对电解槽及净化系统新型设计的建议

2010-12-28黄晓明

材料与冶金学报 2010年1期

关键词：烟管集气净化系统

黄晓明,邢福

（中电投宁夏青铜峡能源铝业集团青铝股份公司电解三部,宁夏青铜峡 751603）

对电解槽及净化系统新型设计的建议

黄晓明,邢福

（中电投宁夏青铜峡能源铝业集团青铝股份公司电解三部,宁夏青铜峡 751603）

干法净化技术在持续发展,理论上、实践中都有改进。本文提出一些设计建议,涉及电解槽的,有料箱满料确认、末端槽、阀架布置、支烟管阀形式、集气箱结构;涉及净化系统的,有溜槽料仓排气收尘独立、主排烟风机选型、空气提升机小型化、取消反吹风机、除尘器入口耐磨、风道隔板耐磨、粉尘泄漏检测、取消观察孔及测压口、弯头改进、仓顶收尘管位置.

现代预焙槽铝电解烟气的回收净化,通常在设计上都采用氧化铝干法净化技术.干法净化的原理是直接用电解生产的原料——新鲜氧化铝为吸附剂,吸附烟气中的氟.吸附反应后的载氟氧化铝随混合烟气进行气固分离,固态的载氟氧化铝随同烟气中的其它粉尘,又被送回到电解生产使用,洁净的烟气通过烟囱排入大气,实现除氟、除尘.氧化铝吸附氟化氢的反应方程式为:A l2O3+6HF→2A lF3+3H2O.

随着生产实践中不断有新的困难、理论上逐渐有新的研究,干法净化技术也在持续发展.实践过程会遇到许多问题需要解决,从而进行小幅度的改革.理论上采用新的构思,又使净化系统的设计优化到更先进的层次.理论与实践相互推动,不论是设计院,还是各电解铝厂,都有很多改进.

本文收集了实践中干法净化技术的一些改进方案和实例,也反映设计上净化技术的一些新趋势,作为对铝电解烟气净化技术新型设计的建议.

1 电解槽

1.1 电解槽上料箱及溜槽

净化后的载氟氧化铝经过电解槽上溜槽,送进槽上料箱内.由于系统是全封闭、不透明的,载氟氧化铝是否被堵塞在输送的途中、是否到达料箱,需要我们确认.怎样确定料箱充满料,在各个铝厂都是一个困惑的问题.

实践中发现,不论是厂房外面向各电解槽分流的溜槽还是厂房内的电解槽上溜槽,不论这两种溜槽设计成侧部出料还是底部出料,都有沿着料流前进的方向逐台槽、逐个料箱进料的规律.区别仅仅是侧部出料体现这个规律不如底部出料那么明显,侧部出料如果逐组（每组约 3台槽或 2个料箱）来衡量,仍然符合这个规律.

有的铝厂投产后自行改造,在料箱上增加料位计来判断料箱是否充满.但每台槽有 2～4个料箱,对于一个完整的电解系列来说,料箱的数量有近千个,信号线路需要的 PLC端子接口数量也很多,仅从经济成本上考虑,每个料箱都安装料位计是不可能的.按照沿料流方向逐台槽、逐个料箱进料的规律,可以在电解每个区末端的槽、槽上末端料箱安装料位计,如果信号显示这个料箱充满,一般可以证明电解这个区的所有槽、槽上所有料箱都充满了.

新的问题却又出现了.料位计在狭小的料箱空间里粘上粉尘、淹没在料堆中,信号并不总是可靠的,也会遇到实际没有料却显示充满料的假信号,导致对电解整个区的误判.还有特殊的情况,就是末端槽的末端料箱确实充满了,信号是正确的,但中间的某些槽却没有进料,因为块状杂物或沸腾帆布失效或溜槽气室进料,使这些槽的槽上溜槽堵塞了.等电解车间发现这些槽缺料时,往往是这些槽的料箱全空了,净化车间接到反映后查找原因、对症处理、再补充送料,需要较长一段时间,在此期间缺料电解槽效应难以熄灭（如图 1所示）、电耗增加、净化和电解人员手忙脚乱、CO2和 HF排放增高.

