预培阳极块预热系统的研究

吴德广

摘 要：对于铝电解生产，预培阳极块的更换存在潮湿和热震问题，文章设计了预培阳极块两级预热系统。一级预热采用了高温烟气，解决水汽问题，并使得新阳极温度有一定的升高；二级预热使用残极、碳渣和结块的余热，使新的阳极温度再次升高，理想情况可达到200 ℃左右，从而有效减小热震问题，缩短新极全电流时间。

关键词：铝电解；预培阳极；预热；热震

21世纪以来，节能减排是国家经济工作的重点，有色金属工业被列入6大节能行业之一，铝电解节能降耗是当务之急。目前，全国电解铝耗电量约占电力消费总量的6%，铝电解行业成为国家宏观调控的主要行业。因此，铝工业必须实施高效节能，深度节能技术的开发是必然选择。

1 存在的问题

预培阳极块在目前铝工业生产中广泛应用，由于电化学反应不断消耗预培阳极块，因此必须定期更换。而阳极更换时会有两个问题：首先是水汽潮湿问题。阳极块从预培好到上槽，需要存放一段时间，这样预培阳极块的表面可能潮湿或者含有一定量的水蒸气，这种现象在阴冷天气或者北方冬天尤其明显，如果不做任何处理，直接更换阳极，那么在电解槽中会出现电解液乱溅和沸腾剧烈现象，并持续80～100 min，从而影响更换阳极的操作质量；也会使电压升高，针振幅度变大，电解槽的稳定运行从而受到影响；另外水分子在电解质中会产生氟化氢气体，这种气体会损害环境，甚至引起爆炸，造成人身伤害事故。

其次是热震问题。更换阳极之前，预培阳极块的温度是环境温度，电解槽中的电解液温度约为950 ℃；当预培阳极直接放入电解槽中时，预培阳极块会有较高的热量输入，在这一个高温下，阳极热膨胀的作用开始产生热应力，并且温差较大，热应力越大，热阳极的热冲击效应越大。预培阳极块这时候就会裂开、断开和掉落，从而影响电解槽的正常运行，电流效率变低，阳极的消耗增加。

另一方面，在铝电解生产过程中，烟气管道排出烟气的温度在100～150 ℃之间，很少有企业回收烟气的热能，而是在气体净化系统中用水先冷却再处理，这样浪费了许多的能量；另外，从电解槽换下的阳极残极，与打捞的氧化铝结块和碳渣温度都很高，接近950 ℃，也没有去利用这些热能，大部分都裸露在空气中自然冷却，这样既浪费了大量能量，也对周围产生强烈辐射，影响工作环境。

2 解决方案

为了避免上述的两个问题，并利用生产过程产生的余热，本设计除去预培阳极块表面的水汽，减小新阳极和电解槽的温差，设计了一种铝电解碳阳极块两级预热系统，系统的流程如图1所示。一级预热是在特制的预热房中进行，使用来自电解槽的高温烟气加热，新的阳极块水气被去除，并会使新阳极温度得到一定的升高，可达80～100℃；第二级预热是在特制的搬运小车中进行，使用高温残极、碳渣和氧化铝结块加热，新阳极的温度会进一步升高，理想情况可达到200℃左右，从而减小热震。二级预热系统流程如图1所示。

预热房是一个狭长而可密闭的空间，其结构如图2所示。外层由普通黏土砖堆砌，内层铺设耐火砖，中间放置耐火隔热材料，如石棉板，房顶里层铺设防火保温材料，外层用混凝土浇灌；预热房的进口设置门，门的设计参考焙烧炉的炉门，提高其密封和保温性能；从电解槽过来的烟气管通过气阀，延伸到预热房内，房内的烟气管被均匀引出6～8个出气孔，从而确保密闭空间内的温度能够均匀分布；预热房的另一端铺设排气的烟气管，排气烟管可通过气阀控制流入烟气净化车间的流量，其烟气管的进气端铺设一个分支，在第一级预热结束之后，通过气阀，方便烟气直接流向净化车间。

第二级预热是在搬运小车中进行，其结构如图3所示。底部为4个载重的万向轮，上方是一个箱体结构。箱体的侧面和底部都是钢板，通过焊接为一个整体，然后铺设耐火保温材料，比如陶瓷纤维，最后箱体底部再铺设钢板，钢板上焊接两块工字钢，并且一高一低，分布用来放置新阳极和残极，箱体的外壳盖可反转，左右两侧开放，由耐火隔热材料构成，中间的缝隙在预热时用耐火纤维封堵，起到隔热保温的效果。

具体操作步骤如下：

首先，将预培阳极块放置在高工字钢上，搬运小车6～8辆为一组，打开上盖并推送到预热房中，关闭预热房的炉门，打开烟道管的进气阀，使预培阳极在预热房中进行第一级预热。12 h后，将彻底干燥新阳极的水蒸气，理想的情况下可使其加热至100℃左右。

其次，第一级预热器完成后，关闭预热房的进气阀，取出搬运小车，推放到正在更换阳极的电解槽旁，将刚出槽的高温残留、碳渣和结块，堆放在车内的相应位置上，具体如图4所示。接着关上盖并用防火纤维封堵间隙，使预培阳极在特制的小车中完成第二次预热。6 h后，理想的情况下可使新的阳极块被加热到约200℃。

最后，根据铝电解更换阳极的周期要求，将搬运小车推至电解槽旁，取出经过预热好的新阳极块，遵照换极操作更换阳极，回收搬运小车内的残极、碳渣和结块。

该系统与现有技术设备相比具有以下优点：

首先，预热过程分成两级，第一级很好地去除水气，使得第二级的预热中不再有水气。

其次，增加新的热源而不消耗新的能源。传统的装置和设备只利用单一的热源，要么高温烟气，要么高温残极，而本系统充分利用了电解槽的高温烟气、残极、碳渣和结块的热量。

最后，预热的装置被进一步改善。现有装置没有密闭加热，本系统的预热房和搬运小车基本做到密闭加热。

3 结语

总之，本系统将高温烟气、残极、碳渣和结块用作预热的加热源，没有增加新的能源，而使陽极预热的温度得到了进一步的提高，解决了水气问题，减小了热震，缩短了新极的全电流时间，使生产效率得到提高，并且经济便携，易于工业化。

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