電解車(chē)間無(wú)組織排放煙氣的天窗采樣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

楊青辰

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

目前電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物主要為氟化物，電解煙氣凈化系統(tǒng)凈化效率的高低是影響氟化物排放的主要因素，而電解槽集氣效率和電解煙氣凈化系統(tǒng)的凈化效率是凈化系統(tǒng)指標(biāo)的主要控制因素。目前，無(wú)論是從理論研究還是從實(shí)際運(yùn)行角度看，國(guó)內(nèi)外對(duì)電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)的研究已經(jīng)趨于成熟。下面就電解車(chē)間天窗無(wú)組織排放的煙氣的采集系統(tǒng)做一下簡(jiǎn)單介紹。

1 系統(tǒng)介紹

目前，關(guān)于電解車(chē)間天窗無(wú)組織排放的電解煙氣的采集系統(tǒng)國(guó)內(nèi)研究不是很多，我們目前主要是參考美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA：Environmental Protection Agency）測(cè)試方法中的方法14：(DETERMINATION OF FLUORIDE EMISSIONS FROM POTROOM ROOF MONITORS FOR PRIMARY ALUMINUM PLANTS（電解鋁廠(chǎng)天窗氟化物無(wú)組織排放的測(cè)定）)，下面結(jié)合具體情況就天窗采樣系統(tǒng)簡(jiǎn)單地探討一下。EPA方法14可用于檢測(cè)電解車(chē)間天窗無(wú)組織排放的氟化物。在本方法中，天窗排放的氣態(tài)和固態(tài)的氟化物通過(guò)幾個(gè)預(yù)設(shè)的采樣口被引入一個(gè)永久性的采樣主管中，然后通過(guò)管路從采樣主管輸送到地面。管路內(nèi)氣體中的氟化物成分通過(guò)方法13a或13b方法進(jìn)行檢測(cè)。排氣速度和流量則由設(shè)置在天窗的風(fēng)速計(jì)來(lái)測(cè)定。

2 系統(tǒng)組成

天窗煙氣采樣系統(tǒng)包括主管系統(tǒng)和支管路系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)，下面我們就這兩個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單地分析一下。

2.1 主管系統(tǒng)和管路系統(tǒng)

每個(gè)電解車(chē)間至少要設(shè)置一個(gè)主管系統(tǒng)。主管系統(tǒng)和管路系統(tǒng)應(yīng)該滿(mǎn)足以下8個(gè)要求：①為了將空氣樣本從高處位置處的天窗處抽取到地面位置，主管系統(tǒng)及配套的連接管路應(yīng)該永久性的安裝，而不是臨時(shí)性安裝。如果要將主管系統(tǒng)安裝到一個(gè)特殊的天窗，這些管道的尺寸可以做相應(yīng)改動(dòng)，但通常的情況下不應(yīng)該輕易改動(dòng)，應(yīng)該遵守初始設(shè)計(jì)。②應(yīng)該設(shè)置8個(gè)采樣口，采樣口直徑控制在400～500mm之間。③主管系統(tǒng)從第1個(gè)到第8個(gè)采樣口的長(zhǎng)度控制在35m左右，或者控制在電解車(chē)間天窗長(zhǎng)度的7-9%，如果該長(zhǎng)度得不到滿(mǎn)足，則應(yīng)該重新進(jìn)行計(jì)算調(diào)整。④從天窗主管系統(tǒng)到地面的管路直徑應(yīng)控制為300～400mm之間。管路系統(tǒng)中的所有接頭位置都應(yīng)該密閉良好，運(yùn)行過(guò)程中不能發(fā)生漏氣現(xiàn)象。⑤主管的每一個(gè)采樣分支都應(yīng)該設(shè)置可以調(diào)節(jié)進(jìn)入采樣口風(fēng)速的裝置，比如調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)或者調(diào)節(jié)閥門(mén)。⑥主管系統(tǒng)應(yīng)該安裝在靠近風(fēng)速計(jì)的位置，并且盡可能安裝在電解車(chē)間的中間位置。避免將采樣主管安裝在靠近電解車(chē)間端頭的位置，或者電解鋁生產(chǎn)不具有代表性的位置。采樣口應(yīng)該位于天窗喉部具有代表性的中央位置。⑦采樣口、主管、采樣管路等部件，以及和采樣系統(tǒng)接觸的部件表面都應(yīng)該采用316不銹鋼制作，特殊情況下可以采用鋁制作，不過(guò)在第一次使用之前，新管路系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)天窗的含氟氣體老化42-45天處理。⑧在天窗和引風(fēng)機(jī)間之間的管路豎向直段應(yīng)該設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)的位置應(yīng)該滿(mǎn)足以下要求：距離管路的彎頭和收縮等會(huì)對(duì)氣流造成擾動(dòng)的位置的下風(fēng)向至少10倍管徑以及上風(fēng)向至少3倍管徑的要求。兩個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)該呈90°分開(kāi)布置。其中一個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)該在最近彎頭所在平面上。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

