超聲微霧抑塵裝置在電解鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用*

王刻平，馬祥然，溫連柬

（云南云鋁海鑫鋁業(yè)有限公司，云南 昭通 650100）

電解煙氣納入大氣污染物濃度排放管理的污染因子主要是固態(tài)氟化鹽粉塵、氧化鋁粉塵、二氧化硫粉塵等，該類粉塵均具有一定的親水性[1]。大部分電解鋁廠在生產(chǎn)過程中為有效控制車間溫度，廠房屋頂裝有屋面通風(fēng)裝置，雖然整個(gè)電解工藝設(shè)有煙氣凈化收塵系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)，但在電解槽啟槽期間煙氣凈化收塵系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)不能完全有效控制煙塵外排，有可能會對生產(chǎn)環(huán)境及周邊環(huán)境造成一定的環(huán)境污染。為改善車間作業(yè)環(huán)境，減少職業(yè)病危害，因此增設(shè)可對該類型粉塵控制的相應(yīng)裝置十分必要，也是國家安全生產(chǎn)、綠色環(huán)保所要求。

1 電解車間現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查已投產(chǎn)的大多數(shù)電解鋁生產(chǎn)企業(yè)，如果大批量集中啟動(dòng)電解槽，飛揚(yáng)的氧化鋁粉塵、二氧化硫粉塵和氟化鹽粉塵等，一小部分將會順著屋面通風(fēng)裝置外揚(yáng)到廠房外部。目前電解車間一段CD跨、二段、三段電解槽有可能會集中啟動(dòng)，在電解槽初步啟動(dòng)的前一兩個(gè)月內(nèi)，會有大量無組織排放的細(xì)微顆粒粉塵因無法及時(shí)、充分地經(jīng)由脫硫塔風(fēng)管吸收而通過屋面通風(fēng)器向外部空間彌散，有可能造成屋面通風(fēng)器外部環(huán)境污染嚴(yán)重，同時(shí)給周邊環(huán)境帶來不良影響，根據(jù)大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中對固體顆粒物排放要求[2]，為了避免因集中啟槽帶來不良影響，提前對無組織排放做好防范工作，是新建即將投產(chǎn)的電解鋁生產(chǎn)企業(yè)研究和實(shí)施的必要工作。經(jīng)過調(diào)研，啟槽期間通過屋面通風(fēng)器外揚(yáng)的粉塵主要是 10 μm以下可吸入性粉塵，當(dāng)抑塵措施達(dá)到粒徑≤10 μm時(shí)，抑塵效果才能達(dá)到最佳值，該裝置對10 μm以下可吸入性粉塵特別是 2.5 μm以下可入肺粉塵治理效果高達(dá)96%以上[3]。根據(jù)超聲微霧抑塵裝置在無組織粉塵治理的成功經(jīng)驗(yàn)[4-5]（目前有氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)、煤礦生產(chǎn)企業(yè)、火電廠、鐵礦生產(chǎn)企業(yè)等相關(guān)企業(yè)使用后效果較佳），針對電解車間生產(chǎn)工藝及現(xiàn)狀擬對本項(xiàng)目屋面通風(fēng)器處逸散的粉塵，采用超聲微霧抑塵技術(shù)，通過在屋面通風(fēng)器沿線布置微霧噴嘴噴射與粉塵同粒徑的微霧來對之進(jìn)行凝結(jié)、捕集[6]，加速其沉降從而達(dá)到抑塵目的。未啟動(dòng)的電解車間屋面通風(fēng)器實(shí)拍如圖1，屋面通風(fēng)器安裝超聲微霧噴嘴如圖2。

圖1 未啟動(dòng)的電解車間屋面通風(fēng)器實(shí)拍圖Fig.1 Roof ventilator picture of electrolytic plant not started

圖2 電解車間屋面通風(fēng)器超聲微霧噴嘴布置剖面圖Fig.2 Profile chart of nozzle arrangement of ultrasonic micro-spray dust-control device for roof ventilator of electrolytic plant

