對電解槽及凈化系統新型設計的建議

黃曉明,邢 福

（中電投 寧夏青銅峽能源鋁業集團 青鋁股份公司電解三部,寧夏 青銅峽 751603）

對電解槽及凈化系統新型設計的建議

黃曉明,邢 福

（中電投 寧夏青銅峽能源鋁業集團 青鋁股份公司電解三部,寧夏 青銅峽 751603）

干法凈化技術在持續發展,理論上、實踐中都有改進。本文提出一些設計建議,涉及電解槽的,有料箱滿料確認、末端槽、閥架布置、支煙管閥形式、集氣箱結構;涉及凈化系統的,有溜槽料倉排氣收塵獨立、主排煙風機選型、空氣提升機小型化、取消反吹風機、除塵器入口耐磨、風道隔板耐磨、粉塵泄漏檢測、取消觀察孔及測壓口、彎頭改進、倉頂收塵管位置.

現代預焙槽鋁電解煙氣的回收凈化,通常在設計上都采用氧化鋁干法凈化技術.干法凈化的原理是直接用電解生產的原料——新鮮氧化鋁為吸附劑,吸附煙氣中的氟.吸附反應后的載氟氧化鋁隨混合煙氣進行氣固分離,固態的載氟氧化鋁隨同煙氣中的其它粉塵,又被送回到電解生產使用,潔凈的煙氣通過煙囪排入大氣,實現除氟、除塵.氧化鋁吸附氟化氫的反應方程式為:A l2O3+6HF→2A lF3+3H2O.

隨著生產實踐中不斷有新的困難、理論上逐漸有新的研究,干法凈化技術也在持續發展.實踐過程會遇到許多問題需要解決,從而進行小幅度的改革.理論上采用新的構思,又使凈化系統的設計優化到更先進的層次.理論與實踐相互推動,不論是設計院,還是各電解鋁廠,都有很多改進.

本文收集了實踐中干法凈化技術的一些改進方案和實例,也反映設計上凈化技術的一些新趨勢,作為對鋁電解煙氣凈化技術新型設計的建議.

1 電解槽

1.1 電解槽上料箱及溜槽

凈化后的載氟氧化鋁經過電解槽上溜槽,送進槽上料箱內.由于系統是全封閉、不透明的,載氟氧化鋁是否被堵塞在輸送的途中、是否到達料箱,需要我們確認.怎樣確定料箱充滿料,在各個鋁廠都是一個困惑的問題.

實踐中發現,不論是廠房外面向各電解槽分流的溜槽還是廠房內的電解槽上溜槽,不論這兩種溜槽設計成側部出料還是底部出料,都有沿著料流前進的方向逐臺槽、逐個料箱進料的規律.區別僅僅是側部出料體現這個規律不如底部出料那么明顯,側部出料如果逐組 （每組約 3臺槽或 2個料箱）來衡量,仍然符合這個規律.

有的鋁廠投產后自行改造,在料箱上增加料位計來判斷料箱是否充滿.但每臺槽有 2～4個料箱,對于一個完整的電解系列來說,料箱的數量有近千個,信號線路需要的 PLC端子接口數量也很多,僅從經濟成本上考慮,每個料箱都安裝料位計是不可能的.按照沿料流方向逐臺槽、逐個料箱進料的規律,可以在電解每個區末端的槽、槽上末端料箱安裝料位計,如果信號顯示這個料箱充滿,一般可以證明電解這個區的所有槽、槽上所有料箱都充滿了.

新的問題卻又出現了.料位計在狹小的料箱空間里粘上粉塵、淹沒在料堆中,信號并不總是可靠的,也會遇到實際沒有料卻顯示充滿料的假信號,導致對電解整個區的誤判.還有特殊的情況,就是末端槽的末端料箱確實充滿了,信號是正確的,但中間的某些槽卻沒有進料,因為塊狀雜物或沸騰帆布失效或溜槽氣室進料,使這些槽的槽上溜槽堵塞了.等電解車間發現這些槽缺料時,往往是這些槽的料箱全空了,凈化車間接到反映后查找原因、對癥處理、再補充送料,需要較長一段時間,在此期間缺料電解槽效應難以熄滅 （如圖 1所示）、電耗增加、凈化和電解人員手忙腳亂、CO2和 HF排放增高.

