某工廠鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

蔡叢端

摘 要：為了解決工廠熔煉時(shí)產(chǎn)生的大量煙氣及粉塵顆粒，結(jié)合除塵需求，展開(kāi)爐膛煙氣捕集、扒渣口吸塵、管路及保溫、風(fēng)機(jī)及高空有組織排放等設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)計(jì)算工廠鋁熔煉爐運(yùn)行期間產(chǎn)生的煙氣總量;采用Dura-Life Tetratex?薄膜抗靜電聚酰胺濾袋，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵持續(xù)不間斷地高效過(guò)濾;將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于煙囪排放口處;采用PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)交互界面讀取實(shí)際的排放濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒物的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確定排放濃度在10mg/m3以內(nèi)，過(guò)濾后通過(guò)煙囪進(jìn)行高空有組織排放。最后期望本研究能為后續(xù)的煙氣除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，推動(dòng)環(huán)保事業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鋁熔煉爐;除塵系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì);除塵器;防爆

0 引言

工廠的鋁熔煉爐正常運(yùn)行期間，會(huì)產(chǎn)生大量的含塵煙氣，如果不采取有效的處理措施，會(huì)給企業(yè)生產(chǎn)車間環(huán)境帶來(lái)巨大的污染，為此結(jié)合工廠的生產(chǎn)運(yùn)行需求，展開(kāi)合理的除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，去除煙氣內(nèi)含有的大量有害粉塵顆粒。以某工廠鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目為研究實(shí)例，先對(duì)熔煉爐的煙氣特點(diǎn)及除塵系統(tǒng)工作原理展開(kāi)分析，再對(duì)除塵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程深入探討，最后就其系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行效果進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，重視每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

1 熔煉爐煙氣特點(diǎn)

鋁熔煉爐煙氣特點(diǎn)如下：

第一，煙塵粒徑較小，一般在0.1～50μm之間。

第二，煙氣量呈現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài)，最大波動(dòng)幅度高達(dá)50%，造成該問(wèn)題的原因在于熔爐的生產(chǎn)狀態(tài)及溫度變化，在熔煉爐運(yùn)行期間溫度呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響燃?xì)馊紵浚a(chǎn)生不同的煙氣量，一般在熔化爐燒嘴全開(kāi)的狀態(tài)，最大化地對(duì)鋁錠進(jìn)行熔化模式下的煙氣量最大。

第三，熔爐的生產(chǎn)過(guò)程往往會(huì)有很多的回爐料，煙氣成分極為復(fù)雜，除了基本的燃燒產(chǎn)物和顆粒物，包括二氧化碳、水、灰分等，還會(huì)產(chǎn)生含油氣體和粘性物質(zhì)，包括氟化物（熔爐清渣劑中含有氟化物成分）等。

第四，煙氣溫度分布的范圍差別較大，熔煉爐不同工作狀態(tài)下的溫度差異較大，其中溫度最高的為熔爐自由熔化模式，燒嘴全開(kāi)，煙氣溫度可達(dá)450℃以上;投料模式下，由于爐膛進(jìn)料門(mén)的打開(kāi)，爐膛負(fù)壓狀態(tài)下同時(shí)進(jìn)入大量新鮮空氣，煙氣溫度會(huì)有所稀釋和冷卻，煙氣溫度常規(guī)在250～350℃;保溫狀態(tài)下，熔爐燒嘴提供的熱能僅需保持鋁液的熔化狀態(tài)即可，常規(guī)煙氣溫度在300℃左右;扒渣狀態(tài)下，正常熔爐的燒嘴關(guān)閉，但是扒渣口打開(kāi)的瞬間，由于熱能空氣動(dòng)力學(xué)的原因，會(huì)瞬間從扒渣門(mén)內(nèi)涌出濃度較高的煙氣，該煙氣溫度常規(guī)在200～300℃。

綜上，熔煉爐煙氣存在粒徑小、煙氣量變化幅度大、成分復(fù)雜、溫度變化幅度大等特點(diǎn)，這就對(duì)鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需要結(jié)合煙氣特點(diǎn)展開(kāi)設(shè)計(jì)，才能保證設(shè)計(jì)的合理性，高效處理熔煉爐煙產(chǎn)生的煙氣[1]。

