鋅電解車間通風方案分析

陰世超

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

0 前言

電解是將電流通過電解質溶液(又稱“電解液”)或熔融態電解質，在陰極和陽極上引起酸根離子、金屬離子的氧化或還原反應，從而使金屬在陰極上析出的過程。大宗有色金屬如銅、鉛、鋅、鎳、鈷均采用電解作為精煉工藝，稱作電解精煉。鋅電解液為硫酸鋅溶液，含酸量為100～150 g/L，電解液溫度為35～40 ℃。鋅電解過程中，電極上釋放氧氣和氫氣，這些氣體會攜帶少量電解液散發至室內空氣中，形成硫酸霧，導致室內環境惡劣。為此，通風方式的選擇尤為重要。本文對比當下主流通風方案的優缺點，著重介紹了渦旋通風方案，提出了改善車間工作環境的新思路。

1 酸霧的產生

鋅電解液的主要成分是硫酸鋅、硫酸和水，電解過程總反應方程式如下：

ZnSO4+H2O=Zn+H2SO4+1/2O2

(1)

由鋅電解過程化學反應式可知，鋅電解過程中，酸量會增加，但實際生產中不但不會產出多余的酸，還需要補充硫酸(在其他車間)。可以認為電解過程增加的部分硫酸以及生產補充的硫酸均以廢水、廢氣、固廢等污染物的形式排出生產系統之外。

目前還難以確切計算出鋅電解過程中散發的酸霧量。一般在電解液表面加上一層覆蓋物，使之在電解過程中形成一層泡沫層，有效阻擋酸霧的散發。《重有色冶金企業采暖通風設計參考資料》中酸霧產生量見表1。

表1 電解槽不同位置酸霧產生量

從表1可以看出，在電解槽面加覆蓋物可以大大減少酸霧的產生。根據相關資料[1]介紹，不加覆蓋物，生產每噸鋅的酸霧揮發量為750 g；加覆蓋物后，生產每噸鋅的酸霧揮發量為12.5 g。銅電解、鉛電解車間一般出板頻率為1次/周，而鋅電解車間出板頻率較高，大概為1次/d，故溶液循環量較大，酸霧揮發量也比較大，車間環境很差，對工人的身體健康造成很大的威脅，問題突出，亟需解決。

2 鋅電解車間通風技術現狀

2.1 自然通風

2000年前，設計的大部分鋅電解車間采用自然通風的方式——低側窗進風，天窗排風，車間多為開敞式。由于鋅電解車間散發熱量少，熱壓不大，自然通風在很大程度上是依靠風壓的作用。采用自然通風的車間，電解槽盡量單排布置，采用單跨建筑，最大限度地利用穿堂風。

自然通風雖然投資較低，運行管理簡單，但是可靠性和穩定性較差，車間內的酸霧濃度難以達到衛生標準的要求。

目前這種通風方式基本已經很少采用，主要原因有二：一是現在的電解車間規模較大，都是多跨設計，房間進深較大，自然通風很難滿足要求；二是基于環保要求，在自然通風的作用下，污染物大部分排至室外，且未經凈化，導致全廠環境較差，在當下環保壓力下，這種方式很難再采用。

