產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)與變頻節(jié)能
1引言
河南神火鋁電有限責(zé)任公司，是擁有固定資產(chǎn)10億元，年產(chǎn)電解鋁錠6萬噸，年發(fā)電量7億度，年產(chǎn)碳素陽極4萬噸，銷售收入8億元，出口創(chuàng)匯能力達(dá)4000萬美元的中型企業(yè)。公司擁有三個(gè)電解鋁車間，電解鋁車間設(shè)計(jì)為400kA電解槽，采用干法電解煙氣凈化技術(shù)治理鋁電解生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氟化氫。整套電解槽煙氣凈化系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、工藝配置合理、運(yùn)行可靠，有效地控制了電解煙氣對(duì)大氣帶來的污染，完全達(dá)到國家環(huán)保要求。
2鋁電解煙氣凈化方法
鋁電解煙氣凈化回收，根據(jù)凈化回收工藝和所選用的設(shè)備情況分為干法凈化和濕法凈化兩大類。
?。?）干法。用氧化鋁做吸附劑，吸附氟化物后形成載氟氧化鋁，直接返回電解槽繼續(xù)使用。此法多用于預(yù)焙槽和上插槽，是近幾年發(fā)展起來的新方法，因?yàn)楦煞ň哂性S多優(yōu)點(diǎn)，是許多鋁電解企業(yè)普遍采用的方法。
?。?）濕法。用清水洗滌或堿水洗滌電解煙氣后，再通過堿法或酸法流程加以回收，制取冰晶石和氟化鋁的方法。電解煙氣中氟化氫是極性很強(qiáng)的氣體分子，極易溶于水形成氫鍵，水中溶解氟化氫后生成氫氟酸，很容易腐蝕設(shè)備，同時(shí)將大氣污染轉(zhuǎn)成水污染，造成二次污染。濕法凈化回收系統(tǒng)已逐漸不適應(yīng)環(huán)保的要求，而趨于被淘汰。
3電解煙氣干法凈化工藝
3.1干法凈化原理
干法凈化就是以某種固體物質(zhì)吸附另一種氣體物質(zhì)所完成的凈化過程。具有吸附作用的物質(zhì)稱吸附劑，被吸附的物質(zhì)叫吸附質(zhì)。鋁電解含氟煙氣的干法凈化使用電解鋁生產(chǎn)用的氧化鋁，作為吸附劑吸附煙氣中的氟化氫等大氣污染物來完成對(duì)煙氣的凈化。氧化鋁對(duì)氟化氫的吸附過程分三個(gè)步驟：
（1）氟化氫在氣相中不斷擴(kuò)散，通過氧化鋁表面氣膜到達(dá)氧化鋁表面。
?。?）氟化氫受氧化鋁離子極化的化學(xué)鍵力的作用，形成化學(xué)吸附。
?。?）被吸附的氟化氫和氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成表面化合物-氟化鋁。用化學(xué)式表示如圖1：
氟化氫的吸附率可達(dá)98%~99%，瀝青煙的吸附率在95%以上。載有氟和瀝青煙的氧化鋁由布袋除塵器分離后供電解使用?；厥盏姆祷仉娊獠劭裳a(bǔ)充電解生產(chǎn)過程中損失的氟元素，瀝青焦油返槽后可逐步被燒掉。
3.2干法凈化工藝流程
干法凈化工藝流程包括電解槽集氣、吸附反應(yīng)、氣固分離、氧化鋁輸送、機(jī)械排風(fēng)等五個(gè)部分，如圖2所示。
（1）電解槽集氣。電解槽散發(fā)的煙氣呈無組織擴(kuò)散狀態(tài)，為了有效地控制污染，必須對(duì)電解槽進(jìn)行密封。收集的煙氣通過電解槽的排煙支管匯到電解廠房外的排煙總管，然后送往凈化系統(tǒng)集中處理。
（2）吸附反應(yīng)。將吸附劑新鮮的氧化鋁粉加入到電解煙氣中，并使之與煙氣充分接觸而吸附煙氣中的氟化氫，然后送到布袋除塵器袋濾室。
（3）氣固分離。吸附后的氧化鋁為載氟氧化鋁，載氟氧化鋁與煙氣的分離是由布袋除塵器來完成的。分離下來的載氟氧化鋁，一部分作為循環(huán)氧化鋁繼續(xù)參與吸附反應(yīng)，另一部分由氧化鋁輸送系統(tǒng)送入載氟氧化鋁料倉，供電解使用。
（4）氧化鋁輸送。新鮮氧化鋁定量地由新鮮氧化鋁料倉排出，經(jīng)輸送風(fēng)動(dòng)溜槽給入到文丘里反應(yīng)器中。吸附后的載氟氧化鋁由除塵器的沸騰床的溢流口，經(jīng)輸送風(fēng)動(dòng)溜槽及垂直輸送氣力提升機(jī)輸送到載氟氧化鋁料倉，供電解使用。
（5）機(jī)械排風(fēng)。排風(fēng)是整個(gè)凈化系統(tǒng)的主動(dòng)力源。凈化系統(tǒng)的煙氣輸送、氧化鋁輸送、除塵器等均在負(fù)壓狀態(tài)下操作，不向外界排放污染物。機(jī)械排風(fēng)的設(shè)備為離心風(fēng)機(jī)。
4電解煙氣凈化系統(tǒng)的組成
我公司二期凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用干法凈化，所用主要設(shè)備有文丘里反應(yīng)器、脈沖袋式除塵器、風(fēng)動(dòng)溜槽、氣力提升機(jī)以及排煙風(fēng)機(jī)等。
