多級噴霧法在鉛電解陽極熔鉛鍋煙氣凈化中的研究與應(yīng)用

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團有限公司，湖南衡陽 421513)

多級噴霧法在鉛電解陽極熔鉛鍋煙氣凈化中的研究與應(yīng)用

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團有限公司，湖南衡陽 421513)

分析了鉛電解陽極熔鉛鍋煙塵產(chǎn)生的機理及特性，確定了煙氣凈化工藝。根據(jù)多級噴霧塔脫除熔鉛鍋煙塵的試驗研究結(jié)果，確定最佳工藝參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵設(shè)備。項目建成投產(chǎn)后，系統(tǒng)運行正常，各項環(huán)保指標(biāo)均達到要求。

多級噴霧塔;陽極熔鉛鍋;鉛煙塵;液氣比;吹吸式吸塵罩

湖南水口山有色金屬集團有限公司鉛電解分廠鉛陽極熔鉛鍋配套的煙氣凈化系統(tǒng)采用反吹風(fēng)布袋除塵器，由于煙氣中含有大量的水汽及酸霧，煙塵易粘附于布袋表面難以清理，引起布袋板結(jié)，導(dǎo)致布袋除塵器無法正常工作。并且側(cè)吸煙罩設(shè)計不合理，車間內(nèi)煙氣四溢，嚴(yán)重影響現(xiàn)場操作工人的身體健康。因此，電解分廠擬對鉛陽極鍋臺低空污染進行治理。

1 鉛電解陽極熔鉛鍋鉛煙塵產(chǎn)生的機理及特性

粗鉛火法初步精煉是電解精煉之前的必經(jīng)工序，主要是粗鉛在熔融狀態(tài)下通過熔析等過程除去雜質(zhì)，并鑄成適合電解生產(chǎn)的鉛陽極板。因鉛的飽和蒸氣壓較低，熔融鉛的揮發(fā)率較高，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鉛蒸氣易被氧化形成鉛煙氣溶膠。熔鉛鍋內(nèi)熔融鉛液直接暴露在空氣中，會被氧化成海綿狀的鉛氧化物，鉛煙氣溶膠凝聚及鉛氧化物的飛揚形成鉛煙塵。鉛煙塵的生成量與溫度有關(guān)，隨溫度的升高而相應(yīng)加大。殘極片攜帶較多的水分、硅氟酸殘液、陽極泥等，其加入熔鉛鍋時與高溫的鉛液接觸，瞬間大量煙氣爆發(fā)，該煙氣具有瞬間流量大、流速快、含塵濃度高等特點。鉛煙塵的主要成分為鉛的氧化物，同時含有少量砷、銻、錫、鋅、銅、銀等及其氧化物，并攜帶有水蒸汽、酸霧等。

國內(nèi)外許多專家研究過鉛煙塵粒徑分布規(guī)律。熔鉛過程中，熔鉛鍋散發(fā)的鉛煙氣體，鉛煙顆粒的平均粒徑大約在0.1～0.3 μm，小于1 μm的顆粒占99%。加殘極片時，爆發(fā)性煙氣攜帶了部分陽極泥顆粒，因顆粒較大，進入煙道后即可沉降分離。

2 工藝選擇

鉛煙塵凈化工藝主要分為干法和濕法兩種。

干法凈化處理工藝有覆蓋法、過濾法和重力除塵法等。濕法凈化處理工藝是采用不同吸收液并配備相應(yīng)的濕法除塵設(shè)備將鉛煙塵捕集。

覆蓋法主要是通過減少鉛液的裸露面積，抑制鉛的氧化及鉛蒸氣的擴散，但其應(yīng)用范圍有限;過濾法是通過對鉛煙塵顆粒物的濾除、攔截等凈化煙氣，對于大顆粒的鉛煙塵脫除效率較高，而對于粒度為亞微米級的鉛煙塵凈化效果并不理想。而且當(dāng)鉛煙塵中含有水蒸汽、酸霧時，容易造成濾袋板結(jié)，收塵器無法正常工作。傳統(tǒng)重力除塵，因除塵效率低，一般僅應(yīng)用于初除塵。采用普通的濕法除塵設(shè)備并配以酸、堿等吸收液的除塵工藝，除塵效率能達到90%甚至更高，但對于高濃度含鉛煙氣的凈化處理，要實現(xiàn)達標(biāo)排放有很大的難度，并且其后廢液的處理成本很高。