2.2 機械通風- 屋頂冷卻塔排風

機械通風是目前最流行的通風方式，利用工藝冷卻塔排風，冷卻塔設在車間兩端，排風口設在屋頂，屋頂設玻璃鋼風管，風管接至冷卻塔風機入口。一般換氣次數可達到24次/h。

屋頂冷卻塔排風的通風方式比自然通風效果稍好，室內環境得到了相應的改善，而且利用工藝原有冷卻塔，只需加大冷卻塔軸流風機的風壓，設備的投資變化不大。

屋頂冷卻塔排風在一定程度上改善了車間環境，但由于冷卻塔風機壓力不足，酸霧質量較重等問題，室內環境仍需要改進[2]。

3 鋅電解車間通風新技術

3.1 機械通風- 渦旋通風

渦旋通風方式是對屋頂冷卻塔通風方法的一種改進，在不改變屋頂通風的情況下，在電解槽四周增加渦旋通風，進一步改善室內環境。

3.1.1 酸霧的運動特性

硫酸液滴和一般氣態污染物的運動特性存在差異。酸霧在電解槽附近產生，粒徑和密度較大。液滴因受到重力作用不像氣態污染物那樣對氣流有很好的跟隨性。硫酸液滴對氣流的跟隨性和液滴的粒徑相關，粒徑越大，液滴對氣流的跟隨性越差。液滴在豎直方向的運動速度和氣流運動速度存在差異。液滴粒徑與沉降速度的關系如圖1所示。分析發現，粒徑為10 μm的液滴沉降速度為0.003 m/s，粒徑為50 μm的液滴沉降速度則接近0.1 m/s。通過分析鋅電解過程中產生的液滴的粒徑分布特性發現，大粒徑液滴的沉降速度與槽面上熱氣流的上升速度(0.2～0.3 m/s)接近。因此硫酸液滴噴射進入環境中并跟隨熱氣流上升的距離有限。由于液滴很難上升，其在槽面附近停留的時間較長，而槽面附近的相對濕度較高，抑制了液滴的蒸發作用，使得液滴較長時間保持在大粒徑狀態。

圖1 液滴粒徑與沉降速度的關系

同時，槽面附近的液滴因為羽流的擴散作用、液滴的湍流擴散作用或干擾氣流作用會水平擴散，從而對工作區工人身體健康產生危害。

3.1.2 渦旋通風

屋頂通風的排風口與電解槽的距離約為10 m。根據流體力學匯流原理，在距離排風口一倍排風口直徑距離時，排風速度衰減到最大排風速度的10%左右。由于排風速度在垂直方向上迅速衰減，電解槽附近排風的作用幾乎為0。這就導致污染物大多聚集在電解槽周圍的走道區域，不利于工人操作，環境很差，嚴重損害工人的身體健康。

基于上述原始通風系統設計中存在的排風口距離污染源位置過遠、污染物在房間下部滯留的問題，提出一種新型渦旋通風方案。該方案基于龍卷風、塵卷風等柱狀空氣渦旋原理，利用柱狀空氣渦旋對污染物捕集效果好、污染物傳輸距離遠等優勢，通過在電解槽兩側設置角動量送風裝置，配合屋頂排風口，在廠房內實現“人造龍卷風”，有效地將沉積于房間下部的污染酸霧卷吸到屋頂排風口處排出室外[3]。

以河南某項目為例，對車間電解槽進行分區控制，每跨電解槽設置兩組方向相反的渦旋通風子系統(整個車間共計8組渦旋通風子系統)，將槽面散發的污染物匯聚并沿渦管輸送至屋頂排風口，屋頂排風口的高度同樣高于行車，整個車間的渦旋通風示意圖如圖2、圖3所示，各組渦旋通風子系統之間互不影響。其中每組渦旋通風子系統中空氣渦旋的形成依賴于電解槽兩側走廊旁布置的4個送風口，每個送風口寬2.25 m，高1 m。為了使送風能夠以渦旋流動的形式進入污染物控制區內生成渦旋，各個送風口送出的風具有一定的角度。由于渦旋控制區為長方形(10.9 m×16 m)，因此送風口2和4采用30°角斜吹的方式，送風速度為7 m/s；送風口1和3采用垂直送風的方式，送風速度為3.5 m/s。送風口的送風可用大尺寸工業風扇+均流百葉實現。為了保證各組渦旋之間互不干擾，在兩跨之間設置高約5 m的輕質隔斷墻(薄木板、鐵皮等材質均可)。

圖2 渦旋通風俯視圖

圖3 渦旋通風側視圖

應用渦旋通風方案時，室內單跨局部的工作區位置污染物濃度分布如圖4所示。使用渦旋通風方案后，電解槽釋放的污染物被送風形成的渦旋匯聚在槽面控制區內，隨渦旋氣流直接被輸運至屋頂排風口排出。與原屋頂冷卻塔排風方式相比，渦旋通風方案可有效降低工作區內污染物濃度、減少污染物在室內的滯留量和滯留時間，有效提升通風系統性能，并有望降低總排風量、節約能耗。