（1）文丘里反應(yīng)器，其工作原理和特點(diǎn)是煙氣向上通過文丘里反應(yīng)器的喉口時(shí)，流速突然增大，形成湍流。在此加入氧化鋁，氧化鋁與煙氣由于湍流而充分混合，進(jìn)行充分反應(yīng)，煙氣自下而上穿過這層斷面與氧化鋁接觸，完成氧化鋁對(duì)氟化氫的吸附過程。喉口上方形成的湍流使氧化鋁能充滿整個(gè)管道斷面，縮短了所需的管道長度，提高了凈化效率。
?。?）脈沖袋式除塵器，如圖3所示，含塵氣體從袋式除塵器進(jìn)口引入后，通過煙氣分配裝置均勻進(jìn)入濾袋，在此過程中粉塵即被濾袋的外側(cè)所阻擋，經(jīng)過凈化處理的氣體從出口排出，當(dāng)濾袋表面的粉塵不斷增加到一定的厚度，導(dǎo)致設(shè)備阻力上升到設(shè)定值時(shí)，微壓差控制信號(hào)有信號(hào)輸出?？刂苾x發(fā)出信號(hào)，使噴吹系統(tǒng)工作，電磁脈沖閥打開，此時(shí)壓縮空氣從氣包順序經(jīng)脈沖閥和噴嘴向?yàn)V袋內(nèi)噴射，附于袋外的粉塵脫離濾袋落入灰斗，然后由回轉(zhuǎn)排灰閥將粉塵排出。
?。?）氣力提升機(jī)是一種低壓吹送的垂直提升氣吸式輸送設(shè)備，其工作原理：靠真空來吸取物料，即當(dāng)排風(fēng)機(jī)工作后，整個(gè)系統(tǒng)被抽成一定的真空度，在壓力差的作用下，大氣中的空氣流從物料堆的間隙通過，把物料吸入吸嘴，并沿輸料管進(jìn)入分離器中，在分離器中物料和空氣被分離，物料直接從底部卸出，空氣進(jìn)入除塵器，凈化后的空氣通過排風(fēng)機(jī)進(jìn)入大氣。
?。?）風(fēng)動(dòng)溜槽分為下充氣層、中透氣層和上輸料層，由風(fēng)機(jī)給予低壓小容量的空氣，由充氣層透過透氣層，使物料流態(tài)化，從而實(shí)現(xiàn)物流的移動(dòng)。循環(huán)氧化鋁加入到反應(yīng)器的輸送都采用風(fēng)動(dòng)溜槽。
?。?）排風(fēng)是整個(gè)凈化系統(tǒng)的主動(dòng)力源。二期焙燒凈化系統(tǒng)由八臺(tái)離心式風(fēng)機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為八臺(tái)560kW/10kV高壓電機(jī)（Y2
5004-6型）。
5系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制
在電解鋁煙氣凈化的過程中，為了有效的進(jìn)行生產(chǎn)操作，就需要對(duì)生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量等）進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并與控制儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)相配合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。
5.1系統(tǒng)控制原理
根據(jù)工藝流程，在本系統(tǒng)中，被控對(duì)象是核心，被測(cè)信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4-20mA或0-5V），與給定值進(jìn)行比較，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算，以輸出作為控制信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)方框圖如圖4所示：
本系統(tǒng)中除塵器的出入口壓差、載氟氧化鋁的物位控制、新鮮氧化鋁的物位控制、排煙機(jī)的溫度控制以及出口煙氣壓力的控制是本系統(tǒng)的控制核心。
5.2排煙機(jī)變頻控制原理
下面就以排煙機(jī)的出口煙氣壓力控制來說明本系統(tǒng)的控制原理與實(shí)現(xiàn)方法。
如圖5所示，檢測(cè)排煙風(fēng)機(jī)出口煙氣壓力，因?yàn)楫?dāng)內(nèi)外壓差太大時(shí)，布袋除塵器中的煙氣沒有被除掉，就被直接吸出，影響凈化效果。為了保證煙氣凈化過程順暢進(jìn)行，DCS接受壓力變送器傳輸過來的壓力信號(hào)，按照既定算法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)壓力超過系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，DCS發(fā)出4-20mA或0-5V的信號(hào)來降低變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行來降低出口煙氣壓力；當(dāng)壓力低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，DCS發(fā)出4-20mA或0-5V的信號(hào)來升高變頻器的頻率，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)機(jī)升速運(yùn)行來升高出口煙氣壓力。