針對現(xiàn)有的鉛煙塵污染治理方法存在的不足，擬利用多級噴霧塔對鉛電解陽極鍋臺煙氣進行凈化治理。

多級噴霧塔內(nèi)部除了各級分隔板外，沒有任何內(nèi)部元件，噴嘴、儀表等均在塔外安裝，這樣可以保證在不停產(chǎn)、不停噴霧塔的情況下進行設(shè)備維修或更換。噴霧塔由于煙氣的強烈湍動和細霧滴極大的比表面積，保證了煙氣與吸收液的充分接觸，凈化除塵效率高，通過多級串聯(lián)，完全可以將鉛煙塵的排放濃度降低到理想值。

多級噴霧塔凈化鉛煙塵的原理為:煙塵中較大顆粒被經(jīng)高效噴嘴噴出的吸收液霧滴包裹實現(xiàn)物理沉降，難以吸收的鉛煙氣溶膠微粒在噴霧塔內(nèi)被含有活性劑的極性液滴有效捕捉。

3 試驗研究

多級噴霧塔以前多用于尾氣脫硫，效果較好，應(yīng)用于熔鉛鍋鉛煙氣的凈化尚屬首次。為了保證良好的凈化效果，在電解分廠利用多級噴霧塔中試裝置進行試驗，確定最佳工藝參數(shù)。中試主要考察吸收液的種類、吸收液pH值、吸收級數(shù)及煙氣流速對煙氣中顆粒物和鉛脫除率的影響。

試驗表明:使用清水并配入少量活性劑作吸收液，與硅氟酸、醋酸、草酸等作為吸收液差別不大，均可達到較高的除塵效率，而且清水作吸收液，后續(xù)廢液的處理相對簡單;煙氣中所攜帶的硅氟酸在吸收液中通過溶解、揮發(fā)最終達到平衡，吸收液pH值穩(wěn)定在4左右;除塵效率隨著液氣比增加而增加，但當(dāng)液氣比控制在8～16 L/m3范圍內(nèi)時，除塵效率上升速度明顯放緩;多級噴霧塔每級的除塵效率為60%～70%，級數(shù)增加，除塵效率提升;煙氣流速加快，除塵效率降低，流速超過4～5 m/s時，除塵效率急劇下降。

根據(jù)中試試驗結(jié)果，綜合考慮煙塵凈化效果及運行成本，確定多級噴霧塔凈化鉛陽極熔鉛鍋鉛煙氣的最優(yōu)工藝參數(shù)，見表1。

表1 多級噴霧塔最優(yōu)工藝參數(shù)

4 工程設(shè)計

4.1 工藝流程

熔鉛鍋工作時產(chǎn)生的煙氣通過吹、吸氣流的作用，被吸塵罩捕集進入煙道，再到達噴霧塔。噴霧塔共設(shè)6級吸收脫鉛級，脫鉛后的煙氣中含有許多霧滴，通過兩級除霧器高效除霧，經(jīng)煙囪達標(biāo)排放。從煙氣中除去的煙塵顆粒沉降至噴霧塔漿液池內(nèi)，通過專用管道排出，經(jīng)過濾除渣系統(tǒng)回收。

4.2 主要工藝參數(shù)