所以料箱上安装或没有安装料位计的铝厂,最后几乎都采取人工手持木棒逐台槽敲末端料箱来辨别电解槽料箱是否充满（如图 2所示）.与自动化的料位计信号相比较而言,这种原始的方法虽然耗费人工和时间,但可靠性更高.人工手持木棒敲料箱,原理是料箱空和满的敲击声音不同,这需要作业人员积累经验.遗憾的是,刚靠近鲜花时闻到花香浓烈,而在花丛中停留的时间久了以后感受到的花香就不像开始那样明显了,嗅觉存在这种现象,听力也一样,重复的声音听的多了耳朵也会逐渐麻痹,也许出现误判.另外木棒的粗细、轻重也会影响敲击声音,造成误判.

建议新型设计时,将电解槽上溜槽安装在料箱上方、离料箱有一段高度差,溜槽出料口与料箱进料口之间采用一段较粗的圆筒状帆布软连接.如果这个料箱充满料就会使帆布软连接变硬、鼓起来,如果料箱没有满就会使帆布软连接变软、瘪下去,人工用木棒去捣这段帆布软连接,比听声音判断更直观.

1.2 末端槽

早期设计,电解车间每个区约 30台电解槽由一条主烟管负责收集烟气,虽然主烟管是变径等静压的烟管,但起始端的电解槽与末端的电解槽相距 200m,阻力不平衡,因此末端的几台电解槽负压不足、不能保证烟气收集效率,出现冒烟现象.这在很多铝厂普遍存在,只是程度不同.

后来的设计尽量缩短主烟管的长度,每个区约 30台电解槽由两条主烟管负责收集烟气,称为双排管（如图 3所示）,使每条主烟管所带的电解槽数控制在 5～18台,减小最近端与最远端阻力不平衡,有利于每台电解槽排烟的阻力平衡、流量平衡,保持最远端电解槽的环保排放.

建议新型设计都采用双排管排烟管网,每条主烟管并联的电解槽台数减少到十几台,保证末端电解槽的集气效率.

图3

1.3 电解槽管路阀架

早期电解槽下料、打壳、出铝使用的压缩空气管路阀架,布置在烟管端的地面上.实际工作中处理槽上溜槽输送堵塞故障时或槽大修时拆装槽上溜槽及供风管,都很困难而且耽误时间,间接影响了环保效果.因为阀架干涉,使地面没有合适空间,梯子或工作平台（如图 4所示）紧靠阀架放置,人员站在上面无法够着某些拆装部位,有时人员被迫站在阀架上违章作业,调整支烟管阀时工作平台移动也受水平管路阻碍（如图 5所示）.

图4

后来有的电解系列将管路阀架设计成壁挂式,安装在厂房墙壁上,不占用地面,解决了高空作业空间不够的问题.

建议新型设计时,考虑槽上溜槽的检修、调整支烟管阀的空间需要,将电解槽压缩空气管路阀架设计成壁挂式,并且将通向电解槽的水平管路位置提高,便于人员推动工作平台在不同槽之间移动.

图5

1.4 电解槽支烟管阀

电解一个区的电解槽距离净化系统入口的远近是不同的,每台槽获得的抽力（即负压）也就不同,这对均衡单槽烟气收集效率、稳定单槽技术条件都是不利的,需要调节电解槽支烟管阀的开度来平衡各槽的烟气流量,消除流量差异或减小流量差异波动的范围,例如原来在 6 000～9 000 Nm3/h·槽之间,尽可能可能调整到 7 000～8 000 Nm3/h·槽之间.

国外出现了每台槽有 1个支烟管、1个旁通管的设计.支烟管用于闭槽盖好槽罩正常生产时抽吸烟气,例如流量是 5 000Nm3/h·槽.旁通管与单独的旁通风机连接（一台旁通风机对应 12台槽）,称为过度或强制抽吸系统,开槽即换极、出铝或盘槽必须打开槽罩时,人员在地面操作关闭支烟管阀、打开旁通管阀,旁通风机随之启动,该槽进行强制抽吸,大幅度增加抽力,流量达到正常时的 3倍约 15 000Nm3/h·槽,降低该槽在打开槽罩期间的烟气排放,保持环境良好.这种设计限制了 12台槽中一段时间内只能有 1台槽换极、出铝或盘槽作业,所以必须调整作业槽的次序.这种设计也在主排烟风机之外增加了旁通风机、增加了支烟管和主烟管,布局和控制比较复杂.

