（材料加工工程专业论文）连铝环境治理改造工程设计.pdf

摘要 本文根据兰州连城铝业有限责任公司自身的特点，以解决环保问题、节能降 耗、实现低成本生产为目的，对兰州连城铝业有限责任公司进行环境治理改造的 必要性和可行性进行了论述，对改造的具体方案进行了详细分析。治理改造工程 中最重要的是碳素系统设计和电解系统设计两部分。 改造工程主要是针对连城铝厂现有自焙电解槽的污染问题，同时配套改造建 设阳极生产系统。所以在碳索系统设计中主要对阳极生产规模和产品规格、预焙 阳极的生产工艺流程、预焙阳极生产配方以及对预焙阳极的生产设备进行了优化 改造。 电解铝生产采用的是熔盐电解法。在电解系统设计部分，主要对电解计算机 系统进行了研究，同时提出了铸造车间及氧化铝和氟化盐贮运系统的改造方案。 关键词：环境治理改造；碳素系统：电解系统：污染 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el i a nc h e n ga l u m i n u ml i m i t e dl i a b i l i t y c o m p a n yi n l a nz h o u ，i no r d e rt o p r o t e c te n v i r o n m e n t ， s a v ee n e r g y ，r e d u c e d i s s i p a t i o na n di m p l e m e n tp r o d u c t i o nw i t hl o wc o s t ，t h en e c e s s “ya n df e a s i b i l i t yo f t h ee n v i r o n m e n tc o n t r o la n dt r a n s f o r m a t i o nt ol i a nc h e n ga i u m i n u ml i m i t e d l i a b i l i t yc o m p a n yi nl a nz h o uw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ep f o g r a mo ft h e r e f b r m a t i o nw a sa i s oa n a l y z e d d e s i g no fc a r b o ns y s t e ma n dd e s i g no fe l e c t r o l y s i s s y s t e mw e r ei n c l u d e di nt h ep r o j e c to ft h ec o n t r o la n dt r a n s f o r m a t i o n t h ec o n t r o le n g i n e e r i n ga i n l e dt os o l v et h ep o l l u t i o np r o b l e mo ft h ee x i s t i n g c e l lo fs e l f _ b a k ei nt h el i a nc h e n ga l u m i n u mc o m p a n y a tt h es a m et i m e ，a n o d e p r o d u c t i o ns y s t e mw a st r a n s f o r m e da n de s t a b l i s h e d s c a l eo ft h ea n o d ep r o d u c t i o n ， s p e c i f i c a t i o n o ft h ep r o d u c t ， p r o d u c t i o np r o c e s $f l o w o ft h ep r e b a k ea n o d e ， f b r m u l a t i o no ft h ep r e b a k ea n o d ep r o d u c t i o na n dt h ee q u i p m e n t so fp r e b a k ea n o d e p r o d u c t i o nw e r eo p t i m i z e di nt h ed e s i g no fc a r b o ns y s t e m f u s e ds a l te l e c t r o l y s i sp r o c e s sw a su s e di na i u m i n u me l e c t r o l y s i s i nt h ed e s i g no f e l e c t r o l y s i ss y s t e m ， t h ec o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mo fe l e c t r o l y s i