所以料箱上安裝或沒有安裝料位計的鋁廠,最后幾乎都采取人工手持木棒逐臺槽敲末端料箱來辨別電解槽料箱是否充滿 （如圖 2所示）.與自動化的料位計信號相比較而言,這種原始的方法雖然耗費人工和時間,但可靠性更高.人工手持木棒敲料箱,原理是料箱空和滿的敲擊聲音不同,這需要作業人員積累經驗.遺憾的是,剛靠近鮮花時聞到花香濃烈,而在花叢中停留的時間久了以后感受到的花香就不像開始那樣明顯了,嗅覺存在這種現象,聽力也一樣,重復的聲音聽的多了耳朵也會逐漸麻痹,也許出現誤判.另外木棒的粗細、輕重也會影響敲擊聲音,造成誤判.

建議新型設計時,將電解槽上溜槽安裝在料箱上方、離料箱有一段高度差,溜槽出料口與料箱進料口之間采用一段較粗的圓筒狀帆布軟連接.如果這個料箱充滿料就會使帆布軟連接變硬、鼓起來,如果料箱沒有滿就會使帆布軟連接變軟、癟下去,人工用木棒去搗這段帆布軟連接,比聽聲音判斷更直觀.

1.2 末端槽

早期設計,電解車間每個區約 30臺電解槽由一條主煙管負責收集煙氣,雖然主煙管是變徑等靜壓的煙管,但起始端的電解槽與末端的電解槽相距 200m,阻力不平衡,因此末端的幾臺電解槽負壓不足、不能保證煙氣收集效率,出現冒煙現象.這在很多鋁廠普遍存在,只是程度不同.

后來的設計盡量縮短主煙管的長度,每個區約 30臺電解槽由兩條主煙管負責收集煙氣,稱為雙排管 （如圖 3所示）,使每條主煙管所帶的電解槽數控制在 5～18臺,減小最近端與最遠端阻力不平衡,有利于每臺電解槽排煙的阻力平衡、流量平衡,保持最遠端電解槽的環保排放.

建議新型設計都采用雙排管排煙管網,每條主煙管并聯的電解槽臺數減少到十幾臺,保證末端電解槽的集氣效率.

圖3

1.3 電解槽管路閥架

早期電解槽下料、打殼、出鋁使用的壓縮空氣管路閥架,布置在煙管端的地面上.實際工作中處理槽上溜槽輸送堵塞故障時或槽大修時拆裝槽上溜槽及供風管,都很困難而且耽誤時間,間接影響了環保效果.因為閥架干涉,使地面沒有合適空間,梯子或工作平臺 （如圖 4所示）緊靠閥架放置,人員站在上面無法夠著某些拆裝部位,有時人員被迫站在閥架上違章作業,調整支煙管閥時工作平臺移動也受水平管路阻礙 （如圖 5所示）.

圖4

后來有的電解系列將管路閥架設計成壁掛式,安裝在廠房墻壁上,不占用地面,解決了高空作業空間不夠的問題.

建議新型設計時,考慮槽上溜槽的檢修、調整支煙管閥的空間需要,將電解槽壓縮空氣管路閥架設計成壁掛式,并且將通向電解槽的水平管路位置提高,便于人員推動工作平臺在不同槽之間移動.

圖5

1.4 電解槽支煙管閥

電解一個區的電解槽距離凈化系統入口的遠近是不同的,每臺槽獲得的抽力 （即負壓）也就不同,這對均衡單槽煙氣收集效率、穩定單槽技術條件都是不利的,需要調節電解槽支煙管閥的開度來平衡各槽的煙氣流量,消除流量差異或減小流量差異波動的范圍,例如原來在 6 000～9 000 Nm3/h·槽之間,盡可能可能調整到 7 000～8 000 Nm3/h·槽之間.

國外出現了每臺槽有 1個支煙管、1個旁通管的設計.支煙管用于閉槽蓋好槽罩正常生產時抽吸煙氣,例如流量是 5 000Nm3/h·槽.旁通管與單獨的旁通風機連接 （一臺旁通風機對應 12臺槽）,稱為過度或強制抽吸系統,開槽即換極、出鋁或盤槽必須打開槽罩時,人員在地面操作關閉支煙管閥、打開旁通管閥,旁通風機隨之啟動,該槽進行強制抽吸,大幅度增加抽力,流量達到正常時的 3倍約 15 000Nm3/h·槽,降低該槽在打開槽罩期間的煙氣排放,保持環境良好.這種設計限制了 12臺槽中一段時間內只能有 1臺槽換極、出鋁或盤槽作業,所以必須調整作業槽的次序.這種設計也在主排煙風機之外增加了旁通風機、增加了支煙管和主煙管,布局和控制比較復雜.