国内的每台槽上一般只有一个支烟管.支烟管阀板是蝶阀,角度调整有全关 0度（停槽）、合适开度（正常生产）两个位置,不考虑换极、出铝或盘槽必须打开槽罩时的情况.国内支烟管阀控制方式有的设计成气动阀（如图 6所示）,有的是电动推杆阀,有的是手动阀.阀板与轴之间、轴与换向机构之间、角度指针与轴之间均固定,还有调整合适开度的部件、定位合适开度的装置.

实际运行证明,气动阀或电动阀调整合适开度时比较繁琐、又在高空作业,很不方便.厂房里的多粉尘环境,也使气动阀或电动阀的电磁元件、换向部件故障频发,并且支烟管阀安装在高空,修理起来很困难,故障处理不好又拖延了流量调整工作.有的铝厂干脆将原设计的气动支烟管阀改造成手动阀,几乎没有故障、调整合适开度时也很简单（如图 7所示）.

建议新型设计时,将电解槽支烟管阀直接考虑为手动阀,减少故障和修理工作量,便于调整开度、加快调整流量的进度.

1.5 电解槽集气箱

电解槽V形集气箱侧面对称有二十几个大小不同的圆形集气孔、底部有十几个矩形集气孔,负责收集烟气,然后汇总到烟管端的支烟管被抽走.

生产过程中,料箱内隔板高度不够或焊缝开裂、输送压力过高或输送时间太长、筒式下料器气缸密封圈失效使压缩空气窜入料箱等因素,都会导致电解槽料箱的排气管出现漏料现象.这些载氟氧化铝一部分堆积在集气箱内、一部分通过集气箱底部的矩形集气孔漏到壳面上（如图 8所示）.集气孔正常收集的烟气中也有一些粉尘飘落在集气箱里.日积月累,留在集气箱内的料会增多,尤其是集气箱内在安装氧化铝料箱、氟化盐料箱的位置,受结构影响堆积严重甚至堵塞集气孔,很难清理,挡住了烟气收集孔,也挡住了集气箱内烟气水平方向流向烟管端的一部分通道,使远离烟管端的壳面烟气收集变少,影响环保（如图 9所示）.

建议新型设计时,大大增加集气箱底部的矩形集气孔数量、缩小它们之间的间距,使漏料尽可能漏下去,不要堆积在集气箱内.

2 净化系统

2.1 溜槽、大型料仓的排气收尘

在有些设计中,氧化铝输送溜槽的排气收尘接入净化系统的主烟管,没有单独分流,不仅浪费了主排烟风机的一部分抽力,而且烟管内容易形成积料,阻碍了烟气收集.

净化系统大型的新鲜氧化铝仓、载氟氧化铝仓,空气提升机或浓相罐将气流与原料一起送进仓内,有的仓没有自己的除尘器来排气收尘,而借助于净化系统总烟管,这样也使主排烟风机的一部分抽力用来为料仓服务,相应减少了抽吸电解槽烟气的能力.

建议新型设计时,氧化铝输送溜槽的排气收尘采用平衡料箱方式（如图 10所示）,大型料仓的排气收尘建设独立的除尘器,使主排烟风机的能力尽可能用在电解槽烟气收集上（如图 11所示）.

2.2 主排烟风机

主排烟风机,是净化系统最主要的大型设备,作用是形成系统负压,即抽力（如图 12所示）.

图12

主排烟风机的电机有 10 000 V,47 A的,也有 380 V,470 A的,实际中发现动力交流电消耗前者远大于后者,因为电耗即功率是电压与电流的乘积,对节约能源很不利.

有的设计没有考虑主排烟风机的备用,全部主排烟风机都要运行才能满足系统正常工况需要.但实际生产中主排烟风机发生故障停机检修经常会发生,此时运行台数减少、烟气收集效果差、厂房内烟气很大.

也有些在设计时考虑的系统烟气总量的余量不大,对应选择主排烟风机的性能、数量就比较保守.但实际情况比理论计算更复杂,在实际运行中很可能烟气量更大、多年运行使系统过滤阻力增大、局部磨损泄漏灌进野风,这些不可避免的情况,都会造成对电解槽烟气的有效抽力不足、环境恶化.

