高溫氧化鋁煅燒窯收塵器超低排放改造設計

李洪剛

（中鋁山東工程技術有限公司，山東 淄博 255052）

1 項目背景及現狀

1.1 項目背景

在高溫氧化鋁生產過程中，使用高溫煅燒回轉窯生產設備，生產過程中使用煤氣、天然氣作為燃料，氫氧化鋁為原料，在窯尾產生大量的含塵煙氣，經電收塵器凈化后經煙囪排入大氣。中鋁山東新材料有限公司擁有兩臺（1#、2#）高溫氧化鋁煅燒窯，窯的排煙均經一級電收塵除塵后，含塵濃度為70 mg/Nm3，通過各自的煙囪排往大氣。排煙含塵濃度雖然能達到現有的排放要求，但隨著環保要求的越來越嚴格，僅依靠原來設計的電收塵器已不能滿足國家和地方對爐窯煙氣排放的新要求。

中鋁山東有限公司人口密度大、環境容量較小、生態環境敏感度較高的區域，屬于重點控制區。根據《山東省區域性大氣污染物綜合標準》（DB37/2376-2013）規定，自2017 年1 月1 日起至2019 年12 月31 日執行第三時段排放濃度限值30 mg/m3的要求，到2020 年重點控制區顆粒物排放濃度限值為10 mg/m3，顯然差距很大，急需進行升級改造，使其達到2020 年重點控制區顆粒物排放濃度限值要求。

1.2 現狀

中鋁山東新材料有限公司現有1#2# 高溫窯窯后各配一臺45m2電收塵，進電收塵器時煙氣溫度280℃，風量約100000m3/h，除塵效率95%, 目前電收塵器出口排向大氣的顆粒物排放濃度小于70mg/Nm3，粉塵濃度達不到新的環保標準。進入電收塵器前后的煙氣成分見表1。收塵粉料成分為高溫氧化鋁，回收為產品。

從表1 中可以看出，新材料有限公司1#2# 高溫氧化鋁窯，生產使用的電收塵排氣含塵濃度已達不到新的環保標準（10 mg/m3）要求，亟需對除塵系統進行改造，為應對日益嚴格和不斷提升標準的環保要求，本次改造按達到5mg/m3超低排放標準進行設計。

2 改造方案

2.1 高溫氧化鋁生產工藝

含有一定水分的濕氫氧化鋁，在回轉窯內的高溫作用下，經過烘干、脫水、轉晶三個過程，生成α- AL2O3產品經冷卻輸送至產品倉后包裝銷售。在生產過程中廢氣經過二級旋風預熱器至除塵器凈化后通過煙筒排至大氣中。高溫氧化鋁煅燒工藝過程為：氫氧化鋁物料由回轉窯尾送入窯中，在煅燒窯中煅燒，使用天然氣、煤氣作為燃料，將氫氧化鋁燒制成α 氧化鋁（即高溫氧化鋁）。煅燒后的高溫氧化鋁由窯前部排出，進入冷卻機中冷卻后為成品，燃料煤氣（天然氣、煤氣）從窯前噴入燃燒，廢氣從窯尾排出，經兩級旋風進入電收塵凈化處理排空。

可以看出煅燒窯的煙氣具有溫度高、含濕量大的特點，為了給后續的SCR 煙氣脫硝創造條件，不能讓煙溫降低除塵，所以，選擇的除塵器必須要耐280℃的高溫。要達到超低排放，電除塵器達不到，如此高的溫度選擇普通布袋除塵器是不可能的，因此本次改造選擇了金屬柔性膜過濾技術。

2.2 高溫氧化鋁窯煙氣收塵方案

2.2.1 改造方案

方案采用金屬間化合物膜及膜分離技術對1#、2# 高溫窯收塵器進行技術改造。將原有電除塵的極板極線拆除，殼體利舊，改造為以金屬柔性膜為過濾元件的袋式除塵器。利用金屬間化合物多孔材料來有效地使粉塵截留在濾芯表面，待粉塵形成濾餅后，通過反向脈沖噴氣，利用噴嘴管卷吸凈煙氣把在一個預先確定的壓降或時間內形成的濾餅清除掉。一定容積的高壓卷吸氣體以相反的方向流過濾芯，濾餅因重力作用掉下進入除塵器的灰斗部分，通過逐級在線排灰系統把這些固體顆粒物質外排或回收利用。通過反復的循環反吹并保持壓降的基本恒定，整個過程中維持系統內煙氣是完全連續向前流動的。

