电解铝烟气净化系统节电技术分析

电解铝烟气净化系统节电技术分析

陈晓东

包头铝业股份有限公司电解四厂  内蒙古包头市

  摘要：铝工业不仅是国民经济发展的重要基础产业，也是高能耗、高污染的产业。进入21世纪以来，我国电解铝工业得到了迅速的发展，电解铝就是通过电解工艺得到的铝，利用这一工艺有效地解决了我国对铝的需求，电解铝的生产也开始朝着大规模化、大沟化的方向发展。随着电解铝工艺的增多，电解铝的产量和烟雾的形成也在增加，与此同时，电解铝工业的发展所带来的环境污染问题也越来越严重。在铝电解生产过程中，各种氟化盐在高温下与水发生水解反应，产生有害的氟化氢气体，这些氟化氢气体是电解铝生产过程中的特征污染物，造成严重的空气污染。目前，国内外都采用干式净化技术来处理电解槽排放的含氟废气。

  关键词：电解铝;废气净化;节电技术;分析

  前言

  新时代人们的环保意识有了很大的提高，我国有色金属行业也在积极响应国家号召，通过技术改进实现转型发展，同时带来了巨大的经济效益，减少了污染物的排放。电解铝行业能耗大，生产过程中环境污染问题严重，特别是电解烟气余热处理问题严重，因此对电解铝行业节能减排研究具有深远的意义。

  1.电解铝的原理分析

  1.1分析电解铝的原材料

  电解铝生产的原材料主要包括以下几种：（1）原料，既有氧化铝，其熔点和沸点均不在2050、3000℃，具有优良的流动性，溶于晶体熔体，不溶于水;（2）熔剂，即氧化物盐，主要包括氟化铝、氟化镁、氟化钠、氟化钙、水晶石等。（3）阳极材料，即预焙炭块。

  1.2电解铝的生产原理分析

  目前，电解铝的生产实践仍是应用冰晶石-氧化铝熔盐电解铝法，使用的生产设备主要是铝电解槽，电解槽应处于温度偏高，电流、磁场、腐蚀性都较强的生产环境中，在电解槽中，溶剂是熔融状态的冰晶石，溶质是氧化铝，阴极和阳极是碳素材料。电解槽通上直流电后，通过温度调控在合理的范围内，在此过程中，电解槽内发生电化学反应，阴极形成铝液，阳极形成二氧化碳、一氧化碳等污染气体，最后经过一系列处理铸造得到铝锭。在此期间，接通直流电，一方面借助直流电的热能将水晶石转化为熔融状态，同时在恒定的电解电流下进行;另一方面是促进电化学反应的发生。

  1.3电解槽结构分析

  电解铝生产中的电解槽主要由阳极炭块组、炭阴极、侧壁、槽壳和导电母线组成。一是阳极炭块组，包括阳极炭块、钢爪、铝导杆等部件，其中铝导杆最为重要，它能起到有效固定阳极母线的作用。在电解槽中，阳极电流密度与电流负相关。为了在电解槽中生产更多的铝，需要以相对低的功耗进行生产。第二种是碳阴极。在电解铝生产实践中，阴极是一种容器，主要由阴极导电棒、碳线、边缘碳块和底部碳块组成，主要用于盛装熔融状态的电解液。应注意的是，耐火材料应放置在底部碳块下方。此外，碳阴极也可用于电流传导。第三，侧墙。作为阳极槽的重要组成部分，侧壁由与碳块相同的材料制成。在生产实践中，侧墙应具有可靠的隔热和导热性能，以发挥保护层的作用。四是坦克外壳和导电母线。在电解铝生产实践中，电解槽的壳体与导电母线串联。在接通直流电之后，电流从导电总线传输到壳体。

  2.铝电解烟气净化工艺

  湿法净化回收和干法净化回收是铝电解烟气净化的两种主要方法。经过多年的发展和应用，我们发现干法净化容易控制，工艺简单，环境好，操作方便，而且干法净化回收过程中产生的二次污染小，净化效果好，湿法净化回收系统已逐渐不能满足环保要求，趋于淘汰。目前，大多数湿法净化工艺已被干法净化工艺所取代。干法净化是通过吸附具有固体物质吸附性能的另一种气体物质完成的烟气净化过程。具有吸附作用的物质称为吸附剂，被吸附的物质称为被吸附物。铝电解烟气干法净化是利用铝电解生产中使用的Al2O3作为吸附剂，吸附烟气中的HF等大气污染物，生成载氟氧化铝返回电解槽生产使用，实现铝电解烟气中氟化物等污染物的回收再利用降低铝电解生产过程中氟盐的消耗。少量烟气通过集气罩差距进入电解车间。这些气体被进入窗户的大量空气稀释，并在热空气的作用下上升到天窗，通过天窗排放到大气中。这部分没有进入干式净化集气系统的烟气，就是我们所说的无组织排放气体。从铝电解烟气净化工艺的角度来看，一次气体收集效率是铝电解烟气中污染物净化回收的基础。气体收集效率越高，无组织排放的污染物越少。气体收集效率对整个净化系统的综合净化效率起着决定性的作用。