sw a ss t u d i e d m e a n w h i l e ，t h et r a n s f o r m a t i o np r o g r a mo ft h ec a p t i o nf o u n d r ya n dt h es t o r a g ea n d t r a n s 口o r t a t i o no fa l u m i n u mo x i d ea n df l u o r i d es a l tw a sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ： e n v i r o n m e n tc o n t r o la n dt r a n s f o r m a t i o n ； c a r b o n s y s t e m ； e l e c t r o i y s i ss y s t e m ；p o i l u t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：吝乏 日期：a 年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 作者签名：皇生j 夕幻期：跏辟g 月；日 聊签名：弓劲褊魄摊月笋日 第一章碳素系统设计 改造工程主要是针对连城铝厂现有自焙电解槽的污染问题，同时配套改造建 设阳极生产系统。利用一、二系列的电解厂房，建设2 0 0 k a 中间加料预焙阳极 电解槽系列，改造后原铝产量为9 5 1 1 7 t ，a ，配套的阳极碳块能力为6 0 0 0 0 t ，a 。 碳素阳极制造车间是电解铝厂的重要组成部分，它的主要任务是为电解车间 提供合格的预焙阳极。 碳素系统的改造和建设的主要内容包括： ( 1 ) 利用现有的原材料库； ( 2 ) 利用现有的煅烧工段； ( 3 ) 新建生阳极工段； ( 4 ) 沥青融化工段： ( 5 ) 新建热媒系统； ( 6 ) 碳块库； ( 7 ) 新建焙烧工段，同时配置相应的烟气净化设施； ( 8 ) 残极处理车间等； 1 1 阳极生产规模和产品规格 1 1 1 阳极生产规模 电解车间安装有1 8 0 台2 0 0 k a 电解槽，其电解铝的生产规模为9 5 1 1 7 t a 。 按阳极炭块毛料耗5 8 5 k g t a l 来计算，考虑到阳极组装的成品率为9 8 ，阳极 车间的生产规模应为： ! ! ! ! ! ! ! ：堕：5 6 7 7 9 f 日( 1 ) 0 9 8 因此，本设计确定碳素车间的生产规模为年产预焙阳极6 0 ，0 0 0 t ，该产量 可满足电解车间正常生产的需要，同时有一定的余量。 本工程只考虑生产阳极炭块，而铝电解槽用的阴极底部炭块、侧块和底糊拟 由国内其他阴极生产厂家提供。 本设计中各主要工序生产能力，工作制度和每年工作日数为： 表l l主要工序的生产能力、 ：作制度和每年工作日数 1 沥青融化4 5 t h10 7 0 4 t ，a 二班连续2 5 0 天 2 配料成型1 4 t h6 6 5 2 3 t ，a 三班连续3 0 0 天 3焙烧6 4 2 6 t a6 0 0 0 0 “a 三班连续3 6 5 天 d 残极处理5 t ，h18 7 6 7 t ，a 两班，天3 6 5 天 1 1 2 预焙阳极的规格 电解车间采用2 0 0 k a 预焙阳极电解槽，组装好的阳极尺寸为 1 5 0 0 ( l ) x6 6 0 ( w ) x5 5 0 ( h ) 咖。因此，生阳极块和预焙阳极的尺寸如下所示： 表1 2 生阳极块和预焙阳极块尺寸 生阳极炭块预焙阳极炭块 重量( k g ，块) 8 1 67 5 l l ( m m ) 1 5 2 01 5 0 0 ( m m ) 6 6 5 6 6 0 h ( m m ) 5 5 35 5 0 1 2 预焙阳极的质量标准 1 2 1 预焙阳极理化指标 铝用预焙阳极国家标准参照如下： 表l 一3预焙阳极质量标准( y s ，t 2 8 5 9 8 ) 牌号灰份电阻率热膨胀率 c 0 2 反应 耐压强体积密真密度 uq m 性度度 g ，c m m g ( c m 2 h ) n ，m m 2 g ，c m 。 t y 一10 5 0 5 5 o 4 54 5 3 21 5 0 2 0 0 t y - 20 8 06 0o 5 05 03 01 5 02 0 0 t 1 卜31 0 06 5o 5 55 52 91 4 82 0 0 1 2 2 尺寸允许偏差 性能检验期问合格生阳极尺寸如下 表l 一4合格生阳极尺寸 阳极块规格单位 上阳极 长m m1 5 0 0 5 宽 m m6 6 0 5 高m m5 5 0 10 1 2 3 外形 生阳极表面必须如下： 从上表面棒孔到侧面生阳极不允许有连续的裂纹或碎片。线状碎片最大可到 5 0 m m ，不能超过棒孔尺寸的二倍。 生阳极上表面5 0 m m 的裂纹不能超过五个。1 0 的生阳极可以有尺寸为 7 5 m m 的裂纹但不能超过五个。 