王忠順， 鄭小寧

(新安硅材料(鹽津)有限公司， 云南 鹽津 657502)

0 概述

浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司全資子公司芒市永隆鐵合金有限公司(以下簡(jiǎn)稱“芒市永隆”)共有四臺(tái)15 000 kVA工業(yè)硅冶煉爐，煙氣采用表面式U型管冷卻器+旋風(fēng)除塵器+正壓式布袋除塵器處理后經(jīng)在線監(jiān)測(cè)并通過煙囪集中排放，正壓式布袋除塵器為現(xiàn)行工業(yè)硅冶煉行業(yè)通用的半封閉式大布袋正壓除塵。煙氣排放指標(biāo)二氧化硫低于《大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)限值550 mg/m3、氮氧化物低于《大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)限值240 mg/m3、顆粒物低于《鐵合金工業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 28666—2012)限值50 mg/m3。

2019年11月，芒市永隆對(duì)現(xiàn)有四臺(tái)15 000 kVA工業(yè)硅冶煉爐進(jìn)行煙氣除塵系統(tǒng)改造并新建煙氣脫硫裝置，其中4#除塵器改造為全封閉型式。改造完成后，二氧化硫、氮氧化物、粉塵等煙氣污染物近一步降低。本文將對(duì)4#除塵器改造進(jìn)行介紹。

1 工業(yè)硅冶煉工藝

芒市永隆工業(yè)硅生產(chǎn)采用電弧爐法，硅石、石油焦、洗精煤、木炭、木片通過自動(dòng)配料系統(tǒng)，按一定的比例配成混合料，由加料車送至冶煉爐進(jìn)行熔煉，達(dá)到出爐條件后開始出爐精煉，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求完成精煉后進(jìn)行澆鑄、精整、破碎，最后包裝入庫。具體的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 芒市永隆工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程圖

2 改造前除塵裝置及系統(tǒng)運(yùn)行方式

2.1 工業(yè)硅冶煉爐煙氣參數(shù)及特點(diǎn)

芒市永隆共有四臺(tái)15 000 kVA工業(yè)硅冶煉爐，單臺(tái)爐設(shè)計(jì)正常生產(chǎn)時(shí)煙氣量為30～35萬m3/h，但在特殊操作過程中煙氣量將異常增大，比如刺火、投料、搗爐、出料或爐況異常時(shí)，最大瞬間煙氣量可達(dá)40萬m3/h以上。

工業(yè)硅爐冶煉生產(chǎn)時(shí)爐氣穿過爐料層進(jìn)入煙罩，與空氣接觸的CO燃燒后生成煙氣，煙氣量的大小及溫度的高低與混入空氣量的大小有直接關(guān)系。工業(yè)硅爐煙氣具有以下特點(diǎn)：

工業(yè)硅爐煙氣排放的周期性和規(guī)律性比較強(qiáng)，且煙塵濃度高時(shí)粉塵粒徑特別細(xì)，氣相級(jí)的二氧化硅屬于納米級(jí)材料，其比表面積巨大，易吸濕、吸油。而且當(dāng)其溫度低于120 ℃時(shí)，容易在管道和風(fēng)機(jī)葉片上二次結(jié)晶或板結(jié)，堵塞管網(wǎng)或?qū)е嘛L(fēng)機(jī)葉片失去動(dòng)平衡。

煙氣溫度很高。通常，爐面溫度在600 ℃左右，在煙罩頂部的集煙箱處溫度可達(dá)450～500 ℃，離集煙箱10米左右煙道內(nèi)，其溫度仍可達(dá)到450 ℃。

煙塵具有二次燃燒性。工業(yè)硅煙塵主要成分為SiO2(俗稱硅微粉、氣相二氧化硅)和未燒盡的炭粉、木屑、焦油、煤粉、一氧化碳等可燃物，偶爾伴有微量還原成單質(zhì)的硅、錳、鎂、鋁、磷等，均可在管道或除塵器內(nèi)與氧氣充分二次燃燒或微爆，因此需要在除塵器前設(shè)置冷卻阻火裝置，煙道及冷卻器、旋風(fēng)塔等設(shè)置泄爆閥。

煙塵具有二次結(jié)晶性。硅微粉在230 ℃以上呈游離態(tài)，不會(huì)結(jié)晶；一旦溫度低于120 ℃，會(huì)急劇結(jié)晶，并以極快的速度富集在低溫區(qū)，很容易將雜質(zhì)、水、油一塊板結(jié)、結(jié)坨堵塞管道或?yàn)V袋。同時(shí)考慮到過高的溫度會(huì)直接影響濾袋的使用壽命，因此工業(yè)硅煙氣進(jìn)入除塵器的溫度一般要求控制在150～200 ℃。

工業(yè)硅冶煉的副產(chǎn)物為微硅粉，硅微粉堆積密度為200～350 kg/m3，比表面積5 000～15 000，容易吸水、吸油而板結(jié)，運(yùn)輸和儲(chǔ)存困難，需要加密裝置進(jìn)行加密，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。經(jīng)加密后硅微粉比重達(dá)800～1 000 kg/m3。

