鋁用陽極焙燒煙氣凈化方法探討

余宏偉 趙倩倩

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

鋁用陽極焙燒煙氣凈化方法探討

余宏偉 趙倩倩

(青海橋頭鋁電股份有限公司， 青海 西寧 810100)

隨著國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對鋁用陽極焙燒煙氣排放限值的進(jìn)一步降低，許多采用單一凈化方法的電解鋁企業(yè)將面臨設(shè)備改造。本文提出電捕焦油器+干法、焚燒+干法的凈化組合式煙氣處理方案，并介紹了每種方案的工藝流程、主要設(shè)備、運(yùn)行方式和應(yīng)用情況。

預(yù)焙陽極； 瀝青煙氣； 凈化

0 前言

鋁用陽極以瀝青作為粘結(jié)劑，按照一定配方與煅后焦制成生制品，焙燒后用于鋁電解生產(chǎn)。在焙燒預(yù)熱過程中，粘結(jié)劑瀝青從生制品中析出生成揮發(fā)分進(jìn)入焙燒爐火道進(jìn)行燃燒。由于瀝青產(chǎn)生的主要揮發(fā)分氫、甲烷和焦油會(huì)在不同溫度范圍釋放。而焦油的析出溫度低于其燃點(diǎn)溫度，出現(xiàn)揮發(fā)分在焙燒爐火道中存在不完全燃燒現(xiàn)象[1]。另一方面，瀝青煙通常由氣、液兩相組成，液相粒徑分布在0.1～1.0 μm，高溫時(shí)比電阻大，低溫時(shí)會(huì)冷凝。再者，鋁用陽極原料中含有電解質(zhì)殘極，主要成分為氟化物，故鋁用陽極焙燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種煙氣污染環(huán)境。在執(zhí)行《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB9078—1996)時(shí)，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用的凈化方法有電捕集法、氧化鋁吸附凈化法及堿吸收濕法等單一的凈化方法。但隨著國家對環(huán)保要求的加強(qiáng)及排放限值的降低，單一的凈化方法將不能滿足環(huán)保要求，組合式的煙氣處理方法勢在必行。

1 國內(nèi)炭素行業(yè)單一凈化方法的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)電捕集法。利用電場產(chǎn)生的電力使塵粒從氣流中分離的方法。其對于粒徑1～2 μm的塵粒捕集效率可達(dá)98%～99%[2]。但對于液相粒徑分布在0.1～1.0 μm的瀝青煙，其除塵效率會(huì)大大降低，故該方法不能有效去除苯并芘，同時(shí)也不能去除以氣態(tài)存在的氟化物。

(2)氧化鋁吸附干法凈化技術(shù)。利用電解原料氧化鋁作吸附劑，將瀝青煙、氟化物吸附到固體顆粒物表面上，然后通過布袋除塵器實(shí)現(xiàn)氣固分離，回收的物料全部返回電解槽使用。其對瀝青煙、氟化物、粉塵均可達(dá)到很高的凈化效率，但其對SO2基本無效。同時(shí)，該方法存在固氣分離時(shí)瀝青煙堵塞布袋造成排煙負(fù)荷增加的缺點(diǎn)。

(3)堿吸收濕法。通過進(jìn)入洗滌塔，用稀NaOH溶液吸收煙氣中的HF和SO2。由于煙氣中的污染物轉(zhuǎn)入廢水，必須設(shè)廢水處理系統(tǒng)，若廢水處理系統(tǒng)管理不善，將帶來廢水二次污染問題。且由于濕法凈化工藝較為復(fù)雜，設(shè)備較多，操作管理和設(shè)備維護(hù)存在一定困難。在寒冷地區(qū)還需解決冬季結(jié)冰等問題。

2 組合凈化方案的提出

圖1 電捕焦油器+干法聯(lián)合凈化工藝流程圖

2010年9月27日，環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB25465—2010)(表1)，要求現(xiàn)有企業(yè)自2012年1月1日起開始執(zhí)行。GB25465—2010標(biāo)準(zhǔn)相對《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297—1996)和《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB9078—1996)(表2)中的相關(guān)規(guī)定，顆粒物、SO2、氟化物、瀝青煙排放限值分別降低了170 mg/m3、450 mg/m3、3 mg/m3、30 mg/m3。屆時(shí)，國內(nèi)炭素行業(yè)大多數(shù)企業(yè)焙燒煙氣凈化設(shè)備將面臨改造。在原料硫含量不超標(biāo)的前提下，根據(jù)現(xiàn)有電捕集法、氧化鋁吸附凈化法、國外使用的焚燒法，結(jié)合新標(biāo)準(zhǔn)對顆粒物、氟化物、瀝青煙排放限值的要求，未來可采用的組合式煙氣處理方案有：電捕焦油器+干法、焚燒+干法。

