大容量電解槽電解車間廠房通風結構形式的探討

陳 穎

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 55008)

0 引 言

隨著國民經濟的高速發展，我國對鋁的需求量不斷增加，電解槽容量也向大容量發展，伴隨單臺電解槽的容量不斷增加，槽體尺寸也隨之加大，設備散發的熱量和污染物也隨之增加。從能量平衡角度供給電解槽的電能中大約有50%以熱能的形式散發到環境中，且大部分從側部散發到廠房，對室內工作環境造成很大影響。因此合理的設計鋁電解車間廠房，利用自然通風來降低車間內的溫度和污染物的濃度是該領域內的重要課題。

1 電解車間廠房作業環境

目前，鋁電解廠房多采用兩層樓結構，此種廠房結構能獲得良好的通風效果，由于電解槽熱熔區主要在2層樓下，即槽體的主要散熱區在2層樓下，為了有利于2層樓下槽體的散熱，通常在槽體周圍鋪設格子板來通風，從而降低電解槽的表面溫度。在廠房2層樓面上，廠房外空氣由廠房外側的樓下與樓上靠下部操作面處進入工作區降低工作區與電解槽本體外殼溫度，改善工作區環境與電解槽工況條件。

鋁電解廠房內不僅溫度較高，而且還存在大量的有害氣體(主要是氟化物)，為了降低廠房溫度及排除電解槽散發到廠房內的有害氣體，則需要加大通風。隨著鋁電解技術的不斷發展，如今電解廠房凈化系統的集氣效率可達到98.5%以上，因此排放到廠房的有害氣體可及時被收集處理，只有滿足環保要求的少部分有害氣體通過廠房自然通風排到室外。但是隨著電解槽容量的不斷增大，其排放到空氣中的熱量也隨之大大增加，特別在夏季熱量增加得尤為明顯，目前簡單的2層樓結構廠房形式已不能及時有效地帶走這些熱量，尤其是電解槽周圍的熱量。由于電解槽的槽間距離是有限的，因此通過電解槽之間的格子板散發的熱量也是有限的。為了維持電解槽的熱平衡，有利于電解槽規整爐膛的形成，延長槽壽命，就必須將槽體周圍的熱量及時帶走；同時，由于熱量不能及時有效地帶走，廠房內溫度會急劇升高，一些熱帶區域廠房的溫度在夏季甚至接近50℃，工人在如此高溫度下工作，人的反應速度、感覺敏感性及感覺運動協調功能會明顯下降，最終造成工人勞動效率降低，增加操作失誤率，導致傷害事故的發生，因此，我們設計者當務之急是根椐南北氣候環境特征，設計合理的電解廠房通風結構，改善廠房內的通風，使廠房操作面的溫度盡量適宜，盡可能地改善工人的作業環境。

2 鋁電解廠房通風形式及氣流分析模型

目前，電解廠房的通風形式各異，有自然通風、機械通風或者兩者的組合。國外鋁電解廠房氣流分析模型主要有3種：機械進風加自然排風方式、自然進風加機械排風方式、自然進風加自然排風方式。為了減少初期投資和運行費用，我國鋁電解廠房自建設以來一直采用自然進風加自然排風方式，即通常所說的自然通風方式。

由于工業熱廠房內氣流分布比較復雜，為了獲得更好的自然通風結構，需要對氣流進行模擬分析。目前，應用比較廣的氣流分析模型主要有無溫度分層模型和有溫度分層模型。

無溫度分層模型是在熱源的上部形成熱羽流，熱羽流在上升的同時不斷卷吸周圍的空氣，與之混合而使溫度有所降低；在屋頂處，一部分熱羽流由天窗排除，另一部分則沿外墻向下回流，返回工作區或在工作區上部重新卷入熱羽流；返回工作區的那部分循環氣流與進入的室外氣流混合，工作區溫度就是這兩股氣流的混合溫度；有溫度分層模型是熱源上部產生的熱氣流在浮力的作用下上升，并不斷卷吸周圍的空氣。在卷吸作用、后續新風的推動作用、排風口的抽吸作用下，地板上方的新鮮空氣緩慢上移，于是工作區的混濁空氣為后續的新風所置換，形成熱分層，上部為溫度較高的污濁空氣區域，下部為溫度較低的清潔空氣區域。

