NEUI 600kA級鋁電解槽煙氣流場測試與研究

王尚元 班允剛 楊青辰 劉 靖

(東北大學設計研究院(有限公司)， 遼寧 沈陽 110166)

0 前言

電解槽的集氣系統是電解槽的重要組成部分，主要用于收集鋁電解生產過程中產生的高溫、含氟、含塵煙氣。NEUI 600kA鋁電解槽自2014年投運以來，因其顯著的技術、經濟優勢，已成為行業新建電解鋁系列的首選。為了提高電解槽的集氣效率，減少高溫有害煙氣的無組織排放，有必要對電解槽的內部煙氣流場進行測試，以了解電解槽內部煙氣流場的真實情況。

1 測試儀器

電解槽煙氣的主要成分是熱空氣，另外還有少量的CO2、CO、HF、SO2以及氧化鋁顆粒。由于上述成分含量均不高，因此電解槽煙氣可以按照熱氣體考慮。電解槽的內部煙氣流場可以利用儀器直接進行測量[1]。本次測試用的主要儀器詳見表1。

表1 測試儀器的型號及規格

2 測試方案

根據廠區電解系列的整體運行情況，選擇1046#和1067#兩臺正常生產且具有代表性的NEUI 600kA級鋁電解槽進行煙氣流場測試。

2.1 測試內容

電解槽內部煙氣流速場的測試內容主要包括：

1)電解槽槽罩板內負壓分布、溫度分布。

2)電解槽出口支煙管內煙氣流速、溫度、負壓及流量情況。

2.2 測點分布

測量數據以直角坐標系表示。Z向垂直向上，Y向為系列電流方向，按右手定則確定X向為電解槽出鋁端。坐標原點定在電解槽中心點上方標高為4.450 m的位置。

根據本次測試的目的并結合空間的關系，測點可以分為兩類：第一類測點位于電解槽罩板內部，沿電解槽4.450 m橫斷面向兩側分布；第二類測點位于電解槽出口支煙管的煙道內部。

NEUI 600kA鋁電解槽內部測點分布如圖1、圖2所示，槽罩板之間的4個測點均勻分布；支煙管上的5個測點沿煙管直徑均勻分布，具體如圖3、圖4所示。

圖1 槽罩板內部流場測點分布圖

圖2 槽罩板內部測點分布圖

圖3 支煙管中的測孔位置

圖4 支煙管中的測點分布

2.3 測定原理

對于高溫氣體，一般使用熱電偶溫度計測量。當溫度場比較均勻，管道中溫差不大于10 ℃時，可以只測管道中央部分的溫度。本測試選用熱電偶溫度計測溫，因現場測點溫度場均勻，管道中溫差不大(小于3 ℃)，所以只測定管道中央位置的溫度[2]。

為了測壓方便，制作了許多形式的測壓管。其中，負壓管和全壓管并在一起的測壓管，習慣上被稱為皮托管。本次測試采用L型皮托管進行測量。

本次測試使用空盒式氣壓計直接讀取大氣壓測量值。

本次測試采用Testo 512壓差計測量流速和流量。凈化管道內的煙氣流速、流量與大氣壓力、煙氣溫度有關。

3 測試結果與分析

3.1 槽罩板內煙氣流場測試結果及分析

3.1.1 測試數據

兩臺電解槽槽罩板內部煙氣的實測數據分別見表2和表3。

表2 1046#槽槽罩板內部煙氣實測數據

表3 1067#槽槽罩板內部煙氣的實測數據

3.1.2 煙氣溫度分析

將2臺測試槽槽罩板內各測點的煙氣溫度沿X方向作圖，結果如圖5、圖6所示，以考察兩臺電解槽槽罩板內的煙氣溫度、負壓在X方向的分布。其中，X方向上以進電側的測點為第1組，依次排列，出電側的測點為第4組。各組平均溫度見表4。

圖5 1046#電解槽槽罩板內煙氣溫度沿X方向的分布

圖6 1067#電解槽槽罩板內煙氣溫度沿X方向的分布

表4 電解槽內部煙氣溫度分布 ℃

由圖5可知，在X方向上，隨著距離的增加，1046#槽內煙氣的溫度呈增加趨勢；到X方向第5個測點時，煙氣溫度達到最大值；隨后煙氣溫度隨距離增加而降低。從整體上來看，出鋁端煙氣的溫度高于煙道端。

從圖6可知，1067#槽罩板內煙氣的溫度沿X方向的分布特征與1046#電解槽相似，同樣是呈中間高、兩邊低的趨勢，但是最高點出現的位置在X方向分布的第4、6、7測點，最高溫度點的位置并不固定。從整體上來看，出鋁端煙氣的溫度同樣高于煙道端。

