異地搬遷大型鋁電解槽技術(shù)升級改造的工程運用

李南誼

（貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

進(jìn)入21世紀(jì)以來在國民經(jīng)濟快速增長的勢頭下，中國鋁工業(yè)也迅速發(fā)展，截至2017年底，中國電解鋁總產(chǎn)能達(dá)到4490萬噸/年。隨著電價的不斷上漲，國家環(huán)保政策執(zhí)行力度日趨嚴(yán)格，一些電解鋁企業(yè)正在失去優(yōu)勢，企業(yè)的生存出現(xiàn)較大的困難。某電解鋁企業(yè)利用鋁工業(yè)供給側(cè)改革的契機將產(chǎn)能向有成本優(yōu)勢地區(qū)轉(zhuǎn)移并同時進(jìn)行技術(shù)升級改造，提高企業(yè)的營利能力。本文以某鋁廠400kA電解系列異地搬遷項目為例，對異地搬遷電解槽結(jié)構(gòu)、電解槽母線系統(tǒng)的技術(shù)升級及電解槽運輸?shù)确矫孢M(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 技術(shù)升級前生產(chǎn)狀況

該電解系列設(shè)計電流為400kA，安裝電解槽234臺，于2009年通電啟動投產(chǎn)，目前系列電解槽運行存在以下問題：①原設(shè)計的電解槽集氣排煙形式為“U型”兩段下沉式單煙道結(jié)構(gòu)，該煙道結(jié)構(gòu)未設(shè)置卸灰口、集氣口配置較少，此種配置結(jié)構(gòu)存在堵料、電解槽集氣效果較差、換極等電解工藝操作困難等問題。②電解槽密閉系統(tǒng)密閉效果差，電解槽煙氣無組織排放量較大。③電解槽磁場設(shè)計存在缺陷，全槽沒有采用抑制水平電流技術(shù)，抗干擾能力較差，尤其在換極后電解槽需經(jīng)較長的時間才趨于穩(wěn)定。

2 技術(shù)改造措施

鑒于以上生產(chǎn)中存在的問題，對該400kA電解系列大修槽進(jìn)行技術(shù)升級改造，采用我院開發(fā)的上抬式電解槽雙煙道集氣系統(tǒng)和優(yōu)化的電解槽密封技術(shù)、母線配置進(jìn)行了優(yōu)化并選用了抑制水平電流技術(shù)、殘極冷卻技術(shù)等技術(shù)，以提高電解槽的集氣效率及磁流體穩(wěn)定性，降低電解槽能耗和減少環(huán)境污染。

2.1 集氣煙道優(yōu)化改造

原設(shè)計的電解槽集煙形式為“U”型兩段下沉式單煙道結(jié)構(gòu)，每段煙道長度較長，且在全長內(nèi)不僅未設(shè)置卸灰口，而且全長內(nèi)集氣孔截面較小、數(shù)量配置較少、同時整個煙道為下沉式，此種結(jié)構(gòu)煙道的缺點是：①煙道未設(shè)置卸灰孔，在實際生產(chǎn)中容易產(chǎn)生堵塞，降低了集氣效率。②每段煙道長度較長，且集氣孔的位置及大小配置不合理，煙道集氣效率較差。③煙道截面為“U”型且為下沉式，換極空間小，不利于生產(chǎn)操作。④煙道僅考慮閉槽時的集氣，設(shè)置為單煙管，當(dāng)進(jìn)行開槽換極等生產(chǎn)工藝操作時，易造成槽內(nèi)煙氣外溢。

圖1 400KA電解槽集煙管優(yōu)化后工況煙氣流量表

針對以上集煙系統(tǒng)存在的問題，對原結(jié)構(gòu)煙道進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化，具體優(yōu)化措施如下：①優(yōu)化后的煙道結(jié)構(gòu)為錐形上抬式煙道，同時還增加了卸灰孔并設(shè)置了吹灰管，大大提高了煙道集氣效率。此外，將原結(jié)構(gòu)煙道由下沉式結(jié)構(gòu)改為上抬式結(jié)構(gòu)。②為了減少開槽時的煙氣外泄，在原設(shè)計的單煙道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)了開槽副煙道，正常生產(chǎn)時，僅需要開啟主煙道就能滿足集氣要求，當(dāng)需要進(jìn)行換極等開槽生產(chǎn)工藝操作時，通過槽控系統(tǒng)打開增設(shè)的副煙道，提高抽煙量，抽風(fēng)量可由正常生產(chǎn)時的8760nm3/h提高到13140nm3/h，從而有效的減少了煙氣外泄。

