陰世超

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 前言

電解是將電流通過電解質(zhì)溶液(又稱“電解液”)或熔融態(tài)電解質(zhì)，在陰極和陽極上引起酸根離子、金屬離子的氧化或還原反應(yīng)，從而使金屬在陰極上析出的過程。大宗有色金屬如銅、鉛、鋅、鎳、鈷均采用電解作為精煉工藝，稱作電解精煉。鋅電解液為硫酸鋅溶液，含酸量為100～150 g/L，電解液溫度為35～40 ℃。鋅電解過程中，電極上釋放氧氣和氫氣，這些氣體會(huì)攜帶少量電解液散發(fā)至室內(nèi)空氣中，形成硫酸霧，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境惡劣。為此，通風(fēng)方式的選擇尤為重要。本文對(duì)比當(dāng)下主流通風(fēng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了渦旋通風(fēng)方案，提出了改善車間工作環(huán)境的新思路。

1 酸霧的產(chǎn)生

鋅電解液的主要成分是硫酸鋅、硫酸和水，電解過程總反應(yīng)方程式如下：

ZnSO4+H2O=Zn+H2SO4+1/2O2

(1)

由鋅電解過程化學(xué)反應(yīng)式可知，鋅電解過程中，酸量會(huì)增加，但實(shí)際生產(chǎn)中不但不會(huì)產(chǎn)出多余的酸，還需要補(bǔ)充硫酸(在其他車間)?？梢哉J(rèn)為電解過程增加的部分硫酸以及生產(chǎn)補(bǔ)充的硫酸均以廢水、廢氣、固廢等污染物的形式排出生產(chǎn)系統(tǒng)之外。

目前還難以確切計(jì)算出鋅電解過程中散發(fā)的酸霧量。一般在電解液表面加上一層覆蓋物，使之在電解過程中形成一層泡沫層，有效阻擋酸霧的散發(fā)?！吨赜猩苯鹌髽I(yè)采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)參考資料》中酸霧產(chǎn)生量見表1。

表1 電解槽不同位置酸霧產(chǎn)生量

從表1可以看出，在電解槽面加覆蓋物可以大大減少酸霧的產(chǎn)生。根據(jù)相關(guān)資料[1]介紹，不加覆蓋物，生產(chǎn)每噸鋅的酸霧揮發(fā)量為750 g；加覆蓋物后，生產(chǎn)每噸鋅的酸霧揮發(fā)量為12.5 g。銅電解、鉛電解車間一般出板頻率為1次/周，而鋅電解車間出板頻率較高，大概為1次/d，故溶液循環(huán)量較大，酸霧揮發(fā)量也比較大，車間環(huán)境很差，對(duì)工人的身體健康造成很大的威脅，問題突出，亟需解決。

2 鋅電解車間通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 自然通風(fēng)

2000年前，設(shè)計(jì)的大部分鋅電解車間采用自然通風(fēng)的方式——低側(cè)窗進(jìn)風(fēng)，天窗排風(fēng)，車間多為開敞式。由于鋅電解車間散發(fā)熱量少，熱壓不大，自然通風(fēng)在很大程度上是依靠風(fēng)壓的作用。采用自然通風(fēng)的車間，電解槽盡量單排布置，采用單跨建筑，最大限度地利用穿堂風(fēng)。

自然通風(fēng)雖然投資較低，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，但是可靠性和穩(wěn)定性較差，車間內(nèi)的酸霧濃度難以達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。

目前這種通風(fēng)方式基本已經(jīng)很少采用，主要原因有二：一是現(xiàn)在的電解車間規(guī)模較大，都是多跨設(shè)計(jì)，房間進(jìn)深較大，自然通風(fēng)很難滿足要求；二是基于環(huán)保要求，在自然通風(fēng)的作用下，污染物大部分排至室外，且未經(jīng)凈化，導(dǎo)致全廠環(huán)境較差，在當(dāng)下環(huán)保壓力下，這種方式很難再采用。

2.2 機(jī)械通風(fēng)- 屋頂冷卻塔排風(fēng)