綜上，2種氣流分型模型在國際上都有應用，而在國內電解一直都以無溫度分層模型為基礎研究工業廠房的通風。

3 大容量鋁電解槽電解廠房通風的研究

3.1 影響廠房自然通風的因素

鋁電解廠房自然通風受到許多因素的影響，比較重要的因素如下：

1)廠房的尺寸，如廠房高度、廠房寬度、操作面高度、屋頂坡度等；

2)進風口的面積、位置；

3)進風窗尺寸、進風窗阻力系數；

4)排風口的尺寸、位置；

5)通風器形式及阻力系數；

6)鋁電解工藝，電解槽散熱量、槽控箱位置、氣控箱位置等；

7)槽問格柵的位置、尺寸、形狀；

8)室外氣象條件；

9)廠房位置。

3.2 廠房通風研究與計算

我們根椐影響廠房然通風的各因素，用Solidworks建模進行仿真計算與分析使我們的認識進一步提高。以前我們憑經驗設計時均為尋找一切措施來提高全面進風量，認為通風量愈大降溫效果愈好。但隨著我們仿真計算分析，發現在保證足夠通風量的同時，還要合理組織通風氣流形式，比如合理協調進排氣口面積。若只單純地增大通風量而不合理組織氣流，就可能發生氣流短路現象，即由進氣口進入廠房內的新鮮空氣，在未經過工作區之前就已被加熱而上升至排氣口排到室外。因此，提高自然通風效果的途徑之一就是盡量避免或盡量減少氣流短路。通風設計的目的就是獲得較多的通風量及合理分配這些風量，而最重要的目標是獲得最小的工作區溫升以及較多的電解槽周圍風量。

4 典型結構的自然通風電解車間廠房結構的計算與分析

4.1 傳統自然通風電解車間廠房結構

傳統自然通風廠房結構為2層樓結構，2層樓下采用敞開形式或窗戶形式，2層操作面上出鋁端、煙道端均采用普通窗戶形式或小百葉形式通風，沒有對氣體的排放進行有力且有組織引導。此種廠房結構用在300 kA級以下中小容量電解槽上，由于電解槽容量小，熱容量相對較小，操作環境溫度對工人身體的影響不太明顯，但隨著鋁工業的不斷發展，300 kA級以上的大容量電解槽隨著出現，若仍然將這種建筑形式沿用于300 kA級以上的大容量電解槽時，由于此容量電解槽生產中產生的熱量比300 kA級以下的中小容量電解槽大許多，在廠房跨度加大不多，操作面標高加高不多時，車間內的操作環境相對于300 kA級以下的中小容量電解槽的車間相差很多，某些大容量鋁電解槽槽殼側壁溫度高達300度以上，特別是兩個電解槽之間的操作空間電解槽的輻射熱溫度很高，在夏季高溫輻射更加嚴重。除此以外，此種結構的電解廠房由于通風較差，車間內的有害氣體不能被及時有效的排出，對工人身體帶來不可逆的傷害。因此，此種電解廠房通風結構在如今的鋁電解發展中逐漸被淘汰，這是因為此種結構的電解廠房未對自然風進行合理有效的引導，未使新鮮空氣更有組織地流經電解槽操作區域，最終導致車間內的多余的熱量及槽內外溢的有害氣體未能有效的被帶走，因此此種結構的廠房內部工作環境較差，在熱帶地區夏季甚至會導致廠房內工人中暑，見圖1。

