預培陽極塊預熱系統的研究

吳德廣

摘 要：對于鋁電解生產，預培陽極塊的更換存在潮濕和熱震問題，文章設計了預培陽極塊兩級預熱系統。一級預熱采用了高溫煙氣，解決水汽問題，并使得新陽極溫度有一定的升高；二級預熱使用殘極、碳渣和結塊的余熱，使新的陽極溫度再次升高，理想情況可達到200 ℃左右，從而有效減小熱震問題，縮短新極全電流時間。

關鍵詞：鋁電解；預培陽極；預熱；熱震

21世紀以來，節能減排是國家經濟工作的重點，有色金屬工業被列入6大節能行業之一，鋁電解節能降耗是當務之急。目前，全國電解鋁耗電量約占電力消費總量的6%，鋁電解行業成為國家宏觀調控的主要行業。因此，鋁工業必須實施高效節能，深度節能技術的開發是必然選擇。

1 存在的問題

預培陽極塊在目前鋁工業生產中廣泛應用，由于電化學反應不斷消耗預培陽極塊，因此必須定期更換。而陽極更換時會有兩個問題：首先是水汽潮濕問題。陽極塊從預培好到上槽，需要存放一段時間，這樣預培陽極塊的表面可能潮濕或者含有一定量的水蒸氣，這種現象在陰冷天氣或者北方冬天尤其明顯，如果不做任何處理，直接更換陽極，那么在電解槽中會出現電解液亂濺和沸騰劇烈現象，并持續80～100 min，從而影響更換陽極的操作質量；也會使電壓升高，針振幅度變大，電解槽的穩定運行從而受到影響；另外水分子在電解質中會產生氟化氫氣體，這種氣體會損害環境，甚至引起爆炸，造成人身傷害事故。

其次是熱震問題。更換陽極之前，預培陽極塊的溫度是環境溫度，電解槽中的電解液溫度約為950 ℃；當預培陽極直接放入電解槽中時，預培陽極塊會有較高的熱量輸入，在這一個高溫下，陽極熱膨脹的作用開始產生熱應力，并且溫差較大，熱應力越大，熱陽極的熱沖擊效應越大。預培陽極塊這時候就會裂開、斷開和掉落，從而影響電解槽的正常運行，電流效率變低，陽極的消耗增加。

另一方面，在鋁電解生產過程中，煙氣管道排出煙氣的溫度在100～150 ℃之間，很少有企業回收煙氣的熱能，而是在氣體凈化系統中用水先冷卻再處理，這樣浪費了許多的能量；另外，從電解槽換下的陽極殘極，與打撈的氧化鋁結塊和碳渣溫度都很高，接近950 ℃，也沒有去利用這些熱能，大部分都裸露在空氣中自然冷卻，這樣既浪費了大量能量，也對周圍產生強烈輻射，影響工作環境。

2 解決方案

為了避免上述的兩個問題，并利用生產過程產生的余熱，本設計除去預培陽極塊表面的水汽，減小新陽極和電解槽的溫差，設計了一種鋁電解碳陽極塊兩級預熱系統，系統的流程如圖1所示。一級預熱是在特制的預熱房中進行，使用來自電解槽的高溫煙氣加熱，新的陽極塊水氣被去除，并會使新陽極溫度得到一定的升高，可達80～100℃；第二級預熱是在特制的搬運小車中進行，使用高溫殘極、碳渣和氧化鋁結塊加熱，新陽極的溫度會進一步升高，理想情況可達到200℃左右，從而減小熱震。二級預熱系統流程如圖1所示。

預熱房是一個狹長而可密閉的空間，其結構如圖2所示。外層由普通黏土磚堆砌，內層鋪設耐火磚，中間放置耐火隔熱材料，如石棉板，房頂里層鋪設防火保溫材料，外層用混凝土澆灌；預熱房的進口設置門，門的設計參考焙燒爐的爐門，提高其密封和保溫性能；從電解槽過來的煙氣管通過氣閥，延伸到預熱房內，房內的煙氣管被均勻引出6～8個出氣孔，從而確保密閉空間內的溫度能夠均勻分布；預熱房的另一端鋪設排氣的煙氣管，排氣煙管可通過氣閥控制流入煙氣凈化車間的流量，其煙氣管的進氣端鋪設一個分支，在第一級預熱結束之后，通過氣閥，方便煙氣直接流向凈化車間。

第二級預熱是在搬運小車中進行，其結構如圖3所示。底部為4個載重的萬向輪，上方是一個箱體結構。箱體的側面和底部都是鋼板，通過焊接為一個整體，然后鋪設耐火保溫材料，比如陶瓷纖維，最后箱體底部再鋪設鋼板，鋼板上焊接兩塊工字鋼，并且一高一低，分布用來放置新陽極和殘極，箱體的外殼蓋可反轉，左右兩側開放，由耐火隔熱材料構成，中間的縫隙在預熱時用耐火纖維封堵，起到隔熱保溫的效果。

具體操作步驟如下：

首先，將預培陽極塊放置在高工字鋼上，搬運小車6～8輛為一組，打開上蓋并推送到預熱房中，關閉預熱房的爐門，打開煙道管的進氣閥，使預培陽極在預熱房中進行第一級預熱。12 h后，將徹底干燥新陽極的水蒸氣，理想的情況下可使其加熱至100℃左右。

其次，第一級預熱器完成后，關閉預熱房的進氣閥，取出搬運小車，推放到正在更換陽極的電解槽旁，將剛出槽的高溫殘留、碳渣和結塊，堆放在車內的相應位置上，具體如圖4所示。接著關上蓋并用防火纖維封堵間隙，使預培陽極在特制的小車中完成第二次預熱。6 h后，理想的情況下可使新的陽極塊被加熱到約200℃。

最后，根據鋁電解更換陽極的周期要求，將搬運小車推至電解槽旁，取出經過預熱好的新陽極塊，遵照換極操作更換陽極，回收搬運小車內的殘極、碳渣和結塊。

該系統與現有技術設備相比具有以下優點：

首先，預熱過程分成兩級，第一級很好地去除水氣，使得第二級的預熱中不再有水氣。

其次，增加新的熱源而不消耗新的能源。傳統的裝置和設備只利用單一的熱源，要么高溫煙氣，要么高溫殘極，而本系統充分利用了電解槽的高溫煙氣、殘極、碳渣和結塊的熱量。

最后，預熱的裝置被進一步改善。現有裝置沒有密閉加熱，本系統的預熱房和搬運小車基本做到密閉加熱。

3 結語

總之，本系統將高溫煙氣、殘極、碳渣和結塊用作預熱的加熱源，沒有增加新的能源，而使陽極預熱的溫度得到了進一步的提高，解決了水氣問題，減小了熱震，縮短了新極的全電流時間，使生產效率得到提高，并且經濟便攜，易于工業化。

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