從表4可知，1046#電解槽內部煙氣的溫度較電解槽槽罩板處煙氣的溫度高20～30 ℃，符合電解槽內部煙氣的溫度分布特征；電解槽內部煙氣的總體平均溫度為148.6 ℃。1067#電解槽內部煙氣的溫度較電解槽槽罩板處煙氣的溫度高15～25 ℃，這也符合電解槽內部煙氣的溫度分布特征。電解槽內部煙氣的總體平均溫度為144.6 ℃。

3.1.3 負壓分布分析

將兩臺電解槽槽罩板內各測點的負壓沿X方向作圖，結果如圖7、圖8所示，各測點沿X方向的距離及組別分配與研究溫度的測點分布相同。電解槽內部平均負壓見表5。

圖7 1046#電解槽槽罩板內煙氣負壓沿X方向的分布

圖8 1067#電解槽槽罩板內煙氣負壓沿X方向的分布

由圖7可以發現，1046#電解槽槽罩板內大多數測點的負壓在X方向上呈中間小、煙道端和出鋁端較大的趨勢；電解槽內負壓整體上比較均衡，但是個別位置的負壓波動比較大，甚至有部分位置處于正壓狀態。

表5 電解槽內部煙氣負壓分布 Pa

由圖8可知，1067#電解槽槽罩板內大多數測點的負壓在X方向上呈中間大、煙道端和出鋁端較小的趨勢；電解槽內負壓整體上比較均衡，但是個別位置負壓波動比較大，甚至有部分位置處于正壓狀態。

從表5可以發現，1046#電解槽內部的負壓大部分處于5～20 Pa，電解槽內部的平均負壓為13.7 Pa，比較符合電解槽槽罩板內部的負壓分布規律。1067#電解槽內部的負壓大部分處于0～40 Pa，電解槽內部的平均負壓為17.5 Pa，整體上比較符合電解槽槽罩板內部的負壓分布規律。

3.2 支煙管內煙氣流場測試結果及分析

現場測試當地的大氣壓為0.866標準大氣壓。

根據測試數據(表6)，1046#和1067#電解槽的煙氣流量分別為11 590 Nm3/h、11 266 Nm3/h；標態平均排煙量為11 428 Nm3/h，單槽排煙量比較符合設計值(11 500 Nm3/h)；煙氣的平均溫度為142 ℃，煙氣溫度的分布較為合理；單槽排煙管負壓的均值為277.5 Pa。

4 結論

通過對1046#和1067#電解槽槽罩板內36個測點的煙氣溫度和負壓進行測試，研究各參數沿X方向上的分布規律；同時對上述電解槽排煙支管內5個點的煙氣流速、溫度、負壓及流量進行測試，研究了電解槽出口負壓以及電解槽單槽的排煙量，得出以下主要結論：

1)在X方向上，兩臺電解槽槽罩板內煙氣的溫度分布呈中間高、兩邊低的趨勢，最高溫度點位不固定，隨機性比較大；煙氣的溫度均為出鋁端高于煙氣端；電解槽內部的煙氣溫度比電解槽槽罩板處溫度高10～30 ℃，符合電解槽內部煙氣溫度的分布規律。

表6 電解槽單槽排煙量

2)在X方向上，1046#電解槽槽內的負壓整體上比較均衡，但是個別位置負壓波動比較大，甚至有部分位置處于正壓狀態；1067#電解槽槽罩板內的測點在X方向上負壓呈中間大、煙道端和出鋁端較小的趨勢。1046#和1067#電解槽槽內煙氣的平均負壓分別為13.7 Pa、17.5 Pa，比較符合電解槽槽罩板內部的負壓分布規律。

3)1046#和1067#電解槽槽內部煙氣的平均溫度分別為147 ℃、137 ℃。煙氣的平均溫度為142 ℃，煙氣溫度偏高，建議采取措施，降低電解槽內煙氣的平均溫度；1046#和1067#電解槽的煙氣流量分別為11 590 Nm3/h、11 266 Nm3/h，標態平均排煙量為11 428 Nm3/h，單槽排煙量比較符合設計值(11 500 Nm3/h)；單槽排煙管負壓的均值為277.5 Pa。

通過分析測試數據發現，NEUI 600kA電解槽的內部煙氣流場與設計基本符合；電解槽出口的煙氣量、負壓值也與設計值基本吻合；但是煙氣溫度偏高，建議采取措施，降低電解槽內煙氣的平均溫度。