采樣管路系統(tǒng)的地面部分還設(shè)置一臺(tái)工業(yè)用引風(fēng)機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備。引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)該滿(mǎn)足如下要求：在所有可能的天窗風(fēng)速下通過(guò)管路系統(tǒng)以及所有采樣口可以滿(mǎn)足等速采樣的要求。引風(fēng)機(jī)的流量可以在±30%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足將天窗煙氣可以均勻被導(dǎo)入采樣口的要求。

3 采樣系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)安裝完畢后，我們就可以開(kāi)始對(duì)天窗無(wú)組織排放的煙氣進(jìn)行采樣處理。在采樣過(guò)程中，為了保證采樣系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及均勻性，我們需要注意以下幾個(gè)方面。

3.1 預(yù)估等速采樣的速度

預(yù)估風(fēng)速可以取值風(fēng)速計(jì)連續(xù)監(jiān)控的風(fēng)速的平均值，如果天窗位置處風(fēng)速變化較大，則可以將測(cè)試系統(tǒng)分成2個(gè)或多個(gè)子測(cè)試系統(tǒng)，每個(gè)子測(cè)試系統(tǒng)采用其對(duì)應(yīng)時(shí)間段的平均風(fēng)速，最后子測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)值進(jìn)行匯總處理。

3.2 管路系統(tǒng)狀況預(yù)測(cè)試

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試之前，啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，通過(guò)主管和管路系統(tǒng)抽取天窗無(wú)組織排放的含有氟氣體。通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)整進(jìn)入管路的煙風(fēng)量，使進(jìn)入采樣口的氣體流速近似于鄰近風(fēng)速計(jì)測(cè)出的天窗空氣流速。

3.3 主管等速采樣速度的調(diào)整

（1）初始調(diào)整。在進(jìn)行正式測(cè)試前，需要調(diào)整引風(fēng)機(jī)，使進(jìn)入采樣口的氣體流速近似等于天窗的平均風(fēng)速。用下式可以確定采樣點(diǎn)位置的管路內(nèi)的風(fēng)速，從而確保采樣口抽取氣樣時(shí)是等速采樣。

8=采樣嘴數(shù)；Vd=采樣點(diǎn)處管路內(nèi)的風(fēng)速，m/s；Dd=采樣點(diǎn)處管路直徑，m；Dn=天窗采樣嘴直徑，m；Vm=天窗平均風(fēng)速，m/s。

接下來(lái)的工作，則是為了確保風(fēng)速測(cè)量的正確性，我們將采用皮托管測(cè)試管道內(nèi)的風(fēng)速。

（2）測(cè)試過(guò)程中的調(diào)整。如果測(cè)試系統(tǒng)被分成2個(gè)或多個(gè)子測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試過(guò)程中的等速校驗(yàn)是很有必要的，校驗(yàn)需要在子測(cè)試系統(tǒng)工作開(kāi)始之前進(jìn)行。在測(cè)試過(guò)程中不允許進(jìn)行等速調(diào)整工作。

4 主管采樣口校準(zhǔn)

在主管系統(tǒng)安裝時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)主管采樣口進(jìn)行校驗(yàn)?；蛘咴诎惭b前，主管預(yù)裝配時(shí)，在地面上對(duì)采樣口進(jìn)行校準(zhǔn)，應(yīng)遵循如下步驟：①將標(biāo)準(zhǔn)皮托管插入到主管上風(fēng)（閥）門(mén)和采樣口間的校準(zhǔn)孔（直徑25mm或更小）內(nèi)，測(cè)試每個(gè)采樣口的入風(fēng)風(fēng)速。

注意：應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)皮托管，而不是采用S型皮托管，以減少在細(xì)采樣管（直徑130mm）里截面阻塞而引起的測(cè)試誤差。皮托管末端應(yīng)該位于主管分支管路的中心。同時(shí)注意保證皮托管周?chē)荒苡新猬F(xiàn)象，因?yàn)槁鈺?huì)影響到主管分支內(nèi)的速度分布。②調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的流量，使每個(gè)采樣口的入口流速接近于天窗無(wú)組織排放的煙氣流速的平均值。③如果進(jìn)入每個(gè)采樣口的風(fēng)速不同，調(diào)整每個(gè)風(fēng)（閥）門(mén)的開(kāi)閉度，使每個(gè)采樣口的風(fēng)速保持一致?？紤]到測(cè)試的要求及設(shè)備的加工費(fèi)用，我們對(duì)EPA中給出的采樣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，采樣口由8個(gè)減少為4個(gè)，同樣采樣管的管徑也做了相應(yīng)的調(diào)整。

同時(shí)，要對(duì)整個(gè)采樣系統(tǒng)進(jìn)行了阻力和風(fēng)量估算，其中天窗自然通風(fēng)最大風(fēng)速取值2.5m/s，采樣管路長(zhǎng)度取值45m，風(fēng)機(jī)選取的參數(shù)：風(fēng)量5400m3/h，全壓1250Pa。

5 總結(jié)

通過(guò)如上所述，我們對(duì)電解鋁天窗無(wú)組織排放的煙氣采樣，從方案設(shè)計(jì)，到安裝、施工過(guò)程，最后到系統(tǒng)調(diào)試做了詳細(xì)的介紹，可以最大程度的保證系統(tǒng)采樣的準(zhǔn)確性與均勻性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化等工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。