4.2.1 煙氣量

陽極鍋生產(chǎn)過程中不同的操作工況，產(chǎn)生的煙氣量差別很大。本系統(tǒng)中煙氣量的確定主要綜合考慮熔鉛鍋煙氣上升流速及吸塵罩吹、吸風(fēng)量，通過fluent軟件進行流場模擬、計算得出。

熔鉛鍋加入殘極時，大量煙氣瞬間爆發(fā)。通過攝像分析，加入殘極時熔鉛鍋液面中心φ2000mm區(qū)域煙氣流速為3～5 m/s，周邊圓環(huán)區(qū)域產(chǎn)生的熔鉛煙氣的流速為0.2～0.4 m/s，通過流場計算得出熔鉛鍋加殘極時產(chǎn)生的煙氣量為50000m3/h左右。根據(jù)fluent流場分析得出:煙氣捕集效果較好并且風(fēng)量較少的最佳風(fēng)量為:吸塵罩吸風(fēng)總量95000m3/h，其中吹風(fēng)口風(fēng)量為30000m3/h，約15000m3/h為被吸塵罩所吸入的逸風(fēng)。

當(dāng)4個熔鉛鍋都只有熔鉛過程，熔鉛鍋鉛煙氣上升速度為0.2～0.3 m/s，fluent流場分析得出，效果最佳時每臺熔鉛鍋吸塵罩的吸風(fēng)量為11000m3/h，其中吹風(fēng)口風(fēng)量為1800m3/h，工程設(shè)計考慮余量，4個熔鉛鍋總的風(fēng)量取50000m3/h。

熔鉛鍋在進行續(xù)加粗鉛、鉛鍋攪拌、撈渣、舀鉛等操作時，煙氣的流速約為1 m/s左右。續(xù)加粗鉛和鉛鍋攪拌兩種操作所產(chǎn)生的煙氣量遠遠低于加殘極操作。撈渣、舀鉛等操作涉及兩個熔鉛鍋，產(chǎn)生的煙氣量略高于熔鉛工況。

故系統(tǒng)的抽風(fēng)量最高值為150000m3/h，最低值為50000m3/h。抽風(fēng)量的變化通過兩臺引風(fēng)機并聯(lián)、切換來實現(xiàn)，1#引風(fēng)機風(fēng)量為100000m3/h，2#引風(fēng)機風(fēng)量為50000m3/h。當(dāng)生產(chǎn)處于低煙氣量的熔鉛階段時，只開啟2#小風(fēng)機;當(dāng)某口熔鉛鍋加入殘極，或熔鉛鍋有攪拌或撈渣等操作時，可立即切換到1#風(fēng)機;當(dāng)某口熔鉛鍋加入殘極，且其他熔鉛鍋存在攪拌或撈渣等操作，同時開啟1#、2#風(fēng)機，并確保加殘極熔鉛鍋的抽風(fēng)量大于71640m3/h，煙氣不外溢。在不同操作工況下通過切換引風(fēng)機，可確保熔鉛鍋煙氣有效捕集所需的風(fēng)量，且能減少能耗，降低生產(chǎn)成本。

4.2.2 液氣比

多級噴霧塔系統(tǒng)共設(shè)4臺循環(huán)泵，1#～3#循環(huán)泵的流量均為300m3/h，4#循環(huán)泵的流量為75m3/h。系統(tǒng)根據(jù)熔鉛鍋操作工況不同，將其劃分為高負荷和低負荷工況，低負荷工況主要是指熔鉛過程，無其它操作，高負荷工況主要包括加殘極、鉛鍋攪拌、撈渣、舀鉛、加粗鉛等操作。當(dāng)鉛陽極鍋處于低負荷工況時，開啟2#風(fēng)機及1#、4#循環(huán)泵，此時液氣比為7.5 L/m3。當(dāng)鉛陽極鍋處于高負荷工況時，在低負荷設(shè)備開啟的基礎(chǔ)上，再開啟1#風(fēng)機和2#、3#循環(huán)泵，此時的液氣比為6.5 L/m3。