國內的每臺槽上一般只有一個支煙管.支煙管閥板是蝶閥,角度調整有全關 0度 （停槽）、合適開度 （正常生產）兩個位置,不考慮換極、出鋁或盤槽必須打開槽罩時的情況.國內支煙管閥控制方式有的設計成氣動閥 （如圖 6所示）,有的是電動推桿閥,有的是手動閥.閥板與軸之間、軸與換向機構之間、角度指針與軸之間均固定,還有調整合適開度的部件、定位合適開度的裝置.

實際運行證明,氣動閥或電動閥調整合適開度時比較繁瑣、又在高空作業,很不方便.廠房里的多粉塵環境,也使氣動閥或電動閥的電磁元件、換向部件故障頻發,并且支煙管閥安裝在高空,修理起來很困難,故障處理不好又拖延了流量調整工作.有的鋁廠干脆將原設計的氣動支煙管閥改造成手動閥,幾乎沒有故障、調整合適開度時也很簡單 （如圖 7所示）.

建議新型設計時,將電解槽支煙管閥直接考慮為手動閥,減少故障和修理工作量,便于調整開度、加快調整流量的進度.

1.5 電解槽集氣箱

電解槽V形集氣箱側面對稱有二十幾個大小不同的圓形集氣孔、底部有十幾個矩形集氣孔,負責收集煙氣,然后匯總到煙管端的支煙管被抽走.

生產過程中,料箱內隔板高度不夠或焊縫開裂、輸送壓力過高或輸送時間太長、筒式下料器氣缸密封圈失效使壓縮空氣竄入料箱等因素,都會導致電解槽料箱的排氣管出現漏料現象.這些載氟氧化鋁一部分堆積在集氣箱內、一部分通過集氣箱底部的矩形集氣孔漏到殼面上 （如圖 8所示）.集氣孔正常收集的煙氣中也有一些粉塵飄落在集氣箱里.日積月累,留在集氣箱內的料會增多,尤其是集氣箱內在安裝氧化鋁料箱、氟化鹽料箱的位置,受結構影響堆積嚴重甚至堵塞集氣孔,很難清理,擋住了煙氣收集孔,也擋住了集氣箱內煙氣水平方向流向煙管端的一部分通道,使遠離煙管端的殼面煙氣收集變少,影響環保 （如圖 9所示）.

建議新型設計時,大大增加集氣箱底部的矩形集氣孔數量、縮小它們之間的間距,使漏料盡可能漏下去,不要堆積在集氣箱內.

2 凈化系統

2.1 溜槽、大型料倉的排氣收塵

在有些設計中,氧化鋁輸送溜槽的排氣收塵接入凈化系統的主煙管,沒有單獨分流,不僅浪費了主排煙風機的一部分抽力,而且煙管內容易形成積料,阻礙了煙氣收集.

凈化系統大型的新鮮氧化鋁倉、載氟氧化鋁倉,空氣提升機或濃相罐將氣流與原料一起送進倉內,有的倉沒有自己的除塵器來排氣收塵,而借助于凈化系統總煙管,這樣也使主排煙風機的一部分抽力用來為料倉服務,相應減少了抽吸電解槽煙氣的能力.

建議新型設計時,氧化鋁輸送溜槽的排氣收塵采用平衡料箱方式 （如圖 10所示）,大型料倉的排氣收塵建設獨立的除塵器,使主排煙風機的能力盡可能用在電解槽煙氣收集上 （如圖 11所示）.

2.2 主排煙風機

主排煙風機,是凈化系統最主要的大型設備,作用是形成系統負壓,即抽力 （如圖 12所示）.

圖12

主排煙風機的電機有 10 000 V,47 A的,也有 380 V,470 A的,實際中發現動力交流電消耗前者遠大于后者,因為電耗即功率是電壓與電流的乘積,對節約能源很不利.

有的設計沒有考慮主排煙風機的備用,全部主排煙風機都要運行才能滿足系統正常工況需要.但實際生產中主排煙風機發生故障停機檢修經常會發生,此時運行臺數減少、煙氣收集效果差、廠房內煙氣很大.

也有些在設計時考慮的系統煙氣總量的余量不大,對應選擇主排煙風機的性能、數量就比較保守.但實際情況比理論計算更復雜,在實際運行中很可能煙氣量更大、多年運行使系統過濾阻力增大、局部磨損泄漏灌進野風,這些不可避免的情況,都會造成對電解槽煙氣的有效抽力不足、環境惡化.

事實上,如果凈化系統能力設計過大、電解槽抽煙氣太多,可以減小主排煙風機進口閥的開度來降低電流、降低抽吸能力,這是完全能夠做到的,也沒有什么大的消極影響.一旦凈化系統能力設計太小,所有主排煙風機都啟動、電流達到滿負荷都無法滿足抽吸煙氣的需要時,則看在眼里、急在心上卻無能為力.