2 形成原理

根據(jù)使用介質(zhì)的不同，超聲微霧的形成有單流體和雙流體之分，其中單流體超聲微霧是通過增壓泵給管道內(nèi)的水加壓，當(dāng)水到達(dá)噴頭處并達(dá)到額定壓力時(shí)，便能夠沖開高壓霧化噴頭的彈簧進(jìn)入震蕩室進(jìn)行破碎，并利用高壓將破碎后的水霧顆粒從噴頭噴出。

雙流體超聲微霧是壓縮空氣和水按照水氣配比混合到水氣霧化噴頭，由壓縮空氣沖開水氣霧化噴頭的彈簧后進(jìn)行加速并將水吸入水氣霧化噴頭的加速震蕩室進(jìn)行破碎，并利用加速氣體將破碎后的水霧顆粒從噴頭噴出。

超聲微霧噴出后就會在起塵點(diǎn)上方形成霧團(tuán)，當(dāng)物料起塵時(shí)，粉塵就會完全被霧團(tuán)籠罩，與水霧充分結(jié)合，并且體積逐漸加大，最終在自身重力作用下沉降，達(dá)到抑塵目的。

3 組成和性能

單流體和雙流體超聲微霧抑塵裝置都能形成（1～10） μm粒徑的微細(xì)霧滴，但雙流體超聲微霧具有霧量更大、霧滴顆粒更細(xì)、沉降時(shí)間更長的特點(diǎn)，相較之下水氣能耗也更高，鑒于電解車間頂部兩側(cè)屋面通風(fēng)器處無組織排放粉塵發(fā)生于電解槽初步啟動(dòng)的前一兩個(gè)月內(nèi)，且需要在盡量短的時(shí)間完成粉塵沉降，阻斷其向外逃逸，因此確定選用單流體超聲微霧抑塵裝置。

單流體超聲微霧抑塵裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由中控主機(jī)、分區(qū)控制器、水過濾器、末端霧化組件、連接管線和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3 單流體超聲微霧抑塵裝置的組成Fig.3 Composition of single fluid ultrasonic micro-spray dust-control device

單流體超聲微霧屬于純物理霧化，不額外使用壓縮空氣或其他加壓設(shè)備（水霧1 m范圍外不打濕人體），市政城市生活飲用水/消防水/其他加壓水源均適用，工作壓力（6～8） MPa，距離主機(jī)1 m處工作噪音≤80 dB，額定工作壓力下單噴嘴平均耗水量0.037 L/min，工作時(shí)無滴漏水，整體采用錐螺紋連接，無需專用工具，可直接手動(dòng)拆卸安裝。

中控主機(jī)接收到經(jīng)過濾后的水介質(zhì)后，以設(shè)定的水壓、水流量按指定的程序啟停控制閥，高壓水源再經(jīng)管道輸送到分區(qū)控制器。它由電控系統(tǒng)、多功能控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)組成。這些系統(tǒng)均安裝在IP55標(biāo)準(zhǔn)的箱體內(nèi)，面板上配有觸摸屏，集合了可編程控制器、保護(hù)電路、繼電器以及與它們相關(guān)的元器件，可為用戶提供自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式。在自動(dòng)操作模式時(shí)，可自動(dòng)接收遠(yuǎn)程觸發(fā)信號啟動(dòng)或停止噴霧器噴霧。在手動(dòng)模式，操作人員可以控制操作按鈕啟動(dòng)或停止噴霧器噴霧。

分區(qū)控制器主要實(shí)現(xiàn)中控主機(jī)、水/電主管線與末端霧化組件的連接，并根據(jù)現(xiàn)場情況通過PLC控制實(shí)現(xiàn)各霧化組件分別噴霧。其與中控主機(jī)聯(lián)動(dòng)，接受中控主機(jī)的控制，并反饋工作狀態(tài)給中控主機(jī)從而實(shí)現(xiàn)與中控主機(jī)的雙向通信功能。

所選用的前置大流量過濾器采用全不銹鋼制作而成，表面鏡面拋光處理，可拆卸不銹鋼濾袋，可以定期手動(dòng)清洗，過濾面積0.5 m3，外置安裝于蓄水系統(tǒng)的前端，過濾精度為50 μm。前置大流量過濾器能進(jìn)行蓄水前的一次過濾，濾除蓄水前的大顆粒物以免其進(jìn)入蓄水裝置，起到保護(hù)主機(jī)內(nèi)部增壓泵和末端霧化組件的作用，從而有效延長系統(tǒng)主機(jī)的整體使用壽命。

