。

表1 某電解鋁廠電解一車間的電解槽檢測(cè)點(diǎn)負(fù)壓記錄表 Pa

2.2 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的必要性

2.2.1 影響凈化系統(tǒng)的集氣效率

電解槽負(fù)壓不均衡，凈化系統(tǒng)集氣效率差，就不能最大限度地捕集電解槽熔煉產(chǎn)生的氟化物；回收氟化物總量減少，返回電解車間使用的氧化鋁載氟含量相應(yīng)減少，電解槽氟化鋁單耗指標(biāo)提高，企業(yè)就要增加氟化鋁的購(gòu)買費(fèi)用。凈化系統(tǒng)長(zhǎng)期處于較低的集氣效率狀態(tài)，將增加排煙風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，電能消耗明顯上升，甚至?xí)斐蔁煿芊e料坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，無(wú)組織排放增加，企業(yè)環(huán)保不達(dá)標(biāo)，給環(huán)境帶來(lái)污染，企業(yè)面臨罰款甚至關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)；散發(fā)到電解車間的煙氣，作業(yè)環(huán)境惡化，不利于員工身心健康。

2.2.2 影響槽溫的控制

在槽型、生產(chǎn)技術(shù)等條件相同的情況下，鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中排出的氟化物等氣體基本上是相等的，如果支煙管負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)的壓力超過(guò)350 Pa，槽膛內(nèi)微負(fù)壓就會(huì)上升，槽外大量低溫空氣穿過(guò)蓋板縫隙進(jìn)入槽內(nèi)，導(dǎo)致保溫層溫度較低，影響槽溫控制；如果支煙管負(fù)壓在450 Pa以上，槽膛內(nèi)微負(fù)壓會(huì)更大，甚至可以達(dá)到30 Pa以上，槽內(nèi)保溫層溫度散失更快，電解槽就需要適當(dāng)調(diào)高電壓來(lái)保持正常生產(chǎn)的熔煉溫度，或者添加保溫材料，電能及原材料消耗增大，影響電解槽生產(chǎn)。

2.2.3 排煙管網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求

電解槽支煙管負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)的壓力大小和電解槽槽膛內(nèi)壓力成正比，檢測(cè)點(diǎn)負(fù)壓越大，槽膛內(nèi)壓力就越大，反之就越??；電解槽槽膛內(nèi)的壓力并不大，實(shí)際上是一個(gè)微負(fù)壓狀態(tài)，一般規(guī)定為5～10 Pa[1]；壓力大穿過(guò)蓋板縫隙進(jìn)入槽膛內(nèi)空氣量增加，壓力小煙氣穿過(guò)蓋板散發(fā)到廠房?jī)?nèi)，都不利于電解槽的正常排煙。

電解車間廠房通常有幾百米至上千米的長(zhǎng)度，每棟廠房?jī)?nèi)配置的電解槽臺(tái)數(shù)有幾十臺(tái)到一百余臺(tái)不等，兩端的電解槽相距幾百米，很難做到每臺(tái)槽等量排煙，從而最遠(yuǎn)端的電解槽就不能保證集氣效率。想要做到等量排煙就必須保持排煙干管全長(zhǎng)上的靜壓恒定。通常風(fēng)管的全壓損失是沿著長(zhǎng)度方向增加的，要使靜壓保持不變，必須使動(dòng)壓沿著氣流方向逐漸降低，也就是說(shuō)，風(fēng)管截面積應(yīng)沿著氣流方向逐漸擴(kuò)大。因此，采用變徑排煙干管，盡量縮短排煙干管長(zhǎng)度，減少拐彎，減少較大閥門的使用，一般干管上連接電解槽支煙管不宜超過(guò)20臺(tái)(圖1)，否則排煙干管最近端與最遠(yuǎn)端阻力差距過(guò)大，電解槽負(fù)壓很難靠支煙管閥門調(diào)節(jié)[2]。