帶噴氣脈沖清潔的除塵器系統由一個傳統的單管板基礎的除塵器容器組成，這個容器隔離了下部的煙氣側和上部清潔煙氣側。膜濾芯懸吊在管板中并從兩側進行密封固定，含塵的煙氣從粗煙氣側進入除塵器并經由一個分布管裝置導入到管板下側，粗煙氣通過這種結構實現分流。在煙氣除塵系統中，膜濾芯是按組（管束）進行在線清潔，后面的組按順序逐單元進行清潔，這種清潔方式使得余下的組能夠繼續過濾，從而使系統能連續的在線運行。噴氣脈沖清潔效率的關鍵是：極快速動作的自動噴吹閥、定位在每個濾芯上部噴嘴噴射器和膜濾芯。

2.2.2 金屬柔性膜特點

柔性膜濾芯是除塵系統的核心原件，其主要特點：

（1）過濾精度高。

柔性膜平均孔徑5～6μm，孔徑分布均勻，過濾精度可達0.1μ m，過濾后含塵量≤5mg/Nm3。

（2）耐溫性能好、保證后續脫硝工序有利運行。

柔性膜是金屬粉末通過專用設備經特殊工藝制備而成，450℃內不發生氧化，450℃內不發生硫化，化學性能穩定，連續工作溫度≤400℃，短時最高工作溫度可達450℃。項目除塵后出口煙氣溫度保持在280℃以上, 超凈煙氣進入后續脫硝工序，為后續脫硝裝置提供溫度條件，同時減少催化劑堵塞與毒化失效，延長催化劑使用壽命，保證脫硝環保裝置長期達標運行。

（3）過濾通量大、過濾阻力低。

柔性膜厚度0.4～0.6mm，化學反應成孔，孔具有較小的曲折因子，故柔性膜過濾阻力小，過濾通量大，過濾空氣通透量≥300m3/m2·kPa·h。

（4）除塵器濾芯使用周期比布袋的長

本項目選用鐵鋁金屬間化合物柔性膜濾芯，使用周期比布袋的長2 倍以上，而且濾芯由金屬間化合物膜和內部支撐結構組成，均為具有回收價值材料，濾芯性能指標不達標后，可對濾芯進行回收利用，防止二次污染。

2.2.3 收塵工藝流程

（1）改造前工藝

目前，高溫窯出來的高溫含塵煙氣（≥280℃）與常溫空氣混合降溫后（～100000m3/h，≥230℃）進入靜電除塵器進行除塵，除塵后的煙氣進入下一工段。該工藝除塵系統處理氣量大、除塵效率低、除塵后煙氣溫度低，不利于后續脫硝工藝的運行。

（2）改造后工藝

根據熱平衡計算，混合前高溫煙氣流量約92800m3/h。本項目采用柔性膜及膜分離技術對1#、2# 高溫窯收塵器進行技術改造，不用摻配冷風降溫，高溫窯出來的高溫含塵煙氣（～92800m3/h，≥280℃）直接進入除塵器進行高溫、高精度除塵，除塵后的凈煙氣（含塵量≤10mg/Nm3）進入下一工段。除塵器攔截得到的粉塵進入原有輸灰系統，選用常溫/ 中溫壓縮空氣對膜進行定時/ 定阻反吹以恢復膜通量。

該工藝除塵系統處理煙氣溫度更高、粉塵流動性更好，除塵效率高、可為潔凈煙氣脫硝工藝創造有利條件。

圖1 技改后工藝流程

（3）對比除塵器改造后與改造前使用電除塵器的運行費用；

改造前: 電除塵器折舊費為零，每年每臺維保費用約4 萬元。兩臺共計約8 萬元。

改造后:

