任金生,吳中興

(1.北京鋁能清新環(huán)境技術有限公司,北京 100036;2.北京龍騰華創(chuàng)環(huán)境能源技術有限公司,北京 100192)

鋁生產包括從鋁礦石生產氧化鋁以及電解煉鋁兩個主要過程。每生產1 t金屬鋁消耗近2 t氧化鋁。因此,隨著近年來鋁價的攀升,電解鋁產量迅速增長,氧化鋁也隨之發(fā)展起來。目前市場上約有90%的氧化鋁供電解煉鋁使用。隨著大氣污染形勢的日漸嚴峻,我國開始越來越重視環(huán)保,近年來對鋁工業(yè)污染物排放限值也做出要求-《鋁工業(yè)污染物排放標準》修改單中增加了對NOx排放指標的相關規(guī)定,即SO2排放限值為100 mg/Nm3以下,顆粒物排放限值為10 mg/Nm3以下,NOx排放限值為100 mg/Nm3以下[1]。

為響應國家環(huán)保號召,有效解決氧化鋁生產過程中的煙氣污染問題,真正實現(xiàn)煙氣達標排放,鋁工業(yè)企業(yè)開始改造煙氣凈化治理系統(tǒng)。氫氧化鋁焙燒爐煙氣為高溫、高壓、高濕、高濃度煙氣且呈堿性,是屬于較難收集的煙塵。常規(guī)多級高壓靜電除塵器排放指標很難滿足粉塵超低排放要求,若要長期穩(wěn)定達到10 mg/Nm3以下,必須使用高效的物理過濾技術。本文通過對高溫焙燒氫氧化鋁煙氣參數(shù)及特性進行分析對比,提出了相對可靠的高溫焙燒氫氧化鋁煙氣除塵凈化治理技術-金屬濾袋除塵器工藝技術,該技術可穩(wěn)定、連續(xù)對氫氧化鋁焙燒煙氣進行凈化治理,實現(xiàn)煙氣超低排放。

1 氫氧化鋁焙燒煙氣特性

氫氧化鋁料漿進入氫氧化鋁料漿槽,經過水平盤式過濾機,進行洗滌后產出合格氫氧化鋁,氫氧化鋁經由皮帶送入焙燒爐,進行焙燒制成符合電解要求的氧化鋁。氫氧化鋁焙燒爐除塵系統(tǒng)如圖1所示。焙燒是氫氧化鋁在焙燒爐中經高溫脫水生產氧化鋁的過程,焙燒產出的氧化鋁經風動流槽送入氧化鋁倉進行包裝外運。主要煙氣性質如下:①H2O含量高:一般可達20～50 vol%;②粉塵含量高:達到300～500 g/Nm3;③NOx含量一般在200～450 mg/Nm3之間;④SO2含量:煙氣中SO2含量一般低于100 mg/Nm3。

圖1 氫氧化鋁焙燒爐除塵系統(tǒng)

2 氫氧化鋁焙燒煙氣凈化治理工藝流程

根據(jù)氫氧化鋁焙燒煙氣特點及目前除塵工藝狀況,確定采用氫氧化鋁焙燒高溫煙氣除塵凈化治理技術,即金屬濾袋除塵工藝技術,其工藝流程如圖2所示。經旋風分離器除塵后的焙燒煙氣首先經過金屬濾袋除塵器,大部分氧化鋁顆粒被回收,除塵器出口煙氣顆粒物含量≤10 mg/Nm3,另一方面使氧化鋁產物大量回收,進行進一步加工處理,增加了氧化鋁的回收率。

圖2 氫氧化鋁焙燒工藝流程示意圖

3 除塵系統(tǒng)(金屬濾芯)

氫氧化鋁高溫焙燒煙氣中顆粒物主要為氧化鋁,常規(guī)系統(tǒng)包括兩級旋風氣固分離器,出口塵含量較高,后續(xù)須進一步處理。常用的氫氧化鋁高溫焙燒煙氣除塵工藝為電除塵。

隨著煙氣排放環(huán)保標準的進一步提高,電除塵器無法達到《鋁工業(yè)污染物排放標準》(GB25465-2010)修改單顆粒物≤10 mg/Nm3的排放限值要求,一方面是由于氫氧化鋁焙燒煙氣溫度高、濕度大,電除塵效率有所降低;另一方面是由于氧化鋁顆粒物本身的性質,微小顆粒很難在電場作用下荷電從而趨近于極板,因此電除塵器很難使煙氣達標排放。

布袋除塵器在電廠煙氣凈化中應用廣泛,除塵效率高,運行穩(wěn)定,顆粒物排放濃度最低可達到≤5 mg/Nm3,但是布袋除塵器的使用受煙氣溫度限制,目前市面上的PTFE、芳綸等高溫濾料最高耐受溫度為260℃,且隨著溫度的波動,性狀也會發(fā)生很大改變[2]。高溫焙燒氫氧化鋁煙氣溫度的正常運行范圍為150～350℃,且濕度可達40%,無法使用常規(guī)布袋除塵器。

金屬濾芯除塵是近年來逐漸在煙氣凈化領域發(fā)展的袋式除塵技術,用金屬濾芯取代紡織濾袋,其材質有很多種,如316L、310S、哈氏合金等。根據(jù)不同材質,耐溫最高可達700℃,適用于高溫煙氣凈化系統(tǒng)。

