陳麗新

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

根據國家相關部委近幾年出臺的“雙控”、“階梯電價”及“雙碳”政策要求,電解鋁企業(yè)面臨巨大的降電耗壓力。按照國家發(fā)改委、工信部等五部委于2021年10月18日發(fā)布的《關于嚴格能效約束推動重點領域節(jié)能降碳的若干意見》中關于《冶金、建材重點行業(yè)嚴格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案(2021-2025年)》的要求,電解鋁行業(yè)在2025年綜合電耗(鋁液交流電耗)基準水平:13,350 kWh/t-Al,標桿水平:13,000 kWh/t-Al。而當前國內的電解鋁企業(yè)的噸鋁平均電耗在13,518 kWh左右[1],距離目標電耗差距較大。一旦在規(guī)定期限內未完成既定噸鋁綜合電耗目標,企業(yè)將面臨高額的電費支出,甚至影響企業(yè)的生存。

電解鋁企業(yè)基于當前的困境,在關乎電解生產的各個工段環(huán)節(jié)都在挖掘節(jié)電技術,而電解煙氣凈化是和工藝生產結合最緊密的工序之一,也是除工藝生產外的一個用電大戶。國內電解鋁企業(yè)直接消耗在煙氣凈化工段的噸鋁電耗在100～180 kWh(不含脫硫系統(tǒng)),企業(yè)之間能耗差異大,節(jié)能空間也較大。

1 煙氣凈化系統(tǒng)的熱耗散

目前國內電解鋁企業(yè)的槽型從200至600 kA規(guī)格不等,采用不同電解槽型噸鋁基準排煙量略有差異,關于噸鋁基準排煙量《排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范有色金屬工業(yè)-鋁冶煉》(HJ863.2-2017)[2]、工程設計值和實際使用值都存在差異,一般來說投產10年以上的煙氣凈化系統(tǒng)設計排煙量都比較大(備用系數取值大),近5年設計的新凈化系統(tǒng)排煙量較小(備用系數取值小),表1為鋁電解不同槽型噸鋁基準排煙量的平均取值。

表1 新建電解鋁企業(yè)不同槽型排煙基準值m3/t-Al

凈化系統(tǒng)配置的用電設備直接電耗是電解鋁企業(yè)容易發(fā)現和容易整改的范圍,但凈化系統(tǒng)間接產生的電耗一般會忽視。以常見500 kA年產50萬噸鋁電解為例,凈化系統(tǒng)設計排煙總量約420×104Nm3/h,電解槽排煙口煙氣溫度在夏季超過180℃,冬季超過160℃,按照電解槽出口平均排煙溫度150℃保守計算(補風按照40℃),電解槽每小時外排熱量約為:6×108kJ,折合電耗為每小時16.7×104kWh,折合噸鋁耗電:～2900 kWh,煙氣帶走的熱量占電解鋁生產總能耗～21%,煙氣帶走熱量十分驚人。關于減少鋁電解槽熱耗散帶來的節(jié)電效果,國內已有學者通過優(yōu)化槽殼結構減少散熱,從而有效地降低了槽電壓[3]。同理,減少電解槽上部的熱耗散同樣也能達到節(jié)電效果。而過去幾年,電解鋁企業(yè)一般只做了煙氣余熱利用等節(jié)能技改,并未考慮減少排煙能減少電解槽的熱量損失。若煙氣散失熱量按照減少5%估算,噸鋁的電耗能即可降低145 kWh左右,節(jié)電潛力遠高于凈化系統(tǒng)的直接電耗。

綜上,電解煙氣凈化系統(tǒng)帶來的間接能耗和直接能耗一樣重要,在挖掘潛能方面更具有潛力,是未來3年在產的電解鋁企業(yè)節(jié)電工作挖掘的重點方向之一。

2 鋁電解槽節(jié)能型排煙技術

從煙氣凈化系統(tǒng)分析,最具有節(jié)電潛力的技術就是直接減少單槽的排煙量。但其前提是不能以犧牲車間環(huán)境、增加無組織排放和氟化鹽的噸鋁單耗為代價，具體措施如下。