4.2.3 除塵效率

加殘極時，煙氣中粉塵顆粒和鉛的濃度最高，瞬間粉塵顆粒物濃度可達6000～8500mg/m3，鉛及化合物濃度可達800～1200mg/m3。根據(jù)中試結(jié)果，噴霧塔每級的除塵效率為60%～70%，為了保險起見，顆粒物和鉛的脫除率均取值為60%，通過計算，6級除塵后顆粒物和鉛的脫除率可達到99.59%，尾氣中顆粒物和鉛濃度都能夠達標(biāo)。

4.3 關(guān)鍵設(shè)備

4.3.1 吸塵罩

吸塵罩作為熔鉛鍋所產(chǎn)生煙塵的捕集設(shè)備，既要將煙塵、煙氣完全捕集不外溢，還要盡可能減少吹吸風(fēng)量，降低生產(chǎn)成本，并且要保證操作方便?？紤]到生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常進行加粗鉛和殘極片、攪拌、撈渣等操作，不宜采用密閉式吸塵罩。

敞口吸塵罩有單吸氣式、吹吸式吸塵罩等類型。吹吸式吸塵罩在塵源的兩側(cè)設(shè)有吹氣口和吸氣口，吹氣氣流形成的氣幕可將整個塵源覆蓋，塵源煙氣和被吹氣氣幕卷入的逸風(fēng)在吹吸氣流的共同作用下被吸塵罩捕集，保證煙氣不外溢。煙罩的設(shè)計充分考慮了吸氣氣流速度衰減快，而吹氣氣流氣幕式作用距離較長的特點。由于吹吸罩具有風(fēng)量小、煙氣捕集效果好且不影響工藝操作等優(yōu)點，故本系統(tǒng)選用吹吸式吸塵罩。

吹吸氣流的運動軌跡復(fù)雜，目前沒有統(tǒng)一的計算公式，采用fluent軟件模擬吹吸式吸塵罩氣流流場的方法對吸塵罩進行設(shè)計。先根據(jù)熔鉛鍋的現(xiàn)場尺寸和操作要求確定吹、吸風(fēng)口的基本尺寸。由于在熔鉛鍋的各種工況中，加殘極時煙氣量最大、煙塵濃度最高，氣流運動最復(fù)雜，故流場模擬選用加殘極工況。通過流場模擬，最終確定了吹吸式吸塵罩合理的吸風(fēng)口風(fēng)量、吸風(fēng)口角度、送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)角度等工藝參數(shù)，見表2。

表2 吸塵罩主要參數(shù)

4.3.2 多級噴霧塔

多級噴霧塔是系統(tǒng)中核心設(shè)備，采用立式多級串聯(lián)工藝，共有6級脫鉛，2級除霧。6級脫鉛效率可達99.5%以上。噴霧塔整體結(jié)構(gòu)長度為11 m，寬度為7 m，高度為8.6 m，塔內(nèi)采用迂回式通道設(shè)計，煙氣通道總長度達35 m，煙氣在吸收塔內(nèi)與霧滴有足夠的接觸時間，確保除塵效率。每一個吸收級的長度為3.5 m，寬度為2.1 m，高度為5 m。為保證除霧效果，每一個除霧級的長度為吸收級的2倍。

多級噴霧塔下方為漿液池，其容積為85m3。由于鉛塵等顆粒密度大、粘性強，極易在塔內(nèi)沉積，為了避免沉積引起管道堵塞，漿液池底部采用蝶形防沉積結(jié)構(gòu)。

5 治理效果

項目建成投入使用正常運行一段時間后，電解分廠委托環(huán)境監(jiān)測部門對不同工況下凈化前后鉛煙氣中的顆粒物、鉛及化合物的濃度及車間內(nèi)關(guān)鍵崗位的鉛煙濃度進行了檢測。