機(jī)械通風(fēng)是目前最流行的通風(fēng)方式，利用工藝?yán)鋮s塔排風(fēng)，冷卻塔設(shè)在車間兩端，排風(fēng)口設(shè)在屋頂，屋頂設(shè)玻璃鋼風(fēng)管，風(fēng)管接至冷卻塔風(fēng)機(jī)入口。一般換氣次數(shù)可達(dá)到24次/h。

屋頂冷卻塔排風(fēng)的通風(fēng)方式比自然通風(fēng)效果稍好，室內(nèi)環(huán)境得到了相應(yīng)的改善，而且利用工藝原有冷卻塔，只需加大冷卻塔軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，設(shè)備的投資變化不大。

屋頂冷卻塔排風(fēng)在一定程度上改善了車間環(huán)境，但由于冷卻塔風(fēng)機(jī)壓力不足，酸霧質(zhì)量較重等問題，室內(nèi)環(huán)境仍需要改進(jìn)[2]。

3 鋅電解車間通風(fēng)新技術(shù)

3.1 機(jī)械通風(fēng)- 渦旋通風(fēng)

渦旋通風(fēng)方式是對(duì)屋頂冷卻塔通風(fēng)方法的一種改進(jìn)，在不改變屋頂通風(fēng)的情況下，在電解槽四周增加渦旋通風(fēng)，進(jìn)一步改善室內(nèi)環(huán)境。

3.1.1 酸霧的運(yùn)動(dòng)特性

硫酸液滴和一般氣態(tài)污染物的運(yùn)動(dòng)特性存在差異。酸霧在電解槽附近產(chǎn)生，粒徑和密度較大。液滴因受到重力作用不像氣態(tài)污染物那樣對(duì)氣流有很好的跟隨性。硫酸液滴對(duì)氣流的跟隨性和液滴的粒徑相關(guān)，粒徑越大，液滴對(duì)氣流的跟隨性越差。液滴在豎直方向的運(yùn)動(dòng)速度和氣流運(yùn)動(dòng)速度存在差異。液滴粒徑與沉降速度的關(guān)系如圖1所示。分析發(fā)現(xiàn)，粒徑為10 μm的液滴沉降速度為0.003 m/s，粒徑為50 μm的液滴沉降速度則接近0.1 m/s。通過分析鋅電解過程中產(chǎn)生的液滴的粒徑分布特性發(fā)現(xiàn)，大粒徑液滴的沉降速度與槽面上熱氣流的上升速度(0.2～0.3 m/s)接近。因此硫酸液滴噴射進(jìn)入環(huán)境中并跟隨熱氣流上升的距離有限。由于液滴很難上升，其在槽面附近停留的時(shí)間較長(zhǎng)，而槽面附近的相對(duì)濕度較高，抑制了液滴的蒸發(fā)作用，使得液滴較長(zhǎng)時(shí)間保持在大粒徑狀態(tài)。

圖1 液滴粒徑與沉降速度的關(guān)系

同時(shí)，槽面附近的液滴因?yàn)橛鹆鞯臄U(kuò)散作用、液滴的湍流擴(kuò)散作用或干擾氣流作用會(huì)水平擴(kuò)散，從而對(duì)工作區(qū)工人身體健康產(chǎn)生危害。

3.1.2 渦旋通風(fēng)

屋頂通風(fēng)的排風(fēng)口與電解槽的距離約為10 m。根據(jù)流體力學(xué)匯流原理，在距離排風(fēng)口一倍排風(fēng)口直徑距離時(shí)，排風(fēng)速度衰減到最大排風(fēng)速度的10%左右。由于排風(fēng)速度在垂直方向上迅速衰減，電解槽附近排風(fēng)的作用幾乎為0。這就導(dǎo)致污染物大多聚集在電解槽周圍的走道區(qū)域，不利于工人操作，環(huán)境很差，嚴(yán)重?fù)p害工人的身體健康。

基于上述原始通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的排風(fēng)口距離污染源位置過遠(yuǎn)、污染物在房間下部滯留的問題，提出一種新型渦旋通風(fēng)方案。該方案基于龍卷風(fēng)、塵卷風(fēng)等柱狀空氣渦旋原理，利用柱狀空氣渦旋對(duì)污染物捕集效果好、污染物傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，通過在電解槽兩側(cè)設(shè)置角動(dòng)量送風(fēng)裝置，配合屋頂排風(fēng)口，在廠房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)“人造龍卷風(fēng)”，有效地將沉積于房間下部的污染酸霧卷吸到屋頂排風(fēng)口處排出室外[3]。

