大容量电解槽电解车间厂房通风结构形式的探讨

2019-04-25陈颖

有色金属设计 2019年1期

陈颖

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳 55008)

0 引言

随着国民经济的高速发展，我国对铝的需求量不断增加，电解槽容量也向大容量发展，伴随单台电解槽的容量不断增加，槽体尺寸也随之加大，设备散发的热量和污染物也随之增加。从能量平衡角度供给电解槽的电能中大约有50%以热能的形式散发到环境中，且大部分从侧部散发到厂房，对室内工作环境造成很大影响。因此合理的设计铝电解车间厂房，利用自然通风来降低车间内的温度和污染物的浓度是该领域内的重要课题。

1 电解车间厂房作业环境

目前，铝电解厂房多采用两层楼结构，此种厂房结构能获得良好的通风效果，由于电解槽热熔区主要在2层楼下，即槽体的主要散热区在2层楼下，为了有利于2层楼下槽体的散热，通常在槽体周围铺设格子板来通风，从而降低电解槽的表面温度。在厂房2层楼面上，厂房外空气由厂房外侧的楼下与楼上靠下部操作面处进入工作区降低工作区与电解槽本体外壳温度，改善工作区环境与电解槽工况条件。

铝电解厂房内不仅温度较高，而且还存在大量的有害气体(主要是氟化物)，为了降低厂房温度及排除电解槽散发到厂房内的有害气体，则需要加大通风。随着铝电解技术的不断发展，如今电解厂房净化系统的集气效率可达到98.5%以上，因此排放到厂房的有害气体可及时被收集处理，只有满足环保要求的少部分有害气体通过厂房自然通风排到室外。但是随着电解槽容量的不断增大，其排放到空气中的热量也随之大大增加，特别在夏季热量增加得尤为明显，目前简单的2层楼结构厂房形式已不能及时有效地带走这些热量，尤其是电解槽周围的热量。由于电解槽的槽间距离是有限的，因此通过电解槽之间的格子板散发的热量也是有限的。为了维持电解槽的热平衡，有利于电解槽规整炉膛的形成，延长槽寿命，就必须将槽体周围的热量及时带走；同时，由于热量不能及时有效地带走，厂房内温度会急剧升高，一些热带区域厂房的温度在夏季甚至接近50℃，工人在如此高温度下工作，人的反应速度、感觉敏感性及感觉运动协调功能会明显下降，最终造成工人劳动效率降低，增加操作失误率，导致伤害事故的发生，因此，我们设计者当务之急是根椐南北气候环境特征，设计合理的电解厂房通风结构，改善厂房内的通风，使厂房操作面的温度尽量适宜，尽可能地改善工人的作业环境。

2 铝电解厂房通风形式及气流分析模型

目前，电解厂房的通风形式各异，有自然通风、机械通风或者两者的组合。国外铝电解厂房气流分析模型主要有3种：机械进风加自然排风方式、自然进风加机械排风方式、自然进风加自然排风方式。为了减少初期投资和运行费用，我国铝电解厂房自建设以来一直采用自然进风加自然排风方式，即通常所说的自然通风方式。

由于工业热厂房内气流分布比较复杂，为了获得更好的自然通风结构，需要对气流进行模拟分析。目前，应用比较广的气流分析模型主要有无温度分层模型和有温度分层模型。

无温度分层模型是在热源的上部形成热羽流，热羽流在上升的同时不断卷吸周围的空气，与之混合而使温度有所降低；在屋顶处，一部分热羽流由天窗排除，另一部分则沿外墙向下回流，返回工作区或在工作区上部重新卷入热羽流；返回工作区的那部分循环气流与进入的室外气流混合，工作区温度就是这两股气流的混合温度；有温度分层模型是热源上部产生的热气流在浮力的作用下上升，并不断卷吸周围的空气。在卷吸作用、后续新风的推动作用、排风口的抽吸作用下，地板上方的新鲜空气缓慢上移，于是工作区的混浊空气为后续的新风所置换，形成热分层，上部为温度较高的污浊空气区域，下部为温度较低的清洁空气区域。

综上，2种气流分型模型在国际上都有应用，而在国内电解一直都以无温度分层模型为基础研究工业厂房的通风。

3 大容量铝电解槽电解厂房通风的研究

3.1 影响厂房自然通风的因素

铝电解厂房自然通风受到许多因素的影响，比较重要的因素如下：

1)厂房的尺寸，如厂房高度、厂房宽度、操作面高度、屋顶坡度等；

2)进风口的面积、位置；

3)进风窗尺寸、进风窗阻力系数；

4)排风口的尺寸、位置；

5)通风器形式及阻力系数；

6)铝电解工艺，电解槽散热量、槽控箱位置、气控箱位置等；

7)槽问格栅的位置、尺寸、形状；

8)室外气象条件；

9)厂房位置。

3.2 厂房通风研究与计算

我们根椐影响厂房然通风的各因素，用Solidworks建模进行仿真计算与分析使我们的认识进一步提高。以前我们凭经验设计时均为寻找一切措施来提高全面进风量，认为通风量愈大降温效果愈好。但随着我们仿真计算分析，发现在保证足够通风量的同时，还要合理组织通风气流形式，比如合理协调进排气口面积。若只单纯地增大通风量而不合理组织气流，就可能发生气流短路现象，即由进气口进入厂房内的新鲜空气，在未经过工作区之前就已被加热而上升至排气口排到室外。因此，提高自然通风效果的途径之一就是尽量避免或尽量减少气流短路。通风设计的目的就是获得较多的通风量及合理分配这些风量，而最重要的目标是获得最小的工作区温升以及较多的电解槽周围风量。

