預(yù)焙陽極鋁電解槽煙氣的產(chǎn)生、特性與收集

劉傳國 張志方 李曉峰

(河南東大泰隆冶金科技有限公司, 河南 鄭州 450046)

環(huán)保與綜合利用

預(yù)焙陽極鋁電解槽煙氣的產(chǎn)生、特性與收集

劉傳國 張志方 李曉峰

(河南東大泰隆冶金科技有限公司, 河南 鄭州 450046)

利用流體熱力學(xué)理論，分析了預(yù)焙陽極鋁電解槽生產(chǎn)過程產(chǎn)生的煙氣分布與流動特性，探索了適用于煙氣分布和流動特性的集煙罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。

預(yù)焙陽極鋁電解槽； 煙氣產(chǎn)生； 流動特性； 煙氣收集

我國的鋁電解槽經(jīng)歷了陽極自焙鋁電解槽到小預(yù)焙槽再到300 kA以上的大型預(yù)焙槽的發(fā)展階段，電解槽的容量在不斷增大，特別是槽膛長度方向的成倍加長使大型預(yù)焙陽極電解槽沿槽體長度方向上負壓均布難度增加，致使排煙不均衡，電解產(chǎn)生的部分煙氣從集氣罩縫隙逸出，降低了氟的回收率并污染了生產(chǎn)環(huán)境。 本文研究了電解鋁生產(chǎn)過程煙氣的產(chǎn)生及流動特性，探索適應(yīng)槽內(nèi)煙氣流動的集氣罩。

1 現(xiàn)用電解槽集氣罩概況

1.1 集氣罩結(jié)構(gòu)

我國大部分鋁電解廠現(xiàn)用電解槽集氣罩均依托陽極框架設(shè)計構(gòu)成，即在水平罩板的底部設(shè)置均吸煙道，在水平罩板的四周架設(shè)活動槽罩板，利用水平罩板和活動槽罩板在陰極槽殼面上部形成一個封閉的空間，均吸煙道、水平罩板和活動槽罩板構(gòu)成電解槽集氣罩。均吸煙道和水平罩板是固定構(gòu)件，容易實現(xiàn)密封連接，但由于電解生產(chǎn)過程中陽極、殼面等位置隨時需要生產(chǎn)作業(yè)，水平罩板以下的空間需要若干塊活動的槽罩板圍罩而成，這就使集氣罩只能形成相對密閉的空間，因此，其中沿電解槽長度方向上設(shè)置的均吸煙道能否實現(xiàn)均吸的功能是該集氣罩能否達到理想設(shè)計應(yīng)用狀態(tài)的關(guān)鍵，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 現(xiàn)用的電解槽集氣罩結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

在電解槽陽極框架和電解槽殼面之間設(shè)置相對密閉的空間，把生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的電解煙氣封閉在這個空間內(nèi)，在這空間內(nèi)設(shè)置能夠顧及到該空間內(nèi)每一部位的均吸煙道，通過外界的凈化系統(tǒng)提供的負壓，使罩內(nèi)各處保持均衡的負壓，槽殼面各處產(chǎn)生的煙氣全部排出。排出的煙氣量為電解生產(chǎn)的煙氣量與罩外混入的空氣量之和。

圖2 水平均吸煙道俯視氣流示意圖

1.3 存在問題

從原理上看，該集氣方式是可行的，但是，受設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)和空間的限制，使集氣罩無法實現(xiàn)預(yù)期的功能。主要問題是均吸煙道的設(shè)置無法實現(xiàn)其功能。

電解槽上部結(jié)構(gòu)主要有陽極母線、料箱、打殼裝置、下料裝置，其中的打殼、下料裝置都必須穿過截面寬×高為560×420 mm的均吸煙道中心位置，打殼下料裝置在氣流方向截面寬×高為140×420 mm，約占均吸煙道截面的1/3(如圖2所示)。本應(yīng)暢通的均吸煙道在打殼下料處分成兩個狹小通道，在水平均吸煙道長度方向，打殼下料點把水平均吸煙道分成n+1等份，氣流在經(jīng)過均吸煙道打殼下料點時，負壓呈現(xiàn)矩形波狀驟然減小，吸煙量在打殼下料點前后陡降。電解槽容量越大，其長度和水平煙道越長、打殼下料點越多，均吸煙道被分段數(shù)越多，均吸效果就越差，使均吸煙道不能實現(xiàn)均吸功能。同時，鋁電解產(chǎn)生的煙氣含粉塵量較大(約700 mg/Nm3)，水平煙道內(nèi)各段煙氣流速不能準確控制，在流速低的位置時常會出現(xiàn)粉塵沉降、堆積，直至最后把水平煙道堵死，即使隔斷設(shè)置了漏料孔，也難以解決被粘料沉降堵死的問題。