6變頻控制排煙風(fēng)機(jī)的效果
離心排風(fēng)機(jī)是凈化系統(tǒng)的動(dòng)力源，為煙氣凈化系統(tǒng)煙氣捕集提供所需的負(fù)壓和煙氣在系統(tǒng)中傳輸、流動(dòng)提供動(dòng)能，是凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。因此，離心排風(fēng)機(jī)的控制、運(yùn)行狀況及維護(hù)保養(yǎng)對(duì)煙氣凈化系統(tǒng)非常重要。
二期電解鋁車間煙氣凈化系統(tǒng)采用八臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，這八臺(tái)排風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用佳木斯電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的Y2
5004-6型高壓電機(jī)，電機(jī)的功率為560kW，額定電流為40.9A，額定轉(zhuǎn)速為980
r/min。本系統(tǒng)選用四臺(tái)山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-560F型高壓變頻器，采用一拖二方案。如圖6所示
，一臺(tái)變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，其中一臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻運(yùn)行；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行；并且，變頻器旁路部分具有互鎖功能，確保兩臺(tái)電機(jī)不出現(xiàn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時(shí)驅(qū)動(dòng)。虛線框內(nèi)為變頻器旁路柜的電路設(shè)計(jì)。
DCS采集煙氣出口壓力，當(dāng)壓力升高超過上限值時(shí)，通過降低變頻器頻率來降低排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使煙氣出口壓力降低到目標(biāo)值；當(dāng)壓力降低到下限值時(shí)，通過升高變頻器頻率來升高排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使煙氣出口壓力升高到目標(biāo)值。當(dāng)然，也可以人工操作DCS平臺(tái)，來調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。操作更加方便，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。
同時(shí)，變頻器可以實(shí)現(xiàn)同機(jī)組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞，可完成自診斷、報(bào)警和接收指令的功能。
四臺(tái)高壓變頻器于2010年8月8日一次性投運(yùn)成功。對(duì)分別工頻和變頻運(yùn)行的兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比：
工頻運(yùn)行：運(yùn)行電流為22A。
變頻運(yùn)行：運(yùn)行頻率為40Hz，輸入電流為15A。
通過電度表進(jìn)行一個(gè)月分別跟蹤檢測(cè)，實(shí)測(cè)節(jié)電率約為31%，節(jié)能效果十分明顯。
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結(jié)語
電解鋁產(chǎn)業(yè)屬于高能耗高污染的行業(yè)，電解鋁的生產(chǎn)成本中所占比重最大的就是電能，大約占總生產(chǎn)成本的40%左右，因此改進(jìn)電解槽設(shè)備，使用節(jié)能設(shè)備降低能耗，減少生產(chǎn)成本是企業(yè)間競爭的重點(diǎn)。電解鋁生產(chǎn)中產(chǎn)生的氟化物污染，隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，對(duì)電解鋁企業(yè)廢物排放的指標(biāo)也將越來越嚴(yán)格，因此使用先進(jìn)的煙氣凈化設(shè)備，并且實(shí)現(xiàn)設(shè)備的變頻節(jié)能勢(shì)在必行，并且具有廣闊的推廣意義。
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