4 典型结构的自然通风电解车间厂房结构的计算与分析

4.1 传统自然通风电解车间厂房结构

传统自然通风厂房结构为2层楼结构，2层楼下采用敞开形式或窗户形式，2层操作面上出铝端、烟道端均采用普通窗户形式或小百叶形式通风，没有对气体的排放进行有力且有组织引导。此种厂房结构用在300 kA级以下中小容量电解槽上，由于电解槽容量小，热容量相对较小，操作环境温度对工人身体的影响不太明显，但随着铝工业的不断发展，300 kA级以上的大容量电解槽随着出现，若仍然将这种建筑形式沿用于300 kA级以上的大容量电解槽时，由于此容量电解槽生产中产生的热量比300 kA级以下的中小容量电解槽大许多，在厂房跨度加大不多，操作面标高加高不多时，车间内的操作环境相对于300 kA级以下的中小容量电解槽的车间相差很多，某些大容量铝电解槽槽壳侧壁温度高达300度以上，特别是两个电解槽之间的操作空间电解槽的辐射热温度很高，在夏季高温辐射更加严重。除此以外，此种结构的电解厂房由于通风较差，车间内的有害气体不能被及时有效的排出，对工人身体带来不可逆的伤害。因此，此种电解厂房通风结构在如今的铝电解发展中逐渐被淘汰，这是因为此种结构的电解厂房未对自然风进行合理有效的引导，未使新鲜空气更有组织地流经电解槽操作区域，最终导致车间内的多余的热量及槽内外溢的有害气体未能有效的被带走，因此此种结构的厂房内部工作环境较差，在热带地区夏季甚至会导致厂房内工人中暑，见图1。

图1 传统自然通风电解车间厂房结构

4.2 气体有组织排放的自然通风电解车间厂房结构

为了及时有效地将无序排放的气体引导为有序排放的气体，气体有组织排放的自然通风电解车间厂房结构也随之衍生。此种结构的电解车间厂房可以将厂房内的无序气体进行有组织排放，特别适用于气温较高的地区(后面简称热带区域)，在热带区域设计铝电解厂房自然通风结构时，应充分考虑热带区域风速低，气温高的特点。针对这一特点，热带区域电解厂房结构应采用出铝端外设大百叶导流板内设窗户的结构(出铝端为主要操作区)、烟道端设置小百叶的设计(由于烟道端铺设管道及安装设备较多，空间较小，设置大百叶与窗户较困难，且烟道端距电解槽较近，为了防止雨水飘入电解厂房引起电解槽爆炸，因此烟道端设置小百叶)，侧部导流板能对自然风进行合理有效的引导，可使新鲜空气更有组织地流经电解槽操作区域，及时有效地带走多余的热量及槽内外溢的有害气体，同时，可通过调节侧部导流板内的窗户来消除季节气候对电解槽热平衡的影响。安装300 kA以上的大容量电解槽时，电解厂房操作面以下(即2层楼下)应保证3.5 m的操作面标高，有利于确保厂房进风量，保证在夏季电解槽本体的通风，在南方二层楼以下可不设窗户，即二层楼以下为敞开式结构，但在北方地区二层楼以下必需设窗户，保证在冬季时关闭，有利于电解槽保温，见图2。

图2 气体有组织排放的自然通风电解车间厂房结构

从仿真计算与模似图3中可以看到，在导流板的引导下，电解槽周围的热气流在浮升力及厂房顶部通风器负压作用下有序地向厂房顶部流动，在上升过程中，热气流不断吸卷周围空气，带动周围空气向厂房顶部流动，由此在电解厂房内部形成压差，从而不断抽吸室外新鲜空气进入厂房内。

图3 气体有组织排放的电解车间厂房内气流流动速度矢量图

从仿真计算图4中可以看出，采用此种厂房结构，在厂房内部，电解槽附近环境温度高，最高温度达到约326 K(53℃)左右，而在靠近出铝端及烟道端侧，厂房内环境温度相对较低，温度保持在311 K(38℃)左右，比电解槽附近最高温度低了15℃左右，且38℃左右的环境温度几乎和厂房外环境温度相当，说明此处通风良好，而此处是电解厂房内工人的主要工作区域，因此，大大提高了电解工人的操作环境。