趙 平,李 帥

(中鋁環(huán)保節(jié)能集團有限公司，北京 101300)

2021年中國氧化鋁產(chǎn)量7757.5萬噸，約占世界氧化鋁產(chǎn)量的55%，是名副其實的氧化鋁生產(chǎn)大國。氫氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐是氫氧化鋁制備氧化鋁的關(guān)鍵設(shè)備，主要由預(yù)熱系統(tǒng)、焙燒系統(tǒng)、旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)及煙氣凈化系統(tǒng)等部分組成[1]。由于氫氧化鋁粒度細(-45 μm占比在5%～35%)且在焙燒過程中處于懸浮狀態(tài)，同時部分企業(yè)為充分利用煙氣余熱，常采用熱煙氣與氫氧化鋁物料逆向流動的方式進行干燥，導(dǎo)致氧化鋁焙燒煙氣使用常規(guī)電除塵器出口煙氣顆粒物濃度一般在30～70 mg/Nm3，無法滿足《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25465-2010)修改單中大氣污染物特別排放限值的要求以及《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南(2020年版)》對A級企業(yè)的要求。

面對逐漸嚴(yán)格的環(huán)保排放指標(biāo)，為保證氫氧化鋁焙燒爐煙氣滿足國家大氣污染物特別排放限值要求，并為申請A級企業(yè)打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)，氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)迫切希望尋找一條工藝路線可靠穩(wěn)定、投資成本合理的煙氣凈化改造路線。中鋁環(huán)保節(jié)能集團針對中鋁某企業(yè)1～5#焙燒爐煙氣顆粒物超標(biāo)問題，提出了“電除塵+濾袋”復(fù)合式除塵方式改造方案。該技術(shù)能夠充分利用前半段電場收塵效率高的優(yōu)勢，緩解后半段濾袋區(qū)除塵負荷，同時充分發(fā)揮經(jīng)過前半段電場處理后荷電粉塵易發(fā)生聚并機理，實現(xiàn)焙燒爐煙氣中顆粒物的低成本高效脫除。傳統(tǒng)濾袋材料如：無紡織布、聚四氟乙烯纖維、聚酰亞胺纖維和纖維氈[2-5]難以適應(yīng)氧化鋁焙燒爐煙氣溫度高、腐蝕性強的特點，傳統(tǒng)濾袋壽命短，需頻繁更換，不利于生產(chǎn)的連續(xù)性，而金屬濾袋具有耐高溫、耐腐蝕特點可為后續(xù)有效地收集和利用余熱能源提供便捷。

為驗證“電除塵+濾袋”復(fù)合式除塵工藝路線的可靠性。本文通過冷態(tài)實驗驗證+數(shù)值模擬分析，研究了影響金屬濾袋清灰性能的因素，并結(jié)合工程應(yīng)用案例進一步驗證了“電除塵+濾袋”除塵技術(shù)的可靠性，可為同類型窯爐除塵改造提供借鑒。

1 實驗方法

1.1 實驗平臺搭建

本研究旨在通過氫氧化鋁焙燒爐煙氣濾袋除塵冷態(tài)模擬實驗，獲取除塵最佳工藝參數(shù)。金屬纖維濾袋除塵實驗平臺簡圖如圖1所示。冷態(tài)實驗裝置兩側(cè)采用亞力克材料支撐的透明筒體方便觀察實驗過程顆粒物的變化情況，實驗筒體尺寸為：Ф=100 mm，L=550 mm。為研究金屬纖維濾袋除塵效果，將其固定在亞克力材質(zhì)筒體的中間位置，并采用螺栓緊固。實驗采用的風(fēng)機型號為XGB-370，并將其與球閥、流量計、TESTO-510 型微壓差計、金屬纖維濾袋和筒體進行連接。實驗過程中通過調(diào)節(jié)球閥來控制入射氣體流量，并時刻記錄壓差計示數(shù)，氣流速度(v)可根據(jù)氣體流量 (V)與金屬濾袋面積 (S)計算獲得。

圖1 金屬纖維濾袋實驗平臺

1.2 仿真模型精度驗證

濾袋除塵過程為設(shè)計復(fù)雜的三維湍流流場。假定顆粒物(煙塵)為離散相且其運動規(guī)律遵循牛頓第二定理，同時假定顆粒物之間的碰撞為彈性碰撞，在此基礎(chǔ)上參照前人建立的計算流體力學(xué)-離散單元法聯(lián)合仿真的方法[6]，針對氧化鋁焙燒爐除塵濾袋進行數(shù)值模擬。為提高模型精度，將金屬纖維濾袋三維流場模型劃分成很多小的單元，其中濾袋部分每個最小單位的尺寸為0.008 mm，其它部分的最大單元尺寸為0.04 mm。