圖1 排煙干管與支煙管、電解槽設(shè)置示意圖

由圖1可知，凈化系統(tǒng)排煙干管直徑沿著Ⅰ段排煙干管向Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段隨著氣流方向逐漸增大，排煙干管直徑在700～2 200 mm，跨度較大，并通過(guò)支煙管和氣動(dòng)蝶閥與16臺(tái)電解槽相連接，隨著靠近干管距離的遠(yuǎn)近，三通位置全壓是不一樣的。假設(shè)將圖1的101#～116#電解槽支煙管閥門開(kāi)啟角度調(diào)節(jié)成一致，獲得的負(fù)壓卻是不一樣的，越靠近Ⅳ段直徑較大的排煙干管，三通位置的全壓就越大，電解槽所獲得的負(fù)壓也就越大；反之，越靠近干管直徑小的Ⅰ段，三通位置的全壓就越小，電解槽所獲得的負(fù)壓就越低，無(wú)法做到對(duì)電解槽產(chǎn)生的煙氣均勻排出，而每臺(tái)電解槽的排煙量基本上是一樣的。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)槽均衡排煙，就必須對(duì)支煙管閥門開(kāi)啟角度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，以保障每臺(tái)電解槽產(chǎn)生的煙氣能均勻排出,從而使凈化系統(tǒng)獲得較高的集氣效率[3]。

2.3 420 kA電解槽生產(chǎn)所需的理論負(fù)壓

2.3.1 電解槽支煙管閥門不同開(kāi)啟角度下負(fù)壓及流速的變化

以某電解鋁廠為例，首先對(duì)單臺(tái)電解槽實(shí)際所需負(fù)壓進(jìn)行測(cè)試，短暫關(guān)閉單臺(tái)電解槽支煙管閥門，槽內(nèi)煙氣通過(guò)蓋板縫隙向廠房散發(fā)，然后逐步調(diào)節(jié)支煙管閥門開(kāi)度，通過(guò)調(diào)節(jié)電解槽支煙管閥門不同的開(kāi)啟角度，測(cè)量電解槽的負(fù)壓和風(fēng)速，見(jiàn)表2。當(dāng)開(kāi)啟角度調(diào)整到46°時(shí)，電解槽蓋板縫隙有少量煙氣直接散發(fā)到槽罩蓋板外；當(dāng)繼續(xù)調(diào)節(jié)開(kāi)度到39°時(shí)，已經(jīng)基本上沒(méi)有煙氣向外散發(fā)；當(dāng)繼續(xù)調(diào)節(jié)開(kāi)度到32°時(shí)，已經(jīng)完全沒(méi)有煙氣向外散發(fā)，廠房明亮通透。

表2 不同開(kāi)度下的支煙管閥門的負(fù)壓和流速

注：支煙管閥門開(kāi)啟角度在0°為全開(kāi)狀態(tài)，在“90°”為全關(guān)狀態(tài)，故支煙管閥門開(kāi)啟角度數(shù)值越小，開(kāi)度越大；開(kāi)啟角度數(shù)值越大，開(kāi)度越小。

2.3.2 單臺(tái)電解槽理論排煙量的計(jì)算

對(duì)電解槽排煙量的計(jì)算一直存在爭(zhēng)議，理論上生產(chǎn)1 t鋁水的煙氣量是一致的，但由于槽體長(zhǎng)而且槽蓋板密閉不均勻，進(jìn)入槽內(nèi)的空氣量就不均勻，另外還受到溫度變化的影響，因此，單臺(tái)槽排煙量的計(jì)算相對(duì)比較困難，有一定的差異。一般通過(guò)以下兩種理論方式計(jì)算單臺(tái)電解槽排煙量(某電解鋁廠420 kA電解槽實(shí)際槽膛尺寸為管道內(nèi)徑600 mm、槽膛長(zhǎng)度17.5 m、槽膛寬度4.2 m)。

1)按管道氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式來(lái)計(jì)算：

(1)

式中：V——?dú)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，Nm3/h；

d——管道內(nèi)徑，m；

ω——管內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速，m/s。

按照式(1)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的單槽排煙量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單槽排煙量的計(jì)算

2)按照實(shí)際生產(chǎn)計(jì)算排煙量。傘形排煙集氣罩理論上電解生產(chǎn)所產(chǎn)生的煙氣量很小，僅約占單臺(tái)槽排煙量的1%左右，因此電解槽排煙量主要取決于槽體結(jié)構(gòu)。杜麗[4]等專家經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐，總結(jié)出一套簡(jiǎn)便實(shí)用的電解槽排煙量計(jì)算公式：

Q=3 600(L+W)Hν/η

(2)

