王立穎,李云清,陳延軍

（中國(guó)鋁業(yè) 青海分公司生產(chǎn)安全部,西寧 810108）

優(yōu)化電解鋁煙氣干法凈化技術(shù)

王立穎,李云清,陳延軍

（中國(guó)鋁業(yè) 青海分公司生產(chǎn)安全部,西寧 810108）

鋁電解煙氣集氣及凈化系統(tǒng)由各鋁電解槽集氣罩、排煙管、氧化鋁貯倉(cāng)、文丘里反應(yīng)床、袋濾器組、主排煙機(jī)及煙囪組成.中鋁青海分公司原一、二期電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)存在污染物排放超標(biāo)、物料損失嚴(yán)重的問(wèn)題.通過(guò)對(duì)凈化系統(tǒng)的電解槽集氣效率的改進(jìn)、對(duì)凈化吸附反應(yīng)器的改進(jìn)、對(duì)物料輸送系統(tǒng)的改進(jìn)、對(duì)布袋除塵器的改進(jìn)提出完整的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到減少污染物的排放,改善作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的目的.

1 電解鋁煙氣干法凈化技術(shù)

干法凈化工藝流程包括電解槽集氣、吸附反應(yīng)、氣固分離、氧化鋁輸送、機(jī)械排風(fēng)等;鋁電解含氟廢氣集氣及凈化系統(tǒng)由各鋁電解槽集氣罩、排煙支管、排煙干管、排煙總管、氧化鋁貯倉(cāng)、文丘里反應(yīng)床、袋濾器組、主排煙機(jī)及煙囪組成.

2 電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)存在的問(wèn)題

中鋁青海分公司 （以下簡(jiǎn)稱 “公司”）一、二期電解煙氣干法凈化技術(shù),是上個(gè)世紀(jì) 70年代后期的引進(jìn)技術(shù),原設(shè)計(jì)中,單臺(tái) 160 kA槽的每小時(shí)排煙量是按引進(jìn)技術(shù)的指標(biāo) 6 000m3/h計(jì)算的.沒(méi)有考慮到青海高原大氣壓力低的因素.企業(yè)所在地的年平均大氣壓只有 77 327 Pa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 10 1325 Pa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.公司一期凈化系統(tǒng)始建于 1986年,采用的凈化除塵器是內(nèi)濾式大型反吹風(fēng)除塵器.布袋規(guī)格為內(nèi)徑 300mm,長(zhǎng) 10 000 mm （該設(shè)備為當(dāng)時(shí)鋁行業(yè)第一家使用）.存在問(wèn)題:主要是布袋長(zhǎng),清灰效果差,除塵器阻力大.外加集氣管道長(zhǎng),除塵器入口風(fēng)速低易積料,末端槽甚至沒(méi)有負(fù)壓.公司二期凈化系統(tǒng)采用菱形反吹風(fēng)外濾式除塵器,當(dāng)時(shí)也為第一家使用,設(shè)計(jì)存在不完善的地方,設(shè)備制造粗糙,除塵器的上蓋變形嚴(yán)重,無(wú)法密封,漏風(fēng)嚴(yán)重,氣缸閥板密封不嚴(yán),清灰效果差,污染物超標(biāo)排放.通過(guò)對(duì)中鋁青海分公司電解煙氣凈化先進(jìn)的技術(shù)的研究,實(shí)施技術(shù)改造,降低原料消耗,改善作業(yè)環(huán)境,提高企業(yè)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)促進(jìn)整個(gè)鋁電解煙氣凈化收塵技術(shù)的提高具有積極作用.