基于上述假設(shè)條件建立仿真模型，在仿真軟件(ANSYS Fluent)中設(shè)置計算的邊界條件，主要包括：射入氣流速度、出口壓力；并假定金屬纖維濾袋壁面處的流體速度為零，其它部分設(shè)置為對稱邊界條件。參考常溫(25℃)條件下空氣性質(zhì)，將流體密度參數(shù)設(shè)置為1.185 kg/m3、流體粘度參數(shù)設(shè)置為1.835×10-5Pa·s。

在ANSYS Fluent軟件中對入口氣流速度在0.2～1.0 m/s范圍內(nèi)進行測試，觀察金屬濾袋兩側(cè)的壓降(△P)與入口氣體流速之間的關(guān)系，獲得數(shù)值模擬結(jié)果。為驗證模擬數(shù)據(jù)可靠性及精度，同時將搭建的實驗平臺中的氣體流速也控制在0.2～1.0 m/s范圍內(nèi)，并與軟件仿真數(shù)據(jù)相匹配，獲得冷態(tài)實驗條件下氣流速度和金屬濾袋兩側(cè)的壓降(△P)之間的關(guān)系。圖2為數(shù)值模擬和實驗獲得的氣流速度與壓降的關(guān)系對比圖，可知在實驗范圍內(nèi)金屬濾袋兩側(cè)壓降與氣體流速呈正相關(guān)。同時數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為接近，兩者獲得的濾袋兩側(cè)壓降(△P)數(shù)值偏差不超過5%，因此可用建立的三維金屬濾袋模型來開展相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

圖2 數(shù)值模擬和實驗獲得的氣流速度與壓降的關(guān)系

1.3 金屬纖維濾袋反吹模擬參數(shù)

金屬纖維濾袋除塵工藝較為適宜的氣體流速為 0.2～0.4 m/s。為生成金屬濾袋清灰初始數(shù)值模型，使含塵顆粒沉積在濾袋上面，在含塵氣流速度為0.4 m/s條件下，共生成3200個φ=12 μm的類球形顆粒，顆粒物物性參數(shù)按照煤粉設(shè)定，模型中的其它計算參數(shù)如表1所示。

表1 反吹清灰模型相關(guān)計算參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 清灰效率與反吹壓力的關(guān)系分析

清灰氣流對濾袋的第一次沖擊起決定性作用，反吹時金屬濾袋側(cè)壁壓力峰值通常為1000～2000 Pa。為考察不同反吹壓力對濾袋清灰效率的影響，開展了不同反吹壓力下的實驗，結(jié)果如圖3所示。濾袋清灰效率隨著反吹壓力的增大而提高，特別是在1000～1900 Pa反吹壓力范圍內(nèi)，清灰效率和反吹壓力呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。當(dāng)反吹壓力為1900 Pa時，清灰效率約為88%，但當(dāng)反吹壓力超過1900 Pa后，繼續(xù)增加反吹壓力雖然對清灰效率仍然有一定的貢獻，但并不顯著。這是因為剩余的12%左右的顆粒多與濾袋結(jié)合較為牢固，它們大多被卡在纖維與纖維之間狹小縫隙內(nèi)，難以脫出。此時若通過加大反吹壓力提升清灰效率不僅效果甚微，甚至還會影響濾袋的使用壽命。因此，在實際工程應(yīng)用中反吹壓力只需滿足清灰條件即可。

圖3 反吹壓力對清灰效率的影響

2.2 濾袋間隔深度對顆粒殘留分布的影響

為掌握金屬濾袋不同位置顆粒物在反吹作用下變化情況，對反吹前、后顆粒在濾袋的分布情況進行了統(tǒng)計。為考察不同濾袋間隔深度區(qū)域內(nèi)的除塵效果，將沿金屬纖維濾袋沿深度方向平均劃分成20個區(qū)域，區(qū)域間隔0.025 mm。控制反吹壓力為1900 Pa，反吹時間為100 ms，對反吹后金屬濾袋中不同區(qū)域顆粒物含量進行統(tǒng)計，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同過濾袋間隔深度反吹前后殘留顆粒數(shù)量