  3.电解铝废气净化系统节能技术分析

  3.电解槽上部排烟结构的分析与改造

  国内现有的电解系列，特别是400kA以下的小槽型，多采用“V”型集烟方式，集烟装置的圆形排烟口采用均匀分布方式，通过排烟孔直径的变化来调节电解槽的各个区域。在实际使用中，这种形式上部结构集气效果不理想，电解槽排烟口的近端能满足集气要求，近端槽罩板漏风及过量排烟造成远端基本不能形成负压，远端排烟效果差。为了保证电解槽远端的排烟效果，生产中不得不加大净化系统的排烟量，导致净化系统单槽排烟量的实际运行值普遍大于设计值，排烟过多造成电解槽热损失增加。通过改造上部烟气收集结构，将“V”型烟气收集方式改为高位烟气收集方式，或通过现场测量和模拟计算，重新计算确定排烟孔的分布方式和开口直径，在保证有效烟气收集的前提下，减少单个槽的排烟量。改进后的高位烟道集烟形式应遵循以下原则：（1）首先将排烟口设置在烟气排放的起始位置，即排烟口与烟气排放口之间的距离小于烟气排放口与烟气排放口之间的距离。在打壳下料火眼位置的上方，保证打壳下料过程中烟气排放最大时80%以上直接收集，而不是烟气排放到电解槽上槽盖后收集;（2）实现电解槽单槽排烟量的均衡分配，即保证电解槽排烟口近端和远端排烟量的均衡。

  3.2提高曹罩密密封率

  铝电解槽的烟气集烟效率是在密封效率和电解槽排烟量的基础上保证的，如果密封效果高，达到相同集烟效率时所需的烟量就少，如果电解槽的密封效率相对较低，则需要较大的烟量才能达到相同集烟效率，此时电解槽的散热，净化系统的能耗就会增加。为了达到更高的集水效率，降低能源消耗，电解槽的密封效率必须提高。电解槽的密封效率主要是盖板密封和上部结构密封，铝电解槽的上部结构是固定的，改造空间不大，提高油箱盖的密封率是比较可行的方法。电解槽可更换新型节能型槽罩，该槽罩具有密闭效果好、开闭方便、发热量少的特点，最大限度地避免槽内烟气的无组织排放。槽盖板良好的密封性是电解槽在保证集气效率的前提下减少排烟量的最有效手段，单台大型电解槽槽盖板数量多，阳极更换频繁打开，引起槽盖板热变形及机械损伤，槽盖板之间的间隙越来越不规则。漏风量随着使用寿命的增加而逐渐增大。

  3.3利用排气管网自平衡阀控制罐间烟度平衡

  铝电解烟气净化系统排烟管网的排烟分支管，由于电解槽数量较多，一般存在近端排烟效果好，远端排烟效果差的情况，造成近端电解槽“排烟过量”，远端“排烟不足”。原因是：现有电解槽间废气的平衡是通过气动或电动单板蝶阀的开度来调节的，各电解槽排气管蝶阀的开度是在设计过程中通过计算管网阻力得到的，计算出的阀板开度角一般精确到0.1°。上述情况导致电解槽实际排烟“失控”，槽间排烟偏差率达30%以上。电解槽排烟管网自平衡排烟技术是指在电解槽使用固定通量的孔板阀替代现有的蝶阀，通过精确的仿真计算，每台电解槽设计出不同直径的孔板来调节电解槽排烟，不需调节阀门开度即可实现排烟管网自平衡。

  结束语

  在目前的发展阶段，铝电解烟气净化系统已经得到了经济高效的应用，可以有效地控制烟气的排放，减少烟气中的有害物质，达到理想的净化速度。在铝电解烟气净化系统研究过程中，首先要明确系统控制的原理和目标，选择科学合理的设备，加强电解操作员的专业能力，积极响应国家标准排放、节能减排的号召。应为电解铝厂烟气净化系统的新建设和改造提供更好的技术路线。

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