350 kA电解槽烟道改造实践

李 刚，谢青松，何 飞，王怀江，冷龙洋，彭高红，秦胜广，王富强

（1.遵义铝业股份有限公司，贵州 遵义 563100；2.沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001）

电解槽传统烟道往往存在集气均匀性较差、积灰不易清理的缺陷，导致电解槽密闭效率偏低，易出现出铝端冒烟的现象［1－2］，且覆盖料上部散热不均匀，进而影响电解槽热平衡分布的均匀性，导致诸如烟道端槽温偏低、沉淀多、炉帮厚、伸腿长等问题，甚至影响烟道端换角极。解决的办法在于借助数值模拟技术改造烟道，提高槽膛内的集气均匀性和热平衡分布均匀性，实现烟道积灰自动清理，改善出铝端与烟道端槽温、沉淀、炉帮内形差异大的问题［3］。

遵义铝业从2020年9月起开始集中力量改造350kA系列二车间的电解槽烟道，经过半年的努力，取得了良好效果。

1 原设计烟道存在的问题

烟道改造前，二车间内环境质量较差，目测槽上部冒烟情况严重，显见电解槽密闭效率偏低。选取二车间四工区的2419＃、2420＃、2425＃共3台槽，在槽罩板上居中开洞（共6点，与立柱母线位置对应），用风速仪测量进风速度变化，以此评估槽膛内集气的均匀性，详见图1。由图1可知，三台测试槽的槽膛内集气均匀性偏差较大（－52%～30%），尤其在第5根立柱位置，槽膛内的负压最小，极易出现集气不力而产生冒烟现象。若要提升电解槽密闭效率，就必须对原设计烟道进行改造。

图1 烟道改造前的槽膛内集气分布均匀性实测值

2 烟道优化方案

经过沈阳院专家现场调研，在充分掌握现场情况和查阅原设计图纸的基础上，建立了350 kA电解槽上部热平衡模型，模拟槽上部温度场及流场的变化规律，以此制定烟道优化方案。槽上部热平衡的物理模型如图2所示，槽膛内的烟气流场如图3所示，温度场分布如图4所示。

图2 电解槽上部热平衡半槽物理模型

图3 槽膛内的烟气流速分布图

图4 槽上部温度分布图

槽周的冷空气主要通过导杆密封和槽罩板间缝（包括出铝端、烟道端和大面24个）处进入槽膛，因此，导杆密封和槽罩板间缝均设为interior边界。阳极覆盖料表面根据测试值设定热流密度边界，火眼温度为电解温度940℃，烟管的排烟流量与测试值5 600 Nm3／h保持一致。

有研究表明，槽罩板间缝处的进风量约占电解槽总排烟量的90%，导杆密封处进风量仅占9%［4］。因此，提升电解槽密闭效率的关键在于调控槽罩板间缝处的集气量均匀性。烟道优化前后大面槽罩板间缝处的进风量（空气质量流量）分布偏差对比如图5所示。

图5 优化前后的电解槽集气量均匀性对比

由上图可知，当排烟量为5 600 Nm3／h时，原设计电解槽的排烟温度为149℃，烟道的集气偏差介于±11%之间，呈现出烟道端进风少而出铝端进风多的整体趋势，且烟道阻力略偏大（模拟值190 Pa）。其主要原因在于，原设计中的烟道两端集气孔直径相差较大，单靠烟道端的小直径（Ф35 mm）集气孔来调整槽膛内的风压平衡比较困难。而且在实际生产中，烟道积灰严重堵塞烟气流通，尤其在出铝端至第4个下料点之间最为严重，导致集气分布状况发生逆转，出铝端进风量大幅降低，同等集气量下烟道阻力必然大幅升高。

优化后的电解槽烟道阻力模拟值为146 Pa，比原设计降低约23%；进风量偏差为－6%～5%，集气均匀性较原设计有较明显改善，电解槽密闭效率显著提高。

3 烟道改造后的实际效果

根据槽上部热平衡模型的计算结果制定烟道优化方案，在尽量沿用原设计烟道结构的基础上，调整了部分集气孔的直径，并布置了合理数量的漏料口。

遵义铝业根据电解槽烟道优化方案，制定完整的操作流程，辨识安全风险，做好各种预防措施和保障工作，并严格把控施工质量，确定专人负责验收工作。截至2021年1月底，已完成四工区所有在产槽的烟道改造工作。在产槽烟道的现场施工如图6所示。

图6 在产电解槽烟道改造的现场施工图

烟道改造完成后，在四工区选取2419＃～2427＃共9台槽进行槽膛内集气均匀性现场测试，以验证烟道改造后的实际效果。烟道改造后的槽膛内集气分布均匀性测量结果如图7所示，烟道改造对电解车间环境状况的影响如图8所示。

图7 烟道改造后的槽膛内集气分布平均偏差实测值

图8 烟道改造对电解车间环境状况的影响

由上图可知，实测2419＃～2427＃电解槽的槽膛内集气平均偏差介于±10%以内；其中2419＃、2420＃和2425＃槽的槽膛内集气平均偏差介于－6.9%～5.3%之间，集气均匀性比烟道优化前（－52%～30%）有较明显改善。经过两个月的观察，改造后烟道内无明显积灰，再也不需要频繁清灰作业，降低了工人劳动强度，节约了压缩空气用量，减少了氧化铝飞扬损失。

与其他未实施烟道改造的工区（同一时刻）相比，四工区电解槽上部几无冒烟情况，车间内的环境质量状况明显占优，可证明烟道改造后槽膛内的风压分布均匀，实现了电解槽均匀集气和均匀散热，烟道可以自动清灰，烟道优化达到了既定目标。

4 结语

遵义铝业开展的350 kA电解槽烟道改造，实现了烟道内无明显积灰，基本不用再进行每月的烟道清灰工作，减少了压缩空气消耗，电解车间环境质量明显改善。实测槽膛内的集气均匀性从－52%～30%优化到±10%以内，显著提升了电解槽密闭效率，有效保证了电解槽内的集气均匀性和热平衡分布均匀性，有利于减小电解槽排烟量实现电解槽保温，降低净化系统处理风量和电耗，减少电解车间无组织排放和降低氟化盐单耗，为电解系列节能减排提供可靠的技术保障。