李 剛，謝青松，何 飛，王懷江，冷龍洋，彭高紅，秦勝?gòu)V，王富強(qiáng)

（1.遵義鋁業(yè)股份有限公司，貴州 遵義 563100；2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

電解槽傳統(tǒng)煙道往往存在集氣均勻性較差、積灰不易清理的缺陷，導(dǎo)致電解槽密閉效率偏低，易出現(xiàn)出鋁端冒煙的現(xiàn)象［1－2］，且覆蓋料上部散熱不均勻，進(jìn)而影響電解槽熱平衡分布的均勻性，導(dǎo)致諸如煙道端槽溫偏低、沉淀多、爐幫厚、伸腿長(zhǎng)等問(wèn)題，甚至影響煙道端換角極。解決的辦法在于借助數(shù)值模擬技術(shù)改造煙道，提高槽膛內(nèi)的集氣均勻性和熱平衡分布均勻性，實(shí)現(xiàn)煙道積灰自動(dòng)清理，改善出鋁端與煙道端槽溫、沉淀、爐幫內(nèi)形差異大的問(wèn)題［3］。

遵義鋁業(yè)從2020年9月起開(kāi)始集中力量改造350kA系列二車間的電解槽煙道，經(jīng)過(guò)半年的努力，取得了良好效果。

1 原設(shè)計(jì)煙道存在的問(wèn)題

煙道改造前，二車間內(nèi)環(huán)境質(zhì)量較差，目測(cè)槽上部冒煙情況嚴(yán)重，顯見(jiàn)電解槽密閉效率偏低。選取二車間四工區(qū)的2419＃、2420＃、2425＃共3臺(tái)槽，在槽罩板上居中開(kāi)洞（共6點(diǎn)，與立柱母線位置對(duì)應(yīng)），用風(fēng)速儀測(cè)量進(jìn)風(fēng)速度變化，以此評(píng)估槽膛內(nèi)集氣的均勻性，詳見(jiàn)圖1。由圖1可知，三臺(tái)測(cè)試槽的槽膛內(nèi)集氣均勻性偏差較大（－52%～30%），尤其在第5根立柱位置，槽膛內(nèi)的負(fù)壓最小，極易出現(xiàn)集氣不力而產(chǎn)生冒煙現(xiàn)象。若要提升電解槽密閉效率，就必須對(duì)原設(shè)計(jì)煙道進(jìn)行改造。

圖1 煙道改造前的槽膛內(nèi)集氣分布均勻性實(shí)測(cè)值

2 煙道優(yōu)化方案

經(jīng)過(guò)沈陽(yáng)院專家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，在充分掌握現(xiàn)場(chǎng)情況和查閱原設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，建立了350 kA電解槽上部熱平衡模型，模擬槽上部溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的變化規(guī)律，以此制定煙道優(yōu)化方案。槽上部熱平衡的物理模型如圖2所示，槽膛內(nèi)的煙氣流場(chǎng)如圖3所示，溫度場(chǎng)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(nèi)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(guò)導(dǎo)桿密封和槽罩板間縫（包括出鋁端、煙道端和大面24個(gè)）處進(jìn)入槽膛，因此，導(dǎo)桿密封和槽罩板間縫均設(shè)為interior邊界。陽(yáng)極覆蓋料表面根據(jù)測(cè)試值設(shè)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(cè)試值5 600 Nm3／h保持一致。

有研究表明，槽罩板間縫處的進(jìn)風(fēng)量約占電解槽總排煙量的90%，導(dǎo)桿密封處進(jìn)風(fēng)量?jī)H占9%［4］。因此，提升電解槽密閉效率的關(guān)鍵在于調(diào)控槽罩板間縫處的集氣量均勻性。煙道優(yōu)化前后大面槽罩板間縫處的進(jìn)風(fēng)量（空氣質(zhì)量流量）分布偏差對(duì)比如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后的電解槽集氣量均勻性對(duì)比

