鋁電解工業PM2.5超細粉塵的控制技術研究

呂維寧，鄧 翔

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴陽 550081）

1 緒論

在鋁電解生產過程中，氧化鋁在電解槽內電解液中溶解，氧化鋁和氟離子形成“鋁氧氟絡合離子”，將氧化鋁的熔點從2050℃降低至960℃左右，并進行電化學反應，陽極炭塊與氧反應生成二氧化碳和一氧化碳而不斷消耗，可通過定期更換陽極塊進行補充，同時定期補充氟化鹽（主要成分Na3AlF6）。在打殼下料的過程中，產生大量的煙塵，煙塵中含有大量氟化物、粉塵、硫化物、碳化物、少量瀝青煙等大氣污染物，是導致空氣質量惡化的最大污染源，產生的細顆粒PM2.5粉塵中含有大量的氟化物，其危險性尤其嚴重。

鋁電解生產過程中會產生大量的煙氣，噸鋁排煙量可達到10萬～12.5萬m3/h；國內研究機構的研究資料顯示，循環兩次的含氟氧化鋁，捕集下來的粉塵顆粒直徑在3微米左右及3微米以下的占0.83%（重量比）；循環三次的含氟氧化鋁，捕集下來的顆粒直徑在2微米左右及2微米以下的占1.339%。《鋁工業污染物排放標準》（GB25465-2010）規定：電解鋁廠電解煙氣凈化系統氟化物中F-的排放限值為3mg/m3，要實現這一排放指標達標，氧化鋁在凈化系統中的循環次數一般需要3次以上，我國鋁電解產能超過2000萬t/a，消耗氧化鋁大約為4000萬t/a，如果按氧化鋁循環3次計算，所有凈化系統中循環氧化鋁的總量為12,000萬t/a，產生的PM2.5粉塵大約為161萬t/a。考慮到部分企業凈化系統運行過程中氧化鋁實際循環次數達不到3次，并對實際運行過程中沒有捕集到的粉塵進行估算，可知電解鋁生產產生的PM2.5大約為66萬t/a。另外，鋁電解陽極組裝、陽極焙燒、陽極制造、氧化鋁原料轉運、原材料破碎、篩分等生產過程中，同樣會產生大量的超細粉塵，其中PM2.5粉塵占很大的比例，整個鋁冶煉行業產生的PM2.5粉塵達到80萬～100萬t/a以上，因此鋁工業PM2.5治理是必須解決的一個重要課題。

在工業應用中，對PM2.5超細粉塵排放的控制，主要是通過布袋除塵器來進行（旋風除塵器難以處理顆粒非常細小的粉塵，電除塵器對粉塵的實際捕集效率為95%左右，膜處理技術運行成本太高，且膜再生處理相對復雜，因而受工藝條件限制），因此對鋁電解工業廢氣排放PM2.5控制技術的研究，實際上是對布袋除塵器的研究。通過多年來的技術改進，濾袋在花板上的固定及密封技術已經取得了很大的進步，脹圈固定已經可以避免由于密封不良造成的粉塵泄露。布袋除塵器的過濾原理是采用以塵濾塵的原理，即通過濾袋上的粉塵附著層來過濾粉塵，過濾材料在其中起著一定的作用，因此，對布袋除塵器過濾技術的研究，包括除塵器內部流場控制技術的研究、用于電解鋁行業袋式除塵器專用濾料技術研究、濾袋上濾餅及清灰控制和煙氣平衡自適應控制技術的研究。

2 布袋除塵器內部流場控制技術的研究

布袋除塵器內部流場控制技術的研究分為布袋除塵器內部氣固兩相流計算機仿真實驗和除塵器內部氣固兩相流分布中試實驗兩個部分。計算機仿真實驗先建立計算機模型（見圖1），模型灰斗積灰情況與實際運行操作情況一致，設備內設置氣流分布板，劃分網格，設定邊界條件，進行計算機模擬計算。模型建立結合工程實際情況，單元處理風量范圍為6萬～7.5萬m3/h，采用Φ130×6000（mm）濾袋432條，24×18組合，袋間網格尺寸80mm，根據需要，分區劃分網格以減少網格數量。邊界條件設置速度進口、壓力出口、多孔介質界面、計算步長大于或等于模型實際距離。模擬計算完畢主要觀察氣流分布情況和粉塵分布情況，要求氣流和粉塵在除塵器袋底位置盡量分布均勻（見圖2），當氣流和粉塵分布不均勻時，調整氣流分布板的位置和高度。

圖1 除塵器計算機模型

圖2 除塵器模擬粉塵粒子跡線圖

中試平臺建設首先根據計算機仿真結果進行系統及設備設計，系統采用小循環形式，“重力逆流噴射加料反應器”加料，新鮮氧化鋁加料量為1～2t/h，循環氧化鋁加料量為1～10t/h，系統流程見實驗系統流程圖（見圖3）。

圖3 中試實驗系統流程圖

實驗模型采用氧化鋁在除塵器灰斗內堆積的模型，由于計算機模擬實驗只考慮了氣固兩相流模擬，假定灰斗內氧化鋁堆積為一個平面，而在實驗過程中氧化鋁在灰斗內的堆積是一個起伏的料面，因此中試實驗的情況并不與模擬實驗結果完全相符，在經過幾次導流板調整以后，除塵器內的氣固兩相流基本均勻，濾袋上同一高度上的粉塵也由原先的分布不均而變得均勻（見圖4、圖5），初步實現了以塵濾塵的目標。