2.1 改造電解槽上部排煙結構

國內現有的電解系列,尤其是400 kA以下的小槽型多采用“V型”集煙方式,集煙裝置的圓形排煙口采取均布方式,通過排煙孔直徑的變化調整電解槽各個區(qū)域的排煙平衡見圖1。該形式上部結構在實際使用中集氣效果不理想,電解槽排煙近端可滿足集氣需要,近端槽罩板漏風及過量排煙造成遠端基本不能形成負壓,遠端排煙效果差。為確保電解槽遠端的排煙效果,生產中不得不增加凈化系統(tǒng)的排煙量,造成凈化系統(tǒng)的單槽排煙量普遍存在實際運行值比設計值大,過量排煙造成電解槽熱量損失增加。通過改造槽上部集煙結構,將“V型”集煙方式改為高位煙道集煙形式，或通過現場測量并結合仿真計算將排煙孔的分布方式和開孔直徑重新計算確定,保證煙氣有效收集前提下降低單槽排煙量。

圖1 電解槽“V型”上部排煙裝置及排煙孔

實現電解槽在小煙氣量下的高集氣效率,改進后的高位煙道集煙形式應遵循以下原則:① 排煙口設置于煙氣散發(fā)的起始位置,即打殼下料的火眼位置上方,確保在打殼下料過程煙氣量散發(fā)最大時,將80%以上的煙氣直接收集,而不是在煙氣散發(fā)至電解槽上部槽罩后再收集;② 實現電解槽單槽排煙量均衡分配,即保證電解槽排煙口近端和遠端的排煙量均衡。由于接近排煙口端的煙道負壓大,在排煙口的分布上應通過計算和模擬仿真確定每個排煙罩上部管徑的差異性;③ 單槽排煙量煙氣分配合理,為提高排煙效率,單槽排煙量的大部分能力應分配于打殼下料的火眼上部,小部分分配于槽上部用于保證將槽內殘余煙氣收集。

2.2 提高槽罩密封率

鋁電解槽集煙效率是依靠密閉效率和電解槽的排煙量來保證,如果密閉效率高,達到相同的集氣效率時,所需的煙氣量就少;如果電解槽的密閉效率較低,達到相同的集氣效率則需要更大的煙氣量,此時電解槽熱耗散、凈化系統(tǒng)的能耗會增加。要達到較高的集氣效率,又要降低能耗,就需要提高電解槽的密閉效率。

電解槽的密閉效率主要是罩板密封(含端部罩板)和上部結構密封,而鋁電解槽上部結構已固定,改造空間已不大,只有提高槽罩的密封率才是比較可行的方式。電解槽可更換新型節(jié)能型槽罩,該槽罩具有密閉效果好、開啟關閉便捷,散熱量少的特點,可最大限度避免槽內煙氣無組織排放。

槽罩板的良好密閉性是電解槽在保證集氣效率前提下減少排煙量的最有效手段,而單臺大型電解槽的槽罩板數量多、陽極更換頻繁開啟造成槽罩板熱變形及機械損壞,從而使得槽罩板之間縫隙越來越不規(guī)則,漏風量隨使用年限增加逐漸增大。如何在保證不增加、不改變操作人員工作量和工作習慣，解決槽罩板的密封成為關鍵。

提高電解槽槽罩板的密閉性可采取如下措施:① 槽罩板四周密封面的結構強度適當增加,保證即使槽罩面板變形但四周邊平整度相對穩(wěn)定;② 增加槽罩板四周接觸面面積,保證即使槽罩變形四周邊框也有接觸;③ 槽罩板四周接觸面邊框接觸面設置柔性密封,密封材料耐高溫,確保兩塊槽罩板接觸時之間縫隙更小。節(jié)能型槽罩的接觸形式示意如圖2所示。

圖2 節(jié)能型槽罩邊框接觸形式示意圖

2.3 使用排煙管網自平衡閥控制槽間排煙平衡[4]

鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)排煙管網的排煙支管由于擔負電解槽數量多,普遍存在近端排煙效果好,遠端排煙效果差的頑疾,這就造成近端電解槽“過度排煙”,遠端“欠排煙”。其原因在于:現有的電解槽之間排煙平衡是通過氣動或電動單板蝶閥的開度調節(jié),在設計過程中通過對管網阻力的計算得出每臺電解槽排煙管道蝶閥的開度,計算閥板開啟角度一般精確到0.1°。而在實際使用過程中,首先是依靠人工調整蝶閥的開啟角度精度尚達不到1°,閥板的調節(jié)角度偏差一般在5～10°。另外就是隨著凈化系統(tǒng)使用年限的延長，煙氣調節(jié)閥閥板與轉軸連接件松動、滑移,通過指示盤無法得知閥板的實際位置。再加之蝶閥不屬于線性調節(jié)閥,閥板的開啟角度的微小位移就會造成排煙通量的較大變化。上述情況造成電解槽實際排煙量“失控”,槽間排煙量偏差率>30%的情況比比皆是。