建議新型設計時,一定要考慮到主排選擇低電壓大電流型號、數量上有備用,系統煙氣總量的余量系數一定要取較高值.

2.3 空氣提升機

在凈化系統中,常用空氣提升機輸送載氟氧化鋁返回到載氟料倉.

空氣提升機最初被設計的體積很大,結構復雜,安裝在地坑內 （如圖 13所示）.這種類型的空氣提升機先后出現了一系列問題,有的使輸送中斷的時間較長,也有的使提升輸送能力不足.沸騰帆布磨爛更換很困難,突發停電使主供風管落料灌滿清理不方便,灌滿主供風管的料通過氣室風管又間接灌入沸騰帆布下方的氣室內,接料管與沸騰帆布之間的距離調整不容易,主供風管噴嘴口徑不合適.

新設計的空氣提升機已經小型化了,很緊湊（如圖 14所示）,但某些問題仍然存在.

建議新型設計時,空氣提升機小型化,還要將氣室風管布置在高位防止氣室間接灌料失去沸騰功能,主供風管增加法蘭便于拆卸清理、便于修改噴嘴口徑,料罐本體要設計較大的人孔便于調整接料管距離.

2.4 大布袋反吹清灰

早期設計除塵器大布袋清灰為反吹風機強制反吹,負責反吹、正常抽吸煙氣轉換的氣缸活塞桿及閥板隱蔽在反吹風道里 （如圖 15所示）.氣缸故障很多,例如,閥板脫落導致氣缸活塞桿上下行程無效;閥板停在下位提不起來;反吹時閥板停在半空中造成上面和下面的圓孔都不能密封,反吹風被主排煙風機直接抽走、不能起到反吹單元體大布袋的作用;氣缸下部在活塞桿處壓縮空氣泄漏.造成這些故障的原因有閥板緊固螺絲脫落、壓縮空氣壓力低、氣缸本身內泄漏使進氣腔和排氣腔竄氣、氣缸密封膠圈性能差,但所有的結果都體現在氣缸閥板的直觀動作上,而閥板又安裝在密封的反吹風道內,動作是否到位看不到,很難確認是否有故障、是哪一種故障.

由于故障不能確認、得不到及時處理,氣缸不能有效工作,使除塵器布袋壓差增大、總煙管負壓降低,對生產、環保都不利.

圖15

某些鋁廠自行取消反吹風機,利用自然空氣反吹,運行良好,除塵器布袋壓差減小、總煙管負壓升高,還節約了電費、備件費用、檢修維護工作量.還有的鋁廠在設計時就取消反吹風機、反吹風道,只是用籠形罩將氣缸固定并防護起來 （如圖16所示）.

圖16

建議新型設計時,除塵器大布袋采用自然風反吹清灰,取消反吹風機,有利于生產工藝,還節約電能、備件費用、檢修維護工作量.

2.5 除塵器入口

早期設計,在除塵器入口彎頭處直接轉向 90度 （如圖 17所示）,通風橫截面沒有變化,隨著使用時間延長,彎頭磨爛越來越頻繁,飄料、漏風,惡化了現場衛生,也向系統內灌入了無效的野風,減弱了對電解槽煙氣的抽力.

后來設計,除塵器入口彎頭先擴大再轉向 90度呈喇叭口,突然擴徑降低了此處的煙氣流速,也就減緩了沖刷磨損,并在彎頭內部加耐磨材料錳鋼板,有的鋁廠運行 5年沒有出現磨爛 （如圖 18所示）.

建議新型設計時,鑒于有成功范例,除塵器入口彎頭先擴大再轉向 90度呈喇叭口,并在彎頭內部加耐磨材料錳鋼板.

2.6 除塵器內部風道隔板

電解槽煙氣被吸入支煙管、主煙管、總煙管,然后進入除塵器.經過布袋過濾,擋住顆粒物及粉塵,過濾之后的潔凈煙氣通過主排煙風機由煙囪排空.進入除塵器的含塵煙氣在進風道內,過濾后的潔凈煙氣在出風道內,它們之間被內部風道隔板分開 （如圖 19所示）.因為進風道逐漸縮小,含塵煙氣進入除塵器就沖刷內部風道隔板,尤其是前一部分,運行一段時間后頻繁磨爛.這樣造成“短路”——含塵煙氣不經過兩側的布袋過濾,而是通過內部風道隔板的破洞,直接進入上方潔凈煙氣的出風道,直接排入大氣.此時煙囪飄料,粉塵排放高、浪費原料.

