国电投宁夏青铜峡能源铝业宁东铝业分公司宁夏银川750409
摘要：铝电解生产过程中，大量含氟烟气的产生不仅对人的身体健康造成了严重危害，也会对自然生态环境带来破坏。同时，这种高温烟气所带走的热量也降低了能量的利用率。因此，铝电解烟气净化及余热回收的研究与工业实践，对解决铝电解过程的环境污染、降低能耗具有重要的实际应用价值。
关键词：铝电解；烟气净化；余热回收；工业实践
1铝电解概况
1.1概述
近年来随着铝工业的蓬勃发展，在结构调整、产业自主创新、环境保护、节能减排方面取得了长足进步，基本上能满足了国民经济和社会发展的需要，但是由于利益的驱使，也存在盲目的扩张造成了大量的产能过剩现象，环境保护、节能降耗任务依然是突出而又艰巨的问题。为了响应国家的节能减排的号召，减少能源的消耗，提高企业的经济效益，在电解铝生产过程中会产生大量的高温烟气，如何利用这些高温烟气值得我们深入研究。如何净化回收利用电解铝生产过程中产生的高温烟气，是本文重点内容
1.2烟气净化研究现状
普遍而言，铝电解槽生产控制体系共由三部分构成，分别为电解槽控制、氧化铝输送以及电解烟气净化。伴随电解铝生产的逐步深入，会有大量有毒气体产生，此种气体不仅会对生态环境产生恶劣影响，对于人类的身体同样会造成一定损害。电解铝生产以及输送环节中，为更好的处理电解铝所造成的环境危害，同时启动了烟气净化控制以及氧化铝输送控制两个系统，且这一过程中有效的回收了氧化铝以及氟化盐。
1.3烟气余热回收利用现状
余热单从其字面意思顾名思义也就是未被利用的、未被转化使用的、多余、废弃的能源，它涵盖面比较广涉及的范围也比较大，一般火电厂都配备有余热锅炉，其余热作为热量利用效率比较高，回收效能也比较显著热变功损失小。从数据中不难看出，铝冶炼企业在回收利用方面有很多需要改进的地方，如何提高电解铝生产中的能效回收水平，不仅是国家节能减排环境督查的迫切要求，更是企业提高运营效率，提升企业形象，实现绿色可持续发展的努力的方向。
2铝电解烟气净化工程化运用
2.1净化技术
电解铝厂采用新鲜氧化铝来吸附电解生产过程中产生的氟化氢气体，吸收了烟气的氧化铝就成为了载氟氧化铝，并连同氧化铝输送系统一并进入电解生产再循环，气态和固态的氧化铝融合后进入袋式除尘器中进行分离而后再返回到电解槽中使用，净化后的剩余部分的气体将随着烟风机通过烟囱被排入进大气之中。
2.2烟气净化工艺计算
起步阶段该电解系列设一套烟气净化系统，现以一套系统进行设计计算。
1）排烟量计算
L=（（q1*（n1-n2）+q2*n2+q3））/2=（9000*（166-4）+13000*4+62000）/2=786000（mg/m3）
式中：
q1：单槽关闭槽门时排风量（m3/h•台）
q2：单槽开槽操作时排风量（m3/h•台）
q3：超浓相输送系统及净化系统溜槽等排风量（m3/h）
n1：安装槽数（台）
n2：操作开槽槽数（台）
2）散氟量计算
吨铝散氟量为17.8kg/t•Al，电解槽集气效率98%，产铝量107406t/a，进入净化系统氟量：106.94kg/h
烟气中气氟和固氟各按一半考虑，则烟气中气态氟平均浓度为：
C=17.8*0.98*0.5*107406*106/（786000*24*365*2）=68.03（mg/m3）
3）吸附计算
理论公式中，1单位面积的氧化铝能吸附氟化氢0.033，按照理论值可以推算得到
氧化铝的理论吸附量：
40×0.033%=1.32%
新鲜氧化铝量理论值：
106.94×0.5/1.32%=4050kg/h=4.05t/h
