整體成型陰極實驗排煙分析及控制

鄧 翔,曹斌,張嘉,楊運川,柴婉秋,吳中鼎

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

在鋁電解槽整體成型陰極焙燒過程中,由于糊料升溫散發大量的揮發分(瀝青煙、焦油等),這部分揮發分散發到車間內將對車間環境造成破壞,而現有設計的電解槽排煙系統,理念是在電解槽閉槽工作條件下進行排煙,無法實現在無槽蓋板密閉條件下進行集氣排煙。另外,鋁電解槽整體成型陰極焙燒高溫階段,陰極下層材料隨著溫度升高釋放的揮發分無法穿透上層材料釋放,通過陰極鋼棒窗口從電解槽兩側逸散出來,使電解槽焙燒煙氣通過不同位置按一定時間周期散發。

電解槽整體成型陰極焙燒采用在爐膛內燃氣焙燒,爐膛內陰極和陽極之間保持250 mm左右空間,燃燒煙氣及上層陰極材料釋放的揮發分通過上部排氣口排出,下層材料釋放的揮發分通過陰極鋼棒窗口從電解槽兩側散發,電解槽兩側煙氣散發成為鋁電解槽整體成型陰極焙燒煙氣收集的難題。

1 煙氣成分及煙氣量分析

鋁電解槽整體成型陰極主要材料為改性石油焦+粘結劑,粘結劑主要成分是煤瀝青和煤焦油,其中,煤瀝青30%,煤焦油70%,陰極材料揮發分主要是煤瀝青和煤焦油受熱過程中產生的揮發分。

1.1 陰極材料揮發分總量分析

以200kA電解槽為例,電解槽底部糊用量27.5噸,側部糊用量9.5噸。其中底部糊粘結劑比例為15%(其中煤瀝青占4.5%,煤焦油占10.5%),側部糊粘結劑比例為12%(其中煤瀝青占3.6%,煤焦油占8.4%),則煤瀝青用量為27.5噸×4.5%+9.5噸×3.6%=1.5795噸,煤焦油用量為27.5噸×10.5%+9.5噸×8.4%=3.6855噸。

通過小試試驗測試分析,粘結劑揮發分轉化為粘結劑焦比例為30%～50%,取值35%計算;底部糊入槽揮發分為8.4%,側部糊入槽揮發分為6.5%。200 kA電解槽排放的揮發分總量為:27.5×8.4%×65%+9.5×6.5%×65%=1.903噸。

1.2 最大揮發速率

焙燒期間揮發分揮發最快溫度區間為200～450 ℃,加熱期間溫度升至450 ℃前揮發總量約為1.52噸(總量2.234噸),其中溫度200 ℃以下揮發量0.3噸,約占1/5,200～450 ℃溫度段揮發量約為1.22噸。

圖1 煙氣散發量與溫度的關系圖

1.3 排煙量的確定

根據升溫曲線控制升溫速率,200～450 ℃升溫速率控制在每小時5 ℃左右,揮發分最大散發速率為24.4 kg/h。

整體成型陰極焙燒在200～450 ℃升溫過程中,焙燒用天然氣消耗量最大,煙氣量和煙氣中顆粒物濃度最高。根據焙燒熱量輸入及平衡計算,200 kA電解槽整體成型焙燒最大小時天然氣消耗量為20 Nm3/h(實際均值13 Nm3/h),瞬時可能最大天然氣消耗量為45 Nm3/h(實際瞬時峰值),氧氣消耗量約為40～45 Nm3/h,過氧量取值10倍,空氣需要量約為2000～2250 Nm3/h(實際值1588～1800 Nm3/h),產生煙氣量約為2000～2250 Nm3/h,系統排煙量理論計算最大4500 Nm3/h,凈化系統設計開槽最大工況排煙量為9000 m3/h,系統單槽排煙可滿足排煙要求。

1.4 排煙風量控制分配

整體成型陰極焙燒是一個從上至下逐漸升溫的過程,在焙燒過程中,熱量傳遞及散發使陰極材料形成由爐膛至四周遞減溫度梯度,并形成煙氣逐步散發的傳遞過程。整體成型陰極焙燒過程中,實際散發煙氣量產生梯度延遲,電解槽中心及上部糊料含有的揮發分首先散發至電解槽爐膛內,部分在爐膛內被氧化,另外一部分與爐膛燃燒尾氣一起從爐膛排氣口排出;隨著爐膛溫度逐步升高,等溫線逐漸向外擴展,揮發分逸出逐漸向外擴展,爐膛內匯集的揮發分逐漸減少,底層糊料散發的揮發分逐步沿陰極鋼棒向電解槽槽邊逸散,焙燒煙氣控制分兩個階段進行。

第一階段:爐膛排煙階段,爐膛溫度～450 ℃,整體成型電解槽內溫度逐步升高,下層糊料處于預熱階段,電解槽兩側沒有煙氣散發,煙氣主要是上層糊料散發, 電解槽排煙口設計3個Φ150排氣管,分別安裝在電解槽兩端及電解槽中部,單管排煙量750 Nm3,管道煙氣流速16 m/s。

第二階段:爐膛排氣、電解槽側部排煙階段,爐膛煙氣中揮發分基本被燃燒充分,排氣主要是天然氣燃燒尾氣和少量揮發分燃燒后排氣,電解槽兩側陰極鋼棒位置煙氣逐步散發,電解槽進入側部排煙模式,側部排煙和爐膛頂部排氣分配比例為1∶1。

