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关于电解铝厂烟气净化系统集气效率的探讨

刘志玲

(贵阳铝镁设计研究院, 贵州　贵阳　550004)

　　摘　要: 笔者就电解铝厂电解烟气净化系统集气效率的有关问题, 结合实际运行情况, 从设计和运行2 个方面, 进行了系统地阐述, 并针对电解烟气净化系统运行时的几个问题, 提出了自己的看法和建议。

关键词: 电解槽; 烟气净化系统; 集气效率

StudyonHoodingEfficiencyofthePotFumeTreatmentPlant

LIUZhi-ling

( GuiyangAluminum-MagnesiumDesign&ResearchInstitute,,Guiyang550004,China )

Abstract:Thewritergivesasystematicaldescriptiononbothdesignandoperationintermsofactu 2

aloperationconditionsofhoodingefficiencyofpotfumetreatmentplantinthesmelters,andalsooffers

hisopinionsandrecommendationsonproblemstobemetintheoperationofpotfumetreatmentplant.

Keywords :Pot;potfumetreatmentplant;hoodingefficiency

1 　概述

在电解铝厂的生产过程中, 氟化盐作为铝电解的溶剂, 是电解铝不可缺少的成分之一, 而高温使氟化盐与水发生水解反应后产生的氟化氢气体, 是电解铝过程中产生的主要污染物。目前, 预焙槽在生产过程中的吨铝排氟量一般为16～15kg。从电解槽排出的如此大量的含氟烟气对人体健康、车间环境和周围大气质量, 都有着极大地危害, 因此, 国家规定了严格的排放标准, 这些烟气必须经过治理才能排放。目前, 国内外均采用干法净化技术来治理电解槽排出的含氟烟气, 利用氧化铝吸附烟气中的氟化氢, 净化烟气中的有害物, 控制氟化物排放量, 以达到国家环保排放标准, 减少对周围环境的污染。

采用氧化铝吸附含有氟化氢烟气的干法净化技术, 是一种高效、经济、先进、成熟的烟气净化技术, 目前在世界上广泛应用于电解铝厂的电解槽含氟烟气的治理(尤其是采用预焙槽的电解铝厂) 。近年来, 国内外的各种电解烟气净化技术虽然不尽相同, 但是其基本原理和流程却差别不大。下面以我院获得专利的“铝电解烟气n 型喷射两级逆流吸附干法净化工艺”为例, 简要介绍其主要工艺流程:

电解槽采用小型活动盖板和上部盖板密闭, 电解槽产生的含氟烟气通过槽上集气罩及上部的连结支管与净化系统连接。每台电解槽的支管均插入到室外架空的排烟水平干管上。含氟烟气通过排烟总管进入净化反应器, 在净化反应器中加入新鲜氧化铝和循环氧化铝, 进行吸附净化反应, 在气固两相充分接触过程中, 氟化氢被氧化铝吸附。净化后的烟气进入袋式除尘器, 加入的氧化铝和从电解槽中随烟气带出的粉尘, 均在袋式除尘器内被分离下来返回电解槽使用。经过净化后的烟气, 通过排烟风机送入烟囱排空。从上述流程可以看出, 电解烟气净化系统主要分为烟气捕集和烟气净化2 个部分,提高电解槽烟气捕集效率(集气效率) , 能有效减少电解槽的无组织烟气的排放。本文将从设计和运行两方面来论述如何提高电解槽集气效率。

2 　集气效率的确定

电解槽产生的含氟烟气, 主要是通过电解车间的天窗和烟气净化系统的烟囱2 条途径排放。国际上一般采用“吨铝排氟量”这个指标, 来衡量一个电解铝厂的环保水平;国际工程中一般采用目前世界上最为严格的PARCOM标准来作为设计保证值。该标准规定: 新建电解铝厂吨铝排氟量应低于016kg,而西方一些专业的烟气净化公司现在也提出了013～014kg 的吨铝排氟量指标。要达到如此高的标准, 仅仅提高电解烟气净化系统的净化效率, 是不可能达到的。而电解车间天窗排出的无组织烟气, 由于烟气量大, 有害物含量低, 治理成本很高。因此, 必须提高烟气的捕集效率, 减少从天窗排放的无组织烟气。

