何智軍

(廣西德保百礦鋁業(yè)有限公司， 廣西 德保 533700)

0 前言

電解生產(chǎn)的有害煙氣在排煙風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下，通過排煙管網(wǎng)進(jìn)入凈化系統(tǒng)除塵器，與新鮮氧化鋁進(jìn)行吸附反應(yīng)，反應(yīng)后生產(chǎn)的載氟氧化鋁吸附在濾袋上，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，濾袋附著的氧化鋁厚度增加，布袋阻力增大，集氣效率隨之降低。因此，必須定時(shí)將吸附在濾袋上的載氟氧化鋁吹落，這一過程就是清灰，清灰后濾袋過濾風(fēng)量、風(fēng)速得到更新。早期的清灰手段采用機(jī)械進(jìn)行振蕩，機(jī)械振蕩對(duì)于附著力較強(qiáng)的介質(zhì)清灰困難、清灰效果差。后期發(fā)展的逆氣流清灰法，使得除塵器實(shí)現(xiàn)連續(xù)清灰。1957年，雷英納爾發(fā)明的脈沖袋式除塵器[1]，通過控制壓縮空氣在噴射器分流作用下誘導(dǎo)周圍氣流迅速引入濾袋內(nèi)，增加濾袋內(nèi)部壓力使其產(chǎn)生劇烈膨脹和沖擊振動(dòng)將吸附的粉塵層剝離[2]，達(dá)到快速在線清灰的目的，濾袋壓力損失更趨于穩(wěn)定、濾袋壽命更長(zhǎng)、氣流更加平穩(wěn)，集氣效率得到很大提高。

1 傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式存在的問題

除塵器脈沖噴吹因其先進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)被各行業(yè)廣泛應(yīng)用，其清灰方式一般有定阻控制、手動(dòng)控制和定時(shí)自動(dòng)控制三種方式。定阻控制一般只用于調(diào)試時(shí)期，手動(dòng)控制一般用于自動(dòng)控制出現(xiàn)故障后手動(dòng)操作的清灰，而定時(shí)自動(dòng)控制是脈沖噴吹普遍采用的清灰方式。電解鋁企業(yè)的除塵器脈沖噴吹清灰方式基本上都是采用定時(shí)自動(dòng)控制，即依次噴吹完一個(gè)箱體的所有噴吹閥后再進(jìn)行下一個(gè)箱體的噴吹，以此類推循環(huán)，一個(gè)噴吹周期經(jīng)常要1 h左右，每個(gè)箱體之間的壓力變化很大，這種以自然數(shù)排序的噴吹方式屬于傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式。

1.1 傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式對(duì)氣流的影響

以某電解鋁廠煙氣凈化系統(tǒng)除塵器脈沖噴吹(圖1)為例，1套除塵器設(shè)置兩列，一列設(shè)置1#—10#箱體，另一列設(shè)置11#—20#箱體，我們以其中一列1#—10#箱體為例。噴吹結(jié)束后，吸附在濾袋上的氧化鋁層被吹落，箱體過濾速度得到快速更新，阻力降低，進(jìn)入箱體的煙氣流量會(huì)明顯增大，而長(zhǎng)時(shí)間沒有噴吹的箱體濾袋上吸附粉塵較多，過濾風(fēng)速減慢，煙氣流量逐漸減少，煙氣氣流向壓差較小的箱體流動(dòng)[3]。離噴吹結(jié)束時(shí)間越近箱體阻力越低，接近1個(gè)噴吹周期沒有噴吹的箱體阻力越大，這種傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式就引起除塵器各個(gè)箱體之間的氣流分配不均勻，而且這種不均勻會(huì)隨著除塵器清灰箱體的移動(dòng)而變化。

圖1 某電解鋁廠除塵器及煙管平面示意圖(①②③④為負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn))

1.2 傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式對(duì)除塵器負(fù)壓的影響

以圖1除塵器為例，采用兩端進(jìn)氣，除塵器1#—5#箱體負(fù)責(zé)前段20臺(tái)電解槽的煙氣捕集，6#—10#箱體負(fù)責(zé)后20臺(tái)電解槽的煙氣捕集。當(dāng)噴吹從第1個(gè)箱體開始向第10個(gè)箱體完成一個(gè)周期噴吹后，凈化系統(tǒng)煙管各負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)的壓力因波動(dòng)而呈現(xiàn)出周期性的變化，如圖2所示。

