改進(jìn)電解槽集氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”目標(biāo)

供稿|宋媛媛 / SONG Yuan-yuan

背景

環(huán)境保護(hù)是我國的基本國策。鋁電解行業(yè)屬于重污染行業(yè)，鋁電解槽在電解過程中會產(chǎn)生大量的粉塵和煙氣，同時，在這些粉塵和煙氣中含有大量可供回收的元素(氟鹽、氧化鋁等)，如果不能及時有效的將這些粉塵和有害煙氣吸收、凈化、回收，將嚴(yán)重污染環(huán)境，直接影響電解操作工人和電解車間周圍動植物的健康，并且造成原材料的浪費(fèi)。隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)今環(huán)保意識和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對鋁電解煙氣的治理已列入重要議事日程。這就要求鋁電解企業(yè)必須改進(jìn)集氣排煙系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)，減少污染排放量，提高環(huán)保質(zhì)量，充分利用自然資源。

現(xiàn)狀分析

鋁電解生產(chǎn)中每噸鋁的氟消耗量大約為25～30 kg，其中被排放物帶走50%～60%。排放污染物有氣態(tài)和固態(tài)兩種物質(zhì)。氣態(tài)物質(zhì)的主要成分是二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氟化氫(HF)、二氧化硫(SO2)等。固態(tài)物質(zhì)的一部分是吸附氣態(tài)氟化物的氧化鋁、炭粒和冰晶石粉塵(其中總氟含量約占15%)，另一部分是由電解質(zhì)蒸氣凝結(jié)而成的細(xì)顆粒物質(zhì)[1](其中總氟含量高達(dá)45%)。表1為中鋁青海分公司180 kA電解槽生產(chǎn)1 t鋁過程中產(chǎn)生的污染物數(shù)量，從中看出經(jīng)煙氣帶走氟為16.83 kg，這個數(shù)量是較大的。這些從鋁電解槽散發(fā)出來的污染物都有毒性，并且其中含有大量可供鋁電解回收再利用的元素(氧化鋁和氟化物等)，如不能及時有效的將這些粉塵和有害煙氣吸收、凈化、回收，將嚴(yán)重污染環(huán)境，會對人的身體健康和動植物正常生長造成嚴(yán)重的影響和危害。2006年初，青海分公司經(jīng)測算生產(chǎn)1 t鋁進(jìn)入集氣凈化系統(tǒng)的全氟量為16.03 kg，經(jīng)天窗排出的氟量為0.80 kg，集氣效率為95.24%，這與一些先進(jìn)鋁電解企業(yè)的集氣效率還有一定差距。因此，采用較為先進(jìn)的集氣、凈化回收系統(tǒng)對鋁電解生產(chǎn)排放物進(jìn)行吸收、凈化、回收再利用，具有很大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

表1 青海分公司180kA電解槽生產(chǎn)1 t鋁過程中產(chǎn)生的污染物數(shù)量 kg

新型電解槽集氣系統(tǒng)的研制開發(fā)

電解槽集氣排煙系統(tǒng)包括側(cè)部集氣槽罩、槽頂密封板和排煙管道三部分。在集氣槽罩和槽頂密封板密閉效果較好的情況下，由凈化排煙裝置產(chǎn)生的負(fù)壓作用，可使粉塵、煙氣等飛揚(yáng)物質(zhì)通過煙道進(jìn)入凈化系統(tǒng)得到凈化，將吸入煙氣中的氟化物用氧化鋁粉吸收后返回電解槽再利用，這就要求電解槽集氣槽罩和槽頂密封板具有良好的密閉作用，同時為了避免電流空耗還應(yīng)具有良好的絕緣性能。

意義和必要性

目前，預(yù)焙鋁電解槽普遍采用鋁制槽罩，該槽罩由鋁制框架、鋁皮和上下兩端擋板組成，擋板與鋁制框架用4套螺栓連接，擋板上的“U”形鋁板中間夾一層高分子絕緣材料[2]。由于槽罩在電解生產(chǎn)的日常操作過程中使用頻繁，擋板高分子絕緣層、擋頭螺栓絕緣管容易被破壞，螺栓導(dǎo)電后在強(qiáng)電流下容易熔斷，最終導(dǎo)致槽罩擋板脫落，因此，其使用壽命較短(一般使用兩年后就必須對擋板進(jìn)行更換)，而且損壞后也不易修復(fù)，如果更換不及時將導(dǎo)致電解槽槽罩的集氣和保溫效率降低，并由于絕緣性能變差，導(dǎo)致生產(chǎn)中無功能耗增加。

