改進電解槽集氣系統，實現“節能減排”目標

供稿|宋媛媛 / SONG Yuan-yuan

背景

環境保護是我國的基本國策。鋁電解行業屬于重污染行業，鋁電解槽在電解過程中會產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，將嚴重污染環境，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。隨著鋁工業的發展，當今環保意識和環保標準的不斷提高，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必須改進集氣排煙系統和凈化系統，減少污染排放量，提高環保質量，充分利用自然資源。

現狀分析

鋁電解生產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%。排放污染物有氣態和固態兩種物質。氣態物質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。固態物質的一部分是吸附氣態氟化物的氧化鋁、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蒸氣凝結而成的細顆粒物質[1](其中總氟含量高達45%)。表1為中鋁青海分公司180 kA電解槽生產1 t鋁過程中產生的污染物數量，從中看出經煙氣帶走氟為16.83 kg，這個數量是較大的。這些從鋁電解槽散發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，將嚴重污染環境，會對人的身體健康和動植物正常生長造成嚴重的影響和危害。2006年初，青海分公司經測算生產1 t鋁進入集氣凈化系統的全氟量為16.03 kg，經天窗排出的氟量為0.80 kg，集氣效率為95.24%，這與一些先進鋁電解企業的集氣效率還有一定差距。因此，采用較為先進的集氣、凈化回收系統對鋁電解生產排放物進行吸收、凈化、回收再利用，具有很大的社會效益和經濟效益。

表1 青海分公司180kA電解槽生產1 t鋁過程中產生的污染物數量 kg

新型電解槽集氣系統的研制開發

電解槽集氣排煙系統包括側部集氣槽罩、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，由凈化排煙裝置產生的負壓作用，可使粉塵、煙氣等飛揚物質通過煙道進入凈化系統得到凈化，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具有良好的絕緣性能。

意義和必要性

目前，預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，螺栓導電后在強電流下容易熔斷，最終導致槽罩擋板脫落，因此，其使用壽命較短(一般使用兩年后就必須對擋板進行更換)，而且損壞后也不易修復，如果更換不及時將導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，導致生產中無功能耗增加。

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入槽內，打開電解質殼面進行加料的矩型開孔，這些開孔使電解槽的集氣和保溫效率下降，物料損失加大，并且在電解槽強烈電磁場的作用下，打殼錘桿會與槽頂密封板經常碰撞接觸，這不但縮短殼錘桿的使用壽命，而且產生漏電現象，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，造成環境污染加劇和原材料、電能損失加大，這明顯與當前“環保和節能”的企業發展趨勢極不相符。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行改進，使其具有較好的密閉和絕緣性能，從而達到既能減少污染、凈化環境，又能節約原材料和電能的目的。

設計原理及實施方案

電解槽集氣排煙系統包括側部集氣槽罩、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，由凈化排煙裝置產生的負壓作用，可使粉塵、煙氣等飛揚物質通過煙道進入凈化系統得到凈化，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擋板“U”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行改進，選用一種絕緣性能優異、耐高溫、強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計

將與槽頂密封板搭接的那端鋁制擋板卸下，制做好一塊規格為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異，徹底杜絕了槽罩導電的現象，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) 密封絕緣三角板設計

將三角板上靠在立式門柱的一斷“U”形鋁板改換為規格為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計

拆下原有爐門板的“U”形鋁板，用4套螺栓將規格為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設計

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

技術先進性

◆ 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

改進后的絕緣槽罩在繼承了原鋁制槽罩的優點的同時，改善了原鋁制槽罩的一些缺點：

(1) 重量減輕，可操作性強。改進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，改進后的絕緣槽罩重量減輕了約1 kg，可操作性強，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度，同時基本消除了作業時由于擋板螺栓熔斷、擋板脫落而可能導致的安全隱患。

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

(3) 不易損壞，使用壽命長。改進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，達到了節省原材料的目的。

◆ 打殼密封絕緣裝置技術性能

(1) 密封性能優，可明顯提高電解槽的集氣保溫效率；

(2) 大大提高打殼系統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的使用壽命，而且可杜絕漏電現象；

(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向，使錘頭在同一點上打殼并有力，杜絕了由于打不開電解質殼面而發生的大堆料現象，減少了電解槽的突發陽極效應；

(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用效果

密封絕緣槽罩和打殼密封絕緣裝置設計原理簡單，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進行應用后已經取得了良好的效果，電解槽集氣系統的集氣效率明顯提高，現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象，槽內下料點處的大堆料現象基本杜絕，改善了工作環境，減輕了工人的勞動強度，減少了電解槽槽罩和打殼系統的維修率，降低了電能損耗，達到了企業當前“環保和節能”的發展要求。

集氣保溫效率明顯提高

由于該項目中的絕緣槽罩具有優異的絕緣性能，并且強度高、耐高溫，所以該槽罩不易損壞，這就保證了電解槽側部集氣罩的密封；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入槽內的開孔空間完全密封，這樣從電解槽產生的氣體和粉塵除了在打開槽罩進行日常操作時極少部分進入廠房外，其余全部在凈化系統強大負壓下被吸入排煙管道進行凈化、回收利用。電解槽集氣系統的集氣效率明顯提高。同時，由于電解槽密封效果好，槽內的熱量不易散發損失，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，集氣效率平均達到98.51%，集氣效率提高了3.27%，生產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后不但凈化了環境，而且減少了氟化物和氧化鋁粉塵的損失，達到了“環保和降本”雙贏的目的。

絕緣效果明顯提高

由于該項目中絕緣槽罩與槽頂密封板搭接的擋板選用絕緣性能優異的膠木板，其徹底杜絕了槽罩導電、擋板螺栓在強電流下發熱熔斷等現象，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象，提高了打殼系統的安全性和使用壽命。

絕緣槽罩重量減輕，操作方便。

改進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，改進后的絕緣槽罩重量減輕了約1 kg，可操作性有了進一步提高，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度，同時基本消除了作業時由于擋板螺栓熔斷、擋板脫落而可能導致的安全隱患。

項目實施所取得的經濟效益

本項目電解槽上部集氣及絕緣系統自2014年2月試用，并于4月份在第一、第二電解廠推廣應用后使用效果較好，并取得了很大的經濟效益和社會效益。

減少氟鹽損失，節約生產成本

從表3可看出，通過該項目絕緣槽罩、打殼密封絕緣裝置使用前后對直接排出廠房和進入集氣凈化系統的煙氣中氟含量的測定，可得到以下結論：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1 t鋁從廠房天窗排出的氟損失量降低了0.55kg，而進入電解槽集氣凈化系統的氟含量增加了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%、全年鋁產品產量按24.5萬t計，則每年可節約氟鹽為：

氟化鋁單價按5800元/噸計，則每年可節約生產成本

間接經濟效益

◆ 減小煙氣、粉塵對環境的污染程度

對180 kA電解槽上部集氣及絕緣系統改進后，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1 t鋁從廠房天窗排出的氟含量降低到了0.25 kg，遠遠低于國家規定的排放標準，從而達到了環保的目的。

◆ 減小了工人的勞動強度

絕緣槽罩性能優越，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度；打殼密封絕緣裝置的應用，較少了打殼系統的維修率，同時減少了大堆料和突發效應的發生，同樣可降低工人的勞動強度。

[1] 馮乃祥. 鋁電解. 北京： 化學工業出版社， 2006

[2] 田應甫. 大型預焙鋁電解槽生產實踐. 長沙： 中南工業大學出版社， 2003

[3] 邱竹賢. 預焙槽煉鋁. 北京： 冶金工業出版社， 2005