通過以上優(yōu)化升級后，優(yōu)化后的煙道集氣孔進(jìn)風(fēng)量相對于原設(shè)計形式均勻性明顯提高（圖1），集氣效率大大提高，為原結(jié)構(gòu)的1.35倍。

2.2 電解槽密閉系統(tǒng)的優(yōu)化

為了滿足正常的生產(chǎn)需要，電解槽需要由多個活動部件組裝而成，活動部件之間存在一定的間隙，由于間隙的存在，會大大的降低槽內(nèi)的負(fù)壓，大大降低集氣效率，造成煙氣外泄和增加能耗，因此電解槽的密封技術(shù)也是電解生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。

該鋁廠原設(shè)計存在的電解槽主要密封問題如下：①陽極導(dǎo)桿與上部結(jié)構(gòu)的密封系統(tǒng)為固定式，在更換陽極時固定不動，陽極更換時會頻繁撞擊密封系統(tǒng)，造成密封系統(tǒng)損壞而失去密封效果。②槽罩為傳統(tǒng)現(xiàn)場制作框架式單層槽罩，該類槽罩現(xiàn)場制作誤差大，變形較大，安裝間隙大、保溫效果差。具體優(yōu)化措施如下：①陽極導(dǎo)桿與上部結(jié)構(gòu)的密封系統(tǒng)升級為鉸鏈活動式，此種結(jié)構(gòu)既可以延長密封裝置的使用壽命，又不會增加工人的勞動強度。②槽罩優(yōu)化為雙層沖壓式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)槽罩強度大，保溫性能好，制作誤差小，安裝間隙小，密封效果優(yōu)。

2.3 母線配置改造以及采用電解槽水平電流抑制技術(shù)

該400kA電解槽采用了大面6點進(jìn)電，48組陽極配置，內(nèi)補償非對稱母線設(shè)計，符合現(xiàn)在大型鋁電解槽的設(shè)計理念。

（1）母線配置改造。搬遷后，從節(jié)省投資的角度出發(fā)，在其原有母線配置基礎(chǔ)上，針對原生產(chǎn)中電解槽抗干擾能力較差的問題，采取的優(yōu)化措施為將兩棟電解廠房間距由48m擴大到55m，削弱相鄰廠房的影響，使其電磁場分布更趨合理。由改造前后磁場仿真云圖對比可知，改造后電解槽平均垂直磁場由6.2×10-4T降低到5.29×10-4T，電解槽磁場分布得到進(jìn)一步改善，抗干擾能力得到提高，為電解槽長期高效、低耗、穩(wěn)定運行創(chuàng)造了有力條件和可靠保證。

（2）選用抑制水平電流技術(shù)。鋁液中的水平電流和垂直磁場共同作用產(chǎn)生的電磁力是引起電解槽鋁液波動的主要原因，本項目垂直磁場的降低可以通過以上母線優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)，而水平電流的降低可以通過使用變截面鋼棒來實現(xiàn)。為此，本設(shè)計對未采用水平電流抑制技術(shù)和采用變截面鋼棒技術(shù)的電解槽水平電流進(jìn)行了模擬仿真計算。分析對比兩種不同鋼棒結(jié)構(gòu)下的水平電流分布可知，采取變截面鋼棒結(jié)構(gòu)，Y方向的水平電流顯著降低，其峰值為1150A/m2，均值為604A/m2，其整體分布曲線也變得更為平滑。未采用變截面鋼棒的結(jié)構(gòu)其水平電流峰值為1961A/m2，均值為1370A/m2。分析結(jié)果，無論峰值還是均值，變截面鋼棒技術(shù)都有很大優(yōu)勢

2.4 殘極冷卻收塵技術(shù)