2 除塵系統(tǒng)工作原理

2.1 煙塵的捕集

工廠鋁熔煉爐運(yùn)行期間會(huì)釋放大量的粉塵顆粒，這些顆粒會(huì)隨著煙氣向外擴(kuò)散：爐膛煙氣通過(guò)熔爐頂部的吸塵口進(jìn)行吸塵管道的對(duì)接，根據(jù)除塵系統(tǒng)提供的風(fēng)量進(jìn)行抽排，并且實(shí)時(shí)根據(jù)熔爐不同的生產(chǎn)狀態(tài)所要求的負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)際所需的風(fēng)量，有效且節(jié)約能耗;扒渣口煙塵捕集通過(guò)在扒渣門(mén)上方設(shè)計(jì)吸塵罩口的模式進(jìn)行捕集，由于扒渣門(mén)開(kāi)啟的瞬間，大量煙塵會(huì)由于熱抬升的空氣動(dòng)氣學(xué)涌現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)除塵設(shè)計(jì)手冊(cè)，扒渣口頂吸罩口界面捕捉風(fēng)速設(shè)計(jì)2.5m/s，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)自控，扒渣門(mén)開(kāi)，罩口電動(dòng)風(fēng)閥自動(dòng)開(kāi)啟，扒渣門(mén)關(guān)，電動(dòng)風(fēng)閥自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC信號(hào)連鎖，風(fēng)機(jī)變頻控制，有效提供實(shí)際所需的吸塵捕集風(fēng)量且節(jié)約能耗，為企業(yè)節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。

2.2 過(guò)濾

設(shè)計(jì)選用耐高溫并且抗靜電濾料進(jìn)行粉塵顆粒物的過(guò)濾，設(shè)計(jì)過(guò)濾精度為0.3μm以上顆粒物，過(guò)濾精度達(dá)到99.99%，過(guò)濾后顆粒物濃度達(dá)到≤10mg/m3以內(nèi)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 除塵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 除塵工藝流程

某工廠鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)工藝流程如下圖1所示。

熔爐煙塵產(chǎn)生的點(diǎn)源主要有兩方面，分別是爐膛連續(xù)高溫?zé)煔夂桶窃谂及l(fā)工作煙氣，通過(guò)各自的管道及吸塵罩口進(jìn)行煙氣捕集后，匯總進(jìn)入系統(tǒng)主管，管內(nèi)風(fēng)速根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)為23m/s。然后進(jìn)入管道隔爆閥，管道隔爆閥的作用就是在除塵器內(nèi)部在發(fā)生爆炸隱患的同時(shí)，瞬間將管路隔斷，防止爆炸壓力及火焰通過(guò)管路進(jìn)入生產(chǎn)工藝前端。然后再進(jìn)入高溫?zé)煔饫鋮s器及火花捕捉器一體機(jī)，由于鋁熔煉爐的煙氣溫度較高，煙氣混合后常規(guī)溫度在400℃左右，而目前最新前沿技術(shù)的袋式過(guò)濾介質(zhì)的材料耐溫極限溫度是260℃，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度需≤204℃，所以需要將大量的高溫?zé)煔饫鋮s至204℃以下。

冷卻器工作情況為：高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)管道進(jìn)入風(fēng)冷設(shè)備的熱側(cè)通道，由混流風(fēng)機(jī)提供的常溫空氣進(jìn)入設(shè)備的冷側(cè)通道，冷熱側(cè)通道互不相同，經(jīng)由換熱板片的間壁進(jìn)行對(duì)流換熱;在空氣冷卻器及火花捕捉器一體機(jī)內(nèi)部為U型氣流通道，并設(shè)計(jì)擋板，含未燃盡火花顆粒物進(jìn)入設(shè)備后，根據(jù)氣流擋板進(jìn)行分流、降速、碰撞、熄滅、沉降，起到火花捕捉的作用;溫度降低后再進(jìn)入除塵器進(jìn)行粉塵過(guò)濾，過(guò)濾后潔凈空氣通過(guò)煙囪進(jìn)行高空有組織排放;除塵器過(guò)濾下來(lái)的粉塵通過(guò)灰斗底部的螺桿輸送器和卸灰閥進(jìn)行鎖氣卸灰。

3.2 系統(tǒng)組成

3.2.1 扒渣口吸塵設(shè)計(jì)

