金屬濾芯電袋在氫氧化鋁焙燒煙氣凈化中的應(yīng)用

任金生,吳中興

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

鋁生產(chǎn)包括從鋁礦石生產(chǎn)氧化鋁以及電解煉鋁兩個(gè)主要過(guò)程。每生產(chǎn)1 t金屬鋁消耗近2 t氧化鋁。因此,隨著近年來(lái)鋁價(jià)的攀升,電解鋁產(chǎn)量迅速增長(zhǎng),氧化鋁也隨之發(fā)展起來(lái)。目前市場(chǎng)上約有90%的氧化鋁供電解煉鋁使用。隨著大氣污染形勢(shì)的日漸嚴(yán)峻,我國(guó)開始越來(lái)越重視環(huán)保,近年來(lái)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)》修改單中增加了對(duì)NOx排放指標(biāo)的相關(guān)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(yīng)國(guó)家環(huán)保號(hào)召,有效解決氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中的煙氣污染問(wèn)題,真正實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)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(jí)高壓靜電除塵器排放指標(biāo)很難滿足粉塵超低排放要求,若要長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)到10 mg/Nm3以下,必須使用高效的物理過(guò)濾技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)高溫焙燒氫氧化鋁煙氣參數(shù)及特性進(jìn)行分析對(duì)比,提出了相對(duì)可靠的高溫焙燒氫氧化鋁煙氣除塵凈化治理技術(shù)-金屬濾袋除塵器工藝技術(shù),該技術(shù)可穩(wěn)定、連續(xù)對(duì)氫氧化鋁焙燒煙氣進(jìn)行凈化治理,實(shí)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(jìn)入氫氧化鋁料漿槽,經(jīng)過(guò)水平盤式過(guò)濾機(jī),進(jìn)行洗滌后產(chǎn)出合格氫氧化鋁,氫氧化鋁經(jīng)由皮帶送入焙燒爐,進(jìn)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(jīng)高溫脫水生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程,焙燒產(chǎn)出的氧化鋁經(jīng)風(fēng)動(dòng)流槽送入氧化鋁倉(cāng)進(jìn)行包裝外運(yùn)。主要煙氣性質(zhì)如下:①H2O含量高:一般可達(dá)20～50 vol%;②粉塵含量高:達(dá)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(diǎn)及目前除塵工藝狀況,確定采用氫氧化鋁焙燒高溫?zé)煔獬龎m凈化治理技術(shù),即金屬濾袋除塵工藝技術(shù),其工藝流程如圖2所示。經(jīng)旋風(fēng)分離器除塵后的焙燒煙氣首先經(jīng)過(guò)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(chǎn)物大量回收,進(jìn)行進(jìn)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(jí)旋風(fēng)氣固分離器,出口塵含量較高,后續(xù)須進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高,電除塵器無(wú)法達(dá)到《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(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(zhì),微小顆粒很難在電場(chǎng)作用下荷電從而趨近于極板,因此電除塵器很難使煙氣達(dá)標(biāo)排放。

布袋除塵器在電廠煙氣凈化中應(yīng)用廣泛,除塵效率高,運(yùn)行穩(wěn)定,顆粒物排放濃度最低可達(dá)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(dòng),性狀也會(huì)發(fā)生很大改變[2]。高溫焙燒氫氧化鋁煙氣溫度的正常運(yùn)行范圍為150～350℃,且濕度可達(dá)40%,無(wú)法使用常規(guī)布袋除塵器。

金屬濾芯除塵是近年來(lái)逐漸在煙氣凈化領(lǐng)域發(fā)展的袋式除塵技術(shù),用金屬濾芯取代紡織濾袋,其材質(zhì)有很多種,如316L、310S、哈氏合金等。根據(jù)不同材質(zhì),耐溫最高可達(dá)700℃,適用于高溫?zé)煔鈨艋到y(tǒng)。

