趙文燕

(中國鋁業(yè)青海分公司電解廠， 青海 大通 810108)

0 前言

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)主要采用冰晶石- 氧化鋁熔鹽電解法[1]，電解陰陽極采用炭陰極和炭陽極，直流電通入電解槽，在陰極和陽極上起電化學(xué)反應(yīng)，陰極上產(chǎn)生鋁液[2-3]，鋁液經(jīng)真空抬包吸出后送到鑄造生產(chǎn)成鋁錠、鋁板等產(chǎn)品；陽極產(chǎn)生CO和CO2，以及少量的氟化物和SO2氣體，氣體經(jīng)過凈化系統(tǒng)凈化后，廢氣排放進(jìn)入大氣，回收的氟化物返回電解槽[4]。因此，電解系列的布置一般采用電解廠房兩列縱向排列中間設(shè)置凈化系統(tǒng)的方式，即兩個電解廠房加凈化系統(tǒng)。電解凈化系統(tǒng)一般采用氧化鋁干法凈化，系統(tǒng)由氧化鋁儲運、布袋除塵器、氧化鋁輸送系統(tǒng)、排煙機(jī)等組成，主要負(fù)責(zé)電解煙氣的凈化和電解槽氧化鋁的供料任務(wù)，是電解系列的輔助單元。

電解鋁的生產(chǎn)成本主要由原料和材料費、電力費、工資、折舊和管理費等組成，其中原料和材料費約占成本的46.4%，電力費占30%～35%，其它占15%～20%[1]。作為高耗能企業(yè)，想在鋁行業(yè)立于不敗之地需要有低成本氧化鋁和低成本的電價。而對于國內(nèi)鋁電解企業(yè)而言，氧化鋁在鋁電解生產(chǎn)中的成本差異不大，主要是電力成本造成的優(yōu)勢差別。目前許多鋁電解企業(yè)一方面積極爭取政府電價優(yōu)惠政策，另一方面降本增效，降低噸鋁生產(chǎn)電耗來增加自身的優(yōu)勢，尋找企業(yè)生存發(fā)展之路。鋁電解生產(chǎn)中的電耗由直流電和動力電兩部分組成，電解槽生產(chǎn)使用直流電，這部分能耗的降低主要通過推廣使用新型節(jié)能電解槽技術(shù)、低電壓生產(chǎn)技術(shù)來逐步實現(xiàn)；輔助生產(chǎn)設(shè)備使用交流電(動力電)，其中凈化系統(tǒng)動力電消耗比重最大，在整個動力電構(gòu)成中約占79%，有進(jìn)一步節(jié)約的空間。

1 凈化系統(tǒng)工藝現(xiàn)狀及動力電的組成

某公司三系列凈化系統(tǒng)分為東、中、西三套系統(tǒng)，負(fù)責(zé)282臺200 kA電解槽煙氣的凈化和供料工作，其中西部系統(tǒng)負(fù)責(zé)108臺電解槽煙氣回收、中部系統(tǒng)負(fù)責(zé)80臺電解槽煙氣回收、東部系統(tǒng)負(fù)責(zé)94臺電解槽煙氣回收。

1.1 電解煙氣干法凈化工藝流程

電解煙氣凈化采用干法凈化方式，來自電解槽的煙氣收集后通過地下煙道進(jìn)入12～14個垂直煙道，與來自新鮮氧化鋁料倉的新鮮氧化鋁通過VIR反應(yīng)器充分反應(yīng)吸附進(jìn)入袋濾室，吸附煙氣在針刺尼布袋的過濾下通過煙道收集沿?zé)焽枧懦觯晃皆诓即獗砻娴难趸X在反吹氣缸的作用下沉降到袋濾室底部，一部分通過溜槽輸送到氣力提升機(jī)提升到33 m處的載氟氧化鋁料倉，最后在超濃相系統(tǒng)的輸送下輸送到電解槽上部料箱供電解使用；另一部分則通過溜槽輸送到垂直煙道VIR反應(yīng)器再次循環(huán)吸附。電解煙氣干法凈化工藝流程如圖1所示。