3 煙氣凈化優(yōu)化技術(shù)研究?jī)?nèi)容

3.1 電解槽集氣效率的改進(jìn)

3.1.1 電解槽集氣罩的改進(jìn)

電解槽內(nèi)部集氣罩設(shè)計(jì)為底面三角形的長(zhǎng)方型箱體,側(cè)部開有集氣孔,打殼下料箱貫穿上下,三角底部?jī)蓚€(gè)打殼下料箱間開有排料口.目前電解槽集氣罩內(nèi)存在吸氣分配不均和積料現(xiàn)象嚴(yán)重.造成積料原因是:集氣罩下部排料口經(jīng)灼燒變形,加之操作工往槽中添加保溫料等工作時(shí),人為揚(yáng)起一些塊電解質(zhì)通過(guò)側(cè)部集氣孔進(jìn)入集氣罩堵塞了下料口使煙氣中沉積的粉塵及下料漏的氧化鋁排料不暢,集氣罩內(nèi)若積料過(guò)多會(huì)影響對(duì)電解煙氣的吸抽.技術(shù)改進(jìn):

（1）為防止集氣罩積料在集氣罩底部設(shè)置排料孔,使得飛揚(yáng)進(jìn)入內(nèi)部的氧化鋁無(wú)法積聚,設(shè)計(jì)排料孔的尺寸時(shí)充分考慮氧化鋁安息角,但排料孔不能設(shè)置過(guò)大,否則將會(huì)對(duì)集氣罩的氣流均布產(chǎn)生影響.

（2）煙氣在電解槽中的散發(fā)并非均勻分布,火眼出煙氣排放量較電解槽大面的排放多得多,因此有針對(duì)性地加大此處集氣孔徑,有效抑制氟化物無(wú)組織排放.

（3）提高槽蓋板、和槽上部結(jié)構(gòu)的密封,也可提高集氣效果.目前槽蓋板蓋放率、完好率較好,但槽蓋板間彌合不嚴(yán)密,槽上部打殼氣缸四周,導(dǎo)桿四周存在縫隙,需進(jìn)一步密封.因此需重新設(shè)計(jì)蓋板的蓋放角度、提高制作精度、邊緣安裝石棉布密封條、槽上部打殼氣缸四周用異型磚密封、導(dǎo)桿四周縫隙用石棉布密封,將電解槽的縫隙面積控制在 0.2～0.3m2.

3.1.2 提高電解槽負(fù)壓的改進(jìn)

（1）現(xiàn)有電解槽負(fù)壓的研究

在實(shí)現(xiàn)了良好的電解槽密封的情況下,提高電解槽的負(fù)壓也可以更大程度的減少氟化物的無(wú)組織散發(fā).根據(jù)流體力學(xué)理論可知,負(fù)壓與風(fēng)量的函數(shù)關(guān)系為 P=KQ2,也就是說(shuō)負(fù)壓與風(fēng)量的平方正線性相關(guān).因此,通過(guò)提高系統(tǒng)的負(fù)壓達(dá)到減少煙氣擴(kuò)散是可行的.

通過(guò)實(shí)測(cè)確定合理的單臺(tái)排煙量:凈化系統(tǒng)排煙機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行,調(diào)節(jié)電解槽支煙管閥角度,直到電解槽所有可見(jiàn)縫隙不再冒煙為止,所有縫隙均處于負(fù)壓狀態(tài).測(cè)定煙氣量和煙氣中總氟量,取其平均值即得電解槽的排煙量和散氟量.逐步關(guān)閉閥門,減小排煙量,同時(shí)測(cè)定煙氣中總氟量與排氟量.根據(jù)多次測(cè)定結(jié)果,繪制排煙量與排氟量的關(guān)系曲線.在相應(yīng)排煙量下的排氟量與電解槽總散氟量之比,即為該排煙量下的單槽集氣效率.此外,還要測(cè)定煙氣中粉塵量和熱量,這樣繪制一系列關(guān)系曲線.根據(jù)各關(guān)系曲線,可求出電解槽的“合理排煙量”.在此排煙量下,通過(guò)排煙管排出的灰塵量較小,而排氣氟量和排熱量較大.