以河南某項(xiàng)目為例，對(duì)車間電解槽進(jìn)行分區(qū)控制，每跨電解槽設(shè)置兩組方向相反的渦旋通風(fēng)子系統(tǒng)(整個(gè)車間共計(jì)8組渦旋通風(fēng)子系統(tǒng))，將槽面散發(fā)的污染物匯聚并沿渦管輸送至屋頂排風(fēng)口，屋頂排風(fēng)口的高度同樣高于行車，整個(gè)車間的渦旋通風(fēng)示意圖如圖2、圖3所示，各組渦旋通風(fēng)子系統(tǒng)之間互不影響。其中每組渦旋通風(fēng)子系統(tǒng)中空氣渦旋的形成依賴于電解槽兩側(cè)走廊旁布置的4個(gè)送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口寬2.25 m，高1 m。為了使送風(fēng)能夠以渦旋流動(dòng)的形式進(jìn)入污染物控制區(qū)內(nèi)生成渦旋，各個(gè)送風(fēng)口送出的風(fēng)具有一定的角度。由于渦旋控制區(qū)為長(zhǎng)方形(10.9 m×16 m)，因此送風(fēng)口2和4采用30°角斜吹的方式，送風(fēng)速度為7 m/s；送風(fēng)口1和3采用垂直送風(fēng)的方式，送風(fēng)速度為3.5 m/s。送風(fēng)口的送風(fēng)可用大尺寸工業(yè)風(fēng)扇+均流百葉實(shí)現(xiàn)。為了保證各組渦旋之間互不干擾，在兩跨之間設(shè)置高約5 m的輕質(zhì)隔斷墻(薄木板、鐵皮等材質(zhì)均可)。

圖2 渦旋通風(fēng)俯視圖

圖3 渦旋通風(fēng)側(cè)視圖

應(yīng)用渦旋通風(fēng)方案時(shí)，室內(nèi)單跨局部的工作區(qū)位置污染物濃度分布如圖4所示。使用渦旋通風(fēng)方案后，電解槽釋放的污染物被送風(fēng)形成的渦旋匯聚在槽面控制區(qū)內(nèi)，隨渦旋氣流直接被輸運(yùn)至屋頂排風(fēng)口排出。與原屋頂冷卻塔排風(fēng)方式相比，渦旋通風(fēng)方案可有效降低工作區(qū)內(nèi)污染物濃度、減少污染物在室內(nèi)的滯留量和滯留時(shí)間，有效提升通風(fēng)系統(tǒng)性能，并有望降低總排風(fēng)量、節(jié)約能耗。

圖4 渦旋通風(fēng)作用下室內(nèi)某一跨電解車間內(nèi)的污染物相對(duì)濃度分布

通過對(duì)比渦旋通風(fēng)方案與原始設(shè)計(jì)屋頂冷卻塔排風(fēng)方案，可以發(fā)現(xiàn)在排風(fēng)量相同的情況下，采用渦旋通風(fēng)方案，槽面散發(fā)的污染物被渦旋聚集在控制區(qū)內(nèi)，有效解決了污染物向車間四周擴(kuò)散的情況。同時(shí)平臺(tái)工人工作區(qū)以及電解槽兩端走廊的污染物濃度明顯降低，保障了工作人員的安全。除此之外，使用渦旋通風(fēng)方案需在電解槽周圍設(shè)置角動(dòng)量送風(fēng)裝置，配合屋頂排風(fēng)實(shí)現(xiàn)渦旋通風(fēng)效果，不會(huì)大幅提高初期投資。且渦旋通風(fēng)方案設(shè)備占地面積小，不影響工人及行車正常生產(chǎn)操作。同時(shí)，渦旋通風(fēng)有望在保證室內(nèi)環(huán)境的情況下，進(jìn)一步降低排風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)降低通風(fēng)量、節(jié)約能耗的目的。

3.2 機(jī)械通風(fēng)- 下排風(fēng)

隨著各地環(huán)保要求越來越高，加之現(xiàn)階段鋅電解物料越來越復(fù)雜，雜質(zhì)越來越多，只用冷卻塔洗滌已經(jīng)不能滿足環(huán)保要求，車間尾氣需要通過酸霧凈化塔洗滌方可排放。