2 鋁電解生產(chǎn)中產(chǎn)生的煙氣量分析

現(xiàn)代原鋁生產(chǎn)采用冰晶石- 氧化鋁熔鹽電解法。熔融的冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽極和陰極，通入直流電，在950～970 ℃下，電解槽內(nèi)的兩極主要發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[1]:

(1)

陽極:

2O2--4e-=O2↑

(2)

陰極:

Al3++3e-=Al

(3)

同時，電解槽內(nèi)伴隨水分和氟化鹽、碳素電極等發(fā)生一系列化學(xué)和物理反應(yīng)。其中陰極Al3+得電子被還原為Al，陽極O2-失去電子產(chǎn)生氧氣是電解槽內(nèi)的主反應(yīng)，其它為副反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣量相對較少。

鋁電解槽排煙總量Q可分3部分：電解過程化學(xué)、物理反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣量(Q1)，電解槽殼面對外界吸入空氣加熱形成的水平熱射流(Q2)，打殼點被打開的圓形孔洞形成的圓形熱射流(Q3)，總排煙量：

Q=Q1+Q2+Q3

(4)

2.1 鋁電解產(chǎn)生的煙氣量計算

以300 kA預(yù)焙陽極鋁電解槽為例，鋁電解產(chǎn)生的煙氣中主要成份是CO2和CO，同時有HF、SO2、水分、瀝青煙(預(yù)焙陽極瀝青煙量較少)等氣體，為簡化計算，生成的CO也按照生成CO2考慮，總的煙氣量在CO2計算值的基礎(chǔ)上考慮(3)的系數(shù)。

設(shè)鋁電解槽的電流效率為92%、陽極單耗為450 kg/t-Al、鋁的電化當量常數(shù)0.335 5 g/A·h。

單槽小時產(chǎn)鋁量=鋁的電化當量×電流強度×1 h×電流效率=92.736 kg，則每小時消耗陽極碳素：

450 kg/t-AL×92.736 kg÷1 000=41.85 kg。

按照化學(xué)方程式：C+O2=CO2↑ 消耗的陽極碳素全部生成CO2計算，在標準狀態(tài)下氣體的摩爾體積是22.4 L/mol，則每小時生成 CO2的體積為：

41.85 kg×1 000÷12×22.4÷1 000≈77.6 Nm3/h

每小時生成的煙氣體積為：

77.6×3=232.8 Nm3/h

電解槽罩板內(nèi)煙氣屬高溫低壓氣體，適用于理想氣體狀態(tài)方程。電解槽內(nèi)煙氣溫度按照170 ℃計算，煙氣壓力按標準大氣壓計，則:

P1Q1/T1=P0Q0/T0

(5)

式中P1——工況下煙氣絕對壓力，P1=P0=101 325 Pa;

Q1——工況下電解電化學(xué)反應(yīng)生成的煙氣體積流量，m3/h;

T1——工況煙氣絕對溫度，T1=(170+273) K=443 K;

P0——標準大氣壓，P0=101 325 Pa;

Q0——標況下煙氣體積流量，Q0=Q1′=232.8Nm3/h;

T0——標況煙氣絕對溫度，T0=273K;

則電解電化學(xué)反應(yīng)生成的煙氣量：

Q1=Q0T1/T0=232.8×443/273≈377.8 m3/h

(6)

2.2 電解槽殼面對吸入空氣加熱形成的水平熱射流流量計算

按照縫隙面積計算吸入空氣量(經(jīng)驗公式)：

Q21=3 600βU0∑A

(7)

式中β——安全系數(shù)，取1.2；U0——通過密封罩縫隙的風(fēng)速，取1.5 m/s；

∑A——槽罩板縫隙通透面積；

設(shè)槽罩板之間豎直縫寬度5 mm；端面縫隙寬度平均為10 mm，則電解槽大面罩板縱向條縫面積：

A1=46×1.95×0.005=0.448 5 m2

大面罩板上下橫縫面積：

A2=30×0.005×2=0.3 m2

端面罩板條縫面積：

A3=22×1.5×0.01=0.33 m2

∑A=A1+A2+A3=0.448 5+0.3+0.33=1.078 5

所以，Q21=3 600×β×U0×∑A=3 600×1.2×1.5×1.078 5=6 988.68 Nm3/h

由理想氣體狀態(tài)方程：

P2Q2/T2=P0Q0/T0

(8)

式中P2——工況下密封罩吸入空氣絕對壓力，P2=P0=101 325 Pa；

Q2——工況下密封罩吸入空氣體積流量，m3/h；

T2——工況密封罩吸入空氣絕對溫度，T2= (170+273) K=443 K；

P0——標準大氣壓，P0=101 325 Pa；

Q0——標況下煙氣體積流量，Q0=Q21=6 988.68 Nm3/h；

T0——標況煙氣絕對溫度，T0=273 K；

密封罩吸入空氣量Q21被加熱到170 ℃時的空氣量：

Q2=Q0T2/T0=6 988.68×443/273≈

11 340.6 m3/h

(9)