（2）技術(shù)參數(shù)的調(diào)整

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)考慮中鋁青海分公司地處高原氣壓較低的實(shí)際情況,同時(shí) 160 kA電解槽強(qiáng)化電流到 180 kA,現(xiàn)有設(shè)計(jì)的電解槽120 Pa負(fù)壓和 6 000m3/h的單槽排煙量已不能滿足集氣效率達(dá)到 98%的設(shè)計(jì)指標(biāo),實(shí)測(cè)合理的排煙量應(yīng)達(dá)到 10 500m3/h.

（3）技術(shù)改進(jìn)

主要工藝參數(shù)的調(diào)整帶來(lái)一系列的問(wèn)題.原有的凈化系統(tǒng)無(wú)法滿足生產(chǎn)的需要,必須新建一套電解煙氣凈化系統(tǒng),分擔(dān)負(fù)荷.相應(yīng)的物料輸送、排煙管路等工藝流程需優(yōu)化組合,才能達(dá)到物料、煙氣量的平衡.

在電解第四、五通道之間的空地上新建一套電解煙氣凈化系統(tǒng),新建系統(tǒng)各分擔(dān) 100臺(tái)電解槽的排煙,其余 160臺(tái)電解槽的排煙由原有凈化系統(tǒng)分擔(dān).新建系統(tǒng)充分利用原有的排煙管路,減少工程投資,不能利用的部分重新制作安裝.新建70m混凝土煙囪,氧化鋁雙層儲(chǔ)倉(cāng),物料提升裝置,專用空壓站.新建系統(tǒng)采用較先進(jìn)的自動(dòng)控制水平,硬件及軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和開放式設(shè)計(jì),具有靈活的可擴(kuò)展性.

管道的合理配置可以最大限度地減少管路阻力,達(dá)到節(jié)省能源、改善集氣效果和便于調(diào)節(jié)的目的.原有凈化充分利用原有管路,每組處理 40臺(tái)電解槽的煙氣,每臺(tái)電解槽的排煙按 10 500m3/h設(shè)計(jì),總排煙量為 420 000m3/h.新建系統(tǒng)的排煙匯總口設(shè)置在 50臺(tái)電解槽的中間位置,既實(shí)現(xiàn)了煙氣管路的最小阻力原則,又便于平衡調(diào)節(jié).利用原有的地下煙道管路,重新抹面貼瓷磚,減少管道阻力.為防止管路破損漏風(fēng)影響集氣效率,延長(zhǎng)投料后管道的使用壽命.

3.2 凈化吸附反應(yīng)器的優(yōu)化改進(jìn)

（1）氧化鋁吸附反應(yīng)機(jī)理

氣膜擴(kuò)散、微空擴(kuò)散、吸附、一部分吸附物從吸附劑表面上脫落、脫落的氣體再擴(kuò)散到氣相中去.在吸附系統(tǒng)中只要提供足夠的湍動(dòng),讓吸附物與吸附劑能充分接觸,促進(jìn)氣流擴(kuò)散并增大傳質(zhì)速率,可得到較好的吸附效果.反應(yīng)按下式進(jìn)行:

有試驗(yàn)表明:1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、80℃下,噸鋁排氟 17 kg/t-A l,單臺(tái)排煙量為 6 000m3/h時(shí),HF濃度為 128.8 m g/Ndm3;一克工業(yè)用氧化鋁吸附0.015 g HF,吸附反應(yīng)時(shí)間為 0.1 s;實(shí)際上,在吸附管道長(zhǎng)大于 10m,煙氣流速 13～15m/s的水平管路,氧化鋁與煙氣充分混勻,吸附 HF的反應(yīng)時(shí)間不到 1s即可完成吸附反應(yīng)過(guò)程.

公司一、二電解凈化新增凈化系統(tǒng)后,單臺(tái)排煙量由 6 000m3/h,提高到 10 500 m3/h,集氣效率的提高,煙氣中 HF濃度提高明顯,根據(jù)質(zhì)量作用定律,一定溫度下,A l2O3+6HF→2A lF3+3H2O吸附反應(yīng)速度與 HF濃度的六次方成正比,單臺(tái)排煙量提升至 10 500 m3/h后,氣氟的吸附反應(yīng)速度比原系統(tǒng)將有所提高.