圖1 電解煙氣干法凈化工藝流程

1.2 凈化系統(tǒng)的動力電組成

凈化系統(tǒng)動力電消耗的主要設(shè)備包括三個方面，一是用于電解煙氣收集排出功率在630～900 kW的型號為Y4- 73 No23.50和Y4- 73 No29.50的排煙機(jī)；二是用于氧化鋁輸送功率在7.5～75 kW的型號為9- 19- 7.1D的高壓離心風(fēng)機(jī)和型號為R602a羅茨風(fēng)機(jī)，其中羅茨風(fēng)機(jī)主要用于氣力提升和袋濾室供風(fēng)，高壓風(fēng)機(jī)主要用于氧化鋁溜槽供風(fēng)；三是照明及控制設(shè)備。其主要風(fēng)機(jī)類設(shè)備運行情況及用途見表1。

表1 三系列凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)類主要設(shè)備運行情況及用途

根據(jù)每月凈化系統(tǒng)動力電總表電量抄表數(shù)字統(tǒng)計，2018年1—12月份三系列凈化系統(tǒng)動力電總電量及噸鋁電耗見表2。由表2可知，整個三系列凈化系統(tǒng)動力電每月電量平均為2 490 452 kWh，噸鋁電耗平均為206.2 kWh/t-Al，占所在電解系列月平均電解生產(chǎn)動力電消耗量(3 172 550.38 kWh)的78.5～79.0%。

表2 2018年1—12月三系列凈化系統(tǒng)動力電月總電量及噸鋁電耗

2 凈化系統(tǒng)的優(yōu)化改造

從凈化系統(tǒng)動力電消耗的組成來看，照明及控制設(shè)備動力電節(jié)能空間有限，風(fēng)機(jī)類設(shè)備才是優(yōu)化動力電消耗的主要方向。在凈化系統(tǒng)的各類風(fēng)機(jī)中，排煙機(jī)雖然功率最大，消耗電量也最大，但由于排煙機(jī)負(fù)責(zé)電解煙氣的回收，關(guān)乎電解廠房煙氣的凈化效果和氟化鹽的回收，在目前環(huán)保督查和氟化鹽高價格的壓力下已無節(jié)電的潛力和空間。因此，凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)類設(shè)備的動力電節(jié)電主要依靠羅茨風(fēng)機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)這兩類氧化鋁輸送、供風(fēng)設(shè)備，此類設(shè)備節(jié)電除主要依靠變頻控制等節(jié)能技術(shù)外，還有一種就是通過減少設(shè)備運行臺數(shù)或調(diào)整運行壓力達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，要實現(xiàn)供料風(fēng)機(jī)的后者節(jié)電措施，凈化系統(tǒng)供料工藝就必須滿足兩個條件，一是氧化鋁供料在較小的風(fēng)量和壓力下就可以達(dá)到氧化鋁輸送流動的目的；二是在減少系統(tǒng)用風(fēng)量或減少風(fēng)機(jī)運行臺數(shù)的條件下同樣也能滿足凈化工藝要求。

2.1 系統(tǒng)供料工藝存在的問題

在參照一系列凈化系統(tǒng)氧化鋁輸送優(yōu)化先進(jìn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對三系列凈化系統(tǒng)供料工藝存在問題進(jìn)行診斷和分析，系統(tǒng)存在以下主要問題：

1)從新鮮氧化鋁料倉進(jìn)入凈化系統(tǒng)氧化鋁輸送溜槽之前，氧化鋁除雜裝置單一，僅能清除氧化鋁中較大的雜質(zhì)，如掃把棍、塑料等，無法清除細(xì)小的顆粒雜質(zhì)，顆粒雜質(zhì)進(jìn)入溜槽和袋濾室后，在沸騰版上部形成一層厚厚的雜質(zhì)層影響氧化鋁的輸送，增加風(fēng)機(jī)運行時間和運行壓力。

2)現(xiàn)有的垂直煙道氧化鋁與煙氣的VIR反應(yīng)器由于雜質(zhì)原因，經(jīng)常造成氧化鋁堵塞，影響電解煙氣凈化效果，與一系列凈化系統(tǒng)地下煙道投料方式比較，職工操作難度大、清料工作頻繁，需要消耗一定的壓縮空氣和高壓風(fēng)。