式中：Q——單槽排煙量，m3/h；

L——槽膛長(zhǎng)度，m；

W——槽膛寬度，m；

η——槽罩集氣效率,取0.98；

H——槽罩斜面至罩內(nèi)排煙道抽風(fēng)口距離，取1 m；

ν——槽罩內(nèi)排煙道抽風(fēng)口控制風(fēng)速，取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.125 m/s。

根據(jù)某電解鋁廠420 kA電解槽實(shí)際槽膛尺寸(除去槽殼壁厚)，計(jì)算單臺(tái)槽排煙量為9 964 m3/h。

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在相同產(chǎn)能情況下，電解槽容量越大排煙量越小，第1種計(jì)算方法是在管道氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下計(jì)算的流量，實(shí)際生產(chǎn)中并沒(méi)有這么大的排煙量；第2種計(jì)算方法與生產(chǎn)中排煙量比較接近。因此，420 kA電解槽單槽排煙量參照第2種計(jì)算方式，對(duì)電解槽支煙管閥門開(kāi)啟角度進(jìn)行調(diào)整，使電解槽獲得正常生產(chǎn)所需負(fù)壓，滿足排煙量需求。

2.3.3 420 kA電解槽生產(chǎn)需求的負(fù)壓值

電解槽的排煙量與生產(chǎn)過(guò)程中的煙氣溫度及壓力有關(guān)系，計(jì)算時(shí)必須經(jīng)過(guò)溫度及壓力的修正才能更加符合實(shí)際工況，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Q——單槽排煙量,m3/h；

d——管道內(nèi)徑，m；

ω——管內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速，m/s；

N——?dú)怏w在載流截面處的壓力，MPa；

T——絕對(duì)溫度，273.15 ℃；

t——?dú)怏w在載流截面處的實(shí)際溫度，℃。

按照式(3)計(jì)算，在一定溫度下(140 ℃)，不同負(fù)壓電解槽的不同流量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 經(jīng)過(guò)溫度及壓力修正后的電解槽排煙量

通過(guò)計(jì)算得知，在電解槽整體密封條件較好的情況下，調(diào)節(jié)電解槽支煙管負(fù)壓在300 Pa時(shí)，經(jīng)過(guò)溫度和壓力修正后的煙氣流量為9 788 m3/h，最接近單臺(tái)槽理論計(jì)算排煙量9 964 m3/h；其次是負(fù)壓在350 Pa時(shí)，煙氣流量為10 199 m3/h，也比較接近9 960 m3/h。因此，理論上，420 kA電解槽負(fù)壓在300～350 Pa時(shí)，集氣效率可以得到保障。

2.4 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的應(yīng)用

電解鋁企業(yè)的電解槽容量、排煙量、槽型等存在不同差異，電解槽對(duì)負(fù)壓的需求也不一樣[5]。以某電解鋁廠420 kA電解槽為例，雖然每臺(tái)電解槽最理想的負(fù)壓是300～350 Pa，但是由于影響凈化系統(tǒng)集氣效率的因素很多，而且每臺(tái)電解槽支煙管與凈化系統(tǒng)排煙干管聯(lián)通，調(diào)節(jié)時(shí)相互作用，互相影響，呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)，始終處在一個(gè)波動(dòng)范圍。因此，很難做到每臺(tái)電解槽負(fù)壓相等，只能控制在一個(gè)合理的區(qū)間。

2.4.1 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的方法

首先要對(duì)所有電解槽負(fù)壓進(jìn)行實(shí)測(cè)(表1)，作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后開(kāi)始第一次調(diào)節(jié)，運(yùn)行一周或數(shù)周后復(fù)測(cè)所有電解槽負(fù)壓，再對(duì)較高和較低的電解槽負(fù)壓支煙管開(kāi)度進(jìn)行微調(diào)，然后繼續(xù)實(shí)測(cè)、調(diào)整。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員連續(xù)4次對(duì)每臺(tái)電解槽負(fù)壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、分析計(jì)算，從開(kāi)始的粗調(diào)到逐步實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，最終摸索出比較合理的負(fù)壓是270～300 Pa，廠房煙氣效果最為理想，此范圍既滿足了電解槽正常排煙所需又不過(guò)度排煙，既減少了無(wú)組織排放，又提高了集氣效率。技術(shù)人員定期檢查槽上部集氣罩和排煙干管均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)煙道有積料的情況，說(shuō)明負(fù)壓控制在270～300 Pa是符合生產(chǎn)實(shí)際需求的。