（2）電解凈化系統(tǒng)氟吸附反應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)

電解生產(chǎn)過(guò)程中氣氟是氟化鹽類在電解溫度下水解產(chǎn)生的,水解作用的水分來(lái)源有原料帶入的水分、空氣中的水分、炭氫化和物燃燒產(chǎn)生的水分.由公司凈化系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試表明:氣氟濃度為50m g/Ndm3時(shí),通過(guò)增大氧化鋁在凈化系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù),氧化鋁循環(huán)四次,使固氣比達(dá)到 70～80 g/m3,對(duì)氣氟的凈化效率可達(dá) 98%.反應(yīng)管路總長(zhǎng) 38m,采用兩次投料 （載氟料投料點(diǎn)在前,新鮮料投料在后）兩段吸附反應(yīng)法,煙氣中氧化鋁總固氣比低于 30 g/m3對(duì)氣氟的凈化效率也可達(dá)98%.

公司原一電解凈化系統(tǒng)采用文丘里反應(yīng)器是利用喉口收縮提高此處的風(fēng)速,使得含氟煙氣和新鮮氧化鋁產(chǎn)生紊流充分混合,完成吸附反應(yīng).由于新鮮氧化鋁的投入量受工藝生產(chǎn)的限制,固氣比小于 15 g/m3,需加入載氟氧化鋁.原一電解凈化系統(tǒng)載氟氧化鋁不能在凈化系統(tǒng)循環(huán),加入文丘里反應(yīng)器中的料與煙氣存在混合不均勻的現(xiàn)象,導(dǎo)致凈化效率低.原二電解凈化系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算載氟氧化鋁需在凈化系統(tǒng)循環(huán) 3～4次,但循環(huán)次數(shù)過(guò)多,載氟氧化鋁變粘,凈化系統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)輸料不暢,影響電解生產(chǎn).

（3）技術(shù)改進(jìn)

新建和原系統(tǒng)技術(shù)改造中均采用電解煙氣二次投料兩段干法吸附反應(yīng)法,第一點(diǎn)用圓盤給料機(jī)計(jì)量后將載氟氧化鋁通過(guò)分配箱線性均勻加入反應(yīng)床 （地下煙道）與煙氣充分混合發(fā)生吸附反應(yīng),煙氣溫度 74～94℃,投料量 15 t/h（載氟氧化鋁在系統(tǒng)中的投入量是新鮮氧化鋁的三倍）,固氣比 30 g/m3.距離 18m第二次再用圓盤給料機(jī)計(jì)量后的新鮮氧化鋁通過(guò)分配箱線性均勻加入反應(yīng)床 （地下煙道）,投料量 5 t/h,煙氣中氧化鋁的總固氣比達(dá)到 40 g/m3以上.反應(yīng)管段總長(zhǎng)47.56m,煙氣流速 15～17m/s,吸附反應(yīng)時(shí)間約3 s,保證了充裕的反應(yīng)時(shí)間.兩種不同密度的質(zhì)量流體混合,產(chǎn)生充分的紊流和干擾,使得含氟煙氣得已充分吸附.吸附后的載氟氧化鋁經(jīng)氣固分離后進(jìn)入返回料溜槽,部分返回料再次參與循環(huán)吸附 （保證吸附反應(yīng)的氣固比）,其余利用氣力提升裝置提入雙層儲(chǔ)倉(cāng)上部的載氟料倉(cāng)中.新鮮料與載氟料采用圓盤給料機(jī)可以實(shí)現(xiàn)均勻給料和計(jì)量.所加氧化鋁圓盤計(jì)量后利用分配箱線性均勻加入反應(yīng)床,減短氧化鋁與煙氣混合的時(shí)間,反應(yīng)的有效時(shí)間加長(zhǎng),氧化鋁的破碎率降低.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表 1 優(yōu)化后氟化物吸附反應(yīng)效果