在電解車間頂部兩側(cè)屋面通風(fēng)器與車間頂棚之間分別鋪設(shè)一根高壓霧化管，霧化管與屋面通風(fēng)器等長，按照1.5 m間距2只噴嘴相對方向噴霧原則，形成濃而密的霧簾，當(dāng)電解車間內(nèi)的揚(yáng)塵飛揚(yáng)至屋面通風(fēng)器與車間頂棚之間即會被這道霧簾阻斷，隨后迅速增重、沉降，從而不再向外逸散。整個(gè)電解車間一段CD跨、二段、三段共采用五套單流體超聲微霧抑塵系統(tǒng)，每套抑塵系統(tǒng)各設(shè)兩個(gè)控制單元，分別控制屋面通風(fēng)器左側(cè)和右側(cè)末端霧化組件的開閉。以一段CD跨為例，現(xiàn)場噴嘴布置示意圖、設(shè)備布置示意圖分別如圖4和圖5。

圖4 噴嘴布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of nozzle arrangement

圖5 設(shè)備布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of equipment arrangement

現(xiàn)場霧化管使用φ12 mm高壓不銹鋼管（壁厚1.0 mm，耐壓10 MPa），從主機(jī)延伸出去采用預(yù)埋及架空的方式通至屋面通風(fēng)器頂部下方，采用雙卡套式異徑三通（如圖6）連通霧化管與超聲微霧噴嘴。

圖6 連通霧化管與超聲微霧噴嘴Fig.6 Connected spray tube and ultrasonic micro-spray nozzle

4 抑塵效果及特點(diǎn)

抑塵效果：超聲微霧抑塵裝置啟動(dòng)后，屋面通風(fēng)器與車間頂棚之間持續(xù)充盈著濃密而細(xì)膩的霧團(tuán)，屋面無滴、漏水，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場無可視粉塵逸散，抑塵效果顯著，實(shí)拍效果如圖7，加裝該裝置后10 μm以下可吸入性粉塵特別是2.5 μm以下粉塵得到了較好的吸收控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下功能。

圖7 超聲微霧抑塵裝置霧化圖Fig.7 Atomization diagram of ultrasonic micro-spray dust-control device

1）實(shí)現(xiàn)了保護(hù)和改善環(huán)境，防治污染和其他公害，保障公眾健康的目標(biāo)，為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，提供助力；

2） 有利于貫徹落實(shí)堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、預(yù)防為主、綜合治理、公眾參與、損害擔(dān)責(zé)的原則，充分體現(xiàn)企業(yè)擔(dān)當(dāng)和造福人民的大我精神，結(jié)合“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略要求，抓好節(jié)能減排、安全高效、綠色環(huán)保，做到達(dá)標(biāo)達(dá)效生產(chǎn)，提供可靠保障；

3）采用超聲微霧抑塵裝置不僅解決了作業(yè)現(xiàn)場工人的塵肺危害，還為企業(yè)和社會減少醫(yī)療投入，創(chuàng)造環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益；

4）超聲微霧抑塵裝置冬季能夠正常使用，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，不僅實(shí)現(xiàn)抑塵降本雙贏，而且也為綠色環(huán)保工廠可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

主要特點(diǎn)：

1）直接作用于產(chǎn)塵點(diǎn)，對非全開放式空間的揚(yáng)塵尤其適用，通過高壓霧化出大量粒徑達(dá)微米級的霧滴去凝并、吸附同一空間內(nèi)飛揚(yáng)的細(xì)微粉塵。相較于傳統(tǒng)的干/濕除塵工藝，干式除塵代表性的負(fù)壓除塵只是簡單地轉(zhuǎn)移粉塵，會再次產(chǎn)生污染，且設(shè)備體積大，運(yùn)行能耗高；而傳統(tǒng)濕式除塵則具有高耗水量、自動(dòng)化水平不夠及抑塵效果不佳等缺點(diǎn)；

