降低鋁電解槽焙燒過程中天然氣消耗量的探討

張衍國，曹艷偉，趙志國，于曉偉

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265713）

大修或新生產(chǎn)系列的鋁電解槽，都要經(jīng)過焙燒啟動(dòng)以及后期管理，才能過渡到正常生產(chǎn)。鋁電解槽的焙燒、啟動(dòng)是鋁電解槽生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它不僅關(guān)系到鋁電解槽能否順利投產(chǎn)，而且還影響生產(chǎn)后期電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和槽壽命。近幾十年來，電解鋁行業(yè)所使用的鋁電解槽的焙燒方法大約有三種，即鋁液焙燒法、焦粒焙燒法和燃?xì)獗簾ā?/p>

鋁液焙燒法由于高溫鋁液直接灌入槽內(nèi)，會(huì)使陰極炭塊受到強(qiáng)烈的熱沖擊而產(chǎn)生陰極炸裂，引起早期破損，影響電解槽的使用壽命。因此，此方法已經(jīng)基本被淘汰。焦粒焙燒法是在陰極表面鋪上一層25～28mm的焦炭顆粒作為發(fā)熱體，焦粒的粒度為1～3mm,通過下放陽極使陽極炭塊壓實(shí)在焦粒上，從而形成陽極-焦粒-陰極為一體的導(dǎo)電體。電解槽通電后，焦粒在陰、陽極之間產(chǎn)生熱量，通過分流器的安裝來控制焙燒溫度和分級(jí)增加電流的作用減輕電流對(duì)陰極內(nèi)襯的損傷，利用軟連接釋放焦粒焙燒產(chǎn)生的上抬膨脹力。在經(jīng)過72～96小時(shí)的焙燒后，槽電壓降至2.0V左右，爐膛平均溫度達(dá)到850℃左右，拆除分流器和軟連接，進(jìn)行啟動(dòng)。焦粒焙燒的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）焙燒采用逐漸升溫，電流分布均勻，避免了高溫鋁液灌入時(shí)對(duì)炭塊和扎縫的強(qiáng)烈熱沖擊；

（2）焦粒電阻值比鋁液大，升溫快，焙燒時(shí)間短，使用分流器可以控制升溫速度，提高焙燒質(zhì)量；

（3）啟動(dòng)期間熔化的是電解質(zhì)液體，如果滲入陰極裂縫中，冷凝后可起到堵塞裂縫或修補(bǔ)缺陷的作用，能有效預(yù)防早期破損，提高陰極使用壽命。

（4）熱源來自陰極炭塊內(nèi)部，電解槽內(nèi)襯溫度從常溫開始逐漸升高，避免內(nèi)襯中產(chǎn)生過大溫差，能夠消除內(nèi)襯中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而避免陰極早期破損。

因此，陰極炭塊的焙燒效果較好，并且可以獲得較長的電解槽使用壽命。從電解槽使用壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，采用焦粒焙燒法焙燒的鋁電解槽，其平均使用壽命可達(dá)2000天以上，有些鋁電解槽使用壽命甚至超過了2500天。

然而，焦粒焙燒法也有其固有的缺點(diǎn)：

（1）由于焦粒的密室程度與陰極接觸程度的影響，使得電流分布不均勻，可能產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象；

（2）角部升溫慢，槽四周扎糊帶不能良好焦化；

（3）由于不能一次性通全電流，需要安裝和拆卸分流器及導(dǎo)桿軟連接，操作過程復(fù)雜；

（4）啟動(dòng)后電解質(zhì)內(nèi)炭渣多須人工打撈費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1]。

鑒于焦粒焙燒法所存在的問題，目前，許多企業(yè)都在嘗試?yán)锰烊粴馊紵a(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?duì)鋁電解槽進(jìn)行焙燒，以解決焦粒焙燒在鋁電解槽的焙燒、啟動(dòng)、后期管理以及電解槽壽命等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，如果焙燒過程控制不得當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)不良的效果。本文就鋁電解槽燃?xì)獗簾龁?dòng)過程中天然氣用量大的問題進(jìn)行討論，并針對(duì)性地制定相應(yīng)措施，以達(dá)到降低成本、增加效益的目的。