基于酸霧的物理性質(zhì)，在不受任何外力的情況下，酸霧會(huì)沉積在車間下部，因此提出下排風(fēng)的方案。在車間兩側(cè)設(shè)置酸霧吸收塔，尾氣經(jīng)過酸霧吸收塔凈化后達(dá)標(biāo)排放。

圖5為江西某鋅電解車間的剖面圖。該方案的主要特點(diǎn)是將電解槽下方做成一個(gè)靜壓箱，走道與電解槽中間設(shè)5 mm縫隙，空氣從縫隙中被吸進(jìn)靜壓箱內(nèi)，形成空氣幕，阻止酸霧向走道蔓延，使酸霧順利進(jìn)入風(fēng)管，排至酸霧凈化塔內(nèi)[4]。排風(fēng)換氣次數(shù)約為35次/h，電解槽走道設(shè)封閉式蓋板。另外在電解槽面高約3 m處設(shè)送風(fēng)系統(tǒng)，形成一道空氣幕，阻止酸霧上升。送風(fēng)、排風(fēng)雙管齊下，使電解槽走道板的位置形成一個(gè)小氣候，制造一個(gè)較為舒適的環(huán)境。

圖5 車間下排風(fēng)剖面圖

3.3 酸霧凈化

酸霧凈化用設(shè)備主要有填料塔、噴淋塔、鼓泡塔、湍球塔等，如圖6[5]所示。

圖6 各種吸收裝置的示意圖

填料塔塔體內(nèi)設(shè)置了幾層填料，增加了噴淋液與氣體的接觸時(shí)間，提高了凈化效率。噴淋塔一般配有3～6個(gè)噴淋聯(lián)管，每個(gè)聯(lián)管裝有10～50個(gè)噴嘴，進(jìn)入吸收塔的酸性氣體可以與噴淋液緊密接觸，回落的噴淋液經(jīng)過循環(huán)泵增壓循環(huán)噴淋。鼓泡塔主要原理是氣體通過噴射分配器以一定壓力進(jìn)入吸收液，鼓泡區(qū)中的氣泡不斷生成，提高凈化效率，但是技術(shù)難度較大，適應(yīng)酸霧濃度較高的尾氣[6]。中和液一般選2%～6%的NaOH溶液，溶液濃度不能過高或過低。如果溶液濃度過高，尾氣中會(huì)產(chǎn)生粉末狀物質(zhì)；如果濃度過低，中和液更換過于頻繁，增加后期水處理成本。

4 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在以后的設(shè)計(jì)中，自然通風(fēng)方案已經(jīng)被淘汰，機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)是較優(yōu)通風(fēng)方式。

對(duì)于環(huán)保要求較為嚴(yán)格的地區(qū)，可設(shè)置下排風(fēng)系統(tǒng)。該方案的優(yōu)點(diǎn)：尾氣處理效果較冷卻塔排風(fēng)方案好，尾氣容易達(dá)標(biāo)；充分利用酸霧的物理性質(zhì)，使大部分尾氣排至電解槽以下，操作區(qū)工作環(huán)境好，在保證工人職業(yè)健康的情況下還可以提高工作效率。該方案的缺點(diǎn)：初投資較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，建議風(fēng)機(jī)設(shè)變頻控制，在非起槽工段可以降低風(fēng)機(jī)頻率，節(jié)約用電。

對(duì)于一般地區(qū)，推薦采用屋頂排風(fēng)+渦旋通風(fēng)方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：通過渦旋通風(fēng)，使酸霧順利排至屋頂，進(jìn)入冷卻塔洗滌，室內(nèi)環(huán)境較好；設(shè)備初投資、運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)是：隨著環(huán)保的要求日益嚴(yán)格，冷卻塔尾氣達(dá)標(biāo)成為新的問題。對(duì)于已有屋頂冷卻塔排風(fēng)系統(tǒng)的改造項(xiàng)目，特別適合采用渦旋通風(fēng)，因?yàn)樵摲桨竿顿Y少，見效快，施工周期短。但是對(duì)于不同的項(xiàng)目，需要做好數(shù)值模擬，選擇不同的渦旋風(fēng)機(jī)。