在阳极其它表面长为5 0 m m 的裂纹数目没有说明。 在阳极表面上长为1 0 0 m m 的横向裂纹不能超过两个，长为15 0 m m 的纵向裂 纹不能超过两个。 在阳极一个表面上裂纹不能超过三个。所有表面上的裂纹加在一起不能超过 十二个。在阳极上表面对角线高度相差l o m m 是允许的。 1 3 生产工艺流程概述 1 3 1 原料仓库 连城铝厂原有2 lx1 5 0 m 机械化原料仓库一座，用于贮存固体沥青和石油焦， 另有2 5 1 0 0 m 露天堆场一个，贮存能力能满足本次改造工程的需要，故本项目设 计中不包括原料仓库。 1 3 2 煅烧 连城铝广原有3 6 m 回转窑两台，2 4 罐罐式煅烧炉台，煅烧能力约为 6 0 0 0 0 t a ，基本能够满足本次改造工程的需要，故本项目设计中不包括煅烧工段 的改造。 1 3 3 粘结剂沥青制备 贮存在原料库仓内的固体沥青由抓斗天车抓入带格筛的料斗内，通过设在格 筛料斗下面的电磁振动给料机送入斗式提升机，经带式输送机进入沥青贮仓，再 经皮带电子秤计量、锤式破碎机破碎到所需粒度后，用斗式提升机送入热媒加热 的快速沥青熔化装置内。快速沥青熔化装景上装设台埋式泵，用其产生自身循 环，加速沥青熔化。熔化后的液体沥青经缓冲槽、沥青过滤器、沥青输送泵进入 沥青贮槽。为使沥青贮槽内温度均匀，除在槽内设置了加热装置外，还设有一台 循环泵，这样就可以保证槽内沥青温度均匀。贮存在槽内的沥青，当生阳极工段 需要时，用输送泵送往生阳极工段的沥青高位槽，供下道工序使用。 1 3 4 生阳极制造 生阳极制造包括中碎筛分、磨粉、配料、混捏和成型等生产工序。 一、中碎筛分 a 煅烧石油焦系统：由煅烧送来的锻后焦经斗式提升机提升到带式输送机 上，加入锻后石油焦贮仓。锻后焦经设在贮仓下面的电磁振动给料机和带式输送 机送入斗式提升机，经斗式提升机提升进入振动筛进行粒度分级，筛上料通过中 间仓进入反击式破碎机进行破碎，破碎后的料经提升又进入筛子进行筛分，筛下 合格料分别进入不同配料仓。 b 返回料系统：由汽车将残极处理后的料运入带格筛的料斗内，由设在格 筛料斗下面的电磁振动给料机送入斗式提升机经带式输送机进入生碎贮仓和残 极贮仓。再经设在贮仓下面的电磁振动给料机送入斗式提升机，经斗式提升机提 升进入振动筛进行粒度分级，筛上料通过中间仓进入反击式破碎机进行破碎，破 碎后的料经提升又进入筛子进行筛分，筛下合格料分别进入不同配料仓。生碎料 不经筛分，直接进入生碎料仓。 二、磨粉 进入磨粉机的原料有四种来源：一是配料时用于磨粉的筛下料；二是配料时 不平衡多余的各种焦炭粒子料；三是经破碎、筛分输送、配料等各工序的通风收 尘粉；四是焙烧工段多功能天车分离出来的焰烧炉用填充料收尘粉。上述四种料 从磨粉给料仓经圆盘给料机进入风扫式球磨机中，调整好主风机闸门和管路系统 各部位的控制阀门，使球磨机整个系统内的风量、风压、风速适宜，而得到合乎 质量、产量要求的产品。磨好的粉料在闭路循环风管内循环，首先进入挡板分选 器，粗颗粒被分离出来返回球磨机。合格的细粉随着循环风进入旋风除尘器，细 粉被收集下来，经螺旋输送机送入粉料配料仓，含有少量粉尘的循环风，从旋风除 尘器出来后，进入主风机，再次被鼓入风扫球磨机内，继续循环生产。从主风机出 口处分出支管，为不使循环风温度升高，将闭路循环生产过程中的多余风送入通 风系统的袋式除尘器中，过滤下来的细粉送入配料槽内。干净的空气经排风机排 入大气中。 三、配料、混捏、成型 不同粒度的焦粒、残极、球磨粉、生碎等物料，从各自的配料仓中，按配料比 的要求，通过电磁振动给料机及螺旋输送机加入电子漏斗秤。由于本工程产量大， 采用一斗一秤的配料方式，不仅配料速度快而且配料精度高。整个配料系统用微 机自动控制，根据配方计算好各种料的流量作为设定值，以快加料和慢加料两种 形式给电子漏斗秤给料，以充分保证称量精度，当物料流量偏离了设定值时，微机 系统会自动跟踪，消除偏差，充分保证配料准确性。经计量后的物料进入集合料斗 当混捏锅需要料时，接料小车从集合料斗中将料取出，加入4 0 0 0 l 混捏锅内进行一 定时间干混预热后，再将电子漏斗秤计量后的液体煤沥青加入到混捏锅内充分搅 拌混合并继续加热，当达到混捏时间和温度后，混捏合格的糊料从混捏锅底部排 到带式输送机上，再加入单块转台式成型机料斗内，称好的糊料自动排到模子里， 然后转动到振动台的位置上进行振动成型。脱模后的生阳极经密度检测合格，用 拨块机送入悬链式冷却机上进行冷却。冷却后的生阳极块经过除水，进入辊式输 送机运送到焙烧炭块库。密度检测不合格的阳极炭块由废块输送机运至系统之外 用车运走。 1 3 5 焙烧及炭块库 由生阳极工段振动成型的合格阳极块，经悬链式冷却输送机，辊式输送机送 到炭块库中板式输送机进行编组，每组1 0 块炭块库内设三台堆垛天车，用堆垛天 车把成型送来的编组后的生阳极块进行堆垛。当焙烧炉需要装炉时，用堆垛天车 把1 0 块为二组的炭块吊运到链式输送机上，经过生块翻转编组机编组，编成7 块为 一组的另一种形式( 侧立形式) 。 