事实上,如果净化系统能力设计过大、电解槽抽烟气太多,可以减小主排烟风机进口阀的开度来降低电流、降低抽吸能力,这是完全能够做到的,也没有什么大的消极影响.一旦净化系统能力设计太小,所有主排烟风机都启动、电流达到满负荷都无法满足抽吸烟气的需要时,则看在眼里、急在心上却无能为力.

建议新型设计时,一定要考虑到主排选择低电压大电流型号、数量上有备用,系统烟气总量的余量系数一定要取较高值.

2.3 空气提升机

在净化系统中,常用空气提升机输送载氟氧化铝返回到载氟料仓.

空气提升机最初被设计的体积很大,结构复杂,安装在地坑内（如图 13所示）.这种类型的空气提升机先后出现了一系列问题,有的使输送中断的时间较长,也有的使提升输送能力不足.沸腾帆布磨烂更换很困难,突发停电使主供风管落料灌满清理不方便,灌满主供风管的料通过气室风管又间接灌入沸腾帆布下方的气室内,接料管与沸腾帆布之间的距离调整不容易,主供风管喷嘴口径不合适.

新设计的空气提升机已经小型化了,很紧凑（如图 14所示）,但某些问题仍然存在.

建议新型设计时,空气提升机小型化,还要将气室风管布置在高位防止气室间接灌料失去沸腾功能,主供风管增加法兰便于拆卸清理、便于修改喷嘴口径,料罐本体要设计较大的人孔便于调整接料管距离.

2.4 大布袋反吹清灰

早期设计除尘器大布袋清灰为反吹风机强制反吹,负责反吹、正常抽吸烟气转换的气缸活塞杆及阀板隐蔽在反吹风道里（如图 15所示）.气缸故障很多,例如,阀板脱落导致气缸活塞杆上下行程无效;阀板停在下位提不起来;反吹时阀板停在半空中造成上面和下面的圆孔都不能密封,反吹风被主排烟风机直接抽走、不能起到反吹单元体大布袋的作用;气缸下部在活塞杆处压缩空气泄漏.造成这些故障的原因有阀板紧固螺丝脱落、压缩空气压力低、气缸本身内泄漏使进气腔和排气腔窜气、气缸密封胶圈性能差,但所有的结果都体现在气缸阀板的直观动作上,而阀板又安装在密封的反吹风道内,动作是否到位看不到,很难确认是否有故障、是哪一种故障.

由于故障不能确认、得不到及时处理,气缸不能有效工作,使除尘器布袋压差增大、总烟管负压降低,对生产、环保都不利.

图15

某些铝厂自行取消反吹风机,利用自然空气反吹,运行良好,除尘器布袋压差减小、总烟管负压升高,还节约了电费、备件费用、检修维护工作量.还有的铝厂在设计时就取消反吹风机、反吹风道,只是用笼形罩将气缸固定并防护起来（如图16所示）.

图16

建议新型设计时,除尘器大布袋采用自然风反吹清灰,取消反吹风机,有利于生产工艺,还节约电能、备件费用、检修维护工作量.

2.5 除尘器入口

早期设计,在除尘器入口弯头处直接转向 90度（如图 17所示）,通风横截面没有变化,随着使用时间延长,弯头磨烂越来越频繁,飘料、漏风,恶化了现场卫生,也向系统内灌入了无效的野风,减弱了对电解槽烟气的抽力.

后来设计,除尘器入口弯头先扩大再转向 90度呈喇叭口,突然扩径降低了此处的烟气流速,也就减缓了冲刷磨损,并在弯头内部加耐磨材料锰钢板,有的铝厂运行 5年没有出现磨烂（如图 18所示）.

建议新型设计时,鉴于有成功范例,除尘器入口弯头先扩大再转向 90度呈喇叭口,并在弯头内部加耐磨材料锰钢板.