① 折舊費每年737/12=61 萬元。

② 較原電除塵阻力增加200Pa，風量80000m3/h，風機功率增加N =（200×80000）/(3600×0.98×0.75×1000)= 6kW，兩套合計12kW，新增輸料電機和空壓機119kW，年增電費（12+119-100KW 原電捕）×7200h×0.52 元/ kWh=11.6 萬元

③ 增加更換濾芯的費用平均按照5 年更換一次，每年需要700 元/m2×1500×2m2/5=42 萬元。

④ 煙塵排放由70 mg/Nm3降低至5mg/Nm3以下。按照煙氣量40000Nm3/ 小時，兩臺運轉率85%，收塵料3000 元/ 噸計算，每年回收氧化鋁收塵料效益：

（70-5）×10-9×40000×24×365×85%×2×3000=11.61 萬元。

改造后較之改造前每年增加運行成本61+11.6+42-11.61-8=94.99 萬元。

2.2.4 系統組成

除塵器：除靜電除塵器灰斗利舊改造外其余均新建，改造后除塵器煙氣處理能力為92800m3/h，除塵器進出口規格為1.5×1.5m。除塵器除塵面積1544m2，選擇Φ130×4000mm 濾芯，除塵器濾芯數量共945 支。

反吹系統：設置壓縮空氣緩沖罐、電加熱器、反吹氣包、脈沖閥。選用壓縮空氣對膜濾芯進行定時/定阻反吹以恢復膜通量。

除灰、輸灰系統：除灰、輸灰系統及設備利舊。

2.2.5 改造內容

拆除兩臺高溫窯原電除塵器支架標高7.00m 以上設施，標高7.00m（含）以下部分含灰斗、支架、平臺、卸灰、輸灰裝置都不變動；

新建除塵器的原煙氣箱體、凈煙氣箱體、噴吹裝置、膜濾芯等核心部件；

除塵器阻力較靜電除塵器阻力大1.2kPa，脫硝系統新增阻力約1.2kPa，本方案需對引風機進行改造；

除塵器改造后，原除塵器進出口煙道進行相應改造。

2.2.6 設計范圍

本方案采用金屬間化合物膜及膜分離技術對1#、2# 高溫窯收塵器進行技術改造。設計范圍：

（1）除塵器本體（前自進口封頭法蘭，后至出口封頭法蘭，下至灰斗排灰口法蘭、反法蘭及其附件，灰斗及其配套輸灰裝置利舊）。

（2）反吹系統：壓縮空氣緩沖罐入口法蘭至除塵器所有設備及管道。

（3）成套范圍內附屬設備。

（4）引風機改造。

（5）電氣、控制系統改造。

2.3 主要設備明細

以單臺煅燒窯為例，煅燒窯除塵改造的主要設備見表2。

表2 主要設備清單（單臺）

2.4 工藝參數及指標

采用柔性膜及膜分離技術對1#、2# 高溫窯收塵器進行技術改造，改造后除塵系統工藝參數及指標見表3。

表3 工藝參數及指標

3 運行效果

兩臺氧化鋁高溫窯的除塵器經過金屬膜過濾改造，投運十分順利，運行效果極好，煙氣阻力在400Pa 以內，煙氣排塵濃度在1～3 mg/m3，達到了5 mg/m3的超低排放水平。

（1）減排經濟效益：高溫氧化鋁除塵系統由70mg/m3 降到5mg/m3，年回收38.7 噸高溫氧化鋁, 回收高溫氧化鋁廢料按3000 元/ 噸計算，年創效益11.61 萬元。

（2）社會效益：每年減少外排各種粉塵38 噸，對環境改善有較大的貢獻。

4 結論

金屬膜過濾除塵系統可實現高溫（≤400℃）煙氣除塵，過濾精度高，除塵后凈煙氣含塵量≤5mg/Nm3，除塵氣量大，占地面積小，能連續穩定運行。對于整個高溫氧化鋁生產企業煅燒窯收塵器的本體改造提供了較好的改造方式。