焙烧设备选用一台3 4 室敞开式环式焙烧炉，分2 个火焰系统，每个火焰系统6 室运转，焙烧曲线1 6 8 小时每个炉室有7 个炉箱，每个炉箱装三层，每层7 块，每个 炉室共装1 4 7 块。焙烧炉以重油为燃料。焙烧的装出炉作业用焙烧多功能天车完 成按照预先编制的时间表将装好的生阳极炭块和填充料的焙烧炉室接在加热系 统内，对生炭块进行焙烧作业。每个炉室的火道温度由常温加热到1 2 0 0 左右， 切断热源脱离加热系影待炉室冷却到规定温度后，即可进行出炉作业。首先用多 功能天车将覆盖在阳极块上部的填充料抽出，然后再用多功能天车把最上面一层 阳极块夹运到熟块清理机组上，经过清理、翻转、编组( 平放，按长方向排列，1 0 块为一组) 然后进入板式输送机送往炭块库，再用堆垛天车把l o 块为一组的焙烧 炭块吊往焙烧炭块库堆放。当阳极组装需要用炭块时，也用堆垛天车向组装工序 送料。 焙烧的装出炉作业是同时进行的，多功能天车除完成炭块的装出炉外，还要 完成装、吸填充料的作业，在出炉、装、抽吸填充料的作业过程中，收尘器收集的 粉尘，进入一粉尘输送系统，将粉尘输送至粉尘仓，供生阳极工段使用。 1 3 6 残极处理工段 从阳极组装工段残极压脱机落下的碎炭块，经裙式输送机进入p e f 6 0 0 9 0 0 m i t i 颚式破碎机破碎，再由带式输送机运往圆锥破碎机破碎后，经带式输送 机、斗式提升机进入残极料仓。从残极压脱机上的大块用电动葫芦吊出与焙烧废 品阳极组装废品以及成型废品等进入5 0 0 吨残极破碎机破碎。破碎料经带式输送 机进入圆锥破碎机后，经带式输送机、斗式提升机提升，生碎进入生碎返回料仓， 残极碎及焙烧碎合并进入残极返回料仓，以供下道工序使用。返回料系统的生产 安排，应将生、熟料分丌分别进行。 1 3 7 化验室 化验室利旧。 1 4 预焙阳极配方 预焙阳极配料主要由三种原料组成，它们是煅烧石油焦( 含残极) f 简称干 料) 、沥青和生阳极破碎料( 简称生碎料) 。 1 4 1 干料 干料是阳极生产主要成分，一般占阳极组成的8 0 以上。它的粒度分布如下： 粗焦m m ： 5 一1 5 m m 中粒度焦m m ：1 5 m m 细粒度焦 m m ：0 一l 哪 粗残极 帅：5 1 5 m m 中粒度残极 m m ：，o 一5 m m 球磨粉料 m m ： 0 1 ；6 5 2 ：m i n u s 0 0 7 4 m m 1 4 2 生碎 生碎料来自于生产过程中产生的生阳极废品，经破碎后得到。它可以直接加 入混捏机。它占阳极的组分比较校。粒度要求如下： 生碎m m ：0 5 0 1 4 3 液体沥青 沥青是阳极生产的粘结剂，液体沥青约占糊料量的1 6 。 1 4 4 物料平衡表 表1 5 物料平衡表 收入t ，a 支出 t a 锻后石油焦 4 3 4 5 4 6 2 15飞扬损失18 5 12 6 5 改质沥青1 1 6 9 31 6 7 2 氧化损失 1 8 3 72 6 3 残极 1 4 7 7 12 1 1 3 技术损失 6 2 3 0 8 9 1 成品 6 0 0 0 08 5 8 1 总计 6 9 9 181 0 00 0 总计6 9 9 】81 0 0 o o 1 5 主要设备的能力计算 1 5 1 沥青熔化库 一、沥青破碎设备的选型计算 1 需要生产量：l l ，6 9 3 t a 2 破碎能力：7 t h 3 设备运转率：8 5 4 工作制度：每天工作3 班，每班6 5 h ，年工作2 5 0 天 5 需要台数： 丽淼_ 0 4 台，取一台。 6 验算：按快速沥青熔化装置4 5 t h 计算 揣删台，取一台。 因此，选用p c b 6 0 0 x4 0 0 锤式破碎机。 二、快速沥青熔化装置的选型计算 1 需要生产能力：1 0 7 0 t a 2 熔化能力：4 5 t a 3 设备运转率： 8 5 4 工作制度：每天工作3 班，每班8 h ，年工作2 5 0 天 5 需要台数： 丽_ 0 4 7 台，取一台。 6 设备负荷率： 4 7 7 验算：混捏锅4 台，每台产量3 5 t h ，其中生碎占3 ，沥青占物料总量的 1 6 ( 不包括生碎) ，故正常生产所需沥青量为： 4 3 5 ( 1 3 ) 1 6 = 2 1 7 t h ，故可满足要求。 1 5 2 生阳极 一、煅烧石油焦随筛分级组的选型计算 1 需要生产量：4 3 2 3 7 t a 2 机组产能：1 5 t h 3 设备运转率： 8 2 4 工作制度：每天工作3 班，每班7 h ，年工作3 0 0 天 5 需要机组数： i i i 善詈= o 5 6 个，取一个机组。 ，3 0 0 x 3 7 o 8 2 1 5 。 6 设备负荷率：5 6 选用1 台反击式破碎机，1 台d 3 5 0 斗式提升机和2 台串联的双层振动筛。 二、残极中碎筛分机组的选型计算 1 需要生产量：1 5 9 9 5 t a 2 机组产能：5 t h 3 设备运转率： 8 2 4 工作制度：每天工作3 班，每班7 h ，年工作3 0 0 天 5 需要机组数： = _ 譬望未= o 6 2 个，取一个机组。 