圖2 除塵器入口煙管負(fù)壓變化圖

由圖2可知，①②負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力會(huì)隨著噴吹箱體的移動(dòng)而上下波動(dòng)，整個(gè)負(fù)壓變化呈曲線交替變化，波動(dòng)值達(dá)到-100～-150 Pa左右。當(dāng)開始噴吹1#—5#箱體時(shí)，②負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力會(huì)從-570 Pa左右逐步上升到-690 Pa左右，6#—10#箱體時(shí)對(duì)應(yīng)的①負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力則會(huì)從-700 Pa左右逐步下降到-580 Pa左右；當(dāng)噴吹到第6#—10#箱體時(shí), 1#—5#箱體的②負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力逐步從-690 Pa下降到-570 Pa左右，而①負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力則從-580 Pa上升到-710 Pa；另一列除塵器③④負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力也對(duì)應(yīng)發(fā)生交替變化。

1.3 傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式對(duì)電解槽負(fù)壓的影響

傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式使除塵器煙管入口負(fù)壓以曲線變化進(jìn)行波動(dòng)，作用到每一臺(tái)電解槽的負(fù)壓也會(huì)相應(yīng)發(fā)生波動(dòng)。一般除塵器一個(gè)噴吹周期為40～70 min，某電解鋁廠除塵器單室箱體設(shè)置22個(gè)噴吹閥，噴吹間隔設(shè)置為15 s,噴吹一個(gè)周期為55 min，根據(jù)圖1的煙管和箱體設(shè)計(jì)布局，1#—5#和6#—10#箱體通過煙管各連接20臺(tái)槽，噴吹1#—5#和6#—10#箱體各需要27.5 min。當(dāng)噴吹到任何一個(gè)箱體時(shí)，負(fù)壓變化都會(huì)作用到相連接的20臺(tái)槽，每臺(tái)電解槽負(fù)壓也會(huì)隨著噴吹的移動(dòng)每隔27.5 min出現(xiàn)一次波動(dòng)。電解生產(chǎn)中由于槽型一致，每臺(tái)槽生產(chǎn)過程中散發(fā)的煙氣量也基本一致，必須按一定范圍內(nèi)的負(fù)壓進(jìn)行排煙。雖然影響壓力變化的因素較多，很難做到等量排煙，但是應(yīng)該盡量減小負(fù)壓波動(dòng)的范圍，一般電解槽以支煙管負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力為參考，負(fù)壓波動(dòng)變化應(yīng)控制在≤-30 Pa以下。除塵器①②③④負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力在-570～-710 Pa之間波動(dòng)，實(shí)測(cè)單臺(tái)電解槽負(fù)壓在-40～-60 Pa之間波動(dòng)，電解槽集氣效率不高，無組織排放增大。

某電解鋁廠生產(chǎn)槽型較大，根據(jù)排煙量需求，每臺(tái)槽的支煙管負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)的壓力要保持在-300 Pa左右才能實(shí)現(xiàn)正常排煙，采用時(shí)序清灰方式的電解槽負(fù)壓曲線波動(dòng)如圖3所示。由圖3可知，水平線條是滿足電解槽排煙需要的負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)線，曲線線條負(fù)壓在-260～-320 Pa波動(dòng)，遠(yuǎn)大于≤-30 Pa的要求；波谷-260 Pa左右的負(fù)壓滿足不了排煙量需求，電解槽集氣效率低；相反，波峰-320 Pa左右的負(fù)壓就超過了電解槽排煙需求，不僅影響電解槽保溫，還增加了排煙風(fēng)機(jī)的電能消耗。

圖3 單臺(tái)電解槽負(fù)壓變化曲線

2 新型排序清灰方式

為了克服傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式存在的上述問題，某電解鋁廠采用新型清灰方式對(duì)傳統(tǒng)清灰控制方式進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 新型排序清灰方式的噴吹方式

新型排序清灰方式，不是一次性吹完一個(gè)箱體的所有噴吹閥，而是只選擇其中幾個(gè)噴吹閥進(jìn)行噴吹，一般1～4個(gè)閥為宜，然后依次進(jìn)入下一個(gè)箱體對(duì)應(yīng)的幾個(gè)噴吹閥，直至所有噴吹閥噴吹一次為止為一個(gè)循環(huán)；也可以根據(jù)除塵器及煙管布局的不同特點(diǎn)，采取跳躍式排序噴吹，即先噴吹單數(shù)箱體的幾個(gè)噴吹閥，再進(jìn)行雙數(shù)箱體對(duì)應(yīng)的幾個(gè)噴吹閥噴吹，直至所有噴吹閥噴吹一次為止為一個(gè)循環(huán)，結(jié)束后不用設(shè)置大間隔時(shí)間，重新進(jìn)行初始噴吹即可。

