王文博,李雪嬌,宋海琛,劉竹昕,胡紅勝,孔曄,薛興釗

(1.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001;2.西安市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,陜西 西安 710061)

電解鋁生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生含有氟化氫、粉塵等污染物的電解鋁煙氣,大部分煙氣經(jīng)電解煙氣凈化系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后通過(guò)煙囪排放,稱為有組織排放;少部分煙氣通過(guò)電解廠房的天窗逃逸到大氣中,稱為無(wú)組織排放[1-2]。通過(guò)無(wú)組織排放的電解鋁煙氣僅占電解鋁煙氣總量的1%～2%,但由于其未經(jīng)任何凈化處理,煙氣中的污染物含量高,其排放的污染物占污染物排放總量的80%以上。降低無(wú)組織排放已經(jīng)成為電解鋁污染物減排方面的重要環(huán)節(jié)[3-4]。

鑒于此,根據(jù)電解鋁煙氣無(wú)組織排放的特點(diǎn),開發(fā)了電解鋁煙氣無(wú)組織排放深度治理技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)、雙煙管排煙系統(tǒng)、殘極煙氣收集系統(tǒng)等多種治理措施將無(wú)組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放,以期達(dá)到減排效果。為了研究該技術(shù)的減排效果,通過(guò)天窗氟化物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以煙氣中污染物氟化物排放量為衡量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)使用該技術(shù)前后電解車間煙氣中氟化物排放量進(jìn)行測(cè)量對(duì)比[5]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

天窗氟化物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氟化氫分析儀主機(jī)、激光發(fā)射及接收器、測(cè)溫裝置、風(fēng)速計(jì)等設(shè)備組成,可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電解車間天窗氣態(tài)氟化物濃度、天窗煙氣流速以及煙氣溫度,通過(guò)式(1)和式(2)可計(jì)算電解車間天窗氣態(tài)氟化物的排放量[6-7]。為了測(cè)試天窗氟化物排放總量,根據(jù)《大氣固定污染源氟化物的測(cè)定離子選擇電極法》(HJ/T67-2001)進(jìn)行人工采樣測(cè)試,結(jié)果表明電解車間天窗逃逸的氣態(tài)氟化物與固態(tài)氟化物的平均比值約為4。通過(guò)式(3)對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的氣態(tài)氟化物散發(fā)量進(jìn)行折算,從而計(jì)算出電解車間天窗氟化物排放總量。

C=C標(biāo)T標(biāo)P/(P標(biāo)T)

(1)

MHF=0.0864CV1S喉口/Q

(2)

M總=MHF(1+f)/f

(3)

式中:C標(biāo)、C——標(biāo)況下、工況下天窗排放的氣氟濃度,mg/Nm3及mg/m3;

T標(biāo)、T——標(biāo)況下、工況溫度,K;

P標(biāo)、P——標(biāo)況下、工況下大氣壓,Pa;

V1——工況下的喉口風(fēng)速,m/s;

S喉口——電解車間單臺(tái)電解槽對(duì)應(yīng)天窗通風(fēng)器喉口面積,m2;

Q——電解車間單臺(tái)電解槽原鋁每日平均產(chǎn)量,t/d;

MHF、M總——單位原鋁產(chǎn)量對(duì)應(yīng)天窗氣態(tài)氟化物、氟化物排放總量,kg/t-Al;

f——無(wú)組織排放煙氣中氣氟與固氟的比值。

2 電解鋁煙氣無(wú)組織排放深度治理技術(shù)減排效果研究

2.1 電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)

原有電解槽采用的是“下煙道”集氣形式,并且存在罩板變形、密封材料破損等問(wèn)題,導(dǎo)致廠房?jī)?nèi)無(wú)組織排放增加,集氣效率低,同時(shí)被引風(fēng)機(jī)帶入到凈化系統(tǒng)中的煙氣量少。電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)分別通過(guò)提高電解槽的密閉率和電解槽集氣均勻性來(lái)提高電解槽的集氣效率。為了分析電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)對(duì)無(wú)組織排放的減排效果,利用天窗氟化物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電解槽相同排煙量的條件下,對(duì)改造前后的氟化氫排放進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表1所示。

表1 密封及上部集氣系統(tǒng)改造前后參數(shù)對(duì)比

由表1數(shù)據(jù)可知,通過(guò)增設(shè)電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng),可以從整體上提高電解槽的集氣效率。在相同的煙氣量條件下,電解車間氟化物排放總量從0.81 kg/t-Al減少至0.58 kg/t-Al,降幅28.4%,說(shuō)明增設(shè)密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)可有效降低電解鋁煙氣的無(wú)組織排放。

2.2 雙煙管排煙系統(tǒng)