2.2 芒市永隆除塵系統(tǒng)介紹

芒市永隆四臺(tái)15 000 kVA工業(yè)硅冶煉爐均采用半封閉式正壓大布袋除塵器進(jìn)行粉塵處理，工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

冶煉爐的煙氣通過矮煙罩收集由煙道進(jìn)行U型冷卻器，將溫度降低后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器內(nèi)將粗顆粒的粉塵進(jìn)行分離、收集，煙氣從旋風(fēng)分離器的頂部通過除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)入到除塵器內(nèi)。煙氣進(jìn)入除塵器各倉庫的布袋，從布袋內(nèi)向布袋外流動(dòng)，粉塵吸附在布袋內(nèi)側(cè)，煙氣從布袋外側(cè)由煙道送入脫硫裝置處理后再經(jīng)煙囪排放。當(dāng)布袋內(nèi)部的粉塵吸附到一定的量(或定時(shí))時(shí)進(jìn)行清灰，關(guān)閉進(jìn)入該倉室的煙氣，由反吸風(fēng)機(jī)將布袋內(nèi)的灰吸到加密罐頂部的旋風(fēng)分離器，利用重力的原理，灰落入密封罐內(nèi)，煙氣重新回到布袋除塵器前端的旋風(fēng)分離器進(jìn)行循環(huán)。微硅粉在加密罐內(nèi)通過加密風(fēng)機(jī)將密度提升到800～1 000 kg/m3之間，然后進(jìn)行裝袋入庫。

布袋除塵器尺寸為38 800×9 600 mm，高18 600 mm，內(nèi)部倉室按對(duì)稱兩列各8個(gè)，共16個(gè)倉室布置，煙氣由除塵器兩側(cè)下部分別進(jìn)入到各倉室內(nèi)。每個(gè)倉室設(shè)有110條Ф300×10 000 mm的半覆膜布袋，共設(shè)了1 760條布袋。除塵器每個(gè)倉室之間無隔防擋板，是互通的，煙氣從布袋內(nèi)向布袋外側(cè)流動(dòng)后統(tǒng)一由布置在除塵器頂部的3 000×3 000 mm的煙囪排放。除塵器外殼及項(xiàng)部煙囪為彩鋼板結(jié)構(gòu)，下部設(shè)置灰斗，在灰斗與除塵器箱體之間設(shè)置格柵式檢修通道，直接與大氣連通，形成半密封的狀態(tài)。除塵器箱體上部設(shè)有氣窗，當(dāng)除塵器出現(xiàn)故障里可開啟氣窗排氣。

除塵器采用反吸清灰的方式進(jìn)行清灰，即當(dāng)需要進(jìn)行清灰時(shí)，通過反吸風(fēng)機(jī)把布袋內(nèi)的灰吸到加密罐頂部的旋風(fēng)分離器，灰進(jìn)入到加密罐、煙氣重新回到除塵風(fēng)機(jī)前端的旋風(fēng)分離器。由于各倉室間是不隔離的，因此反吸風(fēng)為其他倉室已過濾的煙氣，用以保持除塵器內(nèi)部壓力平衡。進(jìn)入除塵器的煙氣溫度為180～220 ℃，除塵器出口煙氣溫度為160～180 ℃。

煙氣經(jīng)過除塵后，顆粒物指標(biāo)控制在45 mg/m3左右，低于《鐵合金工業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB28666—2012)限值50 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 半封閉正壓大布袋除塵器存在的問題

半封閉正壓大布袋除塵器是目前工業(yè)硅冶煉行業(yè)較為流行的一種除塵方式，具有造價(jià)低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制操作方便等優(yōu)點(diǎn)。但該類型除塵器也存在著很大缺點(diǎn)，除塵效率能夠滿足現(xiàn)行要求，無繼續(xù)優(yōu)化的空間；因結(jié)構(gòu)型式為半封閉式，無法做到100%的集氣率；不符合環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展的理念。

4 全封閉改造思路

為提升除塵效率、提高集氣率、降低粉塵排放指標(biāo)，芒市永隆在建設(shè)脫硫項(xiàng)目時(shí)，提出進(jìn)行除塵器的全封閉開改造，因全封閉的正壓大布袋除塵器目前在國內(nèi)還沒有成熟的案例，因此本次改造以4#除塵器為試點(diǎn)。

本次改造的重點(diǎn)是將半封閉的型式改造成全封閉，由于需要在除塵器后端建設(shè)脫硫裝置，為確保煙氣順利進(jìn)入脫硫裝置，需要在除塵器與脫硫裝置之間設(shè)置一臺(tái)脫硫增壓風(fēng)機(jī)，形成了二級(jí)風(fēng)機(jī)的形式。因此改造的難點(diǎn)是除塵器全封閉后除塵器內(nèi)部各倉室的壓力平衡與前后風(fēng)機(jī)如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的平衡，特別是各除塵倉室隔離后在全封閉的情況下如何觀察布袋破損及更換的問題。

