鋁電解企業濃相輸送系統降低氧化鋁破損率方法研究應用

馬得勝

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 810600）

1 概述

氧化鋁是鋁電解生產的主要原料。工業氧化鋁由氧化鋁廠從鋁土礦中提取。鋁電解對氧化鋁的質量要求主要是化學純度和物理性能?；瘜W純度主要影響原鋁的品位，其物理性能對保證電解過程的正常運行起著重要作用。通常要求氧化鋁具有吸水率低、活性高、粒徑合適、在電解液中溶解性好等特點?，F代大型鋁電解槽的發展和空氣中氟含量的環保法規要求氧化鋁具有較大的比表面積，并能有效吸收氟化氫氣體。這些物理特性主要取決于氧化鋁的晶體形態、尺寸和形狀。根據氧化鋁物理性質的不同，一般分為砂質、中質和粉狀三類[1]。

砂狀氧化鋁以其流動性好、吸附能力強、強度高、活性高、環保、節能、運輸方便、飛損小等優點受到廣大鋁電解企業的喜愛。一般來說，在研究氧化鋁的特性時，氧化鋁的粒度小于45μM指標，這對電解槽的運行有很大的影響，在工業上通常研究小于45μM，含量在10%以內，電解槽對氧化鋁的溶解度最好[2]。氧化鋁粒度對電解槽運行經濟技術指標有直接關系，對氧化鋁粒度研究非常有意義。

2 電解鋁行業幾種常見物料輸送方式及其優缺點

目前鋁電解企業內部輸送氧化鋁，有以下幾種方式，一是采用氣力輸送系統。二是采用斗式提升系統配套皮帶輸送。其中氣力輸送又分為希相、濃相和超濃相。稀相輸送一般固體含量低于1-10kg/m3，操作氣速較高(約18～30m/s)，輸送距離基本上在300m以內。濃相輸送一般固體含量10-20kg/m3，操作氣速較低（約8-9m/s），用較高的氣壓壓送。超濃相輸送一般固體含量20-30kg/m3，操作氣速較低（約0.5m/s）。

2.1 氣力輸送優缺點

氣力輸送具有減輕勞動強度、改善環境衛生、減少物料飛揚損耗、便于實現自動化操作、輸送系統簡單、管路布置靈活、占地面積小、投資費用少等優點。因此，近幾十年來，被廣泛地應用于冶金、化工、建材、糧食等許多工業部門。但稀相氣動輸送存在的主要缺點是能耗高、流速快，物料容易被破碎、管道容易被磨損等。

2.2 斗式提升系統配套皮帶輸送優缺點

斗式提升系統配套皮帶輸送具有輸送能力較大、氧化鋁輸送破損率等等優點，在輸送過程中幾乎不破損。缺點是布置時需要一定落差，占地面積較大，投資費用較氣力輸送高5-8倍。

氣力輸送和斗式提升系統配套皮帶輸送技術各有優缺點，新建企業目前在建設初期均采用斗式提升系統配套皮帶輸送技術方案，2012年以前建設企業目前幾乎采用內部氣濃相氣力輸送技術方案。

3 外補氣濃相氣力輸送新技術應用

基于濃相內補氣技術使用時間達到一定年限后出現的固氣比低，氧化鋁輸送破損率較大等現狀，我公司聯合某設計院和某專業公司，開發并使用了外補氣濃相氧化鋁輸送技術，其技術原理、應用情況和應用效果如下：

3.1 外補氣技術原理

輸料管中物料濃度和氣體流速變化時，管內物料會出現幾種不同的運動狀態。管內流速很高，物料濃度較低時，物料均勻的懸浮在氣流中，呈均勻的兩相流。物料濃度逐漸增高，流速降低，有部分粒子失去懸浮能力。停滯在管底，作不規則的旋轉，碰撞和流動。物料濃度再升高，部分粒子失去懸浮能力集聚在管底，管截面局部變小，氣速增高，形成物料又停滯又吹走現象。物料濃度繼續增高，在管中沉積形成許多“砂丘”，有時幾乎將管道充滿，同時還有部分表面粒子隨氣流沿料層頂部流過。

圖1 助推器原理

物料充滿輸料管，接近堵塞狀態，由于空氣壓力推動，形成特殊的物料間接流動，稱為栓塞流。栓塞流是一種高濃度的輸送形式。如果在輸料管中通過特殊的機構，使物料形成料栓，以栓塞流的形式輸送，就能取得高濃度、低流速的目的。

