NEUI 600kA级铝电解槽烟气流场测试与研究

王尚元 班允刚 杨青辰 刘 靖

(东北大学设计研究院(有限公司)， 辽宁 沈阳 110166)

0 前言

电解槽的集气系统是电解槽的重要组成部分，主要用于收集铝电解生产过程中产生的高温、含氟、含尘烟气。NEUI 600kA铝电解槽自2014年投运以来，因其显著的技术、经济优势，已成为行业新建电解铝系列的首选。为了提高电解槽的集气效率，减少高温有害烟气的无组织排放，有必要对电解槽的内部烟气流场进行测试，以了解电解槽内部烟气流场的真实情况。

1 测试仪器

电解槽烟气的主要成分是热空气，另外还有少量的CO2、CO、HF、SO2以及氧化铝颗粒。由于上述成分含量均不高，因此电解槽烟气可以按照热气体考虑。电解槽的内部烟气流场可以利用仪器直接进行测量[1]。本次测试用的主要仪器详见表1。

表1 测试仪器的型号及规格

2 测试方案

根据厂区电解系列的整体运行情况，选择1046#和1067#两台正常生产且具有代表性的NEUI 600kA级铝电解槽进行烟气流场测试。

2.1 测试内容

电解槽内部烟气流速场的测试内容主要包括：

1)电解槽槽罩板内负压分布、温度分布。

2)电解槽出口支烟管内烟气流速、温度、负压及流量情况。

2.2 测点分布

测量数据以直角坐标系表示。Z向垂直向上，Y向为系列电流方向，按右手定则确定X向为电解槽出铝端。坐标原点定在电解槽中心点上方标高为4.450 m的位置。

根据本次测试的目的并结合空间的关系，测点可以分为两类：第一类测点位于电解槽罩板内部，沿电解槽4.450 m横断面向两侧分布；第二类测点位于电解槽出口支烟管的烟道内部。

NEUI 600kA铝电解槽内部测点分布如图1、图2所示，槽罩板之间的4个测点均匀分布；支烟管上的5个测点沿烟管直径均匀分布，具体如图3、图4所示。

图1 槽罩板内部流场测点分布图

图2 槽罩板内部测点分布图

图3 支烟管中的测孔位置

图4 支烟管中的测点分布

2.3 测定原理

对于高温气体，一般使用热电偶温度计测量。当温度场比较均匀，管道中温差不大于10 ℃时，可以只测管道中央部分的温度。本测试选用热电偶温度计测温，因现场测点温度场均匀，管道中温差不大(小于3 ℃)，所以只测定管道中央位置的温度[2]。

为了测压方便，制作了许多形式的测压管。其中，负压管和全压管并在一起的测压管，习惯上被称为皮托管。本次测试采用L型皮托管进行测量。

本次测试使用空盒式气压计直接读取大气压测量值。

本次测试采用Testo 512压差计测量流速和流量。净化管道内的烟气流速、流量与大气压力、烟气温度有关。

3 测试结果与分析

3.1 槽罩板内烟气流场测试结果及分析

3.1.1 测试数据

两台电解槽槽罩板内部烟气的实测数据分别见表2和表3。

表2 1046#槽槽罩板内部烟气实测数据

表3 1067#槽槽罩板内部烟气的实测数据

3.1.2 烟气温度分析

将2台测试槽槽罩板内各测点的烟气温度沿X方向作图，结果如图5、图6所示，以考察两台电解槽槽罩板内的烟气温度、负压在X方向的分布。其中，X方向上以进电侧的测点为第1组，依次排列，出电侧的测点为第4组。各组平均温度见表4。

图5 1046#电解槽槽罩板内烟气温度沿X方向的分布

图6 1067#电解槽槽罩板内烟气温度沿X方向的分布

表4 电解槽内部烟气温度分布 ℃

由图5可知，在X方向上，随着距离的增加，1046#槽内烟气的温度呈增加趋势；到X方向第5个测点时，烟气温度达到最大值；随后烟气温度随距离增加而降低。从整体上来看，出铝端烟气的温度高于烟道端。

从图6可知，1067#槽罩板内烟气的温度沿X方向的分布特征与1046#电解槽相似，同样是呈中间高、两边低的趋势，但是最高点出现的位置在X方向分布的第4、6、7测点，最高温度点的位置并不固定。从整体上来看，出铝端烟气的温度同样高于烟道端。

