電解鋁煙氣無組織排放深度治理技術(shù)研究

王文博,李雪嬌,宋海琛,劉竹昕,胡紅勝,孔曄,薛興釗

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001;2.西安市環(huán)境保護科學研究院,陜西 西安 710061)

電解鋁生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生含有氟化氫、粉塵等污染物的電解鋁煙氣,大部分煙氣經(jīng)電解煙氣凈化系統(tǒng)處理達標后通過煙囪排放,稱為有組織排放;少部分煙氣通過電解廠房的天窗逃逸到大氣中,稱為無組織排放[1-2]。通過無組織排放的電解鋁煙氣僅占電解鋁煙氣總量的1%～2%,但由于其未經(jīng)任何凈化處理,煙氣中的污染物含量高,其排放的污染物占污染物排放總量的80%以上。降低無組織排放已經(jīng)成為電解鋁污染物減排方面的重要環(huán)節(jié)[3-4]。

鑒于此,根據(jù)電解鋁煙氣無組織排放的特點,開發(fā)了電解鋁煙氣無組織排放深度治理技術(shù)。該技術(shù)是通過電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)、雙煙管排煙系統(tǒng)、殘極煙氣收集系統(tǒng)等多種治理措施將無組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放,以期達到減排效果。為了研究該技術(shù)的減排效果,通過天窗氟化物在線監(jiān)測系統(tǒng),以煙氣中污染物氟化物排放量為衡量標準,對使用該技術(shù)前后電解車間煙氣中氟化物排放量進行測量對比[5]。

1 實驗方法

天窗氟化物在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由氟化氫分析儀主機、激光發(fā)射及接收器、測溫裝置、風速計等設(shè)備組成,可實時在線監(jiān)測電解車間天窗氣態(tài)氟化物濃度、天窗煙氣流速以及煙氣溫度,通過式(1)和式(2)可計算電解車間天窗氣態(tài)氟化物的排放量[6-7]。為了測試天窗氟化物排放總量,根據(jù)《大氣固定污染源氟化物的測定離子選擇電極法》(HJ/T67-2001)進行人工采樣測試,結(jié)果表明電解車間天窗逃逸的氣態(tài)氟化物與固態(tài)氟化物的平均比值約為4。通過式(3)對在線監(jiān)測系統(tǒng)測量的氣態(tài)氟化物散發(fā)量進行折算,從而計算出電解車間天窗氟化物排放總量。

C=C標T標P/(P標T)

(1)

MHF=0.0864CV1S喉口/Q

(2)

M總=MHF(1+f)/f

(3)

式中:C標、C——標況下、工況下天窗排放的氣氟濃度,mg/Nm3及mg/m3;

T標、T——標況下、工況溫度,K;

P標、P——標況下、工況下大氣壓,Pa;

V1——工況下的喉口風速,m/s;

S喉口——電解車間單臺電解槽對應(yīng)天窗通風器喉口面積,m2;

Q——電解車間單臺電解槽原鋁每日平均產(chǎn)量,t/d;

MHF、M總——單位原鋁產(chǎn)量對應(yīng)天窗氣態(tài)氟化物、氟化物排放總量,kg/t-Al;

f——無組織排放煙氣中氣氟與固氟的比值。

2 電解鋁煙氣無組織排放深度治理技術(shù)減排效果研究

2.1 電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)

原有電解槽采用的是“下煙道”集氣形式,并且存在罩板變形、密封材料破損等問題,導(dǎo)致廠房內(nèi)無組織排放增加,集氣效率低,同時被引風機帶入到凈化系統(tǒng)中的煙氣量少。電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)分別通過提高電解槽的密閉率和電解槽集氣均勻性來提高電解槽的集氣效率。為了分析電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)對無組織排放的減排效果,利用天窗氟化物在線監(jiān)測系統(tǒng)在電解槽相同排煙量的條件下,對改造前后的氟化氫排放進行測試,結(jié)果如表1所示。

表1 密封及上部集氣系統(tǒng)改造前后參數(shù)對比

由表1數(shù)據(jù)可知,通過增設(shè)電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng),可以從整體上提高電解槽的集氣效率。在相同的煙氣量條件下,電解車間氟化物排放總量從0.81 kg/t-Al減少至0.58 kg/t-Al,降幅28.4%,說明增設(shè)密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)可有效降低電解鋁煙氣的無組織排放。

2.2 雙煙管排煙系統(tǒng)