雙煙管排煙系統(tǒng)主要通過(guò)增大電解槽排煙量來(lái)減少開槽操作時(shí)的煙氣泄露,從而減少電解鋁煙氣無(wú)組織排放。通過(guò)對(duì)比電解槽在增設(shè)雙煙管系統(tǒng)前后煙氣流量的變化,來(lái)確定雙煙管排煙系統(tǒng)的集氣能力。并利用天窗氟化物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量改造前后氟化氫排放的變化量,從而衡量雙煙管排煙系統(tǒng)對(duì)電解鋁煙氣無(wú)組織排放的減排效果。對(duì)原有電解槽進(jìn)行雙煙管系統(tǒng)改造,對(duì)比雙煙管系統(tǒng)在開、關(guān)兩種不同情況下電解槽排煙量,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 雙煙管排煙系統(tǒng)煙氣量對(duì)比圖

由圖1可知,在電解槽增設(shè)雙煙管系統(tǒng)后,開槽作業(yè)時(shí)煙氣量能夠比原有單煙管系統(tǒng)時(shí)增大1.5倍以上,說(shuō)明通過(guò)增設(shè)雙煙管系統(tǒng)后,增加了電解鋁煙氣由無(wú)組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放的量。

在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過(guò)增設(shè)雙煙管系統(tǒng),增大開槽作業(yè)時(shí)排煙量,將電解車間無(wú)組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放,將雙煙管系統(tǒng)改造前后對(duì)比情況列于表2中。由表中數(shù)據(jù)可知,通過(guò)增設(shè)雙煙管系統(tǒng)后,電解車間氟化物排放總量由0.58 kg/t-Al減少至0.47 kg/t-Al,進(jìn)一步降低電解鋁煙氣的無(wú)組織排放。

表2 雙煙管系統(tǒng)改造前后無(wú)組織排放參數(shù)對(duì)比

2.3 殘極煙氣收集系統(tǒng)

殘極煙氣收集系統(tǒng)通過(guò)殘極集氣箱、排煙管道及排煙風(fēng)機(jī)等,將殘陽(yáng)極產(chǎn)生的煙氣送至電解煙氣凈化系統(tǒng)中進(jìn)行處理,使殘陽(yáng)極散發(fā)的大部分煙氣由無(wú)組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放[8]。通過(guò)測(cè)量殘極集氣箱中氟化氫散發(fā)規(guī)律,并利用天窗氟化物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量殘極煙氣收集系統(tǒng)改造前后氟化氫散發(fā)量的變化,從而衡量殘極煙氣收集系統(tǒng)對(duì)電解鋁煙氣無(wú)組織排放的減排效果。

在特定風(fēng)量(3800 Nm3/h)條件下,測(cè)試殘極集氣裝置內(nèi)氟化氫的排放規(guī)律。殘極集氣裝置中氟化氫散發(fā)量及占比隨時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 殘極集氣箱中氟化氫散發(fā)隨時(shí)間變化圖

由圖2可知,殘陽(yáng)極煙氣中氟化氫散發(fā)量呈現(xiàn)近似對(duì)數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng),隨著殘陽(yáng)極的放入,氟化氫散發(fā)量在前2個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速增加,而后隨著時(shí)間增加趨于平緩,7個(gè)小時(shí)后不再向環(huán)境中散發(fā)氟化氫污染物。利用天窗氟化物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量殘極煙氣收集系統(tǒng)增設(shè)前后氟化氫散發(fā)量的變化,結(jié)果列于表3中。

表3 無(wú)組織排放參數(shù)對(duì)比

由表3數(shù)據(jù)可知,在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過(guò)增設(shè)殘極煙氣收集系統(tǒng)后,電解車間氟化物排放總量由0.58 kg/t-Al減少至0.37 kg/t-Al;將密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)、殘極煙氣收集系統(tǒng)以及雙煙管系統(tǒng)同時(shí)改造完成并投入使用后,電解車間氟化物排放總量由0.81 kg/t-Al減少至0.24 kg/t-Al,減排幅度達(dá)到70.4%,大幅降低了電解煙氣的無(wú)組織排放,說(shuō)明電解鋁煙氣無(wú)組織排放深度治理技術(shù)起到明顯的減排效果。

3 結(jié) 論

采用天窗氟化物在線檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)電解鋁煙氣無(wú)組織排放深度治理技術(shù)的減排效果進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:

(1)通過(guò)增設(shè)電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng),可以從整體上提高電解槽的集氣效率。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,電解車間氟化物排放總量從0.81 kg/t-Al減少至0.58 kg/t-Al,降幅達(dá)到28.4%;

(2)在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過(guò)增設(shè)雙煙管系統(tǒng),電解車間氟化物排放總量減少至0.47 kg/t-Al;

(3)在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過(guò)增設(shè)殘極煙氣收集系統(tǒng),電解車間氟化物排放總量減少至0.37 kg/t-Al;

(4)將密封系統(tǒng)、上部集氣系統(tǒng)、殘極煙氣收集系統(tǒng)以及雙煙管系統(tǒng)同時(shí)投入使用后,電解車間氟化物排放總量由0.81 kg/t-Al減少至0.24 kg/t-Al,減排幅度達(dá)到70.4%。