在扒渣口吸塵罩口截面風(fēng)速設(shè)計(jì)為2.5m/s，例如根據(jù)爐膛門(mén)尺寸，設(shè)計(jì)頂吸罩口設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)2000mm×寬1200mm，則扒渣口處理風(fēng)量為Q扒渣口=2×1.2×2.5×3600=21600m3/h。

3.2.2 爐膛頂部煙氣收集設(shè)計(jì)

結(jié)合除塵需求，在爐膛頂部設(shè)計(jì)煙氣收集系統(tǒng)，為了控制能源消耗，選擇變頻風(fēng)機(jī)，可以結(jié)合實(shí)際需求控制風(fēng)機(jī)頻率，將能源消耗控制在合理范圍內(nèi)。同時(shí)，還要合理設(shè)置壓力變送器及調(diào)溫調(diào)壓閥，主要是為了控制爐膛頂部的排煙情況，根據(jù)煙道實(shí)際的壓力值調(diào)節(jié)。同時(shí)還配合無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)閥門(mén)，主要用于調(diào)控配合爐組主輔煙道，采取PLC信號(hào)連鎖，根據(jù)熔爐不同的生產(chǎn)狀態(tài)和爐膛負(fù)壓的需求，可以對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及閥開(kāi)度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，這樣就可以快速收集爐膛頂部煙氣，讓爐膛維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力值，同時(shí)收集擴(kuò)散的煙氣[3]。

3.2.3 系統(tǒng)管路及保溫

系統(tǒng)管路由兩部分構(gòu)成，一個(gè)為支管，另一個(gè)為系統(tǒng)主管。在鋁熔煉爐正常運(yùn)行期間，先通過(guò)除塵罩口吸收煙氣，通過(guò)支管進(jìn)入到主管內(nèi)，在經(jīng)過(guò)合理處理以后，才能進(jìn)入到除塵主機(jī)。結(jié)合鋁熔煉爐煙塵排放的實(shí)際情況，采用不銹鋼SS304材質(zhì)或碳鋼焊接管材料且噴涂耐高溫保護(hù)漆，這樣才能承受高溫，避免煙塵損壞系統(tǒng)管路。如該生產(chǎn)制造企業(yè)位于冬季較為寒冷地區(qū)，且除塵設(shè)施和大部分管道在室外的情況，為防止冬季結(jié)露產(chǎn)生大量冷凝水進(jìn)入除塵器，必須對(duì)管道和除塵器外部進(jìn)行保溫處理，保溫材料采用陶瓷纖維及外包鋁板加工而成。

3.2.4 環(huán)保除塵器的設(shè)計(jì)及選型

根據(jù)上述研究可知，鋁熔煉爐排出的廢氣溫度極高，采用風(fēng)冷或水冷熱交換的方式將高溫含塵煙氣降溫至185℃后，該溫度在除塵領(lǐng)域仍然屬于較高溫度，仍然給除塵器帶來(lái)不小的壓力，常規(guī)布袋無(wú)法承受高溫。為了承受該溫度，可以選擇陶瓷薄膜濾芯、不銹鋼濾芯、陶瓷結(jié)板等材料，但是這類材料要花費(fèi)較高的費(fèi)用，投入較高的成本費(fèi)用，增加項(xiàng)目的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)一系列的研究分析，最后選定一款性價(jià)比更高的除塵器，具體為Dura-Life Tetratex?薄膜抗靜電聚酰胺濾袋，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵的高效過(guò)濾，并且該款濾袋可以承受204℃的高溫，滿足煙氣除塵需求，并且過(guò)濾效率較高。要注意保護(hù)好除塵設(shè)備，在周邊合理設(shè)置護(hù)欄爬梯及檢修用的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的保護(hù)，同時(shí)為檢修提供便利。在煙氣經(jīng)過(guò)多項(xiàng)處理后，通過(guò)電控風(fēng)閥進(jìn)入到除塵器內(nèi)，處理后的煙氣達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接通過(guò)煙囪排放。此外，除塵系統(tǒng)可以根據(jù)熔爐狀態(tài)控制風(fēng)機(jī)，提供足夠的風(fēng)量，采取變頻控制模式，節(jié)約大量的能源消耗[4]。