從反吹前顆粒物在不同間隔深度的分布情況可知，被濾袋捕獲的顆粒物主要集中在濾網(wǎng)表面，基本集中在0～0.25 mm范圍內(nèi)，其中0～0.1 mm范圍內(nèi)的顆粒約占全部顆粒物數(shù)量的1/2。通過反吹前后顆粒物變化情況，發(fā)現(xiàn)濾袋表面附近顆粒反吹清灰效果最明顯，反吹處理后附著在金屬纖維濾袋表面0～0.1 mm區(qū)域的顆粒被脫除94%；而位于0.1～0.25 mm區(qū)域內(nèi)的顆粒物脫出效率較差，反吹后顆粒物脫除效率僅為35%；此外，還發(fā)現(xiàn)反吹對濾袋中分布在≥0.25 mm區(qū)域內(nèi)的顆粒物幾乎沒有脫除效果。這是因為分布在金屬濾袋深處顆粒物要想脫離濾袋，必須克服濾袋表面附著顆粒以及金屬纖維帶來的阻力；相反，沉積在濾袋表面顆粒物因反吹脫除過程中遇到的阻礙較小，更容易脫除。因此，工程應(yīng)用時，金屬濾袋表面0～0.25 mm部位將是清灰關(guān)注的重點部位，且未來金屬濾袋厚度尺寸有望可在保證除塵效果的條件下進一步優(yōu)化。

2.3 反吹時間對清灰效率的影響

為考察不同反吹壓力下反吹時間對清灰效率的影響，在反吹壓力為1000 Pa、1300 Pa、1600 Pa、1900 Pa、2200 Pa，分別開展了不同反吹時間的實驗。通過統(tǒng)計反吹前后殘留在金屬纖維濾袋上的顆粒數(shù)，計算清灰效率，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同反吹壓力條件下反吹時間對清灰效率的影響

圖5結(jié)果表明，在恒定反吹壓力下，清灰效率隨著反吹時間延長呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定，表明反吹時間只在一定范圍內(nèi)影響濾袋的清灰效果。模擬數(shù)據(jù)顯示，在反吹壓力為1000 Pa和1300 Pa，基本需要120 ms才能達到清灰效果的峰值，而在反吹壓力較大時，例如：1600 Pa、1900 Pa、2200 Pa條件下，僅需要80 ms左右就能達到或者接近清灰效率峰值，與反吹壓力較低條件下相比，時間縮短約40 ms，這是因為反吹壓力越大，高壓氣體對于濾袋內(nèi)的顆粒沖擊作用越大，濾袋能夠迅速達到清灰平衡狀態(tài)。雖然提升反吹壓力和延長反吹時間有利于提升清灰效率，但工業(yè)實際運行過程中還需要考慮運行電耗、設(shè)備投資等情況，建議濾袋清灰工藝參數(shù)選擇反吹壓力為1900 Pa，反吹時間為80 ms。

3 中鋁某企業(yè)焙燒爐煙氣除塵改造實施效果

3.1 煙氣凈化改造內(nèi)容

以中鋁某企業(yè)1350 t/d焙燒爐煙氣除塵為例，在原有電除塵基礎(chǔ)上改造，改造內(nèi)容如下：①拆除原來裝有3個電場的電除塵器箱體，利舊現(xiàn)有土建框架新建1電場+2袋區(qū)的電袋復(fù)合除塵器，保持原煙氣進、出口標(biāo)高不變。②保留原靜電除塵器1電場高低壓設(shè)備及控制系統(tǒng)，僅更新1電場陰、陽極系統(tǒng)，將原來2、3電場的除塵空間位置用于布置金屬濾袋。

3.2 復(fù)合除塵技術(shù)創(chuàng)新點

2019年10月，采用“電除塵+濾袋”復(fù)合除塵技術(shù)，完成對中鋁某企業(yè)焙燒爐煙氣凈化改造，實現(xiàn)了焙燒爐煙氣的穩(wěn)定、達標(biāo)排放，圖6為改造后的現(xiàn)場示意圖。項目在除塵方面的主要創(chuàng)新點如下：

(1)通過優(yōu)化電區(qū)，煙道入口優(yōu)化氣流分布+增加導(dǎo)流裝置，保證高濃度顆粒物能夠在電場中呈均勻分布狀態(tài)，使顆粒物最大限度處于荷電狀態(tài)，提高設(shè)備的除塵效率;