由于電解槽加料的需要，在電解槽槽頂密封板上開有供打殼錘桿進(jìn)入槽內(nèi)，打開電解質(zhì)殼面進(jìn)行加料的矩型開孔，這些開孔使電解槽的集氣和保溫效率下降，物料損失加大，并且在電解槽強(qiáng)烈電磁場的作用下，打殼錘桿會與槽頂密封板經(jīng)常碰撞接觸，這不但縮短殼錘桿的使用壽命，而且產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，造成電流空耗[3]。

電解槽鋁制集氣槽罩和槽頂密封板上打殼開控由于其密閉性和絕緣性較差，使電解槽的集氣、保溫和絕緣效果降低，從電解槽直接排放到廠房中的污染物含量大，造成環(huán)境污染加劇和原材料、電能損失加大，這明顯與當(dāng)前“環(huán)保和節(jié)能”的企業(yè)發(fā)展趨勢極不相符。因此必須對180 kA電解槽原有集氣槽罩和槽頂密封板上打殼開孔進(jìn)行改進(jìn)，使其具有較好的密閉和絕緣性能，從而達(dá)到既能減少污染、凈化環(huán)境，又能節(jié)約原材料和電能的目的。

設(shè)計(jì)原理及實(shí)施方案

電解槽集氣排煙系統(tǒng)包括側(cè)部集氣槽罩、槽頂密封板和排煙管道三部分。在集氣槽罩和槽頂密封板密閉效果較好的情況下，由凈化排煙裝置產(chǎn)生的負(fù)壓作用，可使粉塵、煙氣等飛揚(yáng)物質(zhì)通過煙道進(jìn)入凈化系統(tǒng)得到凈化，這就要求電解槽集氣槽罩和槽頂密封板具有良好的密閉作用，同時為了避免電流空耗還應(yīng)具有良好的絕緣性能。

原槽罩容易損壞的主要原因是在電解高溫輻射和頻繁使用下?lián)醢濉癠”形鋁板中間絕緣層和螺栓絕緣管損壞所引起的，因此對槽罩的鋁制擋板進(jìn)行改進(jìn)，選用一種絕緣性能優(yōu)異、耐高溫、強(qiáng)度高的膠木材料作為擋板，將槽罩與槽頂密封板搭接的那端鋁制擋板改換。

(1) 密封絕緣槽蓋板擋頭的設(shè)計(jì)

將與槽頂密封板搭接的那端鋁制擋板卸下，制做好一塊規(guī)格為700 mm×160 mm×10 mm的絕緣膠木板，用4套螺栓與槽蓋板鋁框擰緊連接。由于此膠木擋板絕緣性能優(yōu)異，徹底杜絕了槽罩導(dǎo)電的現(xiàn)象，因此可將與槽體下沿鋼板搭接的那端“U”形鋁板和絕緣層卸掉，直接改換為制做簡單便宜的鋁板。

(2) 密封絕緣三角板設(shè)計(jì)

將三角板上靠在立式門柱的一斷“U”形鋁板改換為規(guī)格為900 mm×70 mm×5 mm的絕緣膠木板，同樣將與槽體下沿鋼板搭接的那端“U”形鋁板和絕緣層卸掉，直接改換為制做簡單便宜的鋁板。

(3) 密封絕緣爐門板的設(shè)計(jì)

拆下原有爐門板的“U”形鋁板，用4套螺栓將規(guī)格為90 mm×90 mm×250 mm×10 mm的直角絕緣膠木板與鋁框連接。

(4) 打殼密封絕緣裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

在槽頂密封板打殼開孔處焊接一個高90 mm、寬70 mm、長240 mm的長方形鐵框，為了增加密閉性在鐵框兩邊的上部制作一個長70 mm，寬2 mm的鎖口，中間放置規(guī)格與打殼錘桿匹配的絕緣密封磚，鎖口用銷子插上，防止固定密封磚的竄動。

