馬得勝

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810600）

1 概述

氧化鋁是鋁電解生產(chǎn)的主要原料。工業(yè)氧化鋁由氧化鋁廠從鋁土礦中提取。鋁電解對(duì)氧化鋁的質(zhì)量要求主要是化學(xué)純度和物理性能?；瘜W(xué)純度主要影響原鋁的品位，其物理性能對(duì)保證電解過程的正常運(yùn)行起著重要作用。通常要求氧化鋁具有吸水率低、活性高、粒徑合適、在電解液中溶解性好等特點(diǎn)?，F(xiàn)代大型鋁電解槽的發(fā)展和空氣中氟含量的環(huán)保法規(guī)要求氧化鋁具有較大的比表面積，并能有效吸收氟化氫氣體。這些物理特性主要取決于氧化鋁的晶體形態(tài)、尺寸和形狀。根據(jù)氧化鋁物理性質(zhì)的不同，一般分為砂質(zhì)、中質(zhì)和粉狀三類[1]。

砂狀氧化鋁以其流動(dòng)性好、吸附能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、活性高、環(huán)保、節(jié)能、運(yùn)輸方便、飛損小等優(yōu)點(diǎn)受到廣大鋁電解企業(yè)的喜愛。一般來說，在研究氧化鋁的特性時(shí)，氧化鋁的粒度小于45μM指標(biāo)，這對(duì)電解槽的運(yùn)行有很大的影響，在工業(yè)上通常研究小于45μM，含量在10%以內(nèi)，電解槽對(duì)氧化鋁的溶解度最好[2]。氧化鋁粒度對(duì)電解槽運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有直接關(guān)系，對(duì)氧化鋁粒度研究非常有意義。

2 電解鋁行業(yè)幾種常見物料輸送方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前鋁電解企業(yè)內(nèi)部輸送氧化鋁，有以下幾種方式，一是采用氣力輸送系統(tǒng)。二是采用斗式提升系統(tǒng)配套皮帶輸送。其中氣力輸送又分為希相、濃相和超濃相。稀相輸送一般固體含量低于1-10kg/m3，操作氣速較高(約18～30m/s)，輸送距離基本上在300m以內(nèi)。濃相輸送一般固體含量10-20kg/m3，操作氣速較低（約8-9m/s），用較高的氣壓壓送。超濃相輸送一般固體含量20-30kg/m3，操作氣速較低（約0.5m/s）。

2.1 氣力輸送優(yōu)缺點(diǎn)

氣力輸送具有減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善環(huán)境衛(wèi)生、減少物料飛揚(yáng)損耗、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作、輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)單、管路布置靈活、占地面積小、投資費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年來，被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、建材、糧食等許多工業(yè)部門。但稀相氣動(dòng)輸送存在的主要缺點(diǎn)是能耗高、流速快，物料容易被破碎、管道容易被磨損等。

2.2 斗式提升系統(tǒng)配套皮帶輸送優(yōu)缺點(diǎn)

斗式提升系統(tǒng)配套皮帶輸送具有輸送能力較大、氧化鋁輸送破損率等等優(yōu)點(diǎn)，在輸送過程中幾乎不破損。缺點(diǎn)是布置時(shí)需要一定落差，占地面積較大，投資費(fèi)用較氣力輸送高5-8倍。

氣力輸送和斗式提升系統(tǒng)配套皮帶輸送技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，新建企業(yè)目前在建設(shè)初期均采用斗式提升系統(tǒng)配套皮帶輸送技術(shù)方案，2012年以前建設(shè)企業(yè)目前幾乎采用內(nèi)部氣濃相氣力輸送技術(shù)方案。

3 外補(bǔ)氣濃相氣力輸送新技術(shù)應(yīng)用

基于濃相內(nèi)補(bǔ)氣技術(shù)使用時(shí)間達(dá)到一定年限后出現(xiàn)的固氣比低，氧化鋁輸送破損率較大等現(xiàn)狀，我公司聯(lián)合某設(shè)計(jì)院和某專業(yè)公司，開發(fā)并使用了外補(bǔ)氣濃相氧化鋁輸送技術(shù)，其技術(shù)原理、應(yīng)用情況和應(yīng)用效果如下：

3.1 外補(bǔ)氣技術(shù)原理

輸料管中物料濃度和氣體流速變化時(shí)，管內(nèi)物料會(huì)出現(xiàn)幾種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。管內(nèi)流速很高，物料濃度較低時(shí)，物料均勻的懸浮在氣流中，呈均勻的兩相流。物料濃度逐漸增高，流速降低，有部分粒子失去懸浮能力。停滯在管底，作不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)，碰撞和流動(dòng)。物料濃度再升高，部分粒子失去懸浮能力集聚在管底，管截面局部變小，氣速增高，形成物料又停滯又吹走現(xiàn)象。物料濃度繼續(xù)增高，在管中沉積形成許多“砂丘”，有時(shí)幾乎將管道充滿，同時(shí)還有部分表面粒子隨氣流沿料層頂部流過。

圖1 助推器原理

物料充滿輸料管，接近堵塞狀態(tài)，由于空氣壓力推動(dòng)，形成特殊的物料間接流動(dòng)，稱為栓塞流。栓塞流是一種高濃度的輸送形式。如果在輸料管中通過特殊的機(jī)構(gòu)，使物料形成料栓，以栓塞流的形式輸送，就能取得高濃度、低流速的目的。

整個(gè)系統(tǒng)由流化閥、儲(chǔ)氣罐、出料閥、助推器、補(bǔ)氣閥等組成，助推器為核心部件。采用文丘里原理，將氧化鋁吸入擴(kuò)散區(qū)，速度越來越快，有效提高了氧化鋁輸送效率。