以圖1除塵器單列設(shè)置10個(gè)箱體為例，考慮到1#—5#箱體連接前20臺(tái)槽，6#—10#箱體連接后20臺(tái)槽，為了減少波動(dòng)保持兩端進(jìn)氣流量均衡，采用跳躍式噴吹排序方式更加合理。單個(gè)箱體有22根噴吹管，脈沖閥噴吹按照1個(gè)箱體噴吹2個(gè)閥來設(shè)置，依次排序?yàn)椋旱?#箱體1，12號(hào)閥→第3#箱體1，12號(hào)閥→第5#、7#、9#、2#、4#、6#、8#、10#箱體1，12號(hào)閥；第1#箱體2，13號(hào)閥→第3#箱體2，13號(hào)閥→第5#、7#、9#、2#、4#、6#、8#、10#箱體2，13號(hào)閥；……第1#箱體11，22號(hào)閥→第3#箱體11，22號(hào)閥→第5#、7#、9#、2#、4#、6#、8#、10#箱體11，22號(hào)閥。直至每個(gè)箱體的所有噴吹閥都能依次按設(shè)定的時(shí)序完成，即第10#箱體的第22號(hào)脈沖閥噴吹結(jié)束，表示一個(gè)噴吹周期完成，然后再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

新型脈沖噴吹的時(shí)序調(diào)整，可以是噴吹一個(gè)箱體的1個(gè)閥，也可以是2～4個(gè)閥，前提是單室箱體噴吹閥總數(shù)必須是2～4個(gè)閥的倍數(shù)，才能滿足控制程序的合理設(shè)定。不管采用哪種排序噴吹方式，一個(gè)箱體控制噴吹閥數(shù)量不宜過多，要考慮到箱體之間壓力的平衡，否則就又成了傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式。

2.2 新型排序清灰方式的優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 減小負(fù)壓波動(dòng)，除塵器各箱體的氣流更加平穩(wěn)

傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式各個(gè)箱體之間的壓差差值較大造成氣流分配不均,采用新型排序清灰方式后，由于單室箱體一次性只噴吹1～4個(gè)噴吹閥，單室箱體內(nèi)濾袋過濾更新面積的總量減少，氣流不會(huì)以大流量方式進(jìn)入箱體，這種更新是隨著對(duì)其他箱體的噴吹均勻地分配到其他箱體中去，箱體內(nèi)未噴吹的濾袋上吸附的氧化鋁層比較穩(wěn)定，阻力不會(huì)突然發(fā)生變化。

新型清灰方式采用跳躍式排序進(jìn)行，每個(gè)箱體噴吹2個(gè)噴吹閥，噴吹間隔時(shí)間設(shè)置為15 s,噴吹單數(shù)1#、3#、5#箱體的6個(gè)噴吹閥用時(shí)90 s,噴吹7#、9#箱體的4個(gè)噴吹閥用時(shí)60 s，單數(shù)箱體噴吹用時(shí)合計(jì)150 s；噴吹雙數(shù)2#、4#箱體的4個(gè)噴吹閥用時(shí)60 s，噴吹6#、8#、10#箱體的6個(gè)噴吹閥用時(shí)90 s,雙數(shù)箱體噴吹用時(shí)也是150 s。單數(shù)箱體和雙數(shù)箱體共用時(shí)300 s，即每隔5 min對(duì)箱體的噴吹是平衡進(jìn)行的，真正做到了“一碗水端平”，保證了箱體的噴吹時(shí)間和濾袋過濾面積更新速度一致。然后噴吹依次不斷循環(huán)進(jìn)行，每隔5 min每個(gè)箱體的相同數(shù)量濾袋過濾面積得到更新。這樣，①②③④負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)壓力就會(huì)始終穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值，負(fù)壓保持平穩(wěn)，電解槽負(fù)壓波動(dòng)≤-30 Pa以下,各箱體之間的氣流分配更加均勻、平穩(wěn)；同時(shí)，各箱體之間的壓差差值也更小。噴吹方式優(yōu)化前后除塵器入口壓力對(duì)比如圖4所示，壓差如圖5所示。

圖4 噴吹方式優(yōu)化前后除塵器入口壓力對(duì)比

圖5 清灰方式優(yōu)化前后各箱體壓差對(duì)比

由圖4可知，采用新型脈沖排序清灰方式后，凈化系統(tǒng)除塵器入口負(fù)壓趨于平穩(wěn)，波動(dòng)量大幅減少。由圖5可知，采用傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式，單室箱體噴吹前最高壓差是-1 200 Pa左右，噴吹結(jié)束后壓差急速下降到-900 Pa以下，前后相差-300 Pa左右；而優(yōu)化后差值下降到-60 Pa左右，每個(gè)箱體均勻分配煙氣流量，各箱體之間壓差差值縮小，從而實(shí)現(xiàn)向電解槽提供穩(wěn)定的負(fù)壓。