圖1 未安裝打殼密封絕緣裝置示意圖

圖2 安裝打殼密封絕緣裝置示意圖

技術(shù)先進(jìn)性

◆ 絕緣槽罩與全鋁制槽罩性能對比

表2 絕緣槽罩與全鋁制槽罩性能對比

改進(jìn)后的絕緣槽罩在繼承了原鋁制槽罩的優(yōu)點(diǎn)的同時，改善了原鋁制槽罩的一些缺點(diǎn)：

(1) 重量減輕，可操作性強(qiáng)。改進(jìn)后的絕緣槽罩將一端的鋁制擋板改為重量更輕的膠木板，并將另一端擋板的“U”形鋁板和絕緣層卸掉，因此，與原槽罩相比，改進(jìn)后的絕緣槽罩重量減輕了約1 kg，可操作性強(qiáng)，更加方便電解操作工在交換陽極等操作時槽罩的打開和合閉，能夠降低電解工人的勞動強(qiáng)度，同時基本消除了作業(yè)時由于擋板螺栓熔斷、擋板脫落而可能導(dǎo)致的安全隱患。

(2) 密封絕緣性能大大提高。改進(jìn)后的絕緣槽罩絕緣性能優(yōu)，稱重強(qiáng)度高，耐高溫，徹底杜絕了由于槽罩絕緣不良而導(dǎo)致的擋板螺栓熔斷、擋板脫落等缺陷，經(jīng)久耐用，密封效果好，可以提高電解槽集氣效率和保溫效果，改善環(huán)境，同時基本杜絕電解槽漏電，減少無功能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(3) 不易損壞，使用壽命長。改進(jìn)后的絕緣槽罩制作更加簡單，安裝方便，使用材料少，不易損壞，使用壽命長，達(dá)到了節(jié)省原材料的目的。

◆ 打殼密封絕緣裝置技術(shù)性能

(1) 密封性能優(yōu)，可明顯提高電解槽的集氣保溫效率；

(2) 大大提高打殼系統(tǒng)與槽頂密封板之間的絕緣性能，避免打殼錘桿會與槽頂密封板間的碰撞接觸，不但可以提高打殼系統(tǒng)的使用壽命，而且可杜絕漏電現(xiàn)象；

(3) 有效的避免了打殼錘桿與槽頂密封板間的摩擦接觸，杜絕了打殼錘桿的隨意轉(zhuǎn)向，使錘頭在同一點(diǎn)上打殼并有力，杜絕了由于打不開電解質(zhì)殼面而發(fā)生的大堆料現(xiàn)象，減少了電解槽的突發(fā)陽極效應(yīng)；

(4) 制做簡單，安裝、拆卸和維修方便。

密封絕緣槽罩和打殼密封絕緣裝置的應(yīng)用效果

密封絕緣槽罩和打殼密封絕緣裝置設(shè)計(jì)原理簡單，制做用原材料收集容易，研制比較簡單、方便。青海分公司于2014年2月在第一電解廠一車間二工區(qū)進(jìn)行應(yīng)用后已經(jīng)取得了良好的效果，電解槽集氣系統(tǒng)的集氣效率明顯提高，現(xiàn)場測定每塊槽罩的電流為零，絕緣槽罩在頻繁的使用過程中沒有任何損壞現(xiàn)象，槽內(nèi)下料點(diǎn)處的大堆料現(xiàn)象基本杜絕，改善了工作環(huán)境，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，減少了電解槽槽罩和打殼系統(tǒng)的維修率，降低了電能損耗，達(dá)到了企業(yè)當(dāng)前“環(huán)保和節(jié)能”的發(fā)展要求。

集氣保溫效率明顯提高

由于該項(xiàng)目中的絕緣槽罩具有優(yōu)異的絕緣性能，并且強(qiáng)度高、耐高溫，所以該槽罩不易損壞，這就保證了電解槽側(cè)部集氣罩的密封；在電解槽上安裝打殼密封絕緣裝置后可以將槽頂密封板上供打殼錘桿進(jìn)入槽內(nèi)的開孔空間完全密封，這樣從電解槽產(chǎn)生的氣體和粉塵除了在打開槽罩進(jìn)行日常操作時極少部分進(jìn)入廠房外，其余全部在凈化系統(tǒng)強(qiáng)大負(fù)壓下被吸入排煙管道進(jìn)行凈化、回收利用。電解槽集氣系統(tǒng)的集氣效率明顯提高。同時，由于電解槽密封效果好，槽內(nèi)的熱量不易散發(fā)損失，保溫效果也有了提高。