我国现行的污染物排放标准中, 仅控制烟囱的氟化物排放量, 没有采用吨铝排氟量指标, 不尽合理。但是建设地区的污染物总控指标, 实际上也只控制了相应污染物的排放总量。在即将颁布实施的国家标准《有色金属工业污染物排放标准———铝工业》中,则提出了主要污染物排放的限值, 即电解铝厂电解槽吨铝氟化物排放量应低于0197kg。由此可见, 对于电解槽烟气中的污染物控制, 是总量的控制。即总量为烟气有组织地通过净化系统净化后从烟囱排出的氟量,与烟气以自然通风方式通过车间天窗排出的氟量之和, 而不仅仅只是控制烟气净化系统后的排放量。目前我国的电解铝厂, 对从电解车间天窗排出的烟气均没有采取任何净化措施, 而是直接排空。所以, 如何高效地把这些电解槽排放的污染物捕集起来集中处

理, 是治理电解槽烟气的关键, 这就需要保证有较高的集气效率。

211 　铝电解工艺与集气效率的关系

大型预焙电解槽采用的是自动打壳、自动加料的生产工艺, 除了更换阳极和处理阳极效应时需要打开电解槽侧部的局部盖板,以及出铝和必要的观察需要打开一些电解槽端部盖板外, 其余基本的操作均不需要打开槽盖板而由微机控制自动完成, 整个生产过程基本上是一个密闭的过程, 是清洁的生产工艺, 这样, 从工艺操作上就为达到较高的集气效率, 提供了首要的保证。在电解槽正常运行时, 每台槽的阳极效应小于013 次/d, 每台槽的阳极更换率仅为1～115 块/d, 单槽换极时间大约在15min 左右。在上述的短时间开槽时, 通过加大排烟支管上的阀门开度, 来增加该台槽的排烟量, 控制由于开启槽盖板而增加的排烟量,从而避免了烟气散入车间内。电解槽生产的总开槽率一般在4% 左右, 开槽时增大的排烟量, 在设计电解烟气净化系统时已计入。

212 　烟气净化效率的保证

先进的电解烟气干法净化技术, 是减少污染物排放的有效途径。国内外已广泛使用的我院的“铝电解烟气n 型喷射两级逆流吸附干法净化工艺”技术、ALSTOM公司的ABBART净化技术、SOLIOS公司的TGTRE净化技术等, 都是高效成熟的净化技术, 净化效率可达9815% 以上, 净化后烟气中的氟化物浓度达到1～2mg/Nm3 , 粉尘浓度低于10mg/Nm3 。

213 　集气效率的确定

有了先进的生产工艺和高净化效率的保证, 提高集气效率是有效控制污染源扩散的关键。目前的预焙电解槽吨铝排氟量为16～25kg, 如烟气净化系统净化效率按9815%计, 要达到吨铝0197kg 的国家排放水平,集气效率η按下式计算:(16～25) × (1- η) + (16～25) ×η

× (1-98 15% ) ≤0197则η≥9514% ～9716% 。由此可见, 要满足上述指标, 烟气净化系统的集气效率必须要保证大于9514% ～9716% 。对于国际工程烟气净化效率, 按99%计, 按照PARCOM的标准, 吨铝排氟量指标要达到016kg 的水平, 则集气效率必须大于9713% ～9816% 。采用小型活动盖板的电解槽要达到95% 以上的集气效率, 对设备的制造、生产

和净化工艺的设计、生产运行管理, 都有很高的要求, 目前国内实际投入运行的电解厂

往往难以达到。所以, 如何提高集气效率已成为铝电解烟气治理急待解决的问题。

3 　排烟量对集气效率的影响

电解槽烟气的有组织排放, 是通过净化系统排烟风机产生的负压来实现的, 保证槽

盖板缝隙处有微负压而使烟气不散至室内。排烟量的大小, 关系到电解槽的集气效率的高低, 增大排烟量有利于提高集气效率, 控制污染源的无组织排放。但是, 排烟量的增加, 必须导致净化系统处理烟气量的增大,造成烟气净化系统的投资和运行费用增加。因此, 必须合理选择电解槽排烟量, 才能保证电解槽集气效率和烟气净化系统经济合理。目前, 大型预焙电解槽的吨铝排烟量一般按120000 ～130000 m3 来进行设计。

4 　电解槽结构对集气效率的影响

我院设计的大型预焙电解槽, 是通过槽上部的船形集烟箱进行排烟的。目前,350kA 槽的长度已接近18m, 船形集烟箱按槽长度方向配置; 电解槽内部出铝端和烟道端的阻力差别很大, 如何保证槽内的烟气能够均匀等量地排出, 避免出现铝端排风不足, 烟道端排烟过量, 是保证电解槽集气效率而必须注意的问题。采用集烟箱侧部开大小不同的排烟口、烟道端小孔、出铝端大孔的方式, 可以有效地解决槽内排烟不均的问题; 但是孔径的大小和分布, 必须根据不同的槽型经过计算和实验确定。电解槽槽上盖板的结构形式、材质选择、加工精度也直接影响着电解槽的密闭性。在保证易于操作和堆放的前提下, 槽盖板应选用具有一定强度且在高温下不易变形的材料, 一般采用带加强肋的铝合金平盖板。同时, 在加工上一定要保证盖板的平整度和尺寸精度, 减小盖板间的缝隙, 在保证电解槽排烟量的前提下, 提高集气效率。