圖4 布袋除塵器流場改進前濾袋上粉塵分布

圖5 布袋除塵器流場改進后濾袋上粉塵分布

在研究過程中發現：同一濾袋上由于高度不同，粉塵分布厚度不一致，即形成濾餅的時間不一致。濾袋下端（上出風外濾式濾袋）由于袋間風速較高，各種粒度的粉塵被煙氣攜帶一起運動，因而粉塵濃度較高，在煙氣穿過濾袋的過程中，粉塵被濾袋纖維或濾袋上的粉塵阻擋而過濾下來；濾袋較高的部位，由于袋間風速較低，大顆粒的粉塵已經沉降，煙氣攜帶的粉塵濃度相對較低，因此在相同周期內濾袋上部黏附的粉塵比濾袋下部的粉塵少，目前正在進行粉塵均布控制的研究和粉塵濃度差別對凈化效率的影響的研究。

3 用于電解鋁行業袋式除塵器專用濾料技術研究

電解鋁行業袋式除塵器專用濾料技術的研究主要指鋁電解煙氣凈化用濾料的研究，鋁電解槽煙氣具有煙氣成分比較復雜，煙氣溫度波動范圍大（由于各企業對電解槽操作管理和密閉程度不一致，煙氣溫度波動范圍為80℃～140℃），多次循環的凈化系統中粉塵濃度高等特點。同時，鋁電解煙氣凈化用氧化鋁是工業生產中的磨料，具有很強的磨琢性，覆膜濾料使用半年就會失效。另外，進口濾料價格高，系統運行成本高。因此要使設備在低成本運行條件下提高凈化效率，必須開發出適用于電解煙氣凈化的專用濾料。

在該部分研究過程中，采用纖維材料制造的具有新型織物構造的濾料，濾料表層采用超細纖維料層，纖維細度范圍為1～5旦尼爾（Denier），具有貼附粉塵初層功能，里層濾料采用普通細度纖維，作為表層濾料的支撐，該結構濾料具有高效低阻技術特性，同時采用與濾料具有諧配的縫袋工藝，研究目標為濾料材質采用滌綸（基料）；透氣量在9～12m3/m2.min；經向拉力≥1200N/5×20cm；緯向拉力≥1500N/5×20cm；經向伸長≤30%；緯向伸長≤35%；使用溫度為120℃～140℃，該技術目前正在進一步研究中。

4 濾袋上濾餅及清灰控制和煙氣平衡自適應控制技術的研究

濾袋上的濾餅及清灰控制包括濾袋上粉塵的最大厚度、清灰后濾袋上粉塵的殘留量、系統運行阻力、濾袋對粉塵的穿透率等，大型凈化系統的清灰控制還將影響到凈化系統各箱體之間煙氣的均勻和平衡，影響到單個除塵器箱體氣流和煙氣量的穩定。因此，濾袋清灰同樣直接影響到系統的凈化效率。

我國傳統的清灰方式為簡單定時清灰或者定壓清灰，這兩種清灰對凈化系統的運行都存在一定的不利影響，壓差清灰方式在對單個箱體進行整體清灰時，除塵器壓差下降很大，導致原本分配到其他箱體的大量煙氣被自動平衡到被清灰箱體，引起各個箱體之間的氣流分配不均勻，而且這種不均勻會隨除塵器清灰箱體的變化而變化，系統無法達到穩定平衡的運行。某項目的電解煙氣凈化系統除塵器單列箱體個數為8個，在壓差設定為1600Pa進行定壓清灰時，清灰箱體煙氣量在清灰前后的波動幅度達到56.7%左右，該清灰控制方式對凈化系統的平穩運行影響很大。

簡單定時清灰的方式除了會出現壓差清灰方式出現的問題外，還會導致整個凈化系統的運行阻力出現周期性的變化，系統穩定性更差。國內以前的凈化系統中，大多采用簡單定時清灰控制的清灰方式，凈化系統排放指標由于國內環保要求較低，以及其他原因而沒有明顯暴露，但在含氟氧化鋁回倉輸送中出現了設計選用的空提即使在放大輸送能力以后，仍然不能滿足輸送要求的情況。

排序清灰時間控制方式（專利號：ZL2009 2 0300893.6）解決了上述兩種傳統清灰控制方式出現的問題，系統運行過程中同列除塵器各箱體之間的壓差穩定均勻（見圖6），但是實現該目標只是本課題研究的一個階段，在進行下一步研究的過程中，還要對清灰噴吹壓縮空氣壓力和袋底壓力進行測試，進行清灰壓縮空氣壓力、脈沖寬度、脈沖間隔、袋長等參數對過濾凈化效率的影響進行正交實驗研究，確定系統運行的最佳控制參數。

圖6 單列布袋除塵器10h在線監測壓力波動曲線圖

5 結語

通過對鋁電解煙氣凈化除塵器及其控制技術的研究，實現了凈化系統HF排放濃度低于0.8mg/m3，粉塵排放濃度低于5mg/m3的課題目標，PM2.5超細粉塵的排放濃度控制正在進一步測試和研究過程中，PM2.5微細粒子捕集效率≥95%的目標正逐步實現。建設好示范工程和做好新技術推廣應用，改善我國大氣環境，是今后進一步研究的目標。■