整体成型阴极实验排烟分析及控制

邓 翔,曹斌,张嘉,杨运川,柴婉秋,吴中鼎

(贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081)

在铝电解槽整体成型阴极焙烧过程中,由于糊料升温散发大量的挥发分(沥青烟、焦油等),这部分挥发分散发到车间内将对车间环境造成破坏,而现有设计的电解槽排烟系统,理念是在电解槽闭槽工作条件下进行排烟,无法实现在无槽盖板密闭条件下进行集气排烟。另外,铝电解槽整体成型阴极焙烧高温阶段,阴极下层材料随着温度升高释放的挥发分无法穿透上层材料释放,通过阴极钢棒窗口从电解槽两侧逸散出来,使电解槽焙烧烟气通过不同位置按一定时间周期散发。

电解槽整体成型阴极焙烧采用在炉膛内燃气焙烧,炉膛内阴极和阳极之间保持250 mm左右空间,燃烧烟气及上层阴极材料释放的挥发分通过上部排气口排出,下层材料释放的挥发分通过阴极钢棒窗口从电解槽两侧散发,电解槽两侧烟气散发成为铝电解槽整体成型阴极焙烧烟气收集的难题。

1 烟气成分及烟气量分析

铝电解槽整体成型阴极主要材料为改性石油焦+粘结剂,粘结剂主要成分是煤沥青和煤焦油,其中,煤沥青30%,煤焦油70%,阴极材料挥发分主要是煤沥青和煤焦油受热过程中产生的挥发分。

1.1 阴极材料挥发分总量分析

以200kA电解槽为例,电解槽底部糊用量27.5吨,侧部糊用量9.5吨。其中底部糊粘结剂比例为15%(其中煤沥青占4.5%,煤焦油占10.5%),侧部糊粘结剂比例为12%(其中煤沥青占3.6%,煤焦油占8.4%),则煤沥青用量为27.5吨×4.5%+9.5吨×3.6%=1.5795吨,煤焦油用量为27.5吨×10.5%+9.5吨×8.4%=3.6855吨。

通过小试试验测试分析,粘结剂挥发分转化为粘结剂焦比例为30%～50%,取值35%计算;底部糊入槽挥发分为8.4%,侧部糊入槽挥发分为6.5%。200 kA电解槽排放的挥发分总量为:27.5×8.4%×65%+9.5×6.5%×65%=1.903吨。

1.2 最大挥发速率

焙烧期间挥发分挥发最快温度区间为200～450 ℃,加热期间温度升至450 ℃前挥发总量约为1.52吨(总量2.234吨),其中温度200 ℃以下挥发量0.3吨,约占1/5,200～450 ℃温度段挥发量约为1.22吨。

图1 烟气散发量与温度的关系图

1.3 排烟量的确定

根据升温曲线控制升温速率,200～450 ℃升温速率控制在每小时5 ℃左右,挥发分最大散发速率为24.4 kg/h。

整体成型阴极焙烧在200～450 ℃升温过程中,焙烧用天然气消耗量最大,烟气量和烟气中颗粒物浓度最高。根据焙烧热量输入及平衡计算,200 kA电解槽整体成型焙烧最大小时天然气消耗量为20 Nm3/h(实际均值13 Nm3/h),瞬时可能最大天然气消耗量为45 Nm3/h(实际瞬时峰值),氧气消耗量约为40～45 Nm3/h,过氧量取值10倍,空气需要量约为2000～2250 Nm3/h(实际值1588～1800 Nm3/h),产生烟气量约为2000～2250 Nm3/h,系统排烟量理论计算最大4500 Nm3/h,净化系统设计开槽最大工况排烟量为9000 m3/h,系统单槽排烟可满足排烟要求。

1.4 排烟风量控制分配

整体成型阴极焙烧是一个从上至下逐渐升温的过程,在焙烧过程中,热量传递及散发使阴极材料形成由炉膛至四周递减温度梯度,并形成烟气逐步散发的传递过程。整体成型阴极焙烧过程中,实际散发烟气量产生梯度延迟,电解槽中心及上部糊料含有的挥发分首先散发至电解槽炉膛内,部分在炉膛内被氧化,另外一部分与炉膛燃烧尾气一起从炉膛排气口排出;随着炉膛温度逐步升高,等温线逐渐向外扩展,挥发分逸出逐渐向外扩展,炉膛内汇集的挥发分逐渐减少,底层糊料散发的挥发分逐步沿阴极钢棒向电解槽槽边逸散,焙烧烟气控制分两个阶段进行。

第一阶段:炉膛排烟阶段,炉膛温度～450 ℃,整体成型电解槽内温度逐步升高,下层糊料处于预热阶段,电解槽两侧没有烟气散发,烟气主要是上层糊料散发, 电解槽排烟口设计3个Φ150排气管,分别安装在电解槽两端及电解槽中部,单管排烟量750 Nm3,管道烟气流速16 m/s。

第二阶段:炉膛排气、电解槽侧部排烟阶段,炉膛烟气中挥发分基本被燃烧充分,排气主要是天然气燃烧尾气和少量挥发分燃烧后排气,电解槽两侧阴极钢棒位置烟气逐步散发,电解槽进入侧部排烟模式,侧部排烟和炉膛顶部排气分配比例为1∶1。