根據(jù)上述的改造難點(diǎn)，芒市永隆提出改造思路如下：

保留原布袋除塵器主體結(jié)構(gòu)及對(duì)原有的收塵、儲(chǔ)灰、反吸、除塵風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)進(jìn)行利舊，仍然通過現(xiàn)有的反吸進(jìn)行清塵，但為保持倉室的平衡需給每一個(gè)倉室增加循環(huán)風(fēng)，形成清灰平衡系統(tǒng)。循環(huán)風(fēng)清灰平衡系統(tǒng)工藝原理及流程為煙氣進(jìn)入到單獨(dú)倉室通過布袋進(jìn)行除塵，當(dāng)需要清灰時(shí)，關(guān)閉該倉室的進(jìn)煙氣閥門，使該倉室處于密封狀態(tài)。當(dāng)打開反吸閥門進(jìn)行清灰時(shí)，該封閉的倉室會(huì)處于負(fù)壓狀態(tài)。為平衡該倉室的壓力，從現(xiàn)有反吸風(fēng)機(jī)的出口段引一循環(huán)風(fēng)到各個(gè)倉室，當(dāng)進(jìn)行清灰時(shí)，同時(shí)打開反吸閥門與循環(huán)風(fēng)的閥門，用來保持該倉室的壓力平衡。

為確保在全封閉狀態(tài)下對(duì)個(gè)倉室的監(jiān)控，在每個(gè)倉室安裝壓力監(jiān)測(cè)裝置，用于判斷布袋的破損泄漏點(diǎn)，便于快速確定破損布袋并進(jìn)行更換。同時(shí)在除塵器頂部設(shè)置更換布袋的空間，在需要更換布袋時(shí)，關(guān)閉該倉室進(jìn)煙氣閥及出煙氣閥，從人孔門進(jìn)入到檢修空間進(jìn)行布袋的更換。

圍繞二級(jí)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)量控制的難點(diǎn)，在控制上，增加前后風(fēng)機(jī)風(fēng)量的聯(lián)鎖，并選擇除塵器頂部匯風(fēng)箱末端做為壓力平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量與風(fēng)壓的平衡。同時(shí)為確保后端的脫硫增壓風(fēng)機(jī)能夠100%抽盡前端的煙氣量，脫硫風(fēng)機(jī)風(fēng)量按除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)量的120%選取，確保后端脫硫裝置的正常運(yùn)行。

5 全封閉改造實(shí)施

除塵器結(jié)構(gòu)改造：將除塵器四周、頂部彩鋼瓦全部更換為鋼板，在倉室內(nèi)增加內(nèi)隔板及頂板，箱體側(cè)板、內(nèi)隔板、頂板全部采用4 mm厚Q235B鋼板。除塵器頂部進(jìn)行集中集氣改造，按每?jī)山M設(shè)置一個(gè)頂部集氣罩，所有集氣罩匯總到總煙道排到脫硫裝置進(jìn)行脫硫處理。取消兩側(cè)與大氣連通的檢修平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全封閉狀態(tài)。

除塵清灰方式：從脫硫增壓風(fēng)機(jī)的出口處增加一路清灰風(fēng)，通過各個(gè)除塵倉室，并用氣動(dòng)閥進(jìn)行控制。清灰采用PLC系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)倉室進(jìn)煙氣閥門、反吸閥門、清灰循環(huán)風(fēng)閥門能夠同步動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)各倉室的壓力平衡，確保除塵器的結(jié)構(gòu)安全。

為更好提高除塵效率，將除塵布袋由中堿玻纖濾袋調(diào)整為無堿玻纖覆膜濾料，進(jìn)一步降低粉塵排放指標(biāo)。

改造后除塵系統(tǒng)本體的工藝流程圖如圖3所示。

圖3 改造后除塵系統(tǒng)本體工藝流程圖

6 改造后運(yùn)行指標(biāo)

(1)改造后，通過168試運(yùn)行后，對(duì)除塵器出口粉塵進(jìn)行了檢測(cè)，平均顆粒物能夠達(dá)到1.63 mg/m3，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 除塵后出口粉塵檢測(cè)指標(biāo)圖

(2)由于本次改造，對(duì)每個(gè)除塵倉室進(jìn)行了隔離，形成了單獨(dú)的倉室，在168試運(yùn)期間，對(duì)每個(gè)倉室的壓力平衡進(jìn)行了驗(yàn)收與檢測(cè)。在清灰切換過程中，壓力能夠保持平衡，清灰效果良好，對(duì)比其他除塵器，日產(chǎn)微硅粉量基本一致。

7 結(jié)論

芒市永隆鐵合金有限公司4#冶煉爐除塵器的全封閉改造通過第三方檢測(cè)，排放指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《鐵合金工業(yè)污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB28666—2012)的排放標(biāo)準(zhǔn)，改造成功。本次改造對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境改善起了積極的作用，也對(duì)工業(yè)硅行業(yè)的起了良好的示范作用。