3.3 物料輸送系統(tǒng)的改進(jìn)

（1）物料輸送系統(tǒng)存在的問(wèn)題

物料輸送系統(tǒng)是否合理、可靠是影響吸附反應(yīng)器供料和整個(gè)系統(tǒng)的凈化效率的關(guān)鍵因素,同時(shí)輸料系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著為電解系列供料的任務(wù),因此輸料系統(tǒng)至關(guān)重要.公司原電解系列使用斗式提升機(jī)對(duì)載氟氧化鋁進(jìn)行提升,存在提升能力小、能耗大、維修量大、物料泄漏嚴(yán)重等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了凈化系統(tǒng)的整體技術(shù)更新.氧化鋁長(zhǎng)距離輸送普遍采用稀相輸送技術(shù),稀相輸送存在管道磨損嚴(yán)重,能耗高、氧化鋁破損率高等缺陷.同時(shí),由于新建了凈化系統(tǒng),原有的物料輸送系統(tǒng)已不能滿足生產(chǎn)需要.

（2）對(duì)物料輸送系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化

使用氣力提升裝置對(duì)物料進(jìn)行提升.氣力提升可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化供料,減少人工操作工作量.利用可編程控制器可以達(dá)到自動(dòng)控制的目的,輸送自動(dòng)化程度高,系統(tǒng)運(yùn)行可靠,且輸送提升量大,可達(dá) 24～60 t/h的輸送能力.

在物料輸送長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中采用濃相輸送,濃相輸送是一種適合于干燥細(xì)小的固體顆粒及粉狀物體的輸送技術(shù),具備技術(shù)先進(jìn),運(yùn)行可靠、具有自疏通功能、管道磨損小、輸送距離長(zhǎng)、自動(dòng)化程度高、提升能力強(qiáng),能耗小的優(yōu)點(diǎn).大致可分為供料系統(tǒng)和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),其主要設(shè)備由料倉(cāng)、壓力容器、輸送管道、各種電控元件、壓縮空氣管網(wǎng)等組成.

3.4 布袋除塵器的改進(jìn)

（1）現(xiàn)有布袋除塵器存在問(wèn)題

一電解凈化舊系統(tǒng)袋濾室外形尺寸體積龐大,占地面積大,除塵器袋室內(nèi)空間大,清灰時(shí)粘附在濾袋內(nèi)表面的粉塵在反吹氣流的抖動(dòng)及主排煙機(jī)的抽吸下,將濾袋吸癟,進(jìn)行清灰.但如此龐大的鋼架結(jié)構(gòu)除塵器,箱體的密封已成為除塵器能否良好運(yùn)行的制約因素.

（2）反吹風(fēng)袋式除塵器和脈沖噴吹袋式除塵器的比較

反吹風(fēng)袋式除塵器:利用反吹氣缸對(duì)需進(jìn)行清灰的單室進(jìn)行切換,形成逆向氣流,迫使濾袋縮癟或鼓脹而清灰的,借助除塵器本身的自用壓力或反吹風(fēng)動(dòng)力,屬于低動(dòng)能型清灰.

脈沖噴吹袋式除塵器:利用壓縮空氣為動(dòng)力,利用脈沖噴吹機(jī)構(gòu)在瞬間釋放壓縮氣流,誘導(dǎo)數(shù)倍的二次空氣高速射入濾袋,是濾袋急劇鼓脹,形成沖擊振動(dòng)和反吹氣流進(jìn)行清灰,屬于高動(dòng)能清灰類型.