金屬濾芯除塵器與常規(guī)布袋除塵器結(jié)構(gòu)形式相同,將常規(guī)濾料更換為金屬濾材料,技術(shù)工藝成熟,主要有以下優(yōu)點(diǎn):①耐溫、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐磨性好。金屬濾芯材料適用溫度高可達(dá)500℃以上,在高溫?zé)煔夤r下,不必?fù)?dān)心燒袋;較好的耐磨性可有效延長(zhǎng)濾芯的使用壽命,降低濾芯的更換頻率,降低運(yùn)行成本。②顆粒物攔截效率高,煙氣顆粒物濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)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(jìn)一步提高煙氣超凈排放要求,也可以不對(duì)除塵設(shè)備進(jìn)行改造。③除塵系統(tǒng)技術(shù)成熟,運(yùn)行穩(wěn)定。金屬濾芯除塵器的結(jié)構(gòu)與常規(guī)布袋除塵器基本相同,在工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)方面均可參考常規(guī)袋式除塵器,使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

4 工程應(yīng)用案例闡述

某氧化鋁公司于2020年對(duì)高溫氫氧化鋁焙燒爐進(jìn)行綜合治理改造,焙燒爐煙氣經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)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(jìn)一步提高,電除塵無(wú)法達(dá)到大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)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(dá)到10 mg/Nm3要求。而傳統(tǒng)布袋除塵工藝運(yùn)行溫度需低于180℃,難以在高溫工況下運(yùn)行,因此該公司本次改造項(xiàng)目選用新型金屬濾芯作為濾料進(jìn)行除塵。

本次改造設(shè)計(jì)除塵效率高達(dá)99.9%以上,將原有三電場(chǎng)電除塵器改造為金屬濾芯除塵器,保障煙氣達(dá)標(biāo)排放。殼體及支撐形式在原來(lái)的基礎(chǔ)上利舊,大大節(jié)省了投資和相應(yīng)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(cè)裝置,對(duì)收集的氧化鋁粉末進(jìn)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(chǎng)+二袋區(qū)的電袋復(fù)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(chǔ),各縱橫跨距及寬度不變,保持原進(jìn)出口封頭標(biāo)高不變。

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

(4)電區(qū)與袋區(qū)之間設(shè)置導(dǎo)流裝置,將原二、三電場(chǎng)空間位置用于布置濾芯,保證過(guò)濾速度～0.9 m/min,濾芯區(qū)設(shè)計(jì)為2個(gè)工作室。

(5)采用耐高溫金屬濾芯,耐溫達(dá)350℃以上,最高達(dá)450℃。

(6)新增袋區(qū)PLC控制系統(tǒng),具備溫度、壓力、差壓檢測(cè)、袋區(qū)溫度保護(hù)控制連鎖的自動(dòng)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(duì)原輸灰設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì),對(duì)管道規(guī)格進(jìn)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(guò)濾風(fēng)速約為0.9 m/min·m2,配置Φ130 mm×6000 mm金屬濾芯,電+金屬濾芯復(fù)合式除塵器改造后阻力增加小于500 Pa。電袋復(fù)合型除塵器的基本思路是先用前級(jí)電場(chǎng)捕集80%左右的粉塵,這樣后級(jí)濾芯捕集的粉塵量?jī)H有常規(guī)布袋除塵的1/5左右,使濾芯的粉塵負(fù)荷量大大降低,然后利用濾芯區(qū)除去煙氣中殘余的微細(xì)粉塵,保證達(dá)到低于10 mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)。改造后運(yùn)行參數(shù)參看表2。

表2 該廠運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

山東、山西、河南、廣西等地10余個(gè)項(xiàng)目改造工作自2008年以來(lái)已相繼實(shí)施,投運(yùn)后可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)顆粒物≤5 mg/m3,且設(shè)備阻力小于500 Pa。該技術(shù)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)》(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(chǎn)物,降低除塵設(shè)備電耗,具有一定經(jīng)濟(jì)效益,在有色、鋼鐵、水泥、化工、煤電等領(lǐng)域高溫?zé)煔庵卫矸矫鎽?yīng)用前景廣闊。

5 結(jié) 語(yǔ)

金屬濾芯除塵器工藝技術(shù)能夠有效脫除氫氧化鋁焙燒爐中的顆粒物,從而使煙氣達(dá)標(biāo)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外,金屬布袋還具有維修周期長(zhǎng)及維修量小的優(yōu)勢(shì),且更換下來(lái)的布袋不會(huì)產(chǎn)生二次危廢,具有行業(yè)推廣價(jià)值和意義。金屬濾芯除塵器工藝技術(shù)可為氫氧化鋁高溫焙燒系統(tǒng)污染物減排提供借鑒。