氧化铝厂石灰化灰机烟气净化系统

靳 冬

（贵阳铝镁设计研究院，贵州 贵阳 550081）

氧化铝厂化灰机在生产过程中会产生余热及水蒸汽，石灰加入的过程会产生大量粉尘。石灰吸收水分后会板结导致管道堵塞，碱性水蒸汽会腐蚀厂房，石灰粉尘及碱性蒸汽严重影响工作人员健康，是困扰氧化铝厂的痛点和难点。目前国内各氧化铝厂对该污染点重视程度不高，多数企业未设置任何净化措施任由其自然排放。《氧化铝厂通风除尘与烟气净化设计规范》YS/T5036-2019中5.2.3条有明确规定：化灰机在石灰乳制备过程中应设置排气装置，对产生的含尘蒸汽宜设置湿法除尘净化措施。随着环保政策日趋严格，对应化灰机设置有效的净化措施是今后必然的选择。

1 净化系统选择

（1）具体工况。化灰机，即石灰消化机是由回转运动方式代替搅拌生成石灰乳的设备，CaO遇水反应生成Ca（OH）2并产生大量热及有腐蚀性的水蒸汽。化灰机进料口污染物为石灰粉尘及碱蒸汽，化灰机出口污染物为碱蒸汽。由于石灰易于受槽板结，不应采用布袋除尘器及电补等干法净化系统。喷淋式除尘器是通过向除尘器内部不断淋喷水，使水，气有效接触完成除尘的过程。本工段污染物为含CaO粉尘的蒸汽，CaO对湿度敏感，易从空气中吸收水分。与水反应生成Ca（OH）2并产生大量热，有腐蚀性。

（2）净化系统配置。本工段工艺主体设备为化灰机，化灰机在生产过程中需要加入水与石灰混合生产石灰乳。

净化系统采用喷淋洗涤塔，利用水滴对含有石灰粉尘的水蒸汽进行洗涤。洗涤后的浆液进入沉淀池过滤掉浆液中的固体颗粒，沉淀池底部设置排出口，利用浆液泵将石灰浆液输送至化灰机。沉淀池上部与清液池联通，清液池内液体通过泵输送至洗涤塔用于喷淋洗涤。化灰机所用新水及净化系统所消耗新水首先进入净化系统清水池，通过净化洗涤后由浆液泵输送至化灰机循环利用。净化系统不新增耗水量，不产生固体及液体废弃物，洗涤后的含尘水蒸汽能达标排放，另外由于喷淋洗涤的冷却作用，水蒸气的含量也大幅减少。

该净化系统的大致配置如下：净化系统采用喷淋洗涤塔，利用水滴对含有石灰粉尘的水蒸汽进行洗涤。洗涤后的浆液进入沉淀池过滤掉浆液中的固体颗粒，沉淀池底部设置排出口，利用浆液泵将石灰浆液输送至化灰机。沉淀池上部与清液池联通，清液池内液体通过泵输送至洗涤塔用于喷淋洗涤。化灰机所用新水及净化系统所消耗新水首先进入净化系统清水池，通过净化洗涤后由浆液泵输送至化灰机循环利用。净化系统不新增耗水量，不产生固体及液体废弃物，洗涤后的含尘水蒸汽能达标排放，另外由于喷淋洗涤的冷却作用，水蒸气的含量也大幅减少。

该净化系统有处理能力小，总造价低，各设备间联锁及控制复杂，任何水路及气路问题均可导致系统故障，为了更好的确定责任划分工作范围及考核，我们建议采用总包的方式，对该净化系统单独设置子项，由设计院先给出招标技术条件，甲方确定总包方后再由设计院配和完善相关设计工作。

2 喷淋式除尘器

喷淋式除尘器是通过向除尘器内部不断淋喷水，使水，气有效接触完成除尘的过程。本工段污染物为含CaO粉尘的蒸汽，CaO对湿度敏感，易从空气中吸收水分板结且CaO含有杂质，故选用空心喷淋除尘器。空心喷淋除尘器又称喷淋塔，设备体积加大，效率不高，但它具有结构简单，制作方便，便于采取防腐措施，阻力小，不易被堵塞等特点。