2.3 由打殼點形成的圓形射流流量計算

打殼下料及出鋁口點形成的圓形射流，因在密封罩內(nèi)，射流口至集煙罩底平面的距離約450 mm，射流熱源直徑為150 mm，面積為0.017 66 m2，按照低懸罩計算單孔處的熱射流流量[2]：

Q31=0.403(q×H×A2)1/3

(10)

其中A=0.017 66 m2，H=0.45 m。

q=8.98×Δt1.25×A÷3 600=

8.98×7001.25×0.017 66÷3 600=0.159 kW

所以

Q31=0.403(q×H×A2)1/3=

0.403×(0.158×0.45×0.017 662)1/3=

0.011 3 m3/s=40.76 m3/h

則5個打殼點總煙氣量：

Q3=5×Q31=5×40.76=203.8 m3/h

(11)

鋁電解槽總排煙量：

Q=Q1+Q2+Q3=

377.8+11 340.61+203.8≈11 922 m3/h

(12)

3 電解槽罩內(nèi)煙氣流動特性分析

3.1 電解槽集煙罩內(nèi)煙氣流動形式

解槽集煙罩內(nèi)煙氣流動(如圖3)有吸入氣流、平面熱射氣流、圓形熱射流和集煙口吸入氣流。

圖3 大部分電解鋁車間電解槽集煙罩內(nèi)氣流現(xiàn)狀

3.2 氣流動態(tài)分析

3.2.1 平面熱射氣流

分布在整個電解槽殼面上(圖3以均勻箭頭表示)，由電解質(zhì)殼面、陽極炭塊和鋼爪表面不斷散熱，使罩內(nèi)空氣被加熱上升，形成的平面有限空間射流，其特點是：分布均勻、由低向高射流且流量固定(更換電極作業(yè)時除外)，這就要求集煙罩分布在整個電解槽殼面上部的負壓也要均勻分布，但目前多數(shù)電解槽的集煙罩在運行中不能提供均勻分布的負壓，在水平罩板下形成正壓帶，煙氣外溢。

3.2.2 圓形熱射流

分布在打殼下料點以上的倒錐體空間內(nèi)，此處部分氣體是從電解槽槽膛內(nèi)直接排出的化學(xué)反應(yīng)氣體產(chǎn)物，另一部分是周圍的氣體被加熱，向上沖騰產(chǎn)生的，該射流有氣流集中、流速高的特點。該氣流要求對應(yīng)的頂部有合適的緩沖空間并設(shè)置吸口，就地吸收該部分氣流，防止向其它部位擴散，使周邊區(qū)域形成正壓，煙氣外溢(如圖3槽罩板頂部所示的正壓帶區(qū))。目前，多數(shù)槽型均未重點考慮此處的集煙問題。

3.2.3 吸入氣流

槽罩板內(nèi)氣壓低于外部，車間內(nèi)的空氣通過槽罩板塊周邊的縫隙被吸入槽罩板內(nèi)部；該氣流主要發(fā)生在貼近殼面附近的槽罩板縫隙，貼近槽殼面的空氣被加熱上升，形成沿槽蓋板向上的射流，底層煙氣被向上卷吸，便在罩內(nèi)底部形成負壓區(qū)，外部空氣被吸入；該部分氣體流量是摻入電解生產(chǎn)煙氣的外部空氣，因此，要控制總煙氣量就要重視此處的罩板密封程度。

3.2.4 集煙口吸入氣流

在集氣罩水平均吸煙道開孔口處，由均吸煙道內(nèi)負壓形成的吸氣氣流。負壓煙道在開口處的負壓會在空間很短的距離內(nèi)耗盡，吸氣氣流在管口外也很短，即吸口所能控制的空間半徑也是有限的，要達到理想的集氣狀態(tài)，吸口位置應(yīng)設(shè)置在該區(qū)域的最高處，且輔助以錐形的吸罩。圖3吸口位置不在集煙罩的最高處，在水平罩板邊緣易形成正壓區(qū)，并列布置的各吸口處也很難保證保持相同的負壓。