5 　烟气净化系统排烟管网对集气效率的影响

电解车间通常有几百米至上千米的长度, 每栋厂房内配置的电解槽台数, 有几十台到一百余台, 起始端的电解槽与末端的电解槽相距几百米, 很难做到每台槽等量排风, 从而远端的电解槽就不能保证集气效率。想要做到等量排风, 就必须保持排烟干管全长上的静压恒定。通常在风机运转情况下, 风管的全压损失是沿着长度方向增加的, 因此, 要使静压保持不变, 必须使动压沿着气流方向逐渐降低, 也就是说, 风管的截面应沿着气流方向逐渐扩大。因此, 现在设计上通常采用变径的排烟干管, 并且尽量缩短排烟干管的长度, 即每条干管所带的电解槽数控制在n=5 ～18 台, 控制起始端的电解槽与末端的电解槽间距在120m 以内(一般在60m 左右) , 减小最近端与最远端阻力不平衡率, 以利于每台槽排烟的阻力平

衡。另外, 再通过调整电解槽排烟支管上的调节阀的阀门角度, 来调节阻力, 使每台电

解槽均匀排风以保证设计值, 从而保证较高的集气效率。每条排烟干管所带的电解槽数越多, 并联干管的相互影响使得管网越不易平衡。实践证明, 早期的单排排烟干管排烟管网, 虽

然采用了变径主干管, 但是排烟干管上并联的槽数达到30 台左右, 排烟干管长度达到200m左右; 排烟干管首末两端的阻力损失差值高达600～700Pa, 最近端与最远端阻力不平衡率约为113; 无法通过调节排烟支管上的调节阀来控制电解槽的排烟量和负压平衡, 实际运行中出现末端的几台电解槽排烟量和负压不足, 槽内烟气外泄。目前采用的双排管排烟管网, 排烟干管并联槽台数减少到12 台左右, 排烟干管长度增加, 工程投资有所增加, 但是大幅减少了电解槽排烟的不平衡率, 最近端与最远端阻力不平衡率仅为017, 电解槽的集气效率获得很大提高。

6 　氧化铝超浓相输送系统的影响

大多数电解铝厂氧化铝超浓相输送系统的排风, 直接接入电解车间的水平排烟干管上。在风动溜槽上, 每隔一个槽间距设一个平衡管, 从平衡管再接排气管进入电解车间的水平排烟干管, 通过排烟干管的负压和风动溜槽的正压进行排风, 以平衡风动溜槽的底部气室和料室压力稳定, 理论上排气管只排气体来平衡溜槽的各点压力, 使溜槽正常运行。在实际运行中, 由于平衡管和排气管的直径和平衡管高度设置不合适, 或者是超浓相输送系统的供风风机风压设计过高时, 压力的临界点不能控制在平衡管段内, 造成大量氧化铝进入排烟干管, 从而使排烟干管造成堵塞, 影响电解槽的排烟, 集气效率下降。因此, 合理设计超浓相输送系统的排风系统和确定输送系统风压, 可减少氧化铝超浓相输送系统对电解槽集气效率的影响。一般设计平衡管管径<203mm, 平衡管高度2m以上, 排气管直径<102mm。输送系统的送风压力应计算, 并根据实际情况反复仔细调试后确定。

7 　生产运行的影响

711 　电解槽盖板的问题

某些电解铝厂在实际运行中, 工人为了操作观察方便, 电解槽的盖板经常敞开不盖, 或者由于槽盖板变形后盖不严密而漏风严重。这样, 当电解槽的盖板敞开或盖不严密时, 风机负压就无法完全控制烟气, 因而从车间天窗排出的氟量就大量增加, 这样,不但污染了车间内的环境, 氟的排放量甚至还会超过国家排放标准。因此严格生产管理, 制定相应的规章制度, 正常生产时电解槽盖板必须按要求盖好, 才能保证电解槽集气效率达到设计值。另外, 缩短更换阳极时开启槽盖板的时间,减少出铝时端部盖板的开启面积, 也是减少烟气外泄的重要手段。