（1）喷淋式除尘器结构。除尘器本体由以下三部分组成。①进气段：进气管以下至塔底的部分，使烟气在此区间得以缓冲，均布于塔的整个截面。②喷淋段：自喷淋层（最上一层）至进气管上口，在此段进行接触传质，是塔的主要区段。③脱水段：喷嘴以上部分为脱水段，作用是使大液滴依靠自重降落，其中设置有除雾器，以除掉小液滴，使气液较好的分离。塔直径由气体在塔内的流速确定，空心喷淋式除尘器的气量速度越小对净化效果越有利，一般塔内气体流速取1.0～1.5m/s。塔的高度一般参考直径确定，高与直径的比值在4～7范围以内，喷淋段占总高度的1/2以上。

（2）匀气装置。气流自较窄的进口进入较大的塔体后，气体喷流先沿塔底展开，然后沿进口对面的塔壁上升，至顶部出口。这样会导致在进口侧塔体出现气流空洞，在塔的横断面上气流分布很不均匀，而且使得喷流气体在本体内的停留时间亦不相同，致使塔的容积不能充分利用。为改进这一缺点，可考虑在入口上方增加匀气板，但会增加系统阻力，而且石灰含有杂质且容易板结，可能导致匀气板堵塞。本次设计将进气管伸到塔中心，向下弯转，使得气体向四周扩散，然后在向上移动，这样可以极大的减少塔内空洞的出现。

（3）喷嘴。喷嘴的功能是将洗涤液喷散为细小液滴。喷嘴的特性十分重要，构造合理的喷嘴能使洗涤液充分雾化，增大气液接触面积。反之，虽有庞大的塔体而洗涤液喷散不好，气液接触面积仍然很小，影响设备净化效率。喷出液滴大小取决于喷嘴结构和洗涤液压力。液体压力一般取2～3atm时，喷雾消化能量约为0.3～0.5kW.h/t液体。喷嘴在断面上均匀配置，保证断面上各点的喷淋密度相同，无空洞或疏密不均的现行。

（4）除雾。在喷淋段气液接触后，气体的动能传给液滴一部分，致使一些细小液滴获得向上的速度而随气流飞出塔外。液滴在气相中按其尺寸大小分为：直径在100μm以上的称为液滴；直径在100μm～50μm之间的称为雾滴；在50μm～1μm的称为雾沫状；而1μm以下的为雾气状。如果除雾效果达不到要求，不仅损失洗涤液，增加耗水量，而且还降低净化效果，飞逸出的液滴加重了周围的污染程度，更重要的是损失掉已被吸收石灰粉尘。除雾器主要有以下几种：填充层除雾器，降速除雾器，折板除雾器，旋风除雾器等。考虑到本工段的特性，除雾器必须易于清洗及方便施工，选用折板除雾器。折板除雾器是使气流通过曲折板组成的曲折通路，其中液滴不断与折板碰撞，由于惯性力的作用，使液滴沿折板下落。折板除雾器一般采用3～6折，其阻力由气流速度，密度及阻力系数共同确定。

（5）除尘器效率。水气比是与净化效率关系最密切的控制条件，其单位为L液/m3烟气。在其他条件不变时，水气比越大，净化效率越高。特别是水气比在0.5以下时，净化效率随水气比提高而剧增，这是因为水量还不能满足吸收要求的缘故。但增大到一定程度后，再增加喷淋量已无必要，反而会使气流夹带增加。空心塔的水气比以0.7～0.9为宜。当然这不是一个固定的数值，而与雾化效果相关。