4 理想的集氣方式探索

4.1 從煙氣量總和考慮集氣罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過以上計算，電解生產(chǎn)中物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣量為377.8 m3/h，而鋁電解槽生產(chǎn)需要總排煙量計算值為11 922 m3/h，實際產(chǎn)生量只占總量的3.17%；如除去溫度影響因素，電解生產(chǎn)物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣量為77.6 Nm3/h×3=232.8 Nm3/h，吸入外界空氣量為6 988.68 Nm3/h ，實際產(chǎn)生量只占總量的3.22%，即在凈化系統(tǒng)中，需要凈化的煙氣量計算值的大小決定于從外界吸入的空氣量的多少，從外界吸入的空氣量少(即集氣空間漏風(fēng)系數(shù)小)凈化系統(tǒng)處理的風(fēng)量就少，凈化能耗就越低； 因此，設(shè)計槽罩板及與槽罩板連接的電解槽構(gòu)件時應(yīng)充分考慮結(jié)合面的密封性能、甚至直接考慮采用減少結(jié)合縫隙的大塊體或一體罩板結(jié)構(gòu)；同時，在槽罩板制作及生產(chǎn)操作上重視制作和操作質(zhì)量，達到減小槽上排煙罩空間漏風(fēng)空隙、減少總排煙量的目的。

電解煙氣溫度一般為150 ℃左右，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，煙氣溫度由25 ℃上升到150 ℃，煙氣量將增加40%，因此，為了減輕凈化系統(tǒng)的負荷量，對收集的煙氣采取主動降溫措施(特別是氣候較熱的地區(qū))，如在管道上增加熱交換器、定期清理煙道，增強排煙管道的散熱效果，對降低能耗都是有益的。

4.2 根據(jù)電解槽罩內(nèi)煙氣流動特性確定相適應(yīng)的集氣罩結(jié)構(gòu)

打殼點處產(chǎn)生的圓形射流溫度高、速度快、集中，并與平面射流及吸入氣流疊加，形成局部正壓帶，在布置集氣罩上的吸煙口時要重點突出各打殼點，以各打殼點為吸氣中心，收集打殼點處的圓形射流，就地消除正壓，兼顧周邊，防止擴散外溢。

密封罩內(nèi)的氣流均為向上的快速熱射氣流，因此在設(shè)置吸氣口時應(yīng)有一定的高度，使氣流有一定的緩沖空間、并使圓形射流周邊的氣流通過密封罩板能夠順勢導(dǎo)流入集氣罩吸口內(nèi)；圖4為在目前槽上框架結(jié)構(gòu)中不同高度位置設(shè)置吸氣口時的氣流比較，從圖中可以看出，第三個圖中吸氣口的位置相對高一些，罩內(nèi)氣流就更順暢，在設(shè)置吸氣口時應(yīng)向這方面考慮，如圖5所示。

圖4 槽上框架結(jié)構(gòu)中不同高度位置設(shè)置吸氣口時的氣流比較

圖5 對應(yīng)于罩內(nèi)氣流特性較理想的吸氣口設(shè)置示意圖

4.3 設(shè)計槽上集煙罩需要注意的其它問題

設(shè)計槽上集煙罩要保障各吸氣口負壓均勻、兼顧風(fēng)速、安息角或清灰設(shè)施，防止出現(xiàn)生產(chǎn)初期排煙系統(tǒng)較為理想，但隨著生產(chǎn)的進行，管道內(nèi)粉塵沉降堵管，影響負壓的合理分布的情況。

5 結(jié)束語

鋁電解槽在向越來越大的方向發(fā)展，排煙量也在逐步增大，就目前該種預(yù)焙陽極的槽型而言，受槽上部結(jié)構(gòu)和空間的影響，要做高質(zhì)量的集氣效果的槽上通風(fēng)設(shè)施確實存在一定難度。 這就要求設(shè)計以電解煙氣量和煙氣流動特性為理論基礎(chǔ)，通過對電解工藝設(shè)施本身的改進提高、集煙罩、密封罩板、上部框架、陰極槽殼等有關(guān)結(jié)構(gòu)的全面構(gòu)思、優(yōu)化配置，設(shè)計出高捕集效率的集氣裝置，提高煙氣凈化效率，降低凈化能耗，并達到高標準的環(huán)保效果。

[1] 楊昇,楊冠群. 鋁電解生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2013:7.

[2] 蔣仲安.工業(yè)通風(fēng)與除塵[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2010:58.

Generation, Characteristics and Collection of Flue Gas from Prebaked Anode Aluminum Reduction Cell

LIU Chuan-guo, ZHANG Zhi-fang, LI Xiao-feng

Using the fluid thermodynamic theory, this paper analyzes the flue gas distribution and flow characteristics in the production process of prebaked anode aluminum reduction cell, and explores some ideas to design the gas collection hood structure to suit the flue gas distribution and flow characteristics.

prebaked anode aluminum electrolysis cell; gas generation; flow characteristics; gas collection

2014-03-25

劉傳國(1967—)，男，山東臨朐人，大學(xué)本科，工程師，主要從事電解鋁的氧化鋁輸送及煙氣凈化工作。

TF821; TF805.3

A

1008-5122(2014)05-0039-05