整個系統由流化閥、儲氣罐、出料閥、助推器、補氣閥等組成，助推器為核心部件。采用文丘里原理，將氧化鋁吸入擴散區，速度越來越快，有效提高了氧化鋁輸送效率。

圖2 助推系統原理圖

3.2 外補氣技術應用情況

對于2012年以前建設電解鋁企業而言，斗式提升系統配套皮帶輸送方式雖然具有非常多的優點，但受限于場地空間、投資費用等因素影響，很多企業不能使用該方案進行物料輸送。這就為外補氣氣力輸送新技術應用提供了應用場景和應用市場。

目前電解鋁企業氧化鋁濃相輸送，一般采用的是瑞士alesa(阿麗莎)發明的內補氣輸送方式。對管網壓力要求較高，設計壓力約為0.5MPa以上，管網壓力低于0.5MPa，會出現輸送効率急劇下降，甚至堵管等情況。其原理是在管道內腔的上部，設置一根內管，內管朝下的一面開有若干小孔，輸送管中的部分氣流將進入內管流動，形成并分離出一段移動的流態化料栓。此過程的連續進行，使得剩余的連續流態化料流被不斷分割，在輸送管中得到氣栓，料栓相間的栓流輸送狀態[3]，從而實現了長距離管道中物料流態化(濃相)輸送。但由于補氣管在內部，隨州氧化鋁物料頻繁流動沖刷，時間一長內管容易脫落，且物料運行效率大大降低，達不到濃相輸送指標，且處于希相輸送。其余固氣比均在10以下（大多數固氣比只有5-8）。也就是說濃相系統，實際是在稀相運行狀態，這會造成輸送管道、相關閥件磨蝕嚴重，系統維護、維修工作量增加等不利影響，同時還會增加氧化鋁破損。改造前后固氣比、輸送時間、輸送量、裝料時間等技術指標對比情況，見表1。

表1 改造前后濃相輸送系統技術指標對比

3.3 應用效果

（1）破損率降低

鋁電解過程中要求氧化鋁的粒度均勻。通常，氧化鋁的粒度分布由兩個主要的粒度參數來描述，即大于150μm和小于45μm的細顆粒百分比。鋁電解槽要求氧化鋁大于150μm的含量應小于2%，小于45%μm含量小于10%。大于150μm的粗顆粒的含量高會影響氧化鋁通過電解質中溶解速率，小于45μm,尤其是小于20μm的細粒含量的增加會增加電解操作中粉塵數量增加[4]，影響下料的準確性。

我公司采購國內氧化鋁粒度原本就較細，小于45μm的含量約占10%以上，加之濃相氣力輸送過程中輸送速度過快20m/s左右，造成破損率增加，嚴重影響電解槽電流效率提升及電解槽平穩運行。經對小于45μm含量數據進行化驗分析，改造前后氧化鋁破損率數據，見表2。

表2 改造前后濃相輸送氧化鋁破損率數據化驗分析

從以上數據可以看出，從氧化鋁倉庫通過目前現有濃相管道和氣力提升機設備輸送氧化鋁，造成氧化鋁破損率平均為15.47%(濃相管道輸送6.5%，稀相輸送8.97%)。氧化鋁顆粒度降低，導致氧化鋁飛揚、流動性差、在電解質中溶解度降低，影響電解槽平穩生產。改造后輸送破損率顯著降低。

（2）降低運行空壓風能源

由于輸送固氣比提升近一倍，壓縮空氣用量顯著減少，空壓機符合明顯降低，2021年運行半年后電量數據變化見表3。

表3 改造前后節約電量對比表

改造前空壓機運行一年電耗8654.3294萬kw.h，平均每月721.1941萬kw.h。由于電量是累計計算，按基準數據每月721.1941萬kw.h計算，改造后每月平均節約電量142.06萬kw.h，平均節能率達到19.6%，每年節約1704萬kw.h，每年相當于節約能源5878噸標準煤（折標系數3.45噸標準煤/萬kw.h）。

4 結論

采用濃相外補氣輸送新技術對氧化鋁濃相系統進行改造，一方面可以降低技改投資，物料輸送固氣比提高至15kg/Nm3以上，氧化鋁破損率較低約10%以上，年節約電量約1704萬kw.h，節電率平均19.6%，經濟效益非?？捎^。在目前使用內部氣濃相氣力輸送的電解鋁企業中具有很好的市場應用和推廣前景。