圖1 傳統自然通風電解車間廠房結構

4.2 氣體有組織排放的自然通風電解車間廠房結構

為了及時有效地將無序排放的氣體引導為有序排放的氣體，氣體有組織排放的自然通風電解車間廠房結構也隨之衍生。此種結構的電解車間廠房可以將廠房內的無序氣體進行有組織排放，特別適用于氣溫較高的地區(后面簡稱熱帶區域)，在熱帶區域設計鋁電解廠房自然通風結構時，應充分考慮熱帶區域風速低，氣溫高的特點。針對這一特點，熱帶區域電解廠房結構應采用出鋁端外設大百葉導流板內設窗戶的結構(出鋁端為主要操作區)、煙道端設置小百葉的設計(由于煙道端鋪設管道及安裝設備較多，空間較小，設置大百葉與窗戶較困難，且煙道端距電解槽較近，為了防止雨水飄入電解廠房引起電解槽爆炸，因此煙道端設置小百葉)，側部導流板能對自然風進行合理有效的引導，可使新鮮空氣更有組織地流經電解槽操作區域，及時有效地帶走多余的熱量及槽內外溢的有害氣體，同時，可通過調節側部導流板內的窗戶來消除季節氣候對電解槽熱平衡的影響。安裝300 kA以上的大容量電解槽時，電解廠房操作面以下(即2層樓下)應保證3.5 m的操作面標高，有利于確保廠房進風量，保證在夏季電解槽本體的通風，在南方二層樓以下可不設窗戶，即二層樓以下為敞開式結構，但在北方地區二層樓以下必需設窗戶，保證在冬季時關閉，有利于電解槽保溫，見圖2。

圖2 氣體有組織排放的自然通風電解車間廠房結構

從仿真計算與模似圖3中可以看到，在導流板的引導下，電解槽周圍的熱氣流在浮升力及廠房頂部通風器負壓作用下有序地向廠房頂部流動，在上升過程中，熱氣流不斷吸卷周圍空氣，帶動周圍空氣向廠房頂部流動，由此在電解廠房內部形成壓差，從而不斷抽吸室外新鮮空氣進入廠房內。

圖3 氣體有組織排放的電解車間廠房內氣流 流動速度矢量圖

從仿真計算圖4中可以看出，采用此種廠房結構，在廠房內部，電解槽附近環境溫度高，最高溫度達到約326 K(53℃)左右，而在靠近出鋁端及煙道端側，廠房內環境溫度相對較低，溫度保持在311 K(38℃)左右，比電解槽附近最高溫度低了15℃左右，且38℃左右的環境溫度幾乎和廠房外環境溫度相當，說明此處通風良好，而此處是電解廠房內工人的主要工作區域，因此，大大提高了電解工人的操作環境。

圖4 某熱帶區域選用氣體有組織排放的電解車間廠房 結構時(當地最高氣溫38℃左右)廠房內2層樓板 1.7 m上從出鋁端到煙道端溫度分布曲線

5 結 語

該文針對鋁電解車間廠房的特殊結構，結合建筑及生產工藝的特點，進行了廠房通風結構的深入分析和比較，認為電解車間的廠房通風結構應針對當地氣候進行量身定做，尤其是在氣溫較高的地區(即熱帶電解車間廠房)，應對氣流進行較好的組織，最終得出結論：

1)安裝300 kA以上大容量電解槽的電解廠房，在我國南方地區(即夏季氣溫較高的地區)，操作面以上出鋁端設大百葉作為操作面的進風，操作面以上煙道端設置小百葉作為進風，氣體經屋頂通風器有組織排放的廠房結構，從而滿足在保證經濟性的同時也能實現合理通風的要求，同時也可兼顧保證冬季操作面的溫度。

2)安裝300 kA以上大容量電解槽的電解廠房，在我國北方地區，選用出鋁端設窗戶進行操作面的進風，煙道端設置小百葉進行操作面的進風，氣體經屋頂通風器有組織排放的廠房結構，從而滿足在保證經濟性的同時也能實現合理通風的要求，在冬季關閉出鋁端窗戶，以保證冬季操作面的溫度。

3)安裝300 kA以上的大容量電解槽，操作面以下(即2層樓下)，應保證3.5 m的操作面標高，從而確保廠房進風量，保證在夏季電解槽本體的通風，在南方2層樓以下可不設窗戶，但在北方地區2層樓以下必需設窗戶，保證在冬季時關閉，有利于電解槽保溫。