電解生產(chǎn)過程中氟化物的排放，主要通過煙氣凈化系統(tǒng)有組織排放和電解車間無組織排放，目前國內(nèi)電解煙氣凈化系統(tǒng)氟的有組織排放可實現(xiàn)0.065kg/t-Al～0.13kg/t-Al，這一排放數(shù)值處于較低的排放水平且進(jìn)一步降低的幅度有限，為進(jìn)一步降低電解生產(chǎn)對環(huán)境的污染，需要采取更有力的措施對電解生產(chǎn)過程中的無組織排放進(jìn)行控制，而殘極煙氣在無組織排放中占較大比重，一般認(rèn)為殘極的無組織排放量為0.06kg/t-Al～0.1kg/t-Al，因此為了減少環(huán)境污染，本項目必須采取措施對殘極煙氣進(jìn)行收集及處理[1]。

為了減少無組織排放帶來的環(huán)境污染，本技術(shù)升級選用了殘極冷卻收塵技術(shù)，將電解生產(chǎn)中換下的殘極組放入陽極托盤并擺放在電解車間內(nèi)的移動式殘極冷卻箱內(nèi)，再通過排煙管道將冷卻箱內(nèi)的煙氣及氟收集接入電解煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行集中回收處理，最后將冷卻后的殘極組運送至陽極組裝車間進(jìn)行處理。

3 搬遷中存在的問題和處理方案

（1）槽殼搬遷存在的問題和處理方案.為了方便運輸和安裝，需要對原槽殼進(jìn)行現(xiàn)場切割和重新組焊，但由于槽殼使用時間較長，內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，切割和組焊時往往會存在局部母材或焊縫撕裂，因此為了在不更換槽殼的前提下保證電解槽的使用安全，需要對槽殼的局部進(jìn)行補強，如對于槽殼長側(cè)板母材撕裂的情況，在長側(cè)板外側(cè)增焊補強板；如圍板局部撕裂的情況，將圍板進(jìn)行等強補板焊接，必要時增加豎圍帶；搖籃架角部撕裂的需進(jìn)行局部補強。

（2）上部結(jié)構(gòu)搬遷存在的問題和處理方案。由于搬遷項目都需要長途運輸，而長途運輸對運輸物的外形尺寸有諸多限制，因此本項目為了在不破環(huán)電解槽上部結(jié)構(gòu)的前提下滿足其整體運輸?shù)男枰贫嗽敿?xì)的上部結(jié)構(gòu)搬遷方案，對運輸過程中的受力點進(jìn)行了合理分配，最終使得該400kA系列全部電解槽順利搬運到搬遷地并正常投入使用。

4 技術(shù)升級應(yīng)用效果

該鋁廠400kA電解系列進(jìn)行技術(shù)升級改造并順利啟動投產(chǎn)運行一年后，通過現(xiàn)場跟蹤情況反映，集氣煙道優(yōu)化后，煙道內(nèi)不存在積灰，開槽時不存在煙氣外泄，電解車間內(nèi)環(huán)境污染小，說明電解槽集氣效果改造明顯，達(dá)到了預(yù)期效果。同時，母線配置改造和水平電流抑制技術(shù)的采用也使得電解槽的穩(wěn)定性得以較大提高，電解槽換極作業(yè)對電解槽的干擾程度大幅減弱，電解槽穩(wěn)定性得到進(jìn)一步改善。

經(jīng)過對投產(chǎn)后一年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，技術(shù)升級改造的電解槽啟動后一年內(nèi)指標(biāo)為平均電壓3.94V，平均電流效率為92.2%，平均直流電耗為12737kWh/t-Al。其改造前電解槽平均電壓為3.98V，平均電流效率為90.5%，平均直流電耗為13108kWh/t-Al。電解槽噸鋁原鋁直流電耗降低了370kWh。同時25萬噸電解鋁產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至低電價地區(qū)后，前五年綜合（含稅）用電價格0.26元/度，較原高電價地區(qū)直購電價格0.45元/度降低0.19元/度（含稅），按年用電量34億度計算，僅用電成本節(jié)省6.46億元。經(jīng)過異地搬遷以及技術(shù)改造，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

通過對異地搬遷工程大型鋁電解槽的生產(chǎn)實踐分析，企業(yè)將電解鋁產(chǎn)能由高電價地區(qū)向低電價地區(qū)轉(zhuǎn)移，結(jié)合現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)，提出了有針對性的電解槽集氣系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、電解槽密閉技術(shù)、磁流體穩(wěn)定技術(shù)、電解槽搬遷技術(shù)等優(yōu)化技術(shù)，使得電解槽主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)得到較大優(yōu)化，為企業(yè)創(chuàng)造了直接經(jīng)濟效益。