按生产所需氧化铝全部通过净化系统时，则烟气总管加入的氧化铝量为：
1.93×107406/（24×365×2）=11.83t/h
式中：1.93为吨铝氧化铝消耗量（t/t-Al）
2.3有害物排放计算
1）烟囱排氟量
17.8×0.98×（1-0.985）×107406/（24×365×2）=1.60kg/h
2）天窗排氟量
17.8×（1-0.98）×107406/（24×365×2）=2.18kg/h
3）烟囱和天窗总排氟量
1.60+2.18=3.78（kg/h）
4）车间工作地带含氟浓度
0.222
式中：
m为有害物散发到工作地带有效系数；m=0.65
v为车间体积：长×宽×高=592.2×24×15
n为厂房换气次数
2.4影响烟气流量大小的因素
1）烟气总管负压
烟气总管负压的高低直接决定电解槽的集气效率，决定着各电解槽支烟管的烟气流量是否能满足工艺要求的参数。从整体的测试数据来看，若单槽流量设定为9000或9500m3/h（从测试数据可以看出，只要支烟管阀没有故障，8500m3/h的流量即可满足生产需要），则烟气总管负压必须达到-900Pa以上。而影响烟气总管负压的主要因素是布袋压差和主排电流。
2）布袋压差：
目前国内烟气净化权威观点认为布袋压差可设定为1600～2000Pa（其设定目的是为了增加布袋表面吸附的氧化铝，以延长氧化铝与烟气的反应时间），可提高烟气净化效率，而我车间布袋压差设定为1100～1300Pa（过大则降低烟管负压，过小则影响烟气净化效率）是基于主排“三用一备”的运行模式，负压在800～950Pa区间波动，波动是由除尘器压差不均衡性造成的，咎其原因是由于除尘器电磁阀故障率太高和投料不均匀造成的，目前车间正在协调维修积极解决此问题。
3）主排电流：
主排采用“三用一备”的运行模式，每月可节约48万度的耗电量，节能效果明显但主排运行电流平均已达到38A以上，上升的空间很小（工艺要求不能超过40A），这也决定了烟气总管的负压提升空间很小。同时主排电机采用工频运行方式，在运行电压不稳的情况下，电流波动比较大，也造成烟气总管负压随之波动。目前除一区因泄压点少，在保证平均38A的电流时烟气总管负压可达到950～1000Pa，其他两区均不能达到。
4）支烟管阀：
为有效的保证各槽引风量的平衡性，工艺设置时，采用阶梯形开启角度（支烟管阀）来均衡各槽引风量，开启角度越大，槽内引风量越大。支烟管阀通过转换手柄，可实现两种转换方式：电解槽运行时，支烟管阀开启到规定角度，而在电解槽换极作业时，角度开启到最大，以保证烟气吸附效率。而目前350电解槽支烟管阀只能实现0度角和工艺规定角度两种实现方式。
5）电解槽排烟量的平衡性
为有效的保证电解槽排烟量的集气效率，在槽内集气罩上采用了不同口径的开孔（从烟道端到出铝段由小到大）以平衡槽内各处的引风量达到均衡。在测试过程中，部分槽虽然引风量达到8500m3/h或更高，但是槽子还是冒烟。从检查结果来看，一是由于电解槽技术条件处于调整期，槽
温高、分子比低、壳面踏壳冒烟冒火的比较多。二是槽内排烟量不均衡，这种不均衡既有引风量的不均衡，也有槽内火眼开孔数目的不均衡。
3铝电解烟气余热回收工程化运用
3.1设计原则与参考数据
根据现场实际结果，我们依据以下原则设计：
①在确保净化系统安全、稳定运行的前提下，本着少投入、少改动的原则，合理回收烟气余热，用于供暖和洗浴用热。
②改变当前供暖和洗浴用热存在的弊病，优化供暖管网，提高供暖温度，保证足量洗浴用热水。