3)新鮮氧化鋁料倉底部出料溜槽為水平溜槽，在雜質(zhì)的影響下，溜槽經(jīng)常堵料、下料不暢，現(xiàn)場設(shè)置了多處清理溜槽積料的高壓風(fēng)機(jī)管道。

上述問題不僅影響凈化系統(tǒng)的正常供料，而且增加了供料系統(tǒng)的用風(fēng)量即增加動力電耗。

2.2 優(yōu)化改造方案

針對上述問題，對三系列凈化系統(tǒng)制定了節(jié)能優(yōu)化改造方案：

1)將新鮮氧化鋁料倉底部水平溜槽改造為傾斜角在7°左右的斜溜槽，增加溜槽內(nèi)氧化鋁的流動性，杜絕堵料現(xiàn)象的發(fā)生。

2)在新鮮氧化鋁料倉底部出料溜槽下方，增設(shè)1套組合式氧化鋁除雜裝置，如圖2所示。根據(jù)粉狀氧化鋁安息角大于40°的特性，在氧化鋁料下料口安裝坡度大于40°的10 mm×10 mm鐵絲網(wǎng)溜槽，先除去掃把棍、塑料條等大塊雜質(zhì)，過濾后的氧化鋁及小于鐵絲網(wǎng)網(wǎng)眼的顆粒雜物在重力作用下進(jìn)入鐵絲網(wǎng)溜槽下方的沸騰室，在沸騰板的作用下，較輕的氧化鋁通過導(dǎo)流板流入控料室，細(xì)小顆粒雜質(zhì)則沉淀在沸騰室底部，通過人工定期從快開門處進(jìn)行清理，確保細(xì)小雜質(zhì)也過濾在凈化系統(tǒng)供料溜槽前端，防止細(xì)小顆粒雜質(zhì)進(jìn)入溜槽或袋濾室。該組合除雜裝置保證了溜槽和袋濾室沸騰板無雜質(zhì)，并確保供料暢通。

3)將現(xiàn)有的三套系統(tǒng)40個電解煙氣與氧化鋁反應(yīng)VIR器投料停運，在電解煙氣進(jìn)入袋濾室前的地下煙道上方安裝線性布料器，將VIR反應(yīng)器投料改為地下煙道投料，停用VIR反應(yīng)器所用壓縮空氣和溜槽供風(fēng)的高壓風(fēng)。

4)將系統(tǒng)中袋濾室底部羅茨風(fēng)機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)管道串聯(lián)實現(xiàn)風(fēng)源的共享。

通過上述一系列優(yōu)化改造方案，在確保氧化鋁輸送的前提下，可極大降低氧化鋁輸送系統(tǒng)的用風(fēng)量，為凈化系統(tǒng)部分風(fēng)機(jī)的停用創(chuàng)造條件。

1-鐵絲網(wǎng)；2-排渣快開門；3-觀察快開門；4-收塵管；5-導(dǎo)流板；6-流量控制閘閥圖2 組合式氧化鋁除雜箱示意圖

2.3 煙氣凈化投料方式改變對凈化效果的影響

目前，各鋁電解企業(yè)對電解煙氣的凈化多采用干法凈化方式，但干法凈化的氧化鋁投料方式各有不同，主要有文丘里法、VIR反應(yīng)器、地下煙道(兩段干法凈化)等。某公司一、二系列凈化系統(tǒng)均采用線性布料器地下煙道投料方式，一直沿用至今，凈化效果良好，因此由VIR反應(yīng)器投料改為地下煙道線性布料器投料有成熟的經(jīng)驗技術(shù)可以借鑒。地下煙道投料沒有改變煙道結(jié)構(gòu)或增加負(fù)壓泄漏點，即沒有增加系統(tǒng)煙氣阻力或負(fù)壓損失，不會對煙氣凈化系統(tǒng)凈化效率造成任何影響。