金屬濾芯除塵器與常規(guī)布袋除塵器結構形式相同,將常規(guī)濾料更換為金屬濾材料,技術工藝成熟,主要有以下優(yōu)點:①耐溫、耐腐蝕、結構強度高、耐磨性好。金屬濾芯材料適用溫度高可達500℃以上,在高溫煙氣工況下,不必擔心燒袋;較好的耐磨性可有效延長濾芯的使用壽命,降低濾芯的更換頻率,降低運行成本。②顆粒物攔截效率高,煙氣顆粒物濃度穩(wěn)定達標排放。金屬濾芯可有效攔截粒徑為0.5 μm的粉塵顆粒,除塵效果良好,金屬濾芯除塵器排放濃度一般穩(wěn)定在≤5 mg/Nm3,即使進一步提高煙氣超凈排放要求,也可以不對除塵設備進行改造。③除塵系統(tǒng)技術成熟,運行穩(wěn)定。金屬濾芯除塵器的結構與常規(guī)布袋除塵器基本相同,在工藝設計和運行維護方面均可參考常規(guī)袋式除塵器,使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。

4 工程應用案例闡述

某氧化鋁公司于2020年對高溫氫氧化鋁焙燒爐進行綜合治理改造,焙燒爐煙氣經兩級旋風分離器后,出口煙氣參數(shù)如表1所示。該公司原除塵工藝采用電除塵器,隨著環(huán)保要求的進一步提高,電除塵無法達到大氣污染物排放標準,因此對煙氣凈化系統(tǒng)進行改造,改造成金屬濾料除塵凈化裝置。

表1 氫氧化鋁焙燒爐煙氣參數(shù)

4.1 除塵改造

本次除塵改造要求焙燒爐出口煙氣顆粒物排放濃度≤10 mg/Nm3,由于煙氣溫度高,粉塵比電阻低,顆粒物不易荷電,電除塵工藝難以達到10 mg/Nm3要求。而傳統(tǒng)布袋除塵工藝運行溫度需低于180℃,難以在高溫工況下運行,因此該公司本次改造項目選用新型金屬濾芯作為濾料進行除塵。

本次改造設計除塵效率高達99.9%以上,將原有三電場電除塵器改造為金屬濾芯除塵器,保障煙氣達標排放。殼體及支撐形式在原來的基礎上利舊,大大節(jié)省了投資和相應的改造工期。金屬濾芯除塵器配備輔助系統(tǒng)與布袋式除塵器相同,優(yōu)化套輸灰系統(tǒng),除塵器灰斗配高料位檢測裝置,對收集的氧化鋁粉末進行回收利用。

4.2 改造方案

(1)將現(xiàn)有電除塵器改造為一電場+二袋區(qū)的電袋復合除塵器,參見圖3。

圖3 金屬電袋改造圖

(2)由于改造后荷載減小,利舊原電除塵器基礎,各縱橫跨距及寬度不變,保持原進出口封頭標高不變。

(3)保留原電除塵器一電場陰陽極場高低壓設備及控制系統(tǒng),將原二、三電場空間位置用于布置濾芯。

(4)電區(qū)與袋區(qū)之間設置導流裝置,將原二、三電場空間位置用于布置濾芯,保證過濾速度～0.9 m/min,濾芯區(qū)設計為2個工作室。

(5)采用耐高溫金屬濾芯,耐溫達350℃以上,最高達450℃。

(6)新增袋區(qū)PLC控制系統(tǒng),具備溫度、壓力、差壓檢測、袋區(qū)溫度保護控制連鎖的自動控制功能。

(7)凈氣室出口煙道與原出氣煙箱貫通連接,改造原出口煙箱。

(8)對原輸灰設備進行重新設計,對管道規(guī)格進行優(yōu)化改造,確保改造后收塵氧化鋁粉返回焙燒爐系統(tǒng)的輸送要求。

改造后金屬電袋除塵器過濾風速約為0.9 m/min·m2,配置Φ130 mm×6000 mm金屬濾芯,電+金屬濾芯復合式除塵器改造后阻力增加小于500 Pa。電袋復合型除塵器的基本思路是先用前級電場捕集80%左右的粉塵,這樣后級濾芯捕集的粉塵量僅有常規(guī)布袋除塵的1/5左右,使濾芯的粉塵負荷量大大降低,然后利用濾芯區(qū)除去煙氣中殘余的微細粉塵,保證達到低于10 mg/Nm3排放標準。改造后運行參數(shù)參看表2。

表2 該廠運行監(jiān)測數(shù)據(jù)

山東、山西、河南、廣西等地10余個項目改造工作自2008年以來已相繼實施,投運后可穩(wěn)定實現(xiàn)顆粒物≤5 mg/m3,且設備阻力小于500 Pa。該技術實現(xiàn)了顆粒物排放濃度低于5 mg/m3,低于《鋁工業(yè)污染物排放標準》(GB25465-2010)修改單中特別排放限值10 mg/m3的要求,并可綜合利用煙氣除塵收集的氧化鋁等副產物,降低除塵設備電耗,具有一定經濟效益,在有色、鋼鐵、水泥、化工、煤電等領域高溫煙氣治理方面應用前景廣闊。

5 結 語

金屬濾芯除塵器工藝技術能夠有效脫除氫氧化鋁焙燒爐中的顆粒物,從而使煙氣達標排放。研究表明:金屬濾芯除塵器具有高效、低阻的良好除塵效果,且不受到煙氣溫度影響,耐磨損、耐腐蝕,保證在焙燒爐煙氣的除塵效率,可穩(wěn)定將系統(tǒng)中煙氣含塵量降至10 mg/Nm3以下,使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。此外,金屬布袋還具有維修周期長及維修量小的優(yōu)勢,且更換下來的布袋不會產生二次危廢,具有行業(yè)推廣價值和意義。金屬濾芯除塵器工藝技術可為氫氧化鋁高溫焙燒系統(tǒng)污染物減排提供借鑒。