2 排烟系统设计及影响分析

排烟系统设计按两种工况兼顾设计,电解槽顶部排烟按系统总排烟量设计,侧部排烟按总排烟量的1/2设计,电解槽两侧设侧部排烟罩,各支管设置调节阀。系统第一阶段运行时,关闭两侧调节阀,电解槽顶部排烟;第二阶段运行时,开启电解槽两侧烟管控制阀,并调节控制电解槽两侧排烟,同时调小电解槽顶部排烟干管排烟控制阀开度,实现系统排烟平衡。

2.1 焙烧烟气对现有电解烟气净化系统的影响分析

铝电解烟气净化系统本身能够处理含有沥青焦油的烟气,预焙阴极电解槽启动时,同样有沥青烟气散发;焙烧烟气净化系统中,采用氧化铝吸附的干法净化方法,在国内外有广泛应用,烟气净化系统中沥青烟气排放浓度低于3 mg/m3。

现有的单套电解烟气净化系统配套原铝产能规模一般在50 kt/a以上(说明:现有单套电解烟气净化系统配套电解铝产能规模一般都在5万吨/年以上,包括现有的和新建的),小时排烟量设计值为800,000 m3/h以上,单侧烟气净化系统烟气量为400,000 m3/h以上,焙烧烟气净化系统中的沥青烟焦油浓度250～600 mg/m3。按照前述全槽全部材料挥发分为1.903吨计算,小时最大挥发量为24.4 kg/h,烟气中挥发分浓度为61 mg/m3,比现有系统中的沥青烟焦油浓度250～600 mg/m3要低得多,因此不会影响铝电解烟气净化系统的运行。

2.2 铝电解烟气净化系统对挥发分的处理能力及对环境的影响

试验产生的烟气主要是燃料燃烧产生的烟气、筑炉材料挥发分挥发产生的烟气、槽启动过程中可能产生的含氟烟气,其中,燃料燃烧产生烟气为普通烟气,槽启动过程中产生的含氟烟气为电解烟气净化正常生产烟气,该两种烟气治理均适用于铝电解烟气净化系统;对于筑炉材料挥发分挥发产生的烟气,筑炉材料挥发分主要为煤沥青和煤焦油挥发分,该烟气也可采用铝电解烟气净化系统氧化铝吸附的方法对这类烟气进行治理。

如果将焙烧烟气全部排入电解烟气净化系统,其短期(36 h)最大挥发分浓度(61 mg/m3)比现有沥青烟气氧化铝吸附干法净化处理系统中的沥青烟焦油浓度250～600 mg/m3要低得多,加之氧化铝对挥发分具有吸附作用,因此,烟气不会影响铝电解烟气净化系统的运行。

2.3 挥发分通过氧化铝吸附对电解工艺的影响

研究表明,氧化铝中含碳量超过5%时将影响铝电解槽的电流效率,但是在本次试验中,挥发分含碳量不可能是100%。由于在铝电解烟气净化系统中,每小时加入系统的氧化铝量为10吨,5天累计1200吨,假定所有挥发分全部被氧化铝吸附,折算到氧化铝中挥发分短期最大含量为0.339%,不会影响电解槽电流效率。

2.4 挥发分冷凝对管路系统的影响

由于小试试验确定试验材料在升温过程中有部分挥发分散发,在电解槽整体成型焙烧试验启动初期,部分挥发分在电解槽排烟支管内部分冷凝,没有冷凝的烟气进入到排烟总管以后,由于其他槽烟气温度的影响及稀释作用,干管内不再冷凝。进入焙烧试验后期,试验槽排烟温度升高,挥发分减少,排烟支管不再产生冷凝作用,同时由于烟气逐步升高,先前在排烟支管内冷凝的挥发分二次挥发,被带入到净化系统中,对排烟支管起到了清理作用。实验证明,挥发分冷凝没有对管路系统产生影响,试验结束后管路系统中没有残留。

3 结 语

试验研究对阴极材料挥发分测试是在小试环境下进行的,通过坩埚加热形式进行测试,电解槽试验采用燃气焙烧方式,燃气焙烧的过程中,部分挥发分(炉膛排气部分)将会被氧化,转化成二氧化碳和水,大大减少了烟气中挥发分含量;另外,小试试验由于使用材料少、体积小,有利于挥发分充分挥发,电解槽整体成型试验研究材料用量大、筑炉糊料厚,不利于糊料中挥发分散发,部分糊料中的挥发分在升温过程中由于无法逸散而直接固化,同样大大减少了烟气中挥发分含量。

电解槽整体成型燃气焙烧试验证明,烟气中挥发分实际含量低于理论值,铝电解烟气净化系统经过整体成型焙烧试验(一台槽)后,净化系统中氧化铝颜色略有变化(变黑),其余各项指标(电解槽运行指标、氧化铝流动性)均没有变化。

另外,电解槽整体成型阴极焙烧试验排烟效果证明该排烟方法可行,有效控制了整个试验过程中不同焙烧阶段的排烟,达到预期目标。