(2)配置高效節(jié)能電源(高頻、三相、脈沖)+智能低壓振打+上位機控制后，提升設(shè)備的除塵效率；

(3)采用適應(yīng)焙燒煙氣工況變化的高溫金屬濾袋除塵技術(shù)，濾料阻力更小、過濾精度更高，對于焙燒爐煙氣特性有著良好的適應(yīng)性，并在金屬濾料底部增設(shè)濾料限位裝置，延長濾料的使用壽命。

3.3 改造后除塵效果

3.3.1 減少顆粒物排放

改造前除塵器出口顆粒物濃度為30～70 mg/Nm3,改造后除塵器出口顆粒物濃度降低至1～5 mg/Nm3，已優(yōu)于國家特別排放限值要求和A級企業(yè)的要求。目前中鋁某企業(yè)采用該技術(shù)已經(jīng)完成了1～5#窯爐系統(tǒng)的改造，按照現(xiàn)有企業(yè)生產(chǎn)限值上限即顆粒物濃度50 mg/Nm3測算，煙氣量按照1,000,000 Nm3/h，年可減少顆粒物排放394.2 t。鑒于回收的顆粒物主要成分組成為細粒度氧化鋁及少量氫氧化鋁，產(chǎn)品質(zhì)量略低于冶金級氧化鋁，為達到冶金級氧化鋁品質(zhì)，通常需要二次加工處理，否者只能按照冶金氧化鋁價格打折銷售，綜合估算回收的顆粒物可為企業(yè)增加利潤約2500元/噸,僅此年可為企業(yè)增加收入約100萬元。

圖6 現(xiàn)場除塵設(shè)備示意圖

3.3.2 降低除塵電耗

“電除塵+濾袋”復(fù)合除塵工藝運行能耗主要由電除塵區(qū)電耗、袋除塵區(qū)清灰空壓機電耗組成。原電除塵器能耗主要是電場消耗，具有能耗高特點，將2電場改為袋區(qū)除塵后整個除塵電耗將會降低，因為電場耗電比袋區(qū)和風(fēng)機增加的耗電要大。鑒于金屬濾袋區(qū)引起的阻力增加約200 Pa，引風(fēng)機導(dǎo)致的能耗增加量可忽略。綜合運行效果測算，改造后耗電量約為改造前的1/2，節(jié)能效果顯著。改造前后電耗具體計算方法如下：

(1)改造后年耗電量

每臺套爐除塵器按1個電場電除塵計，其年耗電量為7.87×105kWh，5臺套共計耗電量為5×7.87×105kWh=3.94×106kWh；新增空壓機用于金屬袋清灰的年耗電量為1.20×106kWh?？傆嫗?.14×106kWh電耗。

(2)改造前年電耗量

改造前每套電除塵器含有3個電場，受顆粒物含量變化影響，后段電場除塵功耗要低于前段電場功耗。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，改造前每臺套爐除塵器(含3個電場)的年耗電量按1.97×106kWh計算，5臺套共計耗電量為5×1.97×106kWh=9.84×106kWh；

綜上可知，煙氣除塵項目改造后電耗減少、節(jié)能效果明顯。電價按 0.5 元/kWh計算，年可為企業(yè)節(jié)約電費為：(9.84×106-5.14×106)×0.5=235萬元。

4 結(jié) 論

基于上述試驗結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(1)通過單因素實驗獲得了較為適宜金屬濾袋脈沖噴吹參數(shù)，即反吹壓力為1900 Pa，反吹時間為80 ms，可為工程設(shè)計及工業(yè)化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

(2)中鋁某企業(yè)焙燒爐煙氣除塵改造實踐表明氫氧化鋁焙燒爐煙氣采用“電除塵+濾袋”復(fù)合除塵技術(shù)可將煙氣顆粒物排放指標(biāo)控制在5 mg/Nmm3以內(nèi)，滿足《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB25465-2010)及A級企業(yè)要求。

(3)采用“電除塵+濾袋”復(fù)合除塵工藝改造后提質(zhì)增效顯著。通過降低煙塵排放而回收的氧化鋁顆粒可為企業(yè)增加收益約100萬元/年。此外，改造后除塵工藝的電耗約為改造前的1/2，僅電耗就又可為企業(yè)節(jié)約235萬元/年；綜合看，改造后煙氣塵可實現(xiàn)近零排放且經(jīng)濟效益顯著。