根據(jù)國家《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[5]規(guī)定，現(xiàn)有企業(yè)電解煙氣凈化污染物排放標(biāo)準(zhǔn)為：顆粒物≤30 mg/m3，二氧化硫≤200 mg/m3，氟化物≤4.0 mg/m3。經(jīng)查閱,改造前2018年三系列凈化煙氣在線檢測數(shù)據(jù)顆粒物平均為8.0 mg/m3、二氧化硫平均值為124.9 mg/m3(氟化物因不在檢測范圍內(nèi)無法統(tǒng)計),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家環(huán)保要求。但為確保改造效果，先選取某一凈化系統(tǒng)4個電解煙氣地下煙道的一處進(jìn)行改造，持續(xù)監(jiān)控改造后凈化煙氣污染物中的顆粒物、二氧化硫排放量，待滿足要求后再繼續(xù)改造，避免造成環(huán)保問題。

3 凈化系統(tǒng)優(yōu)化改造方案的實施效果

由于生產(chǎn)工藝影響，某公司的三系列凈化系統(tǒng)優(yōu)化改造持續(xù)了約一年，至2019年12月初完成全部改造工作。經(jīng)過3個月的運行，三系列凈化系統(tǒng)在停用部分風(fēng)機(jī)后，對凈化效率和污染物排放沒有造成影響，實現(xiàn)了節(jié)約風(fēng)機(jī)運行動力電的目的。

3.1 凈化效果滿足環(huán)保要求

2020年1—3月的電解三系列凈化后的環(huán)保煙氣在線檢測數(shù)據(jù)為：顆粒物平均8.9 mg/m3、二氧化硫平均值112.3 mg/m3、煙氣靜壓平均值-1 514.7 Pa，滿足凈化效率及環(huán)保要求。

3.2 噸鋁電耗降低

風(fēng)機(jī)電機(jī)動力電消耗計算公式如下：

E=1.732UICOSψt/1 000

(1)

式中：E——風(fēng)機(jī)電機(jī)動力電耗，kWh；

U——電機(jī)電壓，通常為308 V；

I——額定電流，A；

COSψ——功率因數(shù)，一般取0.85；

t——電機(jī)運行時間，h。

根據(jù)式(1)，三系列凈化系統(tǒng)優(yōu)化改造后停用 2臺75 kW羅茨風(fēng)機(jī)、1臺55 kW羅茨風(fēng)機(jī)，理論上每年可節(jié)約用電量為1.732×380×(141×2+104.4)×0.85×365×24/1 000≈1 893 614.8 kWh；以系列年生產(chǎn)原鋁16萬t計算，則理論上噸鋁可節(jié)電約11.8 kWh/t-Al。

對改造全部完成后的2020年1—3月動力電總量和噸鋁耗電量進(jìn)行統(tǒng)計分析，見表3。由表3可知，與改造前的噸鋁電耗206.20 kWh/t-Al相比，改造后實際降低了4.42 kWh/t-Al，理論和實際的偏差與排煙機(jī)開啟角度等其它因素有關(guān)。

表3 2020年1—3月三系列凈化動力電總電量及噸鋁電耗

3.3 節(jié)約空壓風(fēng)量

凈化系統(tǒng)改變投料方式后，停運40個VRI反應(yīng)器，年節(jié)約空壓風(fēng)量約1 087 992 m3。

4 結(jié)束語

風(fēng)機(jī)類設(shè)備節(jié)電措施除了傳統(tǒng)的變頻控制等方法外，從生產(chǎn)工藝方面進(jìn)行優(yōu)化也可以達(dá)到節(jié)能的目的。這種優(yōu)化實踐不僅達(dá)到了節(jié)能的目的，同時也節(jié)約了設(shè)備維修費用，降低了職工巡檢勞動強(qiáng)度，對各鋁冶煉企業(yè)凈化系統(tǒng)的節(jié)能降耗具有一定的借鑒意義。下一步，某公司將從選用節(jié)能電機(jī)、節(jié)能LED廠房照明燈等多方面進(jìn)一步優(yōu)化電耗，力爭從各個方面降低電耗，提高公司成本競爭力。