③将余热锅炉的供热负荷解放出来，实现建厂初期设计意图发电，彻底解决因供暖及洗浴用热需求。
④实现能源梯级利用，节能增效。
3.2换热器选型及相关技术要求
（1）技术原则
①在电解槽出来的烟气总管烟道内设置烟气余热利用系统，回收的烟气余热可以将供暖回水加热至70℃用来供暖。
②供暖水可通过管壳式换热器将常温水5℃加热到50℃以上的热水用于洗浴。
③洗浴用换热器做特殊设计，便于换热管结垢时进行酸洗。
④防止传热管腐蚀、积灰并充分考虑烟气阻力增加等问题。
⑤为防止换热管泄漏威胁布袋除尘器的安全运行，烟气换热器采用气水换热器+泄露报警装置。
（2）技术指标
①烟气余热回收换热器换热裕量大于10％。
②换热器的使用寿命≥10年。
③换热器的设计压力为1.6Mpa。
④换热管的材质：迎风面第一排采用16Mn低合金钢；冷水进口段两排换热管材质选用ND钢；其余采用20G；壁厚≮3.5mm，翅片材质采用08Al（这种钢带含有0.8%的Al，延伸性能好，适宜于制作翅片管，根部不易产生褶皱）[35]。
⑤换热器进、出口烟气系统和水系统均设压力、温度计，就地数显并上传至换热站控制室及净化车间控制室。
⑥换热器设有观察门，要求漏风率小于1%。
⑦换热器设有放空、排污等系统。
（3）技术措施
①由于在烟道中设置了换热器，因此烟气侧阻力会增加。为了避免阻力增加太多，引风机出力不够，必须进行扩展烟道，同时控制烟气流速，确保在最大烟气量时，换热器阻力小于设计值[52]。
②由于烟气对于温度的变化十分敏感，所以当烟气温度下降后，其体积也减小了，烟气密度有所增加，因此对于换热器后方的除尘器及引风机而言，工作效率都是有所增加。
③由于考虑到供暖季节之外的时间不需要进行烟气热功率的回收，那么换热器安装在烟道内产生的阻力会影响电耗，所以在非供暖季消除换热器所带来的阻力增加导致的电耗，采用如下方案：在换热器的下方设置一个整体托架，托架下方设置多个滑轮，在滑轮下方设置钢制轨道。在换热器安装时，并且增设电动卷扬装置。
④烟气流速的选择主要考虑两个方面，一个是受热面的磨损，另外一个是烟气侧阻力。受热面磨损与烟速的3次方成正比，而烟气侧阻力与烟速的平方成正比。实际计算表明，烟气流速大于10m/s以后，烟气侧阻力急剧增大。
⑤受热面的磨损主要是灰粒对管子的冲击和切削作用，在管子四周与水平线成30°部位磨损最厉害。[54]顺列布置的换热管由于气流方向改变，第一排磨损最厉害，以后各排磨损量比第一排低30%~40%[37]。因此我们在换热器的换热管前面设计了两排防磨假管，将迎风面磨损最严重的地方用假管替代了真正的换热管，从而可以延长换热器使用寿命。
结束语
本文主要以电解烟气净化及余热回收施工为依托，详细介绍了铝电解生产过程中烟气的产生及其回收，得到的主要结论如下：
（1）通过对电解烟气净化系统的原始设计进行逐步的系统化的改造，使得各项技术指标得到了提升，污染物排放量也有明显的降低，满足了环保要求，降本增效并且实现了可持续化的发展。
（2）根据收集到的近一年多来的数据，经过以上分析及计算，加设该烟气余热回收利用系统，对于该项目可产生一定的经济效益和较大的社会效益，更加符合当今节能减排的趋势。
（3）在正常情况下，通过控制电解槽热平衡，从而可以强化电流，将每台电解槽的产量提高20%。
参考文献：
[1]魏星.世界铝工业概述[J].轻金属，2016，（1）：1-3.
[2]马洪英.我国电解铝产业的行业现状以及新疆煤炭资源转换路径分析[J].黑龙江科级信息，2016，（22）：32.