1 燃?xì)獗簾ǖ墓ぷ髟?/h2>

燃?xì)獗簾ň褪峭ㄟ^在鋁電解槽內(nèi)陰、陽極之間，燃燒一定空燃比的空氣與天然氣混合氣體，利用混合氣體燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓龟帢O內(nèi)襯中水分逸出，并使得陰極炭塊間和槽周邊的扎固糊燒結(jié)焦化，與陰極炭塊形成一個(gè)牢固的整體，從而獲得符合鋁電解過程中爐膛所需溫度條件的鋁電解槽焙燒方法[2]。

2 燃?xì)獗簾^程中出現(xiàn)的問題及其原因

2.1 存在的問題

A公司采用某公司開發(fā)的天然氣焙燒設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在天然氣用量波動(dòng)較大的問題，造成較大的能源浪費(fèi)和成本增加。對(duì)于電解槽焙燒啟動(dòng)天然氣用量波動(dòng)較大的問題，我們從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查入手，首先對(duì)天然氣焙燒工藝流程進(jìn)行了檢查，同時(shí)對(duì)車間近期10臺(tái)電解槽焙燒啟動(dòng)天然氣用量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從表1可以看出最低的3005#槽天然氣用量為9292m3，最高的3019#槽天然氣用量達(dá)到11701 m3。兩者天然氣用量相差2400 m3，因此解決天然氣用量波動(dòng)這一問題具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 電解槽焙燒啟動(dòng)天然氣用量表

2.2 原因分析

公司組織專業(yè)技術(shù)人員對(duì)造成電解槽焙燒啟動(dòng)天然氣用量大的原因進(jìn)行分析。操作人員水平低：通過對(duì)焙燒曲線及記錄查看并對(duì)車間負(fù)責(zé)電解槽焙燒人員進(jìn)行理論及實(shí)操考試，基本達(dá)到工作要求，車間負(fù)責(zé)電解槽焙燒人員由班組確定為專人負(fù)責(zé)，人員比較固定，具有長時(shí)間的工作經(jīng)驗(yàn)。熱電偶或?qū)Ь€故障：熱電偶或?qū)Ь€故障則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量溫度與實(shí)際溫度存在溫度差異，若測(cè)量溫度較低則會(huì)引起天然氣用量的增加。未及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)控制：焙燒溫度在350℃后進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，如仍手動(dòng)調(diào)節(jié)會(huì)增加天然氣用量。從現(xiàn)場(chǎng)查看空氣、天然氣的控制閥門都根據(jù)溫度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)行在自動(dòng)狀態(tài)。電子閥控制不動(dòng)作：電解槽焙燒啟動(dòng)點(diǎn)火前，車間安排專門人員對(duì)電子閥進(jìn)行校驗(yàn)檢查，焙燒期間巡視人員定期對(duì)閥門開度情況進(jìn)行監(jiān)督，對(duì)無動(dòng)作的電子閥進(jìn)行更換，確保自動(dòng)狀態(tài)下溫度控制調(diào)節(jié)均衡。天然氣壓力不足：焙燒期間天然氣壓力降低，電解槽達(dá)不到設(shè)定溫度，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，增加天然氣用量?？諝鈮毫Σ▌?dòng)：焙燒期間空氣壓力不穩(wěn)定，各點(diǎn)溫度存在差異，自動(dòng)控制系統(tǒng)加大空氣調(diào)節(jié)，自動(dòng)匹配燃?xì)庥昧?，造成天然氣用量增加?？杖急炔缓侠恚簭谋簾陂g空燃比設(shè)置及運(yùn)行情況看，空燃比基本保持在11-12，符合廠家程序規(guī)定范圍。保溫密封效果差：在焙燒啟動(dòng)點(diǎn)火前對(duì)，車間對(duì)陽極、中縫、燃燒架、排氣口周圍等做好密封，焙燒期間加強(qiáng)巡視，對(duì)冒火、塌殼等及時(shí)封堵，以免因保溫密封效果差而造成天然氣用量的增加。

技術(shù)人員通過調(diào)差分析以及現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，找出三項(xiàng)影響天然氣用量增加的主要原因：①熱電偶或?qū)Ь€故障；②天然氣壓力不足；③空氣壓力波動(dòng)大。