表3 絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置使用前后集氣效率對比

從上表可直觀看出，在未使用絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置前，電解槽集氣效率平均為95.24%，使用絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置后，集氣效率平均達(dá)到98.51%，集氣效率提高了3.27%，生產(chǎn)1 t鋁從廠房天窗排出的氟化物損失量降低了0.55 kg，因此，使用電解槽上部集氣及絕緣系統(tǒng)后不但凈化了環(huán)境，而且減少了氟化物和氧化鋁粉塵的損失，達(dá)到了“環(huán)保和降本”雙贏的目的。

絕緣效果明顯提高

由于該項(xiàng)目中絕緣槽罩與槽頂密封板搭接的擋板選用絕緣性能優(yōu)異的膠木板，其徹底杜絕了槽罩導(dǎo)電、擋板螺栓在強(qiáng)電流下發(fā)熱熔斷等現(xiàn)象，減少了電能損耗，提高了槽罩的安全性和使用壽命。

在電解槽槽頂密封板上的4個打殼開孔處安裝打殼密封絕緣裝置后，打殼錘桿與槽頂密封板被絕緣磚隔離，杜絕了打殼錘桿與槽體的接觸漏電現(xiàn)象，提高了打殼系統(tǒng)的安全性和使用壽命。

絕緣槽罩重量減輕，操作方便。

改進(jìn)后的絕緣槽罩將一端的鋁制擋板改為重量更輕的膠木板，并將另一端擋板的“U”形鋁板和絕緣層卸掉，因此，與原槽罩相比，改進(jìn)后的絕緣槽罩重量減輕了約1 kg，可操作性有了進(jìn)一步提高，更加方便電解操作工在交換陽極等操作時槽罩的打開和合閉，能夠降低電解工人的勞動強(qiáng)度，同時基本消除了作業(yè)時由于擋板螺栓熔斷、擋板脫落而可能導(dǎo)致的安全隱患。

項(xiàng)目實(shí)施所取得的經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目電解槽上部集氣及絕緣系統(tǒng)自2014年2月試用，并于4月份在第一、第二電解廠推廣應(yīng)用后使用效果較好，并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

減少氟鹽損失，節(jié)約生產(chǎn)成本

從表3可看出，通過該項(xiàng)目絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置使用前后對直接排出廠房和進(jìn)入集氣凈化系統(tǒng)的煙氣中氟含量的測定，可得到以下結(jié)論：使用絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置后，集氣效率比使用前提高了3.27%，生產(chǎn)1 t鋁從廠房天窗排出的氟損失量降低了0.55kg，而進(jìn)入電解槽集氣凈化系統(tǒng)的氟含量增加了0.52 kg，如折合成氟化鋁(AlF3)為0.77 kg，如青海分公司第一、第二電解廠凈化效率按98%、全年鋁產(chǎn)品產(chǎn)量按24.5萬t計(jì)，則每年可節(jié)約氟鹽為：

氟化鋁單價(jià)按5800元/噸計(jì)，則每年可節(jié)約生產(chǎn)成本

間接經(jīng)濟(jì)效益

◆ 減小煙氣、粉塵對環(huán)境的污染程度

對180 kA電解槽上部集氣及絕緣系統(tǒng)改進(jìn)后，由于絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置具有良好的絕緣性能和密封性能，使用后集氣效率比使用前提高了3.27%，生產(chǎn)1 t鋁從廠房天窗排出的氟含量降低到了0.25 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到了環(huán)保的目的。

◆ 減小了工人的勞動強(qiáng)度

絕緣槽罩性能優(yōu)越，使用上面長，維修率低，并且重量輕，便于操作，可降低工人的勞動強(qiáng)度；打殼密封絕緣裝置的應(yīng)用，較少了打殼系統(tǒng)的維修率，同時減少了大堆料和突發(fā)效應(yīng)的發(fā)生，同樣可降低工人的勞動強(qiáng)度。

[1] 馮乃祥. 鋁電解. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2006

[2] 田應(yīng)甫. 大型預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)實(shí)踐. 長沙： 中南工業(yè)大學(xué)出版社， 2003

[3] 邱竹賢. 預(yù)焙槽煉鋁. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2005