350 kA電解槽煙道改造實踐

李 剛，謝青松，何 飛，王懷江，冷龍洋，彭高紅，秦勝廣，王富強

（1.遵義鋁業股份有限公司，貴州 遵義 563100；2.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

電解槽傳統煙道往往存在集氣均勻性較差、積灰不易清理的缺陷，導致電解槽密閉效率偏低，易出現出鋁端冒煙的現象［1－2］，且覆蓋料上部散熱不均勻，進而影響電解槽熱平衡分布的均勻性，導致諸如煙道端槽溫偏低、沉淀多、爐幫厚、伸腿長等問題，甚至影響煙道端換角極。解決的辦法在于借助數值模擬技術改造煙道，提高槽膛內的集氣均勻性和熱平衡分布均勻性，實現煙道積灰自動清理，改善出鋁端與煙道端槽溫、沉淀、爐幫內形差異大的問題［3］。

遵義鋁業從2020年9月起開始集中力量改造350kA系列二車間的電解槽煙道，經過半年的努力，取得了良好效果。

1 原設計煙道存在的問題

煙道改造前，二車間內環境質量較差，目測槽上部冒煙情況嚴重，顯見電解槽密閉效率偏低。選取二車間四工區的2419＃、2420＃、2425＃共3臺槽，在槽罩板上居中開洞（共6點，與立柱母線位置對應），用風速儀測量進風速度變化，以此評估槽膛內集氣的均勻性，詳見圖1。由圖1可知，三臺測試槽的槽膛內集氣均勻性偏差較大（－52%～30%），尤其在第5根立柱位置，槽膛內的負壓最小，極易出現集氣不力而產生冒煙現象。若要提升電解槽密閉效率，就必須對原設計煙道進行改造。

圖1 煙道改造前的槽膛內集氣分布均勻性實測值

2 煙道優化方案

經過沈陽院專家現場調研，在充分掌握現場情況和查閱原設計圖紙的基礎上，建立了350 kA電解槽上部熱平衡模型，模擬槽上部溫度場及流場的變化規律，以此制定煙道優化方案。槽上部熱平衡的物理模型如圖2所示，槽膛內的煙氣流場如圖3所示，溫度場分布如圖4所示。

圖2 電解槽上部熱平衡半槽物理模型

圖3 槽膛內的煙氣流速分布圖

圖4 槽上部溫度分布圖

槽周的冷空氣主要通過導桿密封和槽罩板間縫（包括出鋁端、煙道端和大面24個）處進入槽膛，因此，導桿密封和槽罩板間縫均設為interior邊界。陽極覆蓋料表面根據測試值設定熱流密度邊界，火眼溫度為電解溫度940℃，煙管的排煙流量與測試值5 600 Nm3／h保持一致。

有研究表明，槽罩板間縫處的進風量約占電解槽總排煙量的90%，導桿密封處進風量僅占9%［4］。因此，提升電解槽密閉效率的關鍵在于調控槽罩板間縫處的集氣量均勻性。煙道優化前后大面槽罩板間縫處的進風量（空氣質量流量）分布偏差對比如圖5所示。

圖5 優化前后的電解槽集氣量均勻性對比

由上圖可知，當排煙量為5 600 Nm3／h時，原設計電解槽的排煙溫度為149℃，煙道的集氣偏差介于±11%之間，呈現出煙道端進風少而出鋁端進風多的整體趨勢，且煙道阻力略偏大（模擬值190 Pa）。其主要原因在于，原設計中的煙道兩端集氣孔直徑相差較大，單靠煙道端的小直徑（Ф35 mm）集氣孔來調整槽膛內的風壓平衡比較困難。而且在實際生產中，煙道積灰嚴重堵塞煙氣流通，尤其在出鋁端至第4個下料點之間最為嚴重，導致集氣分布狀況發生逆轉，出鋁端進風量大幅降低，同等集氣量下煙道阻力必然大幅升高。

優化后的電解槽煙道阻力模擬值為146 Pa，比原設計降低約23%；進風量偏差為－6%～5%，集氣均勻性較原設計有較明顯改善，電解槽密閉效率顯著提高。

3 煙道改造后的實際效果

根據槽上部熱平衡模型的計算結果制定煙道優化方案，在盡量沿用原設計煙道結構的基礎上，調整了部分集氣孔的直徑，并布置了合理數量的漏料口。

遵義鋁業根據電解槽煙道優化方案，制定完整的操作流程，辨識安全風險，做好各種預防措施和保障工作，并嚴格把控施工質量，確定專人負責驗收工作。截至2021年1月底，已完成四工區所有在產槽的煙道改造工作。在產槽煙道的現場施工如圖6所示。

圖6 在產電解槽煙道改造的現場施工圖

煙道改造完成后，在四工區選取2419?！?427＃共9臺槽進行槽膛內集氣均勻性現場測試，以驗證煙道改造后的實際效果。煙道改造后的槽膛內集氣分布均勻性測量結果如圖7所示，煙道改造對電解車間環境狀況的影響如圖8所示。

圖7 煙道改造后的槽膛內集氣分布平均偏差實測值

圖8 煙道改造對電解車間環境狀況的影響

由上圖可知，實測2419?！?427＃電解槽的槽膛內集氣平均偏差介于±10%以內；其中2419＃、2420＃和2425＃槽的槽膛內集氣平均偏差介于－6.9%～5.3%之間，集氣均勻性比煙道優化前（－52%～30%）有較明顯改善。經過兩個月的觀察，改造后煙道內無明顯積灰，再也不需要頻繁清灰作業，降低了工人勞動強度，節約了壓縮空氣用量，減少了氧化鋁飛揚損失。

與其他未實施煙道改造的工區（同一時刻）相比，四工區電解槽上部幾無冒煙情況，車間內的環境質量狀況明顯占優，可證明煙道改造后槽膛內的風壓分布均勻，實現了電解槽均勻集氣和均勻散熱，煙道可以自動清灰，煙道優化達到了既定目標。

4 結語

遵義鋁業開展的350 kA電解槽煙道改造，實現了煙道內無明顯積灰，基本不用再進行每月的煙道清灰工作，減少了壓縮空氣消耗，電解車間環境質量明顯改善。實測槽膛內的集氣均勻性從－52%～30%優化到±10%以內，顯著提升了電解槽密閉效率，有效保證了電解槽內的集氣均勻性和熱平衡分布均勻性，有利于減小電解槽排煙量實現電解槽保溫，降低凈化系統處理風量和電耗，減少電解車間無組織排放和降低氟化鹽單耗，為電解系列節能減排提供可靠的技術保障。