3 新型喷吹控制系统

3.1 喷吹判断参数

由于除尘器内布袋表面的粉尘厚度目前无法直接测量，我们利用气流通过布袋时的压损作为一个间接判断的参数。各单元所测得的压损值作为该单元脉冲阀是否启动的信号。

3.2 工作原理

除尘器内各单元所控制压损最大值均设定为相同值（注意此时只需设定最大值，不需要设定一个范围）。当超过此设定值时，对应单元内某一脉冲阀（按一定顺序提前进行设置）进行喷吹。喷吹完成后该脉冲阀对应的布袋表面所吸附的氧化铝粉尘层剥离，布袋透气性增加，除尘器单元压损降低。此时停止喷吹除尘单元内其余布袋直到该单元内压损值再次超过设定值。由于控制了单元压损最大值，各单元运行阻力在设定的最大值下小幅波动，各单元平均运行阻力相差不大，所以各除尘单元所处理的风量也基本相同。

3.3 喷吹间隔控制

除尘器最小喷吹间隔的控制可避免连续喷吹导致压缩空气管道压力下降影响喷吹效果，还可防止喷吹频率过快造成清灰量大导致下级输送系统超负荷运行。

3.4 调整除尘器单元内喷吹顺序

为减少喷吹清除的含氟氧化铝被相邻布袋再次吸附，均衡除尘单元内部气流，取消原有顺序喷吹方式。将除尘单元内脉冲阀根据安装位置划分为两个区域，连续喷吹的两个脉冲阀来自不同区域，可确保脉冲阀间的空间距离。

4 实施案例

遵义伟明铝业电解烟气净化系统共有十个除尘器单元，每个单元设置有24个脉冲阀，每个脉冲阀对应20条布袋，结合本文所介绍的新型脉冲喷吹控制系统，在实际运行中对PLC程序要求如下：除尘器共十个单元，各单元各设置压差传感器一只（压力传感器用于测量花板上下的压差值），每单元的运行阻力可调，默认为1500Pa。对每单元24个脉冲阀根据现场安装位置从左到右进行编号。1#阀对应单元最左端脉冲阀，24#阀对应单元最右端脉冲阀。各单元均按此进行编号。各单元压差传感器仅对该单元脉冲喷吹进行控制。除尘器各单元内部喷吹顺序为1#，13#，2#，14#，3#，15#......以此循环。当某单元压差传感器所测压差值超过设定值时（1500Pa），系统给出对应单元一次喷吹要求（仅动作脉冲阀一次），并记忆喷吹位置。下次此箱体需要喷吹时从该阀位的下一阀位开始喷吹（喷吹顺序见上条说明）。喷吹完成后继续监控单元压差，当压差再次超过设定值继续喷吹，按此循环。各单元给出的喷吹要求（仅动作脉冲阀一次）应进入PLC整体进行控制，确保整个净化系统两个喷吹间隔的时间不小于5秒（可调）。各单元给出的喷吹要求（仅动作脉冲阀一次）进入PLC排队顺序喷吹，所以单元给出喷吹要求后脉冲阀并不是立刻动作，这与进入PLC等待喷吹脉冲阀的数量有关。在这段时间内，单元的所测压差虽然高于设定值但不再给出喷吹要求，需要等此次喷吹完成后再根据压差进行喷吹判断。要求记录各单元内各脉冲阀的喷吹时间，间隔及喷吹后的压差波动。压差波动，时间及脉冲阀的喷吹的关系应以图表形式给出。

5 结论

该喷吹控制系统与原有系统相比有明显优势，通过对遵义伟明铝业运行数据与其余铝厂数据的对比，可得出如下结论：①可最大限度的减少喷吹的频率，减少压缩空气消耗量，增加布袋及脉冲阀的寿命。②通过减小喷吹频率在维持除尘器正常透气性的情况下，尽量维持布袋表面氧化铝粉尘厚度，优化了净化效果。③有利于除尘器各单元及除尘器内部气流平衡。④避免各除尘器单元同时清灰造成下级输送系统超负荷运行。

由以上结果可知，新型脉冲喷吹控制系统是符合电解铝烟气净化特点，在今后的设计中应作为重要参考依据。