从表4可知，1046#电解槽内部烟气的温度较电解槽槽罩板处烟气的温度高20～30 ℃，符合电解槽内部烟气的温度分布特征；电解槽内部烟气的总体平均温度为148.6 ℃。1067#电解槽内部烟气的温度较电解槽槽罩板处烟气的温度高15～25 ℃，这也符合电解槽内部烟气的温度分布特征。电解槽内部烟气的总体平均温度为144.6 ℃。

3.1.3 负压分布分析

将两台电解槽槽罩板内各测点的负压沿X方向作图，结果如图7、图8所示，各测点沿X方向的距离及组别分配与研究温度的测点分布相同。电解槽内部平均负压见表5。

图7 1046#电解槽槽罩板内烟气负压沿X方向的分布

图8 1067#电解槽槽罩板内烟气负压沿X方向的分布

由图7可以发现，1046#电解槽槽罩板内大多数测点的负压在X方向上呈中间小、烟道端和出铝端较大的趋势；电解槽内负压整体上比较均衡，但是个别位置的负压波动比较大，甚至有部分位置处于正压状态。

表5 电解槽内部烟气负压分布 Pa

由图8可知，1067#电解槽槽罩板内大多数测点的负压在X方向上呈中间大、烟道端和出铝端较小的趋势；电解槽内负压整体上比较均衡，但是个别位置负压波动比较大，甚至有部分位置处于正压状态。

从表5可以发现，1046#电解槽内部的负压大部分处于5～20 Pa，电解槽内部的平均负压为13.7 Pa，比较符合电解槽槽罩板内部的负压分布规律。1067#电解槽内部的负压大部分处于0～40 Pa，电解槽内部的平均负压为17.5 Pa，整体上比较符合电解槽槽罩板内部的负压分布规律。

3.2 支烟管内烟气流场测试结果及分析

现场测试当地的大气压为0.866标准大气压。

根据测试数据(表6)，1046#和1067#电解槽的烟气流量分别为11 590 Nm3/h、11 266 Nm3/h；标态平均排烟量为11 428 Nm3/h，单槽排烟量比较符合设计值(11 500 Nm3/h)；烟气的平均温度为142 ℃，烟气温度的分布较为合理；单槽排烟管负压的均值为277.5 Pa。

4 结论

通过对1046#和1067#电解槽槽罩板内36个测点的烟气温度和负压进行测试，研究各参数沿X方向上的分布规律；同时对上述电解槽排烟支管内5个点的烟气流速、温度、负压及流量进行测试，研究了电解槽出口负压以及电解槽单槽的排烟量，得出以下主要结论：

1)在X方向上，两台电解槽槽罩板内烟气的温度分布呈中间高、两边低的趋势，最高温度点位不固定，随机性比较大；烟气的温度均为出铝端高于烟气端；电解槽内部的烟气温度比电解槽槽罩板处温度高10～30 ℃，符合电解槽内部烟气温度的分布规律。

表6 电解槽单槽排烟量

2)在X方向上，1046#电解槽槽内的负压整体上比较均衡，但是个别位置负压波动比较大，甚至有部分位置处于正压状态；1067#电解槽槽罩板内的测点在X方向上负压呈中间大、烟道端和出铝端较小的趋势。1046#和1067#电解槽槽内烟气的平均负压分别为13.7 Pa、17.5 Pa，比较符合电解槽槽罩板内部的负压分布规律。

3)1046#和1067#电解槽槽内部烟气的平均温度分别为147 ℃、137 ℃。烟气的平均温度为142 ℃，烟气温度偏高，建议采取措施，降低电解槽内烟气的平均温度；1046#和1067#电解槽的烟气流量分别为11 590 Nm3/h、11 266 Nm3/h，标态平均排烟量为11 428 Nm3/h，单槽排烟量比较符合设计值(11 500 Nm3/h)；单槽排烟管负压的均值为277.5 Pa。

通过分析测试数据发现，NEUI 600kA电解槽的内部烟气流场与设计基本符合；电解槽出口的烟气量、负压值也与设计值基本吻合；但是烟气温度偏高，建议采取措施，降低电解槽内烟气的平均温度。