3 0 0 3 7 o 8 2 5 6 设备负荷率： 6 2 选用l 台反击式破碎机，l 台d 3 5 0 斗式提升机和1 台双层振动筛。 三、磨粉设备的选型计算 1 需要生产量：2 5 2 8 8 t a 2 设备能力：4 t h 3 设备运转率：8 0 4 工作制度：每天工作3 班，每班7 h ，年工作3 0 0 天 5 需要台数： = _ 毒罢：1 2 5 台，取两台。 3 0 0 3 7 o 8 4 6 设备负荷率：6 3 ： 选用两台中2 1 3 7 m 风扫式球磨机。 四、混捏设备选型计算 1 需要生产量：6 9 6 4 3 t a 2 设备能力：3 5 t h 3 设备运转率： 8 5 4 工作制度：每天工作3 班，每班7 h ，年工作3 0 0 天 5 需要台数： 竺! 塑 ：3 7 2 台，取五台( 其中一台备用) 3 0 0 3 x 7 o 8 5 3 5 6 验算：按单块振动成型机1 4 t h 计算，需4 台混捏锅供料，备用1 台，共5 台。 7 设备负荷率： 9 3 选用五台4 0 0 0 l 热媒加热混捏锅。 五、成型设备 1 需要生产量：6 6 5 2 3 t a 2 设备能力：1 4 t f 3 设备运转率： 8 2 4 工作制度：每天工作3 班，每班7 h ，年工作3 0 0 天 5 需要台数： 丽淼姐9 2 台，取一台。 6 设备负荷率：9 2 选用转台式振动成型机。 1 5 3 焙烧车间 一、焙烧炉 。 每个火焰系统l7 室，焙烧瞌线1 6 8 小时，6 室运转。每个炉室7 个料箱，每个料 箱装三层，每层7 块，每个炉室装1 4 7 块。 1 年需装炉量：8 1 5 2 3 块a 2 设备的：1 4 7 块2 8 h 3 设备运转率： 9 5 4 工作制度：每天工作3 班，每班8 h ，年工作3 6 5 天 5 需要台数： 垂蠡2 1 8 7 个火焰系统，取两个口 6 设备负荷率： 9 4 选用3 4 室敞开式环式烙烧炉，装各两个火焰系统。 二、焙烧多功能天车的设计选型计算 焙烧炉选用3 4 室敞开式环式培烧炉，两个火焰系统，每个炉室7 个料箱，每个 料箱装三层，每层7 块，每个炉室装1 4 7 块，焰烧曲线为2 8 h 。 1 所需装、出炉量：2 8 h 需装、出炉各2 炉 2 设备能力：按本设计焙烧炉计算，装炉时间为1 5 2 h 炉，出炉时间为1 5 2 h 炉 3 设备运转率： 7 0 4 工作制度：每天工作3 班，每班7 h ，年工作3 6 5 天 5 需要台数： 筹姐4 t 台，取一台 6 设备负荷率：4 1 1 5 4 残极处理 、残极破碎机的选型计算 1 需要生产量：( 组装废品) 1 2 0 0 + ( 培烧废品) 1 2 2 4 十( 成型废品) 2 7 7 2 + ( 残 极返回量) 1 3 5 7 l 1 3 = 9 7 2 0 t a 注：假定残极有1 3 要经过残极破碎机。 2 设备能力： 5 t h 3 设备运转率：8 2 4 工作制度：每天工作2 班，每班6 h ，年工作3 6 5 天 5 需要台数： 丽罴= 0 5 4 台，取一台。 6 设备负荷率： 5 4 选用5 0 0 t 残极破碎机 1 6 敞开式焙烧炉 1 6 1 概述 九十年代末期以来，铝用碳素的焙烧技术得到了快速发展无论是其工艺性 能、产能规模、节能效果、经济效益，都是与过去所采用的培烧炉技术所不能比 拟的。 我国目前所采用的阳极焙烧炉技术，基本上还是八十年代初期的技术水平， 炉型相对落后，主要表现在：装炉量小，炉子产能低( 产能与炉子占地面积之比 为1 1 5 吨产能平方米炉子占地：而较先进的炉子该参数为1 6 2 吨产能平方米炉 子占地) ；炉子料箱尺寸设计不合理，需要的焙烧曲线长( 一般为3 6 至4 0 小时曲 线；而较先进的炉型采用的焰烧曲线为2 4 至2 8 小时) ，造成炉子产能大幅度降低， 炉子热能消耗大幅度增加；炉用耐火材料总重量大( 耐火材料用量与炉子产能 之比约为o 2 1 吨耐材吨产能，而较先进的炉型则为o 1 6 吨耐材吨产能) 造成炉 子蓄热损失大，能耗增加：自动化程度低，炉子的燃烧控制粗放( 基本没有自动 化控制) ，形成的炉内温度场和压力场极不合理，导致挥发份燃烧不充分，进入烟 道排出炉外，既浪费了能源，增加了产品热耗，又给烟气净化带来难度；由于以 上原因，引起了焙烧炉热耗大幅度增加( 热耗约为5 8 5 万至6 6 0 万u 吨产品，而先进 的炉子该指标仅为2 5 1 万k j 吨产品) 。 随着焙烧炉自动控制系统的技术和多功能天车技术，以及新材料的发展，阳 极焙烧炉的料箱向着深、窄方向发展；炉用耐火材料向着低重量、低热导率、高 效节能的方向发展。以瑞士和法国铝业公司为代表的新型焙烧炉技术已经成熟， 并在世界各地使用。基于焙烧炉技术的发展，连城铝厂工程采用国内最新的焙烧 炉设计技术，并采用国外的自动控制技术。 本工程采用的敞开式阳极焙烧炉，具有温度分布均匀、上下和水平温差小、 焙烧曲线短、能耗低、产量大、便于机械化操作、降低沥青烟污染等特点其特 点如下： 1 、炉墙及炉底的耐火材料选用低密度、高强度、低导热率的新材料，减少耐 火材料总用量，使炉子的蓄热损失及散热损失相对于旧式炉子减少了3 0 以上。 