兩種除塵器現(xiàn)進(jìn)行比較 （按處理電解煙氣50萬(wàn) m3/h風(fēng)量計(jì)）如表 2所示:

700 Pa 0.85m/m in 約 645m2

表 2 兩種除塵器性能比較

脈沖清灰布袋除塵器優(yōu)點(diǎn)有清灰徹底清灰效果好,清灰后袋濾室壓差降低幅度大;過(guò)濾風(fēng)速選擇高,除塵器外形尺寸相對(duì)小,鋼材耗量相對(duì)較小,凈化系統(tǒng)布置很緊湊;濾袋表面料層較厚,含氟煙氣與濾袋表層氧化鋁發(fā)生二次吸附反應(yīng),因此氧化鋁投入凈化系統(tǒng)是采用直接投入煙道而沒(méi)有反應(yīng)器,氧化鋁破碎率低.缺點(diǎn)是清灰徹底,清除了濾料表面形成的粉塵層,在清灰后短時(shí)間內(nèi)造成除塵效率降低;只適用短的圓型布袋（Ф118mm×2 000mm）;需專用無(wú)潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)為氣源,能耗高;主要控制元件脈沖閥要求制作精良 （最好為進(jìn)口件）、安裝精良;否則脈沖閥壽命較短,膜片破損維修工作量大;布袋壽命較短;

公司一、二、三電解凈化采用的反吹風(fēng)清灰布袋除塵器優(yōu)點(diǎn)是適用于大布袋清灰 （Ф300mm×10 000mm,或 3 200mm ×2 000 mm ×2 660mm扁布袋）;清灰后不會(huì)造成瞬時(shí)除塵效率降低,能耗較低.缺點(diǎn)是除塵器較龐大,凈化系統(tǒng)布置較松散;清灰后袋濾室壓降變化不大,過(guò)濾風(fēng)速略微增大就會(huì)造成袋濾室壓差明顯增大;反吹鐵餅閥容易變形造成密封不嚴(yán)容易造成反吹風(fēng)損耗,影響清灰效果.濾料表面料層較薄與含氟煙氣不發(fā)生二次吸附反應(yīng),若為保證凈化效率提高氧化鋁循環(huán)次數(shù),氧化鋁破碎率高,雜質(zhì)含量高,影響生產(chǎn).

綜上所述,選用低壓脈沖除塵器可以更好滿足凈化系統(tǒng)的需要.

（3）其他技術(shù)優(yōu)化措施

袋濾室風(fēng)道鋼板全部更換為 8mm的耐磨鋼板或?qū)?8 mm厚普通鋼板進(jìn)行表面耐磨噴涂處理.

袋濾室密封對(duì)大蓋的密封槽、除塵器本體凸出接合面及布袋下部密封面一并予以校直,并更換所有壓蓋的密封條,這樣徹底杜絕了從壓蓋的外泄漏率.

原系統(tǒng)反吹風(fēng)氣缸閥板的優(yōu)化:原反吹氣缸活塞桿與閥門壓盤之間為螺紋連接,該連接方式在氣缸往復(fù)上下運(yùn)動(dòng)中和氣流作用下很容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng);壓盤與風(fēng)口之間的密封圈為“U”結(jié)構(gòu),在壓盤強(qiáng)大沖擊力作用下很容易將密封圈剪破,而漏風(fēng),影響集氣效率.使用萬(wàn)向接頭剛性密封方式,對(duì)反吹氣缸閥門進(jìn)行改造.

4 效果評(píng)價(jià)

通過(guò)以上新技術(shù)在煙氣凈化中的應(yīng)用使得系統(tǒng)的凈化效率、集氣效率等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)得以提高,達(dá)到項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo).下表分別列出技術(shù)優(yōu)化前后的測(cè)試數(shù)據(jù)加以比較.見(jiàn)表 3、表 4.

表 3 電解煙氣凈化系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化前測(cè)試結(jié)果

電解車間崗位氟化物濃度:3.15m g/Nm3,崗位粉塵濃度:13.2m g/Nm3.

表 4 電解煙氣凈化系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果

電解車間崗位氟化物濃度:0.75m g/Nm3,崗位粉塵濃度:4.0m g/Nm3.

A

1671-6620（2010）S1-0073-04