2.2.2 提高電解槽集氣效率

電解槽集氣效率也稱捕集效率，就是進(jìn)入系統(tǒng)的煙氣量與排煙量之比，一般工藝設(shè)計(jì)值要求98.5%以上，才能減少無組織排放。某電解鋁廠單臺(tái)電解槽設(shè)計(jì)工況排煙量13 600 m3/h，而電解槽的實(shí)際排煙量需進(jìn)行溫度及壓力修正，即按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Q——單槽排煙量，m3/h;

d——管道內(nèi)徑，取0.7 m;

ω——管內(nèi)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速，m/s；

N——?dú)怏w在載流載面處的壓力絕對(duì)值，MPa；

T——絕對(duì)溫度，273.15 ℃；

t——?dú)怏w在截流截面處的實(shí)際溫度，取140 ℃。

采用傳統(tǒng)時(shí)序清灰方式，電解槽支煙管負(fù)壓測(cè)點(diǎn)壓力-260 Pa，測(cè)得通過風(fēng)速11.75 m/s，按式(1)修正后工況排煙量為11 575 m3/h；采用新型排序清灰方式，電解槽支煙管負(fù)壓測(cè)點(diǎn)壓力-300 Pa，測(cè)得通過風(fēng)速13.66 m/s，按式(1)修正后工況排煙量為13 462 m3/h。則通過采用新型排序清灰方式，電解槽集氣效率提升了16.3%，電解槽無組織排放減少。

2.2.3 提高凈化效率

煙氣凈化系統(tǒng)加入的氧化鋁經(jīng)過分料箱后，按工藝需求等量分配到每個(gè)箱體對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器，與煙氣進(jìn)行充分混合來吸附氟化氫氣體，一定量的氧化鋁只能夠吸附一定量煙氣中的氟化氫氣體。如果箱體煙氣流量增大，煙氣中的氟化氫總量相應(yīng)增加，在投料量不變的情況下固氣比濃度降低，氧化鋁對(duì)氟化氫飽和吸附，單個(gè)箱體凈化后的氧化鋁載氟量就會(huì)增加，電解生產(chǎn)需要凈化后氧化鋁有一定的載氟含量，但是載氟量一旦過高，氧化鋁物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，顆粒粒徑變細(xì)變粉，黏性大，流動(dòng)性變差。而箱體煙氣流量減少，煙氣中氟化氫含量也會(huì)減少，加入的氧化鋁量在不變的情況下，固氣比濃度高，氧化鋁吸附反應(yīng)則不足，凈化效率得不到保障。采用新型排序清灰方式后，各箱體之間煙氣流量得到平均分配，在氧化鋁等量均勻投料的情況下，等量煙氣中的氟化氫氣體被等量的氧化鋁所吸附，從而獲得較高的凈化效率，相對(duì)于傳統(tǒng)噴吹方式凈化效率可以提高8%左右。

2.2.4 氧化鋁輸送流程更加暢通

采用新型脈沖排序清灰方式，單個(gè)箱體一次性連續(xù)噴吹濾袋數(shù)量減少，落到灰斗底部的氧化鋁也相應(yīng)減少，而且隨著對(duì)其他箱體的噴吹，吸附在濾袋上的氧化鋁均勻地分配到多個(gè)灰斗中去，杜絕了傳統(tǒng)清灰方式短時(shí)間內(nèi)將整個(gè)箱體濾袋上吸附的大量氧化鋁吹入灰斗底部，造成灰斗排料不暢、甚至堵塞流程的隱患，空提機(jī)(斗提機(jī))負(fù)載瞬時(shí)過高引起的電動(dòng)機(jī)跳閘隱患也得到了完美解決。

3 結(jié)束語

通過積極開展對(duì)鋁電解煙氣凈化系統(tǒng)除塵器的探究，分析對(duì)比傳統(tǒng)和新型脈沖噴吹清灰方式對(duì)凈化系統(tǒng)煙氣流量分布和壓力帶來的不同影響，改進(jìn)和優(yōu)化除塵器脈沖噴吹時(shí)序的清灰方式，促進(jìn)鋁電解煙氣凈化工藝技術(shù)水平的提升。新型脈沖排序清灰方式，可以平衡凈化系統(tǒng)煙管負(fù)壓，減少電解槽負(fù)壓波動(dòng)，有利于凈化系統(tǒng)集氣效率的提高；可以平均分配除塵器各箱體煙氣流量，有利于氧化鋁對(duì)氟化氫的吸附，提高凈化效率，滿足國(guó)家環(huán)保排放指標(biāo)要求；增加回收氟總量，凈化后生成的載氟氧化鋁返回電解槽生產(chǎn)使用，降低氟化鋁單耗，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本。因此，新型脈沖排序清灰方式的應(yīng)用對(duì)鋁電解煙氣凈化工藝的提升具有積極的意義。