2 排煙系統設計及影響分析

排煙系統設計按兩種工況兼顧設計,電解槽頂部排煙按系統總排煙量設計,側部排煙按總排煙量的1/2設計,電解槽兩側設側部排煙罩,各支管設置調節閥。系統第一階段運行時,關閉兩側調節閥,電解槽頂部排煙;第二階段運行時,開啟電解槽兩側煙管控制閥,并調節控制電解槽兩側排煙,同時調小電解槽頂部排煙干管排煙控制閥開度,實現系統排煙平衡。

2.1 焙燒煙氣對現有電解煙氣凈化系統的影響分析

鋁電解煙氣凈化系統本身能夠處理含有瀝青焦油的煙氣,預焙陰極電解槽啟動時,同樣有瀝青煙氣散發;焙燒煙氣凈化系統中,采用氧化鋁吸附的干法凈化方法,在國內外有廣泛應用,煙氣凈化系統中瀝青煙氣排放濃度低于3 mg/m3。

現有的單套電解煙氣凈化系統配套原鋁產能規模一般在50 kt/a以上(說明:現有單套電解煙氣凈化系統配套電解鋁產能規模一般都在5萬噸/年以上,包括現有的和新建的),小時排煙量設計值為800,000 m3/h以上,單側煙氣凈化系統煙氣量為400,000 m3/h以上,焙燒煙氣凈化系統中的瀝青煙焦油濃度250～600 mg/m3。按照前述全槽全部材料揮發分為1.903噸計算,小時最大揮發量為24.4 kg/h,煙氣中揮發分濃度為61 mg/m3,比現有系統中的瀝青煙焦油濃度250～600 mg/m3要低得多,因此不會影響鋁電解煙氣凈化系統的運行。

2.2 鋁電解煙氣凈化系統對揮發分的處理能力及對環境的影響

試驗產生的煙氣主要是燃料燃燒產生的煙氣、筑爐材料揮發分揮發產生的煙氣、槽啟動過程中可能產生的含氟煙氣,其中,燃料燃燒產生煙氣為普通煙氣,槽啟動過程中產生的含氟煙氣為電解煙氣凈化正常生產煙氣,該兩種煙氣治理均適用于鋁電解煙氣凈化系統;對于筑爐材料揮發分揮發產生的煙氣,筑爐材料揮發分主要為煤瀝青和煤焦油揮發分,該煙氣也可采用鋁電解煙氣凈化系統氧化鋁吸附的方法對這類煙氣進行治理。

如果將焙燒煙氣全部排入電解煙氣凈化系統,其短期(36 h)最大揮發分濃度(61 mg/m3)比現有瀝青煙氣氧化鋁吸附干法凈化處理系統中的瀝青煙焦油濃度250～600 mg/m3要低得多,加之氧化鋁對揮發分具有吸附作用,因此,煙氣不會影響鋁電解煙氣凈化系統的運行。

2.3 揮發分通過氧化鋁吸附對電解工藝的影響

研究表明,氧化鋁中含碳量超過5%時將影響鋁電解槽的電流效率,但是在本次試驗中,揮發分含碳量不可能是100%。由于在鋁電解煙氣凈化系統中,每小時加入系統的氧化鋁量為10噸,5天累計1200噸,假定所有揮發分全部被氧化鋁吸附,折算到氧化鋁中揮發分短期最大含量為0.339%,不會影響電解槽電流效率。

2.4 揮發分冷凝對管路系統的影響

由于小試試驗確定試驗材料在升溫過程中有部分揮發分散發,在電解槽整體成型焙燒試驗啟動初期,部分揮發分在電解槽排煙支管內部分冷凝,沒有冷凝的煙氣進入到排煙總管以后,由于其他槽煙氣溫度的影響及稀釋作用,干管內不再冷凝。進入焙燒試驗后期,試驗槽排煙溫度升高,揮發分減少,排煙支管不再產生冷凝作用,同時由于煙氣逐步升高,先前在排煙支管內冷凝的揮發分二次揮發,被帶入到凈化系統中,對排煙支管起到了清理作用。實驗證明,揮發分冷凝沒有對管路系統產生影響,試驗結束后管路系統中沒有殘留。

3 結 語

試驗研究對陰極材料揮發分測試是在小試環境下進行的,通過坩堝加熱形式進行測試,電解槽試驗采用燃氣焙燒方式,燃氣焙燒的過程中,部分揮發分(爐膛排氣部分)將會被氧化,轉化成二氧化碳和水,大大減少了煙氣中揮發分含量;另外,小試試驗由于使用材料少、體積小,有利于揮發分充分揮發,電解槽整體成型試驗研究材料用量大、筑爐糊料厚,不利于糊料中揮發分散發,部分糊料中的揮發分在升溫過程中由于無法逸散而直接固化,同樣大大減少了煙氣中揮發分含量。

電解槽整體成型燃氣焙燒試驗證明,煙氣中揮發分實際含量低于理論值,鋁電解煙氣凈化系統經過整體成型焙燒試驗(一臺槽)后,凈化系統中氧化鋁顏色略有變化(變黑),其余各項指標(電解槽運行指標、氧化鋁流動性)均沒有變化。

另外,電解槽整體成型陰極焙燒試驗排煙效果證明該排煙方法可行,有效控制了整個試驗過程中不同焙燒階段的排煙,達到預期目標。