電解槽排煙管網自平衡排煙技術是指在電解槽使用固定通量的孔板閥替代現有的蝶閥,通過精確的仿真計算,每臺電解槽設計出不同直徑的孔板來調節(jié)電解槽排煙,不需調節(jié)閥門開度即可實現排煙管網自平衡。因為鋁電解生產為連續(xù)生產模式,其狀態(tài)只分為:閉槽生產、開槽換極、出鋁、槽大修。其中槽大修周期4-10年不等,無需考慮該狀態(tài)。出鋁開啟槽蓋板面積小,對凈化系統(tǒng)排煙影響可控。主要生產狀態(tài)即為閉槽生產和開槽換極,孔板閥只需保證該兩種生產狀態(tài)排煙效果即可。再結合雙煙道排煙技術可完全替代現有的氣動或電動排煙蝶閥,并將電解槽間排煙偏差控制在10%以內。

圖3 電解槽排煙支管孔板閥阻力模擬計算

圖4 電解槽排煙支管“固定式”孔板閥

除此之外,將電解槽之間的排煙偏差控制在較小范圍可有效保證電解槽之間溫度場的相對穩(wěn)定和一致性,有利于鋁電解工藝生產的穩(wěn)定。

3 節(jié)能效果分析

3.1 噸鋁排煙量優(yōu)化減少的熱耗散

通過第2節(jié)鋁電解槽節(jié)能排煙技術的實施可有效降低噸鋁排煙量,其中“改造電解槽上部排煙結構”是用來解決將電解生產產生的污染物有效排出問題;“提高槽罩密封率”是控制電解槽無組織排放的保障手段;兩項措施本質上都用于減少單臺電解槽的排煙量,“使用排煙管網自平衡閥控制槽間排煙平衡”是用于解決凈化系統(tǒng)承擔多臺電解槽排煙之間的煙氣平衡問題。

由于實際工程中存在槽罩板變形和不可避免的漏風等不可控因素,很難達到理論減少能耗計算值,但通過前述手段將噸鋁排煙量減少10%還是較為容易。按照表1中500 kA系列電解槽噸鋁排煙量77,000 m3計算(一個標準大氣壓,煙氣溫度80℃),噸鋁可減少排煙7700 m3(折算標況煙氣量約為5955 Nm3),減少煙氣排放后同時煙氣溫度上升,為方便分析,電解槽出口排煙溫度按照160℃計算(補風按照40℃),噸鋁可減少熱損失為:

(1)原噸鋁排煙量:77,000 m3,折算為59,550 Nm3,電解槽排煙溫度150℃;

(2)改造后噸鋁排煙量:69,300 m3,折算為53,595 Nm3,電解槽排煙溫度160℃;

(3)煙氣比熱容取值1.0 kJ/kg·K,煙氣密度取值1.29 kg/Nm3;

(4)環(huán)境溫度取值40℃。

原噸鋁煙氣散熱:～8.45×106kJ,改造后噸鋁煙氣散熱:～8.30×106kJ;

噸鋁可減少外排熱量約為:1.5×105kJ,折合噸鋁電耗約為41.7 kWh,即節(jié)約電解槽噸鋁生產維持熱場平衡消耗的電量41.7 kWh。

3.2 噸鋁排煙量優(yōu)化后煙氣凈化系統(tǒng)直接減少的電耗分析

通過減小噸鋁排煙量不僅可減少電解槽熱耗散,還可有效地降低凈化系統(tǒng)的處理煙氣量和運行阻力,從而降低排煙風機電耗。凈化系統(tǒng)的阻力包括煙氣輸送沿程阻力和局部阻力[5](含凈化除塵器)。節(jié)能效果主要針對性減小凈化系統(tǒng)這兩部分的阻力。

(1)減少系統(tǒng)沿程阻力,沿程阻力損失:

△Pm=△Pml

(1)

式中:△Pm——單位管道長度沿程摩擦阻力,Pa/m;

l——風管長度,m。

(2)

式中:λ——摩擦阻力系數;

V——煙氣流速,m/s;