圖4 渦旋通風作用下室內某一跨電解車間內的污染物相對濃度分布

通過對比渦旋通風方案與原始設計屋頂冷卻塔排風方案，可以發現在排風量相同的情況下，采用渦旋通風方案，槽面散發的污染物被渦旋聚集在控制區內，有效解決了污染物向車間四周擴散的情況。同時平臺工人工作區以及電解槽兩端走廊的污染物濃度明顯降低，保障了工作人員的安全。除此之外，使用渦旋通風方案需在電解槽周圍設置角動量送風裝置，配合屋頂排風實現渦旋通風效果，不會大幅提高初期投資。且渦旋通風方案設備占地面積小，不影響工人及行車正常生產操作。同時，渦旋通風有望在保證室內環境的情況下，進一步降低排風系統總風量，實現降低通風量、節約能耗的目的。

3.2 機械通風- 下排風

隨著各地環保要求越來越高，加之現階段鋅電解物料越來越復雜，雜質越來越多，只用冷卻塔洗滌已經不能滿足環保要求，車間尾氣需要通過酸霧凈化塔洗滌方可排放。

基于酸霧的物理性質，在不受任何外力的情況下，酸霧會沉積在車間下部，因此提出下排風的方案。在車間兩側設置酸霧吸收塔，尾氣經過酸霧吸收塔凈化后達標排放。

圖5為江西某鋅電解車間的剖面圖。該方案的主要特點是將電解槽下方做成一個靜壓箱，走道與電解槽中間設5 mm縫隙，空氣從縫隙中被吸進靜壓箱內，形成空氣幕，阻止酸霧向走道蔓延，使酸霧順利進入風管，排至酸霧凈化塔內[4]。排風換氣次數約為35次/h，電解槽走道設封閉式蓋板。另外在電解槽面高約3 m處設送風系統，形成一道空氣幕，阻止酸霧上升。送風、排風雙管齊下，使電解槽走道板的位置形成一個小氣候，制造一個較為舒適的環境。

圖5 車間下排風剖面圖

3.3 酸霧凈化

酸霧凈化用設備主要有填料塔、噴淋塔、鼓泡塔、湍球塔等，如圖6[5]所示。

圖6 各種吸收裝置的示意圖

填料塔塔體內設置了幾層填料，增加了噴淋液與氣體的接觸時間，提高了凈化效率。噴淋塔一般配有3～6個噴淋聯管，每個聯管裝有10～50個噴嘴，進入吸收塔的酸性氣體可以與噴淋液緊密接觸，回落的噴淋液經過循環泵增壓循環噴淋。鼓泡塔主要原理是氣體通過噴射分配器以一定壓力進入吸收液，鼓泡區中的氣泡不斷生成，提高凈化效率，但是技術難度較大，適應酸霧濃度較高的尾氣[6]。中和液一般選2%～6%的NaOH溶液，溶液濃度不能過高或過低。如果溶液濃度過高，尾氣中會產生粉末狀物質；如果濃度過低，中和液更換過于頻繁，增加后期水處理成本。

4 結論

通過上述分析可以發現，在以后的設計中，自然通風方案已經被淘汰，機械排風系統是較優通風方式。

對于環保要求較為嚴格的地區，可設置下排風系統。該方案的優點：尾氣處理效果較冷卻塔排風方案好，尾氣容易達標；充分利用酸霧的物理性質，使大部分尾氣排至電解槽以下，操作區工作環境好，在保證工人職業健康的情況下還可以提高工作效率。該方案的缺點：初投資較大，運行費用較高，建議風機設變頻控制，在非起槽工段可以降低風機頻率，節約用電。

對于一般地區，推薦采用屋頂排風+渦旋通風方案。該方案的優點是：通過渦旋通風，使酸霧順利排至屋頂，進入冷卻塔洗滌，室內環境較好；設備初投資、運行費用低。缺點是：隨著環保的要求日益嚴格，冷卻塔尾氣達標成為新的問題。對于已有屋頂冷卻塔排風系統的改造項目，特別適合采用渦旋通風，因為該方案投資少，見效快，施工周期短。但是對于不同的項目，需要做好數值模擬，選擇不同的渦旋風機。