電解車間嚴(yán)格要求員工作業(yè)遵守操作規(guī)程，同時(shí)換極作業(yè)每個(gè)工區(qū)不能超過(guò)2臺(tái)(含2臺(tái))，而且單臺(tái)槽開(kāi)啟蓋板數(shù)量控制在3塊內(nèi)，作業(yè)完成后必須將所有蓋板蓋嚴(yán)實(shí)，縫隙≤0.5 mm，不得出現(xiàn)漏氣情況，促進(jìn)了負(fù)壓的有效利用。

2.4.2 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的注意事項(xiàng)

技術(shù)人員調(diào)節(jié)電解槽支煙管閥門，既要考慮到滿足電解槽生產(chǎn)使用負(fù)壓需求，還要平衡兩棟電解廠房之間的總負(fù)壓不出現(xiàn)明顯偏差，每次對(duì)2個(gè)電解廠房電解槽負(fù)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算調(diào)節(jié)量大小，綜合平衡后進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了保證數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映電解槽負(fù)壓狀況，調(diào)節(jié)支煙管閥門開(kāi)度要避開(kāi)電解車間更換陽(yáng)極和打開(kāi)槽蓋板的作業(yè)，待作業(yè)結(jié)束后進(jìn)行。

3 均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓的效果

3.1 載氟氧化鋁載氟含量增加

凈化后生成的載氟氧化鋁中載氟含量的多少是直接反應(yīng)凈化系統(tǒng)集氣效率高低的最重要指標(biāo)，電解槽實(shí)現(xiàn)合理的負(fù)壓控制，凈化系統(tǒng)的集氣效率可以達(dá)到設(shè)計(jì)的98.5%。電解生產(chǎn)的氟化物被高效捕集到凈化系統(tǒng)中，與來(lái)自反應(yīng)器定量投放的循環(huán)氧化鋁和新鮮氧化鋁進(jìn)行吸附反應(yīng)，吸附效果提高，凈化后的氧化鋁載氟含量穩(wěn)定提高并保持，而生成的載氟氧化鋁可以返回電解車間使用，又可減少電解車間生產(chǎn)對(duì)氟化鋁的消耗，一舉兩得。電解槽負(fù)壓調(diào)節(jié)前載氟含量只有0.82%～0.95%；均衡調(diào)節(jié)電解槽負(fù)壓后，載氟含量穩(wěn)定控制在0.9%～1.25%，載氟效果比較理想。

3.2 噸鋁氟化鋁單耗降低

載氟含量增加，可以減少電解槽生產(chǎn)對(duì)氟化鋁的消耗。某電解鋁廠2017年的氟化鋁單耗情況見(jiàn)表5。

表5 2017年某電解鋁廠氟化鋁單耗統(tǒng)計(jì)

由表5可知，2017年1—6月份調(diào)節(jié)前氟化鋁單耗18.4 kg/t-Al，7—12月份調(diào)節(jié)后氟化鋁單耗為16.1 kg/t-Al，噸鋁氟化鋁單耗下降了2.3 kg。氟化鋁單價(jià)按市場(chǎng)均價(jià)0.98萬(wàn)元/t計(jì)算，則2017年下半年節(jié)約氟化鋁資金約349萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

負(fù)壓對(duì)電解槽生產(chǎn)非常重要，影響到凈化系統(tǒng)集氣效率，隨著工況會(huì)發(fā)生一些局部的改變，建議企業(yè)每年安排專人，進(jìn)行2次以上的測(cè)試和調(diào)整。各電解鋁企業(yè)由于使用的電解槽容量不盡相同，生產(chǎn)過(guò)程中排煙量大小不一樣，每個(gè)企業(yè)電解槽負(fù)壓的合理區(qū)間也是不一樣的，需要技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)地的測(cè)試并合理制定。每臺(tái)電解槽保持合理的負(fù)壓，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有害煙氣可以被均勻抽走，減少無(wú)組織排放，有利于改善電解車間作業(yè)環(huán)境；而且隨著集氣效率的提高凈化效率也得到保障，氟化物排放濃度低于國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)(≤3 mg/m3)，達(dá)到環(huán)保要求；同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗、節(jié)約資金的目的。