712 　软接管破损问题

由于电解槽所排烟气温度较高, 一般在120～150 ℃左右, 排烟管网存在热胀冷缩,通常在排烟支管上设计有一段软接管。在实际运行中, 软接管破损后不及时更换, 从该处吸入大量野风, 不但使该台电解槽烟气不能排出, 而且破坏了整个排烟管网的阻力平衡, 结果使得远端电解槽的集气效率达不到设计值。所以, 在生产运行时, 应备有足够的备品备件, 定期检查软接管, 如有破损应及时更换。

713 　烟气净化系统的运行阻力问题

电解烟气净化系统大多采用脉冲或风机反吹袋式除尘器, 设计运行阻力在1600 ～1800 Pa。但在实际运行中, 袋式除尘器清灰系统工作不正常时, 例如, 在脉冲袋式除尘器所配的脉冲阀或反吹风除尘器所配的气缸损坏不能正常工作, 或者清灰所需的压缩空气供气不够、压力不够时, 以上情况不及时排除, 除尘器不能正常清灰, 滤袋表面的粉尘厚度逐渐增加,从而导致除尘器阻力增加超过设计值, 最终影响净化系统末端的排烟管网的集气效率。

714 　排烟机运行台数的问题

《铝电解厂通风与烟气净化设计规范》(YS5025-95 ) 的第31216 条规定“净化系统排烟机, 当多台并联工作时可不备用; 但当一台排烟机故障停机后的总排烟量, 不宜小于设计总排烟量的85% 。”。在其条文说明中是这样解释的: “为节约投资, 排烟机多台并联工作时可不备用, 当一台故障停机时, 允许短时减少一些排烟量, 但不应使电解槽集气效率降低过多……”从规范中可以看出, 为保证电解槽的排烟量和集气效率,仅在排烟机出现故障时才能停止运行。然而在一些铝厂的实际运行中, 为了减少能耗, 通常每套净化系统会少开一台风

机, 通过利用电机储备系数, 来提高运行风机的电流, 以增大风机排风量, 但此时风机风压下降, 会对电解槽的集气效率有很大影响。笔者在一些铝厂观察过, 净化系统少开一台风机, 凭肉眼都能看出电解车间内的环境和风机全开时有着非常明显的区别, 集气效率明显降低。因此这种以节约运行费用为目的, 但是却以环境污染为代价, 减少排烟机的运行数量的生产运行方式, 是不可取的。另外, 少开一台风机, 表面上可以省电减少能耗, 实际上集气效率降低后, 通过天窗排出的氟量增加, 不能回收作为生产原料返回电解槽使用, 使得氟化盐的耗量也增加。能否降低运行费用, 我们可以作一个比较:以配套产能7 万t/a 的净化系统为例,系统一般配置4 台排烟风机, 每台风机电机功率为500kW (一般储备系数为1115) 。一台风机年耗电量= ( 500 ×24 ×365) /1 115= 3808696 kWh一台风机年需电费= 3808696 ×0135≈133 万元/a (电费按0135 元/kWh 计)少开一台风机, 系统设计风量减少到80% 左右, 同时集气效率也降低到80% 左右; 按吨铝排氟量1718kg 计:年少回收氟量=17 18 ×70000 × (98%-80% ) =224 13 (t)年增加氟化盐费用=224 13 ×6500 =14518 万元/a ( 氟化盐市场价按6500 元/t计)由上述比较可以看出, 减少风机的运行台数, 虽然减少了电耗, 但是却增加了氟化盐的用量, 且少开一台风机时, 电解槽排风量小于设计值, 会引起排烟温度升高, 对除尘器滤料的寿命有影响, 并增加了除尘器的维护费用。总的来说, 运行费用不降反升,不但没有达到节约费用的目的, 还加重了对环境的污染。

8 　结论

(1) 提高电解槽的集气效率, 是减少电解铝生产大气污染的重要途径;

(2) 合理的电解槽排烟、密闭结构和确定合理的电解槽单槽排烟量, 是提高电解槽集气效率的前提;

(3) 采用排烟阻力易于平衡的双排管排烟管网, 是提高集气效率的有效手段;

(4) 合理设计氧化铝超浓相输送的排气系统, 减少对电解排烟系统的影响;

(5) 严格生产管理, 减少由于生产操作和管理疏漏造成的系统漏风、密闭不严、负压不足等因素对电解槽集气效率的影响;

(6) 减少排烟机运行台数的烟气净化系统运行方式是不可取的。不但没有节约运行费用, 反而降低了电解槽的集气效率, 加重了对环境的污染。