3 電捕焦油器+干法組合凈化工藝

3.1 工藝簡介

表1 鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB25465—2010) 單位：mg/m3

表2 工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB9078—1996) 單位：mg/m3

該技術(shù)是近年來基于環(huán)保指標(biāo)對瀝青煙、氟化物排放要求限值下降發(fā)展起來的。由于單一的電捕焦油器不能去除氟化物；而單一干法凈化由于瀝青煙氣直接進(jìn)入系統(tǒng)，會(huì)造成固氣分離的布袋被焦油粘結(jié)堵塞，造成負(fù)壓負(fù)荷降低較大。如果將這兩種系統(tǒng)組合起來使用，既可以充分發(fā)揮每套系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，也能保證整個(gè)煙氣凈化系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。其工作原理如下：未充分燃燒的含有瀝青煙、氟化物、粉塵的的煙氣經(jīng)全蒸發(fā)冷卻塔冷卻降溫,之后進(jìn)入電捕焦油器，除去大量的瀝青焦油和粉塵等污染物，之后進(jìn)入干法凈化反應(yīng)器，在反應(yīng)器處加入氧化鋁，氧化鋁吸附煙氣中的氟化氫和瀝青煙后進(jìn)布袋除塵器。

3.2 主要設(shè)備

電捕位油器+干法凈化工藝主要設(shè)備包括全蒸發(fā)器、電捕焦油器、反應(yīng)器、布袋除塵器、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、氣力提升機(jī)、主排煙風(fēng)機(jī)等，如圖1所示。

3.3 運(yùn)行方式

電捕焦油器+干法凈化工藝有以下4種運(yùn)行方式：

(1)焙燒煙氣凈化時(shí)的正常生產(chǎn)操作方式：焙燒爐出口—預(yù)除塵器—噴淋冷卻裝置—電捕焦油器—干法凈化—風(fēng)機(jī)—煙囪。

(2)系統(tǒng)中電捕焦油器故障或檢修時(shí)的運(yùn)行方式：焙燒爐出口—預(yù)除塵器—噴淋冷卻裝置—干法凈化—風(fēng)機(jī)—煙囪。

(3)干法凈化故障或檢修狀態(tài)時(shí)的備用運(yùn)行方式：焙燒爐出口—預(yù)除塵器—噴淋冷卻裝置—電捕焦油器—風(fēng)機(jī)—煙囪。

(4)電捕焦油器、干法凈化出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急運(yùn)行方式：焙燒爐出口—煙囪。

3.4 工藝應(yīng)用情況

沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司先后為蘭州鋁(2005年)、中電投青海黃河上游水電開發(fā)有限公司(2009年)、青海黃河水電再生鋁有限公司(2013年)設(shè)計(jì)、安裝了電捕焦油器+干法聯(lián)合凈化系統(tǒng)，環(huán)保指標(biāo)滿足目前執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 焚燒+干法組合凈化工藝

4.1 工藝簡介

美國、加拿大、日本等國在20世紀(jì)70年代使用過此方法。該方法主要是利用有機(jī)物可燃性，通過燃燒把瀝青煙氣中的烴類和可燃炭塵燒掉，從而降低瀝青煙氣排放濃度和煙氣中苯并芘等有害物質(zhì)濃度[3]，焚燒+干法凈化工藝的主要設(shè)備包括：主排煙機(jī)及電機(jī)、布袋除塵器、反應(yīng)器、流態(tài)化風(fēng)機(jī)、氣力提升用風(fēng)機(jī)、氣力提升機(jī)、焙燒煙氣焚燒爐，如圖2所示。根據(jù)美國TMS資料顯示，德國的杜爾公司、奧地利CTP公司正在推廣此方法。煙氣量大小決定了燃燒室的數(shù)量，下面以兩室為例對其工作原理進(jìn)行說明：

第一步(見圖3)：換熱室A的進(jìn)氣管閥門打開，出氣管閥門關(guān)閉。初始煙氣進(jìn)入填有蓄熱體的換熱室A中，利用換熱室A的蓄熱體中蓄存的熱量對煙氣進(jìn)行加熱。加熱后的煙氣進(jìn)入燃燒室內(nèi)，在補(bǔ)入燃料的條件下，使煙氣中的瀝青煙和炭塵在800 ℃下燃燒。燃燒后的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱室B時(shí)，對其中的蓄熱體進(jìn)行加熱，煙氣溫度降至約180 ℃后排出。換熱室B內(nèi)蓄熱體溫度升高，以備對下一步的焙燒爐煙氣進(jìn)行加熱。

圖2 焚燒+干法聯(lián)合凈化工藝流程圖

圖3 兩室焚燒法換熱室A工作示意圖

圖4 兩室焚燒法換熱室B工作示意圖

第二步(見圖4)：轉(zhuǎn)換進(jìn)、排氣管道上的閥門，交換A、B兩個(gè)換熱室的功能。即初始煙氣進(jìn)入換熱室B中，利用換熱室B的蓄熱體在上一步蓄存的熱量對煙氣進(jìn)行加熱。被加熱的煙氣進(jìn)入燃燒室，并在補(bǔ)入燃料的條件下燃燒。燃燒后的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱器室A時(shí)對其中的蓄熱體加熱，煙氣降溫后排出。然后再轉(zhuǎn)換進(jìn)、排氣管道上的閥門，重復(fù)第一步的運(yùn)行狀態(tài)。