2.6 除尘器内部风道隔板

电解槽烟气被吸入支烟管、主烟管、总烟管,然后进入除尘器.经过布袋过滤,挡住颗粒物及粉尘,过滤之后的洁净烟气通过主排烟风机由烟囱排空.进入除尘器的含尘烟气在进风道内,过滤后的洁净烟气在出风道内,它们之间被内部风道隔板分开（如图 19所示）.因为进风道逐渐缩小,含尘烟气进入除尘器就冲刷内部风道隔板,尤其是前一部分,运行一段时间后频繁磨烂.这样造成“短路”——含尘烟气不经过两侧的布袋过滤,而是通过内部风道隔板的破洞,直接进入上方洁净烟气的出风道,直接排入大气.此时烟囱飘料,粉尘排放高、浪费原料.

根据实践经验,建议新型设计时,除尘器内部风道隔板的前一部分（约为风道隔板总长度的 2/5）,作耐磨处理,解决上述问题.

2.7 粉尘泄漏监测

很多净化系统没有粉尘排放实时监测,给工作带来很多麻烦.例如,肉眼发现烟囱冒料、粉尘排放高,不知道哪方面出了问题,要人工揭开盖子检查 12台除尘器共 120个单元体的 1440条布袋哪条烂了,或者 12台中哪一台除尘器内部风道隔板磨烂了,或者 120个单元体中哪个密封胶条老化破损漏料,有点像大海捞针,造成原料浪费、人力浪费和粉尘排放不合格.

图19

建议新型设计,在烟囱上安装粉尘检测仪,每一台除尘器出口安装粉尘开关,分别接入电脑系统,实时检测净化后的烟气粉尘含量,报警值自动设置为标定点的 5倍或 10倍,结合除尘器单元体反吹次序,由电脑提供警报并且判定哪一台除尘器（布袋或风道隔板）、哪一个单元体（布袋）泄漏,人员迅速针对目标去检查、处理,迅速纠正（如图 20所示）.

图20

2.8 溜槽观察孔、测压口

早期设计的载氟氧化铝、新鲜氧化铝输送溜槽、VR I加料反应器,都有有机玻璃板封闭的观察孔,目的是观察输送情况或是否堵塞.实际生产中,这些有机玻璃板内表面粘上氧化铝粉后,模糊不清,完全失去了作用（如图 21所示）.

图21

早期设计因为理论不成熟,在每节氧化铝输送溜槽气室底部或侧部都设计了测压口,用于试车前测定、调整每节溜槽的空槽压力（Pa或毫米水柱）.生产实践证明,氧化铝输送沿溜槽方向几乎可以忽略压力梯度递减的变化,目测氧化铝流动即可确定溜槽供风阀开度,一条溜槽包含的几十节溜槽供风阀都可以设定为同一个开度.

建议新型设计,废除溜槽顶部或侧部、VR I反应器上的有机玻璃板观察孔,必要时设计成快开孔;取消氧化铝输送溜槽气室的测压口.

2.9 载氟氧化铝输送管弯头

载氟氧化铝返回到载氟料仓,不论采用空气提升机还是压力罐,其输送管上仓顶的位置都有弯头（如图 22所示）.早期设计没有考虑弯头耐磨和结垢清理.

因为料流在拐弯处冲刷剧烈,弯头外侧容易磨烂漏料甚至输送中断.

图22

因为载氟氧化铝有黏性,容易在弯头内壁结垢,逐渐堵塞原料通过的横截面空间（如图 23所示）,使输送能力明显变差,生产用量不够,造成电解槽断料危机,必须拆开清理.

图23

建议新型设计时,载氟氧化铝输送管弯头作耐磨处理,同时在弯头附近的管路上设计法兰、空间设计安全的检修平台,便于定期拆开弯头清理内壁的结垢.

2.10 料仓收尘管

早期设计的载氟氧化铝料仓,直径很大、高度却不高,仓顶的收尘管靠近仓壁.载氟氧化铝进仓,气流料流混合冲到料面后向四周飘散,气流将细粉料带到四周,形成沿仓壁圆周的一圈高位料.因为存在安息角、载氟氧化铝流动性又不好,这一圈高位料很难随着中间料位的下降而下滑.为保持载氟料较好的流动性和必要的贮备,仓内料位不能太低,更不能放空.日积月累,这一圈高位料越堆越高几乎达到仓顶水泥横梁,妨碍收尘排气,造成气流另寻出路从仓顶人孔口飘料（如图 24所示）.