3.2.5 風(fēng)機(jī)及高空有組織排放的設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)采取變頻控制的方式，可以結(jié)合煙氣排放需求調(diào)節(jié)，減少不必要的能源消耗。在煙氣經(jīng)過(guò)吸塵罩口、管路、火花捕捉器、石灰噴粉機(jī)、除塵器等設(shè)備以后，鋁熔煉爐內(nèi)的煙塵顆粒已經(jīng)處理達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)候就可以通過(guò)風(fēng)機(jī)吹入煙囪，采取高空有組織排放的方式釋放到大氣內(nèi)，煙囪滿足高空排放需求，不會(huì)造成大氣污染，可以達(dá)到國(guó)家相關(guān)要求。

3.2.6 除塵系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)

由于鋁熔煉爐所產(chǎn)生的粉塵經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)及測(cè)試，檢測(cè)出粉塵具有涉爆參數(shù)，所以鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)均需符合GB15577-2018《粉塵防爆安全規(guī)程》及AQ4273-2016《粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所用除塵系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范》相關(guān)防爆除塵系統(tǒng)要求，具體體現(xiàn)在整體管路的靜電跨接、檢修及清灰口的設(shè)計(jì)和制作、管內(nèi)風(fēng)速的設(shè)計(jì)、隔爆閥的設(shè)計(jì)選型、泄爆片的面積計(jì)算及選型、壓差監(jiān)控、溫度監(jiān)控、抗靜電濾材及設(shè)備整體抗靜電接地、系統(tǒng)安全聯(lián)鎖等。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果及建議

經(jīng)過(guò)一系列的研究設(shè)計(jì)，得到科學(xué)合理的除塵系統(tǒng)方案，按照該方案指揮系統(tǒng)運(yùn)行，站在全局角度上展開(kāi)技術(shù)統(tǒng)籌，并做好對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試工作，最后順利完成安裝任務(wù)，所有除塵系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，正常投入生產(chǎn)。在運(yùn)行期間，除塵系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)異常問(wèn)題，可以滿足熔煉爐的煙氣處理需求，將煙氣通過(guò)高空有組織排放。為了達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在煙囪排放口處，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒物的實(shí)時(shí)監(jiān)控，除塵系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)控制，通過(guò)人機(jī)交互界面讀取實(shí)際的排放濃度，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的記錄，確定排放濃度在10mg/m3以內(nèi)，完全符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且順利通過(guò)相關(guān)部門(mén)的驗(yàn)收檢查[5]。

由于鋁熔煉爐在鋁制品鑄件行業(yè)中的作用非常重要，熔煉爐的正常生產(chǎn)和出鋁水，是該工廠后續(xù)其他產(chǎn)線的保障。所以鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)的配套，是非常重要的，必須保證熔爐正常生產(chǎn)的同時(shí)，保障企業(yè)環(huán)境、員工的職業(yè)健康等。較其他工況產(chǎn)生的煙氣相比，熔煉爐產(chǎn)生的煙氣具有溫度變化大、顆粒物濃度較高、成本復(fù)雜且變化大等特點(diǎn)，除塵難度相對(duì)更高。從實(shí)際情況入手，先分析工廠熔煉爐運(yùn)行的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)專用的除塵設(shè)備，持續(xù)不斷地處理煙氣，并且有效地解決煙氣高溫降溫及避免未燃盡火星進(jìn)入到除塵器內(nèi)部，同時(shí)按照相關(guān)的國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，避免埋下隱患問(wèn)題，引發(fā)安全事故。

5 結(jié)語(yǔ)

工廠鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)都是采用優(yōu)質(zhì)高效的除塵設(shè)備、質(zhì)量可靠的配套設(shè)備及吸塵管道等，根據(jù)除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案定制，生產(chǎn)后運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)安裝，由專業(yè)的安裝人員負(fù)責(zé)，可以保證除塵系統(tǒng)的安裝質(zhì)量。同時(shí)除塵系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的環(huán)保性能，采用大量的節(jié)能設(shè)備，結(jié)合實(shí)際的除塵需求開(kāi)展節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)，如變頻式風(fēng)機(jī)設(shè)備，可以節(jié)約大量的能源消耗，順利完成工程鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。鋁熔煉爐除塵系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙氣的全方面處理，滿足工廠日常運(yùn)行需求，達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

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