焚燒降溫后的煙氣經(jīng)管道進(jìn)入冷卻塔，在全蒸發(fā)冷卻塔中噴霧降溫至105 ℃左右后進(jìn)入布袋前的反應(yīng)器，在反應(yīng)器里與加入的新氧化鋁、循環(huán)氧化鋁反應(yīng)，使煙氣中的氟化物吸附在氧化鋁表面，然后進(jìn)入布袋除塵器內(nèi)進(jìn)行氣固分離，干凈的氣體由主排煙機(jī)送至煙囪排入大氣。

4.2 運(yùn)行方式

焚燒+干法凈化工藝有以下4種運(yùn)行方式：

(1)焙燒煙氣凈化時(shí)的正常生產(chǎn)操作方式。焙燒爐出口—焚燒爐—冷卻塔—干法除塵器—風(fēng)機(jī)—煙囪。

(2)系統(tǒng)中冷卻塔或干法除塵器故障或檢修時(shí)的運(yùn)行方式。焙燒爐出口—焚燒爐—風(fēng)機(jī)—煙囪。

(3)焚燒爐故障或檢修狀態(tài)時(shí)的備用運(yùn)行方式。焙燒爐出口—冷卻塔—干法除塵器—風(fēng)機(jī)—煙囪。

(4)焚燒爐、冷卻塔、干法除塵器、風(fēng)機(jī)均出現(xiàn)故障時(shí)的運(yùn)行方式。焙燒爐出口—煙囪。

4.3 應(yīng)用情況

目前，國內(nèi)瀝青煙焚燒處理技術(shù)主要應(yīng)用在煙氣量排放負(fù)荷較小的電子行業(yè)。河南萬基炭素公司的陰極項(xiàng)目上也已使用。而根據(jù)美國TMS資料，阿根廷鋁業(yè)、荷蘭鹿特丹鋁化學(xué)公司、阿聯(lián)酋鋁業(yè)公司、海德魯鋁業(yè)公司、卡塔爾鋁廠、德國西格里炭素有限公司的陽極焙燒爐已經(jīng)使用該技術(shù)，其污染物排放指標(biāo)如表3所示[4]。

表3 焚燒法在國外應(yīng)用所能達(dá)到的污染物排放指標(biāo) 單位：mg/m3

5 結(jié)束語

《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB25465—2010)頒布后，新建、擴(kuò)建的鋁用陽極炭素廠為滿足瀝青煙、氟化物、粉塵的排放限值，電捕焦油器+干法組合凈化工藝已經(jīng)得到推廣。而焚燒+干法組合凈化工藝由于一次性投資較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，國內(nèi)鋁用陽極行業(yè)焙燒煙氣還沒有采用該法進(jìn)行處理的先例。但根據(jù)陽極焙燒爐運(yùn)行特點(diǎn)，4～5年后隨著燃燒條件惡化，焙燒煙氣中將會(huì)含有大量的瀝青煙。隨著國家對瀝青煙中多環(huán)芳烴(PAH)排放限值的進(jìn)一步降低，焚燒+干法組合凈化工藝作為瀝青煙最為徹底的處理方式將得到推廣。

[1] 陳寧.敞開式焙燒爐中揮發(fā)份的燃燒[J].有色金屬(冶煉部分),2003(4):41-44.

[2] 孫一堅(jiān).工業(yè)通風(fēng)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001：92.

[3] 歐陽麗偉，柴立元，王云燕，等. 鋁電解預(yù)焙陽極瀝青煙凈化技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2005,31(5)：6-8.

[4] 侯金虎.鋁用陽極生產(chǎn)中瀝青煙焚燒處理技術(shù)應(yīng)用情況的分析[J]. 輕金屬，2014(10)：45-48.

Discussion on the Flue Gas Purification in Anode Roasting for Aluminium Electrolysis Production

YU Hong-wei, ZHAO Qian-qian

As flue gas emissions limit of carbon anode production plants is further reduced according to the national environmental protection standards，many aluminum enterprises which used single purifying method will face equipment transformation. This paper proposes electro tar precipitator + dry method, incineration + dry flue gas purification combined treatment scheme, it also introduces the process, main equipment, and operation mode and application situations for each process route.

pre-baked anode; asphalt fume; purification

2015-05-06

余宏偉(1980—)，男，青海大通人，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)為青海橋頭鋁電股份有限公司安全環(huán)保部安全管理專工，主要從事生產(chǎn)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)管理工作。

TF821

A

1008-5122(2015)05-0039-04