加殘極時，經(jīng)多級噴霧塔凈化后，鉛煙氣中顆粒物的平均濃度為22.54mg/m3，鉛及化合物的平均濃度為3.15mg/m3;熔鉛時，經(jīng)多級噴霧塔凈化后的鉛煙氣中，顆粒物的平均濃度為12.35mg/m3，鉛及化合物的平均濃度為4.33mg/m3，達到《鉛鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

陽極鑄板車間熔鉛鍋處時間加權(quán)平均濃度為0.012mg/m3，鉛煙的短時間接觸濃度超限倍數(shù)為1.34倍;鑄板操作處鉛煙的時間加權(quán)平均濃度為0.022mg/m3，鉛煙的短時間接觸濃度超限倍數(shù)為1.43倍，滿足《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》要求，檢測結(jié)果合格。

6 結(jié)論

多級噴霧法治理陽極熔鉛鍋煙塵系統(tǒng)在該鉛電解分廠運行平穩(wěn)，煙氣經(jīng)凈化后，顆粒物、鉛及化合物濃度均滿足《鉛鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求，車間內(nèi)主要工作崗位空氣質(zhì)量達到《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》規(guī)定的要求，較好地克服了濾式收塵及普通單級濕式收塵工藝在陽極熔鉛鍋煙塵凈化中存在的不足，有著較好的應(yīng)用發(fā)展前景。

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Research and application of multi-stage spraying method on offgas cleaning of lead anode pot during lead electrolysis

YUAN Pei-xin

In this paper the production mechanism and characteristic of lead dust generated from lead anode melting furnace during lead electrolysis were analyzed and the off gas cleaning process was determined.According to the experimental results for treatment of lead dust from lead anode pot by multi-stage spraying method，the optimal process parameters were provided and the design of key equipment was optimized.After the system commissioning，the operation was smooth and the operating parameters meet the environmental requirement.

multi-stage spraying tower;lead anode pot;lead dust;liquid gas ratio;the blowing-sucking dust exhaust hood

TF812;TF805.3

B

1672-6103(2016)06-0066-04

“低濃度稀土溶液大相比鼓泡油膜萃取技術(shù)及裝置”通過鑒定

袁培新(1973—)，男，湖南婁底人，碩士，高級工程師，主要從事有色金屬冶煉生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

2016-10-13

由中國科學(xué)院過程工程研究所和青島生物能源與過程研究所聯(lián)合研發(fā)的“低濃度稀土溶液大相比鼓泡油膜萃取技術(shù)及裝置”通過鑒定。該技術(shù)解決了如何將極小體積的有機萃取劑油相的傳質(zhì)表面積最大化、并在流動過程中如何均勻分散在大體積水相中的技術(shù)難題。由于萃取反應(yīng)發(fā)生在氣泡表面油膜薄層，界面效應(yīng)強化了萃取傳質(zhì)的效率，傳質(zhì)推動力大，適用于從低濃度稀土溶液中回收稀土。萃取過程水油相比高達600以上，萃取反萃后稀土溶液濃度可富集上千倍，可實現(xiàn)與現(xiàn)行單一稀土萃取分離工藝直接銜接。新技術(shù)相比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)成本大幅下降，可直接用于從含稀土離子濃度＜100mg/L(以REO計)的極稀溶液中經(jīng)濟、高效地萃取回收稀土。

在氣泡表面有機萃取劑油膜層易控制破膜聚集問題上，該技術(shù)有效地減少了有機萃取劑在萃余液中的夾帶損失。解決了傳統(tǒng)液膜萃取需外加表面活性劑易引起乳化、破乳困難的問題;解決了易乳化萃取體系大相比萃取操作時，油水分散和聚并的矛盾;也解決了大流比萃取時的高比負荷操作易導(dǎo)致液泛的技術(shù)難題。經(jīng)大相比鼓泡油膜萃取后，一次過柱水相開路排出的萃余液中殘留的總稀土濃度＜0.1mg/L，總磷P＜0.3mg/L，COD＜50mg/L。