2 j 火道的设计利用先进的热场、压场分析成果，采用最优化设计方案，使火 道内的上下温差、沿料箱长度方向的温差尽可能小，从而使料箱中的阳极上下温 差和水平温差控制在5 0 之内。 3 、在火道墙适当的区域内，火道砖体立缝不打泥浆，以保证在适合的负压作 用下，将料箱内阳极块逸出的沥青挥发份完全引入火道充分燃烧，既改善了火道 内的温度分布，又减少了炉子的燃料消耗，同时也减轻了、由于沥青挥发份逸出给 车间和大气环境带来的污染。 4 、该焙烧炉具有装炉量大、装出炉的机械化程度高等特点，一个火焰系统可 生产多阳极3 4 万吨年。装炉方式采用侧立装方案，配合以先进的多功能天车， 使装出炉操作大大简化。 该焙烧炉配合以国外引进的先进燃烧设各及控制系统，焙烧曲线将大大缩短 每2 6 2 8 小时移动一次炉面设备，吨产品能耗将低于3 1 0 6 k j ，从而使阳极产品 的生产成本有大幅度的降低，有利于提高企业的整体经济效益。 1 6 2 焙烧炉描述 本工程焙烧采用3 4 室敞开式焙烧炉一台，共设2 个火焰系统，每个火焰系统6 室运转，焙烧曲线为2 8 h 室，总加热时间为1 6 8 小时每个炉室7 个料箱，炉箱尺寸 5 2 8 0 f m ( 长) 7 1 0 m m ( 宽) 5 3 0 0 j i l ( 深) ，每箱装3 层，每层装7 块，每个炉室装1 4 7 块，焙烧炉尺寸为1 0 8 7 8 0 m m ( 长) 2 8 7 0 0 m m ( 宽) 6 8 0 0 1 1 1 m ( 高) 。焙烧炉用重油作为 加热燃料。 1 7 阳极系统的计算机控制 1 7 1 阳极系统控制概述 阳极生产为电解槽提供阳极炭块，是电解铝生产的重要组成部分，为了保证 阳极生产的产品质量及提高管理控制水平，在本生产系统中拟采用a b 公司的 c o n t r o l l o g i x 控制系统来实现各主要工段的实时监控，同时各工段的监控系统通 过网络连接至主控室( 设于生阳极工段，用于管理调度) ，使管理人员可集中监控 各工段的操作运行。 c o n t r o l l o g i x 系统在它的内核中设计有通信功能，c o n t r 0 1 l o g i x 的无源数据 总线采用了p r o d u c e r c o n s u m e r 技术以提供高性能的、确定性的以及分布式的解 决方案。这种灵活的结构允许多个处理器、网络以及u o 在一个机架中搭配使用而 没有限制，随着系统的生长，c o n t r o l l 也t 将提供分布控制的链路至附加的机架。 c o m 0 1 l o g i x 系统的特点： 1 ) 无缝性：易于和已有的基于p l c 的系统进行集成，现有网络上的用户能够发 送接收信息或透明地对其他网络上的控制器进行编程。 2 ) 快速性：为了在e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i e c e n e t 、r e o t e i o 和 d a t a h i g h w a y p l u s 等网络中快速传送信息，毋需可编程序控制器就可以处理通信。 3 ) 伸缩性：提供一个模块化的通信方法，加入的连网模块可多可少，可根据需 要确定。 4 ) 可靠性：毋需一个专用控制器就允许通信，减少了潜在的通信故障。 5 ) 工业适应性：提供了一个硬件平台，其设计制能够经受工业环境中的振动、 过热和电气噪声等。 6 ) 扩展性：建立了一个能够集成多种技术的平台。目前从通信开始，将来能够 扩展。 1 7 2 沥青熔化控制方案 采用p l c 加计算机进行监控，仪表监测和控制主要内容如下： 1 ) 固体沥青料位检测； 2 ) 沥青熔化系统液位检测及温度自动控制；测量参数：0 2 0 0 ： 3 ) 热媒系统温度及压力自动检测；测量参数：0 2 6 0 、o 0 6 m p a ； 1 7 3 生阳极工段控制方案 本工段主要包括生阳极制造包括中碎筛分、磨粉、配料、混捏和成型等生产 工序。拟采用p l c 加计算机进行监控，另本工段控制室作为中央控制室，可同时监 视沥青熔化及热媒锅炉工段的运行情况。本工段仪表监测和控制主要内容如下： 1 ) 煅后焦、生碎、残极料仓的料位检测和称重计量： 2 ) 磨机磨音自动检测； 3 ) 磨机进出口差压自动控制测量参数：o 5 0 0 p a ： 4 ) 配料料量实行自动检测及自动配料； 5 ) 混捏锅温度及排料闸门远方控制；测量参数：o 1 8 0 ； 6 ) 热媒系统温度、压力检测与控制；测量参数：o 2 9 0 、o o 6 m p a 。 1 7 4 焙烧工段控制方案 敞开式环形焙烧炉炉室多，焙烧周期长，火焰系统需按照一定的温度曲线变 化来进行操作，因此控制好焙烧曲线对于产品的质量，产量、能耗和生产效率非常 重要，为此本工段控制系统将采用引进设备及技术。 每个火焰系统有三个连续的区组成：预热区、加热区和冷却区。 预热区内设备包括排烟连通罩和温度、压力测量架，排烟连通罩由每个火道 一个烟量控制系统组成。