雙煙管排煙系統(tǒng)主要通過增大電解槽排煙量來減少開槽操作時的煙氣泄露,從而減少電解鋁煙氣無組織排放。通過對比電解槽在增設(shè)雙煙管系統(tǒng)前后煙氣流量的變化,來確定雙煙管排煙系統(tǒng)的集氣能力。并利用天窗氟化物在線監(jiān)測系統(tǒng)測量改造前后氟化氫排放的變化量,從而衡量雙煙管排煙系統(tǒng)對電解鋁煙氣無組織排放的減排效果。對原有電解槽進行雙煙管系統(tǒng)改造,對比雙煙管系統(tǒng)在開、關(guān)兩種不同情況下電解槽排煙量,測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 雙煙管排煙系統(tǒng)煙氣量對比圖

由圖1可知,在電解槽增設(shè)雙煙管系統(tǒng)后,開槽作業(yè)時煙氣量能夠比原有單煙管系統(tǒng)時增大1.5倍以上,說明通過增設(shè)雙煙管系統(tǒng)后,增加了電解鋁煙氣由無組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放的量。

在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過增設(shè)雙煙管系統(tǒng),增大開槽作業(yè)時排煙量,將電解車間無組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放,將雙煙管系統(tǒng)改造前后對比情況列于表2中。由表中數(shù)據(jù)可知,通過增設(shè)雙煙管系統(tǒng)后,電解車間氟化物排放總量由0.58 kg/t-Al減少至0.47 kg/t-Al,進一步降低電解鋁煙氣的無組織排放。

表2 雙煙管系統(tǒng)改造前后無組織排放參數(shù)對比

2.3 殘極煙氣收集系統(tǒng)

殘極煙氣收集系統(tǒng)通過殘極集氣箱、排煙管道及排煙風機等,將殘陽極產(chǎn)生的煙氣送至電解煙氣凈化系統(tǒng)中進行處理,使殘陽極散發(fā)的大部分煙氣由無組織排放轉(zhuǎn)化為有組織排放[8]。通過測量殘極集氣箱中氟化氫散發(fā)規(guī)律,并利用天窗氟化物在線監(jiān)測系統(tǒng)測量殘極煙氣收集系統(tǒng)改造前后氟化氫散發(fā)量的變化,從而衡量殘極煙氣收集系統(tǒng)對電解鋁煙氣無組織排放的減排效果。

在特定風量(3800 Nm3/h)條件下,測試殘極集氣裝置內(nèi)氟化氫的排放規(guī)律。殘極集氣裝置中氟化氫散發(fā)量及占比隨時間變化如圖2所示。

圖2 殘極集氣箱中氟化氫散發(fā)隨時間變化圖

由圖2可知,殘陽極煙氣中氟化氫散發(fā)量呈現(xiàn)近似對數(shù)函數(shù)形式增長,隨著殘陽極的放入,氟化氫散發(fā)量在前2個小時內(nèi)迅速增加,而后隨著時間增加趨于平緩,7個小時后不再向環(huán)境中散發(fā)氟化氫污染物。利用天窗氟化物在線監(jiān)測系統(tǒng)測量殘極煙氣收集系統(tǒng)增設(shè)前后氟化氫散發(fā)量的變化,結(jié)果列于表3中。

表3 無組織排放參數(shù)對比

由表3數(shù)據(jù)可知,在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過增設(shè)殘極煙氣收集系統(tǒng)后,電解車間氟化物排放總量由0.58 kg/t-Al減少至0.37 kg/t-Al;將密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)、殘極煙氣收集系統(tǒng)以及雙煙管系統(tǒng)同時改造完成并投入使用后,電解車間氟化物排放總量由0.81 kg/t-Al減少至0.24 kg/t-Al,減排幅度達到70.4%,大幅降低了電解煙氣的無組織排放,說明電解鋁煙氣無組織排放深度治理技術(shù)起到明顯的減排效果。

3 結(jié) 論

采用天窗氟化物在線檢測系統(tǒng),對電解鋁煙氣無組織排放深度治理技術(shù)的減排效果進行測試,結(jié)果表明:

(1)通過增設(shè)電解槽密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng),可以從整體上提高電解槽的集氣效率。通過試驗測試,電解車間氟化物排放總量從0.81 kg/t-Al減少至0.58 kg/t-Al,降幅達到28.4%;

(2)在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過增設(shè)雙煙管系統(tǒng),電解車間氟化物排放總量減少至0.47 kg/t-Al;

(3)在改造密封系統(tǒng)和上部集氣系統(tǒng)后,通過增設(shè)殘極煙氣收集系統(tǒng),電解車間氟化物排放總量減少至0.37 kg/t-Al;

(4)將密封系統(tǒng)、上部集氣系統(tǒng)、殘極煙氣收集系統(tǒng)以及雙煙管系統(tǒng)同時投入使用后,電解車間氟化物排放總量由0.81 kg/t-Al減少至0.24 kg/t-Al,減排幅度達到70.4%。