圖2 助推系統(tǒng)原理圖

3.2 外補(bǔ)氣技術(shù)應(yīng)用情況

對(duì)于2012年以前建設(shè)電解鋁企業(yè)而言，斗式提升系統(tǒng)配套皮帶輸送方式雖然具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但受限于場(chǎng)地空間、投資費(fèi)用等因素影響，很多企業(yè)不能使用該方案進(jìn)行物料輸送。這就為外補(bǔ)氣氣力輸送新技術(shù)應(yīng)用提供了應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用市場(chǎng)。

目前電解鋁企業(yè)氧化鋁濃相輸送，一般采用的是瑞士alesa(阿麗莎)發(fā)明的內(nèi)補(bǔ)氣輸送方式。對(duì)管網(wǎng)壓力要求較高，設(shè)計(jì)壓力約為0.5MPa以上，管網(wǎng)壓力低于0.5MPa，會(huì)出現(xiàn)輸送効率急劇下降，甚至堵管等情況。其原理是在管道內(nèi)腔的上部，設(shè)置一根內(nèi)管，內(nèi)管朝下的一面開有若干小孔，輸送管中的部分氣流將進(jìn)入內(nèi)管流動(dòng)，形成并分離出一段移動(dòng)的流態(tài)化料栓。此過程的連續(xù)進(jìn)行，使得剩余的連續(xù)流態(tài)化料流被不斷分割，在輸送管中得到氣栓，料栓相間的栓流輸送狀態(tài)[3]，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離管道中物料流態(tài)化(濃相)輸送。但由于補(bǔ)氣管在內(nèi)部，隨州氧化鋁物料頻繁流動(dòng)沖刷，時(shí)間一長(zhǎng)內(nèi)管容易脫落，且物料運(yùn)行效率大大降低，達(dá)不到濃相輸送指標(biāo)，且處于希相輸送。其余固氣比均在10以下（大多數(shù)固氣比只有5-8）。也就是說濃相系統(tǒng)，實(shí)際是在稀相運(yùn)行狀態(tài)，這會(huì)造成輸送管道、相關(guān)閥件磨蝕嚴(yán)重，系統(tǒng)維護(hù)、維修工作量增加等不利影響，同時(shí)還會(huì)增加氧化鋁破損。改造前后固氣比、輸送時(shí)間、輸送量、裝料時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況，見表1。

表1 改造前后濃相輸送系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

3.3 應(yīng)用效果

（1）破損率降低

鋁電解過程中要求氧化鋁的粒度均勻。通常，氧化鋁的粒度分布由兩個(gè)主要的粒度參數(shù)來描述，即大于150μm和小于45μm的細(xì)顆粒百分比。鋁電解槽要求氧化鋁大于150μm的含量應(yīng)小于2%，小于45%μm含量小于10%。大于150μm的粗顆粒的含量高會(huì)影響氧化鋁通過電解質(zhì)中溶解速率，小于45μm,尤其是小于20μm的細(xì)粒含量的增加會(huì)增加電解操作中粉塵數(shù)量增加[4]，影響下料的準(zhǔn)確性。

我公司采購國(guó)內(nèi)氧化鋁粒度原本就較細(xì)，小于45μm的含量約占10%以上，加之濃相氣力輸送過程中輸送速度過快20m/s左右，造成破損率增加，嚴(yán)重影響電解槽電流效率提升及電解槽平穩(wěn)運(yùn)行。經(jīng)對(duì)小于45μm含量數(shù)據(jù)進(jìn)行化驗(yàn)分析，改造前后氧化鋁破損率數(shù)據(jù)，見表2。

表2 改造前后濃相輸送氧化鋁破損率數(shù)據(jù)化驗(yàn)分析

從以上數(shù)據(jù)可以看出，從氧化鋁倉庫通過目前現(xiàn)有濃相管道和氣力提升機(jī)設(shè)備輸送氧化鋁，造成氧化鋁破損率平均為15.47%(濃相管道輸送6.5%，稀相輸送8.97%)。氧化鋁顆粒度降低，導(dǎo)致氧化鋁飛揚(yáng)、流動(dòng)性差、在電解質(zhì)中溶解度降低，影響電解槽平穩(wěn)生產(chǎn)。改造后輸送破損率顯著降低。

（2）降低運(yùn)行空壓風(fēng)能源

由于輸送固氣比提升近一倍，壓縮空氣用量顯著減少，空壓機(jī)符合明顯降低，2021年運(yùn)行半年后電量數(shù)據(jù)變化見表3。

表3 改造前后節(jié)約電量對(duì)比表

改造前空壓機(jī)運(yùn)行一年電耗8654.3294萬kw.h，平均每月721.1941萬kw.h。由于電量是累計(jì)計(jì)算，按基準(zhǔn)數(shù)據(jù)每月721.1941萬kw.h計(jì)算，改造后每月平均節(jié)約電量142.06萬kw.h，平均節(jié)能率達(dá)到19.6%，每年節(jié)約1704萬kw.h，每年相當(dāng)于節(jié)約能源5878噸標(biāo)準(zhǔn)煤（折標(biāo)系數(shù)3.45噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬kw.h）。

4 結(jié)論

采用濃相外補(bǔ)氣輸送新技術(shù)對(duì)氧化鋁濃相系統(tǒng)進(jìn)行改造，一方面可以降低技改投資，物料輸送固氣比提高至15kg/Nm3以上，氧化鋁破損率較低約10%以上，年節(jié)約電量約1704萬kw.h，節(jié)電率平均19.6%，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。在目前使用內(nèi)部氣濃相氣力輸送的電解鋁企業(yè)中具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣前景。