3 鋁電解槽燃?xì)獗簾^程中采取的措施及效果

3.1 對(duì)策及措施

針對(duì)以上三項(xiàng)主要原因，車間制定了相應(yīng)的對(duì)策及措施表如下：

表2 對(duì)策表

（1）降低熱電偶及導(dǎo)線故障

措施一：調(diào)整熱電偶及導(dǎo)線位置距打擊頭30cm，避免導(dǎo)線燒損。

措施二：制作專用保護(hù)盒放置熱電偶，保護(hù)熱電偶和導(dǎo)線。

圖1

圖2

（2）提高天然氣壓力

經(jīng)比對(duì)燃?xì)庹九c現(xiàn)場(chǎng)壓力，發(fā)現(xiàn)減壓閥前后壓力不一致，通過檢查燃?xì)鉁p壓閥，發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁p壓閥進(jìn)氣端管路較細(xì)，積攢有較多的黑色顆粒，是造成燃?xì)鈮毫ψ兓闹饕础?/p>

圖3

措施一：對(duì)減壓閥進(jìn)氣端管路拆卸清理積碳，保證管路暢通。

措施二：記錄控制柜燃?xì)鈮毫?，制定檢修周期，定期清理減壓閥。

（3）減少天然氣波動(dòng)

圖4

圖5

措施一：定期清理減壓閥污垢，確保供風(fēng)壓力穩(wěn)定。

措施二:使用前從加油口注入機(jī)油，確保減壓閥動(dòng)作。

3.2 實(shí)施效果檢查

（1）通過對(duì)熱電偶和導(dǎo)線位置的調(diào)整及制作專用保護(hù)盒措施，熱電偶及導(dǎo)線故障率降低，焙燒后熱電偶和導(dǎo)線的重復(fù)使用次數(shù)增加，有效減少因熱電偶及導(dǎo)線故障造成的浪費(fèi)。近期電解槽焙燒啟動(dòng)熱電偶使用數(shù)量如表3所示，熱電偶使用數(shù)量明顯減少，重復(fù)使用率提高。

表3 熱電偶使用數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

圖6

（2）通過對(duì)天然氣減壓閥的定期清理，使天然氣壓力穩(wěn)定，焙燒過程中天然氣壓力最低值高于30Kpa，滿足焙燒時(shí)對(duì)天然氣壓力的要求。

（3）通過對(duì)空氣減壓閥的定期清理，在沒有增開空壓機(jī)的基礎(chǔ)上空氣壓力能夠穩(wěn)定保持在200Kpa，滿足焙燒時(shí)對(duì)空氣壓力的要求。

通過查看焙燒曲線及焙燒槽天然氣用量發(fā)現(xiàn)，焙燒曲線與設(shè)定曲線吻合且天然氣用量較以往降低明顯。

3.3 效益分析

經(jīng)過車間及班組人員的共同努力，電解槽焙燒啟動(dòng)天然氣使用量平均達(dá)到9200m3，比改進(jìn)前降低了1500 m3，有效降低了天然氣用量，效益分析如下：

（1）經(jīng)濟(jì)效益分析：每立方天然氣按2.12元算，單臺(tái)電解槽減少燃?xì)庥昧空酆先嗣駧牛篜臺(tái)=1500 m3*2.12元/ m3=3180元，車間每月大修槽數(shù)量按12臺(tái)算，則改進(jìn)后每年可降低費(fèi)用：P年=12*12*3180=457920元。

（2）降低了熱電偶及導(dǎo)線故障率，減輕了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）提高了電解槽的焙燒質(zhì)量，為延長電解槽使用壽命打好基礎(chǔ)。

4 鞏固

天然氣焙燒法是目前較為流行和備受推崇的一種鋁電解槽焙燒方法。但是，只有設(shè)置合理的焙燒曲線、保溫時(shí)間以及適當(dāng)控制爐膛氣氛的情況下，才能保證電解槽的焙燒質(zhì)量，延長電解槽使用壽命。因此，公司根據(jù)自身情況制定了以下方案，以獲得理想的焙燒效果：通過不斷優(yōu)化設(shè)備，以新設(shè)備逐步代替舊設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)限期替換；對(duì)電解槽生產(chǎn)技術(shù)管理不斷細(xì)化規(guī)范化；加強(qiáng)對(duì)員工的培訓(xùn)，制定相應(yīng)的操作規(guī)程及考核機(jī)制來規(guī)范員工的日常操作；管理人員加強(qiáng)學(xué)習(xí)，深入一線，拓寬專業(yè)知識(shí)面，提高生產(chǎn)管理水平。