每个火道的温度和压力由专门的控制系统检测，一个现 场监测和控制系统安装在排烟架上。 加热区设备包括特定的燃烧架，燃烧架配有可控烧嘴和温度传感器：每个燃 烧架配有一个现场监控系统。 冷却区设备包括两个冷却架，冷却架用于冷却焙烧后的阳极。i 焙烧控制系统由中央处理器及现场控制系统构成。 现场控制系统( 连接于排烟架和燃烧架) 连接到焙烧炉周围的现场局域网，其 主要功能有： 1 ) 采集工艺过程中的数据。 2 ) 现场控制的给定值计算和比例积分微分命令的计算。 3 ) 传递命令给操作机构。 4 ) 控制报警、故障和其它信号。 5 ) 能够同中央处理器交换数据等。 中央处理器监控整个阳极焙烧炉的运行，其主要功能有： 1 ) 控制运转炉室的温度和压力及燃烧系统的所有操作机构，通过多变量控制 器处理所有的命令和进行给定值计算。 2 ) 实时监控，以图象、模型、表格、或曲线方式提供所有的燃烧装置的信息。 数据管理，可进行数据存储、分析及打印。 第二章电解系统设计 2 1 电解工艺简介 电解铝生产采用熔盐电解法。铝电解生产所需的原材料为氧化铝和氟化盐， 电解所需的直流电由整流所供给。氧化铝在直流电的作用下，还原出金属铝。生 产电解铝的设备称作为电解槽。电解槽主要由碳素材料为主体的阳极和阴极组 成。 电解铝生产所需的氧化铝、氟化盐由汽车从厂外运至厂内的氧化铝及氟化盐 仓库，由浓相输送系统将氧化铝直接吹送至位于两栋电解厂房中间的新鲜氧化铝 贮槽。氧化铝经过电解烟气净化系统成为载氟氧化铝，由气力提升机送入载氟氧 化铝贮槽，再由超浓相输送系统送至每台电解槽的料箱中。 厂外运入的阳极炭块，由阳极组装车间组装成阳极碳块组供电解槽使用。生 产过程中的残极，从电解槽上卸下后送往阳极组装车间处理。残极炭块返回阳极 炭块工厂，铝导杆按工艺处理后重新组装阳极。 铝电解生产用的直流电能，由毗邻的整流所，通过连接母线导入串联的电解 槽。 图2 1铝锭生产流程 电解槽产出的液态原铝，由压缩空气造成的负压吸出，吸入出铝抬包，送往 铸造车间。 在铸造车间，将铝液注入混合炉，并按产品牌号的要求，进行合理调配、精炼 和静置。通过铸造机，浇铸成重熔用铝锭或合金棒。铸造成品经质量检验、打捆、 称重后由内燃叉车送入成品堆场。 为检查原材料的成份及产品质量，设计了专门为铝生产服务的化验室。 2 2 电解计算机控制系统 为了稳定电解生产工艺过程，降低能耗，改善工人操作条件，提高劳动生产率 和科学管理水平，国内外大型预焙阳极电解槽均采用了计算机控制技术。近几年 在实现智能化控制、槽控机和控制软件方面都有很大的进步。 2 2 1 控制系统硬件配置 铝电解槽控制系统是本着控制功能分散与决策管理集中的原则进行设计的。 采用集散式多级分布式控制和决策管理相结合的结构形式，系统分为过程控制， 过程管理监控级( d d c s c c 级分布式结构) ，将系列数据采集，过程监控和生产管 理有机地结合，使控制系统具有可靠性高，适应性强和灵活方便等特点。系统硬件 配置如下图所示： 过程监控缓 盯网 ti s c c 缓亩l l i 总线接口机 总线接口机 if ii d d c 驽 审寺l 图2 2铝电解槽控制系统的硬件配置 2 2 2 过程控制级( d d c 级) 每台电解槽配备一台智能槽控机作为槽控系统的d d c 级。它是一台高度智能 化的槽控机。它具备精确的数据采集电路，并安装有氧化铝浓度自适应控制软件， 集数据采集，槽况解析，信息显示，生产自动控制等功能于一身。其主要控制功能 是： a 、信号采集功能：在线同步采集槽电压、系列电流，接受并处理与人工作业 工序相关的各种手动信号。 b 、槽况解析功能：实时地解析槽况变化趋势，并作出相应的诊断和预报。 c 、控制功能：氧化铝浓度自适应控制、极距调节和打壳下料、出铝、阳极转 接、边部加工等过程控制。 d 、自渗断功能：诊断并记录和显示自身的运行状态和故障部位。 e 、生产管理功能：显示并存储各种槽状况信息和控制过程信息。 f 、实时显示工艺参数、效应信息、控制参数和管理参数。 2 2 3 过程管理监控级( s c c 级) s c c 级由图中过程管理监控机与总线接口机组成。总线接口机与过程管理监 控机采用n t 网联接，而总线接口机与智能槽控机采用b i t b u s 现场分布式控制总线 相联。 系列电流信号经过接口箱转换成频率信号，并经隔离、放大，通过系列电流总 线送至各台槽控机。系列电压信号经接口箱进行a d 转换后，送至过程管理监控 机。 s c c 级的主要功能如下： a 、电解质温度动态预报与炉膛内形在线仿真。 b 、槽况专家模糊诊断：对电解槽热行程、冷行程、热槽、冷槽、电压波动、 滚铝、氧化铝浓阳区域阳即出预报以剧下制态叫断。 c 、根据槽况修正氧化铝浓度设置和槽设定电压，计算氟化铝加料量，在线下 达处铝量。 d 、槽控机设定参数查看修改功能。 e 、显示和打印槽电压、系列电流、电解槽控制过程、槽控机控制状态等多 种信息显示方式可由菜单来选择。 f 、槽状态曲线显示功能：可查看多种参数的历史曲线。 g 、可实现槽电压异常、阳极效应等自动语音报警功能。 