ρ——空氣密度,kg/m3;

de——風管當量直徑,m。

通過公式(1)和公式(2)可看出沿程阻力和管道直徑、摩擦系數、管道長度、煙氣密度、煙氣流速有關。對于已投產的電解鋁生產企業(yè)的凈化系統(tǒng),煙氣量的減少可降低煙氣流速。從公式(2)看出沿程阻力和煙氣流速平方成正比,當煙管內煙氣量降低10%,沿程阻力降低約19%。對于常規(guī)凈化排煙系統(tǒng)沿程阻力約800 Pa,通過降低排煙量可使得沿程阻力降低約150 Pa。

(2)減少系統(tǒng)局部阻力。凈化系統(tǒng)的局部阻力產生位置主要是除塵器,其余為排煙管道彎頭、三通、反應器等管件產生,排煙管道管件局部阻力損失計算公式:

(3)

式中:ζ——局部阻力系數;

V——煙氣流速,m/s;

ρ——空氣密度,kg/m3。

通過公式(3)可看出局部阻力和管件形式(局部阻力系數)、煙氣密度、煙氣流速有關,局部阻力和煙氣流速的平方成正比。當煙管內煙氣量降低10%,局部阻力降低約19%。對于常規(guī)凈化排煙系統(tǒng)局部阻力約為1000 Pa(不含凈化除塵器),通過降低排煙量可使得沿程阻力降低約190 Pa。電解煙氣凈化系統(tǒng)的凈化除塵器過濾風速一般取值在0.7 m/min左右(圓袋),煙氣量降減少10%,除塵器過濾過濾面積不變,過濾風速降低10%,凈化系統(tǒng)過濾風速降至0.63 m/min左右,通過調整噴吹結構,將凈化系統(tǒng)阻力降低100 Pa較容易實現。

通過分析排煙量的減少,可有效將凈化系統(tǒng)阻力降低約440 Pa,常規(guī)電解煙氣凈化系統(tǒng)的整體運行阻力在3000～3500 Pa范圍(不含脫硫),若能將凈化系統(tǒng)的阻力再降低440 Pa運行,凈化系統(tǒng)的整體運行阻力降低13%～15%。以500 kA系列電解槽噸鋁排煙量77,000 m3為例計算,噸鋁減少排煙7700 m3,凈化系統(tǒng)整體運行阻力降低440 Pa,凈化系統(tǒng)節(jié)約能耗體現在:

(1)排煙量減少10%帶來的風機能耗節(jié)省:按照噸鋁減少排煙7700 m3,運行風壓3300 Pa計算,節(jié)約電耗折算噸鋁約15 kWh(風機效率按照83%計算);

(2)凈化系統(tǒng)運行阻力降低440 Pa帶來的風機能耗節(jié)省:按照噸鋁排煙量69,300 m3計算,節(jié)約電耗折算噸鋁約17 kWh(風機效率按照83%計算);

凈化系統(tǒng)折算至排煙風機可降低噸鋁電耗約32 kWh。

3.3 節(jié)能分析

通過技術手段在保證鋁電解槽集煙效率前提下降低噸鋁的煙氣排量可有效節(jié)約電解鋁生產電能消耗,以500 kA系列電解槽噸為例,按照文中的分析可間接減少電解槽散熱折合噸鋁電耗約為41.7 kWh。凈化系統(tǒng)排煙量減少后,凈化系統(tǒng)運行阻力同時降低,直接減少凈化系統(tǒng)排煙風機噸鋁電耗約32 kWh,總計約73.7 kWh。

結合實際生產分析:凈化系統(tǒng)處理煙氣量減少后循環(huán)氧化鋁用量同時減少,輸送設備的電耗降低,凈化系統(tǒng)清灰壓縮空氣氣耗降低,氧化鋁破損率也會有所降低,凈化系統(tǒng)磨損減少,其帶來的實際效益遠大于噸鋁減少的32 kWh電耗。噸鋁排煙量的減少同時會造成電解槽上部槽殼溫度升高、排煙溫度升高,槽上部結構外表面對流換熱增強,實際節(jié)省能耗應通過大量工程驗證,但從節(jié)能角度分析減少電解槽上部的熱損失對電解槽的節(jié)能會起到積極作用。

4 結 語

(1)電解煙氣凈化系統(tǒng)煙氣排出熱量占據鋁電解生產電耗比例很大,煙氣散失能耗遠大于凈化系統(tǒng)本身的直接電耗。

(2)通過分析計算,降低鋁電解槽噸鋁排煙量可對電解鋁的節(jié)能起到積極促進作用。

(3)降低鋁電解槽噸鋁排煙量可以通過“改造電解槽上部排煙結構”、“提高槽罩密封率”、“使用排煙管網自平衡閥控制槽間排煙平衡”來實現。