2） 高效抑塵，大部分浮游粉塵粒徑≤10 μm，很長時(shí)間內(nèi)都不會沉降，并會隨氣流不斷向周邊擴(kuò)散；超聲微霧抑塵系統(tǒng)產(chǎn)生的霧滴顆粒直徑約為（1～10） μm，與浮游粉塵粒徑及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均相似，物理結(jié)合狀態(tài)極佳，能有效增大粉塵質(zhì)量并使之最終以塵霧凝結(jié)物的形式沉降；

3）節(jié)能減排，水電耗量低。超聲微霧抑塵系統(tǒng)耗水量少，不添加化學(xué)品，并不會增加超過3‰在運(yùn)輸材料的整體含水量。一般水質(zhì)要求是水源懸浮物≤50 mg/L、pH值6.5～8.5、硬度≤450 mg/L、氯化物≤250 mg/L，提高了進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)，是傳統(tǒng)除塵耗水量的1/100～1/10，用電量小，運(yùn)行成本低；

4）占地面積少，可根據(jù)現(xiàn)場條件將中控主機(jī)安裝在任何區(qū)域，對現(xiàn)場安裝位置要求不高，無需設(shè)專門的設(shè)備間，全自動(dòng)PLC控制，節(jié)省基建投資和管理費(fèi)用；

5）維護(hù)成本低，該系統(tǒng)維護(hù)簡單，設(shè)施可靠性高，省去了傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、除塵器、通風(fēng)管、噴灑泵房、灑水槍等。在日常的維護(hù)保養(yǎng)過程中，只需定期清洗噴嘴，系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，采用全自動(dòng)PLC控制，與傳統(tǒng)除塵器相比可降低除塵能耗40%～90%；

6）設(shè)備噪聲不大于80 dB（A聲級，離設(shè)備1 m處測量）；

7） 電氣元件和控制柜防護(hù)等級均為IP55以上，絕緣等級為F級；

8）設(shè)備完全能夠在本項(xiàng)目所在區(qū)域的氣候條件下和本項(xiàng)目的工況下穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行；

9）系統(tǒng)投運(yùn)后，現(xiàn)場粉塵濃度檢測執(zhí)行《工作場所空氣中粉塵測定》（GBZ/T 192-2007）“空氣中的總粉塵用已知質(zhì)量的濾膜采集，由濾膜的增量和采氣量，計(jì)算出空氣中總粉塵的濃度”；

10）系統(tǒng)投運(yùn)后，風(fēng)速小于等于2 m/s時(shí)，屋面通風(fēng)器出口處1 m范圍外目測無明顯可視性粉塵，現(xiàn)場抑塵率大于90%；無二次污染，針對10 μm以下可吸入性粉塵特別是2.5 μm以下可吸入肺粉塵治理效果達(dá)96%以上[7]。

5 裝置的推廣應(yīng)用

冶金化工生產(chǎn)企業(yè)要打好“綠色排”、“能源牌”，做到“安全生產(chǎn)零事故”、“綠色環(huán)保超凈排放”，低碳發(fā)展將是人類生存的緊迫要求。鋁產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展在不斷優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、不斷推動(dòng)新技術(shù)創(chuàng)新、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、充分發(fā)揮鋁的特質(zhì)優(yōu)勢，為我國按期完成“碳達(dá)峰”目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)“碳中和”愿景，抓源頭、控過程、重結(jié)果，將成為鋁行業(yè)建設(shè)生產(chǎn)考慮的重點(diǎn)，綜合分析超聲微霧抑塵裝置的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、費(fèi)用投入等，目前在港口、火電廠、鋼鐵廠、礦場、冶金化工企業(yè)等無組織排放場所固定污染源的密閉或半密閉空間[8]，如翻車機(jī)房、篩分塔、轉(zhuǎn)接塔、破碎機(jī)房、裝車樓、裝卸船機(jī)等，各種環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語

1）通過對生產(chǎn)工藝、抑塵裝置的性能特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)該裝置在冶金化工企業(yè)中的抑塵效果比傳統(tǒng)的收塵裝置好；

2） 該裝置對于10 μm以下可吸入性粉塵，特別是2.5 μm以下可入肺粉塵治理效果顯著；

3）該裝置還具備抑塵率高、節(jié)能環(huán)保、性能先進(jìn)、應(yīng)用效果好、自動(dòng)化程度高、耗水量小、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)；

4）在相似塵源條件下，該裝置值得參考和推廣應(yīng)用。