根據實踐經驗,建議新型設計時,除塵器內部風道隔板的前一部分 （約為風道隔板總長度的 2/5）,作耐磨處理,解決上述問題.

2.7 粉塵泄漏監測

很多凈化系統沒有粉塵排放實時監測,給工作帶來很多麻煩.例如,肉眼發現煙囪冒料、粉塵排放高,不知道哪方面出了問題,要人工揭開蓋子檢查 12臺除塵器共 120個單元體的 1440條布袋哪條爛了,或者 12臺中哪一臺除塵器內部風道隔板磨爛了,或者 120個單元體中哪個密封膠條老化破損漏料,有點像大海撈針,造成原料浪費、人力浪費和粉塵排放不合格.

圖19

建議新型設計,在煙囪上安裝粉塵檢測儀,每一臺除塵器出口安裝粉塵開關,分別接入電腦系統,實時檢測凈化后的煙氣粉塵含量,報警值自動設置為標定點的 5倍或 10倍,結合除塵器單元體反吹次序,由電腦提供警報并且判定哪一臺除塵器 （布袋或風道隔板）、哪一個單元體 （布袋）泄漏,人員迅速針對目標去檢查、處理,迅速糾正（如圖 20所示）.

圖20

2.8 溜槽觀察孔、測壓口

早期設計的載氟氧化鋁、新鮮氧化鋁輸送溜槽、VR I加料反應器,都有有機玻璃板封閉的觀察孔,目的是觀察輸送情況或是否堵塞.實際生產中,這些有機玻璃板內表面粘上氧化鋁粉后,模糊不清,完全失去了作用 （如圖 21所示）.

圖21

早期設計因為理論不成熟,在每節氧化鋁輸送溜槽氣室底部或側部都設計了測壓口,用于試車前測定、調整每節溜槽的空槽壓力 （Pa或毫米水柱）.生產實踐證明,氧化鋁輸送沿溜槽方向幾乎可以忽略壓力梯度遞減的變化,目測氧化鋁流動即可確定溜槽供風閥開度,一條溜槽包含的幾十節溜槽供風閥都可以設定為同一個開度.

建議新型設計,廢除溜槽頂部或側部、VR I反應器上的有機玻璃板觀察孔,必要時設計成快開孔;取消氧化鋁輸送溜槽氣室的測壓口.

2.9 載氟氧化鋁輸送管彎頭

載氟氧化鋁返回到載氟料倉,不論采用空氣提升機還是壓力罐,其輸送管上倉頂的位置都有彎頭 （如圖 22所示）.早期設計沒有考慮彎頭耐磨和結垢清理.

因為料流在拐彎處沖刷劇烈,彎頭外側容易磨爛漏料甚至輸送中斷.

圖22

因為載氟氧化鋁有黏性,容易在彎頭內壁結垢,逐漸堵塞原料通過的橫截面空間 （如圖 23所示）,使輸送能力明顯變差,生產用量不夠,造成電解槽斷料危機,必須拆開清理.

圖23

建議新型設計時,載氟氧化鋁輸送管彎頭作耐磨處理,同時在彎頭附近的管路上設計法蘭、空間設計安全的檢修平臺,便于定期拆開彎頭清理內壁的結垢.

2.10 料倉收塵管

早期設計的載氟氧化鋁料倉,直徑很大、高度卻不高,倉頂的收塵管靠近倉壁.載氟氧化鋁進倉,氣流料流混合沖到料面后向四周飄散,氣流將細粉料帶到四周,形成沿倉壁圓周的一圈高位料.因為存在安息角、載氟氧化鋁流動性又不好,這一圈高位料很難隨著中間料位的下降而下滑.為保持載氟料較好的流動性和必要的貯備,倉內料位不能太低,更不能放空.日積月累,這一圈高位料越堆越高幾乎達到倉頂水泥橫梁,妨礙收塵排氣,造成氣流另尋出路從倉頂人孔口飄料 （如圖 24所示）.

圖24

建議新型設計,載氟氧化鋁料倉高度、直徑比要增大,這樣必要的貯備也不需要倉內保持高料位,或者將收塵管靠近倉中心,因為倉中心的料位隨時會隨著生產消耗而下降,收塵管口不會堵塞.

3 結 語

對于電解槽及凈化系統的新型設計,本文提出了一系列建議,可能有利于安全生產,也可能有利于環保排放,或者兼而有之.這一系列建議,大多數從實踐中得來,需要納入理論設計,然后再回到新的實踐中去應用.因為電解槽、凈化系統相互關聯、相互影響,采用這些建議時,需要綜合起來考慮.

A

1671-6620（2010）S1-0095-08