由上圖可知，當(dāng)排煙量為5 600 Nm3／h時(shí)，原設(shè)計(jì)電解槽的排煙溫度為149℃，煙道的集氣偏差介于±11%之間，呈現(xiàn)出煙道端進(jìn)風(fēng)少而出鋁端進(jìn)風(fēng)多的整體趨勢(shì)，且煙道阻力略偏大（模擬值190 Pa）。其主要原因在于，原設(shè)計(jì)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(lái)調(diào)整槽膛內(nèi)的風(fēng)壓平衡比較困難。而且在實(shí)際生產(chǎn)中，煙道積灰嚴(yán)重堵塞煙氣流通，尤其在出鋁端至第4個(gè)下料點(diǎn)之間最為嚴(yán)重，導(dǎo)致集氣分布狀況發(fā)生逆轉(zhuǎn)，出鋁端進(jìn)風(fēng)量大幅降低，同等集氣量下煙道阻力必然大幅升高。

優(yōu)化后的電解槽煙道阻力模擬值為146 Pa，比原設(shè)計(jì)降低約23%；進(jìn)風(fēng)量偏差為－6%～5%，集氣均勻性較原設(shè)計(jì)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(shí)際效果

根據(jù)槽上部熱平衡模型的計(jì)算結(jié)果制定煙道優(yōu)化方案，在盡量沿用原設(shè)計(jì)煙道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，調(diào)整了部分集氣孔的直徑，并布置了合理數(shù)量的漏料口。

遵義鋁業(yè)根據(jù)電解槽煙道優(yōu)化方案，制定完整的操作流程，辨識(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)，做好各種預(yù)防措施和保障工作，并嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，確定專人負(fù)責(zé)驗(yàn)收工作。截至2021年1月底，已完成四工區(qū)所有在產(chǎn)槽的煙道改造工作。在產(chǎn)槽煙道的現(xiàn)場(chǎng)施工如圖6所示。

圖6 在產(chǎn)電解槽煙道改造的現(xiàn)場(chǎng)施工圖

煙道改造完成后，在四工區(qū)選取2419?！?427＃共9臺(tái)槽進(jìn)行槽膛內(nèi)集氣均勻性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以驗(yàn)證煙道改造后的實(shí)際效果。煙道改造后的槽膛內(nèi)集氣分布均勻性測(cè)量結(jié)果如圖7所示，煙道改造對(duì)電解車間環(huán)境狀況的影響如圖8所示。

圖7 煙道改造后的槽膛內(nèi)集氣分布平均偏差實(shí)測(cè)值

圖8 煙道改造對(duì)電解車間環(huán)境狀況的影響

由上圖可知，實(shí)測(cè)2419?！?427＃電解槽的槽膛內(nèi)集氣平均偏差介于±10%以內(nèi)；其中2419＃、2420＃和2425＃槽的槽膛內(nèi)集氣平均偏差介于－6.9%～5.3%之間，集氣均勻性比煙道優(yōu)化前（－52%～30%）有較明顯改善。經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的觀察，改造后煙道內(nèi)無(wú)明顯積灰，再也不需要頻繁清灰作業(yè)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了壓縮空氣用量，減少了氧化鋁飛揚(yáng)損失。

與其他未實(shí)施煙道改造的工區(qū)（同一時(shí)刻）相比，四工區(qū)電解槽上部幾無(wú)冒煙情況，車間內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量狀況明顯占優(yōu)，可證明煙道改造后槽膛內(nèi)的風(fēng)壓分布均勻，實(shí)現(xiàn)了電解槽均勻集氣和均勻散熱，煙道可以自動(dòng)清灰，煙道優(yōu)化達(dá)到了既定目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

遵義鋁業(yè)開(kāi)展的350 kA電解槽煙道改造，實(shí)現(xiàn)了煙道內(nèi)無(wú)明顯積灰，基本不用再進(jìn)行每月的煙道清灰工作，減少了壓縮空氣消耗，電解車間環(huán)境質(zhì)量明顯改善。實(shí)測(cè)槽膛內(nèi)的集氣均勻性從－52%～30%優(yōu)化到±10%以內(nèi)，顯著提升了電解槽密閉效率，有效保證了電解槽內(nèi)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(shí)現(xiàn)電解槽保溫，降低凈化系統(tǒng)處理風(fēng)量和電耗，減少電解車間無(wú)組織排放和降低氟化鹽單耗，為電解系列節(jié)能減排提供可靠的技術(shù)保障。