h 、存储、生成和自动打印班报、日报、旬报、月报和换极表功能。 i 、通过监控网络与工厂的其他工作站交换数据，实现生产管理一体化。 2 2 4 c k j l | i 智能控制机主要技术特点 c k j i i i 智能槽控机是电解铝生产过程控制的专用设备，它能在电解车间这 样的环境下稳定工作，具有抗冲击、振动和粉尘，阻及较强的温度适应性；由于采 用高度集成化的控制电路，维修简单，有利于电解槽的连续生产。 槽控机高度集成化：槽控机采用高集成度芯片，集c p u 、a d 和u 0 等在一块主控 6 一 板上，省去许多总线接口器件及接插器件，板上器件布局合理，抗干扰能力强。槽 控机智能化：槽控机具有精确的数据采集电路，并安装有功能强大齐全的控制软 件，集数据采集，槽况解析，信息显示，生产自动控制等功能于一身。是一台( 对 一) 安全独立的智能槽控机。 数据采集精确化：槽控机采用高性能的v f ( a d 6 5 0 ) 、i f 转换器，具有温漂小， 精度高，抗干扰性能强等特点。槽电压输入范围o 1 l o v 时系统精度0 0 2 以下。 在o 一5 v 时，系统精度o 0 2 在5 1 1 0 v 时，系统精度0 0 5 控制方法现代化：槽控机安装有智能化控制软件，它应用现代控制理论，将氧 化铝浓度自适应控制和槽况智能诊断专家系统相结合，实现铝电解控制的现代 化。 语音广播自动化：控制系统采用多媒体技术，增加了自动广播功能，计算机自 动广播槽况，如：效应、手自动、系列电压、系列电流等信息，为电解生产提供极 大的方便。 结构简单、布局合理化：槽控机结构分为动力箱和逻辑箱两个独立部分，整个 逻辑部分只用三块板一主控板、显示板和检测板，动力箱采用的元器件，寿命长， 可靠性高，外型美观，整个箱体布局合理，结构简单，体积小，实现挂墙安装。 操作、维护简单化：槽控机设计面向现场操作及维护，操作工人可直接通过面 板上的按钮及显示等与槽控机进行对话，操作简单实用。工人无需具备专业知识 或进行专门的培训。槽控机还具有功能强大的白诊断功能，定时或随机对槽控机 各主要电路及器件进行在线检测，并随时显示或在上位机打印故障信息，使维护 人员能及时发现故障，及时维护，保证系统的可靠性。 2 2 5 系统主要软件功能 系统软件主要包括五部分：电解质温度动态跟踪，电解质温度自动控制，电解 槽状态在线监测和报警，氧化铝浓度自适应控制及专家模糊诊断系统。 一、电解质温度动态跟踪 电解质温度动态跟踪实际上就是根据电解槽能量收入和支出的不断变化，不 断对槽内体系能量平衡进行模拟。电解槽能量收入是指输入的电功率；而能量支 出则包括电化学反应消耗能量，熔体、原料、槽结构本身加热所需能量以及各种 能量损失。在热场计算及实际修正的基础上，以某一时刻的能量平衡点为基准， 对任一扰动之后的能量平衡状态进行重新计算，得到一新的平衡点。新的平衡点 将对应新的电解温度和新的槽膛内型。因此，根据能量收支的变化，可对电解质温 度和槽膛内型作出动态预报。动态计算的数学模型由式( 1 ) 表示： p t 印。要：昙( 般罢) + 昙( 母娶) + 昙( 恐罢) + 9 ( 1 ) 式中：p 为网格材料密度、c p 为网格材料的比热、( 缸，缈，乜) 为网格材料的导热 系数、f 为时间采用有限差分法求解偏微分方程。 动态跟踪计算开始后，可随时显示任一时刻某电解槽的温度，显示出某时刻 的槽膛内型，并按要求计算出一段时间内的平均温度。 二、电解质温度的自动控制 电解质温度与电解质分子比、电解槽设定电压及铝液高度有着很强的相关 性。电解质温度就要通过槽设定电压、氟化铝加料量、铝水平来调节。本系统通 过对在线数据和离线输入数据的分析，确定出当日氟化铝添加量，并输出新的设 定电压参与控制。实现了通过调节氟化铝加料量和设定电压对电解质温度的自动 控制。电解质温度与设定电压、分子比、铝水平之间有如下的数量关系： 瓦= o l + 4 2 4 ，+ 口3 + k “一口4 d f 2 ) 乩口2 ，口3 ，口4 为常数，为分子比，为设定电压( v ) ，k 为铝水平( c m ) 。 1 氟化铝加料量的确定： 实际观察发现，氟化铝对电解质分子比的调整存在着滞后性。加入到电解质 中的氟化铝并非立即调整分子比，而是”沉积”于内衬和侧部结壳中，在一定条件 下再释放出来( 一般有3 5 天的滞后时间) 铝电解槽的氟化铝基本消耗量在槽启 动4 0 0 天左右渐趋稳定，具体数据值取决于槽的具体情况如效应、原料种类等 氟化铝加料量的计算采用式( 3 ) ： 4 m ，= x + 4 + 彳。+ ( z 一王) + 4 ( 7 ：一z 1 ) ( 3 ) 以为基本加料量( k g t ) 。4 、一：为常数，7 ：为目标温度。z 为当日的温度，z 一。为 前一天的温度，k 为效应调整系数。 2 设定电压修正 控制系统根据温度数据和铝水平，参考分子比分析结果，计算出新的设定电 压修正值矿，并送至槽控机j 由槽控机按新的设定电压对电解槽进行控制。新设 定电压由下式计算： t = k o + k ( 4 ) 为目标工艺条件下