氧化鋁熟料窯電除塵超低排放改造技術(shù)與應用

王琳，謝友金

（1.中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作 454361；2.廈門綠洋環(huán)境技術(shù)股份有限公司，福建 廈門 361101）

1 引言

氧化鋁回轉(zhuǎn)燒成窯（俗稱“熟料窯”）煙氣治理問題一直是鋁行業(yè)的沉疴頑疾。根據(jù)《鋁工業(yè)污染物排放標準》（GB 25465—2010）修改單要求，熟料窯除塵器大氣污染物特別排放限值從100mg/m3降到10mg/m3。某鋁業(yè)公司的4臺熟料窯電除塵系統(tǒng)改造前粉塵顆粒物排放濃度均在80～250mg/m3，不符合地方標準要求，故除塵設(shè)備技術(shù)升級改造迫在眉睫。本文以該鋁業(yè)公司的5#熟料窯電除塵超低排放改造為例，闡述了氧化鋁熟料窯電除塵系統(tǒng)超低排放改造技術(shù)及應用實施過程

2 熟料窯煙氣工況與現(xiàn)場條件

2.1 熟料窯煙氣工況特性分析

該熟料窯的煙氣工況特性為：粉塵濃度高（≥30g/m3，甚至更高）、煙氣溫度高、波動幅度大（正常160℃～230℃，最高可達300℃）、粉塵濕度大（正常30%～40%，最高≥50%）、粉塵黏性特別強。

與燃煤電廠的煙塵化學成分相比較，熟料窯煙氣中的Na2O、CaO的占比較高，說明微細粉塵占比高，比重特別輕，不利于粉塵荷電和振打。Al2O3含量高，比電阻偏高（荷電難）、黏性強（振打清灰難）。熟料窯煙氣粉塵的化學成分見表1。

表1 煙氣粉塵化學成分對比表

2.2 5#熟料窯原電除塵現(xiàn)場條件

原設(shè)計為1 臺熟料窯配置2 臺8 0 m2單室電除塵器，2007年在電除塵入口擴容5700mm，并加高電場，改造后為2臺92m2電除塵器，中間間隔1500mm，長度方向柱距：5710+3×4900+2000=22 410mm，寬度方向柱距2×7700mm。陽極板高度14.8m，比集塵面積76m2/m3/s，前后擴容空間受限。

3 實施電除塵超低排放改造的難度

3.1 超低排放改造考核指標

燃煤電廠和燒結(jié)機頭煙氣超低排放治理技術(shù)路線都是采用一次除塵+脫硫協(xié)同（二次濕法除塵）組合方式。該項目考核指標特指一次電除塵出口顆粒物排放值≤10mg/m3，改造難度更大，在業(yè)內(nèi)尚無先例。

3.2 熟料窯燒結(jié)工藝及工況的特殊性

因為氧化鋁的原材料源自鋁土礦，熟料窯回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)前必須將鋁土礦制成漿液，采用噴漿工藝。因此，煙氣中的水含量很高，特別是點火起爐階段，煙氣溫度處于露點溫度以下時，煙氣濕度幾乎處于飽和狀態(tài)，高濕度的氫氧化鋁粉塵可以黏住所有煙氣流經(jīng)的金屬構(gòu)件，導致后續(xù)煙氣粉塵越黏越多。同時煙塵中Na2O、CaO、Al2O3含量占比高，導致粉塵粒徑減小、微細粉塵占比高。飛灰強黏性和水硬性，在高濕度水分子作用下，特別容易發(fā)生極板極線板結(jié)，加劇振打清灰難度。

4 電除塵機電一體化協(xié)同技術(shù)

4.1 新型三相高效脈沖節(jié)能電源技術(shù)

新型三相高效脈沖節(jié)能電源的供電波形見圖1。該技術(shù)在三相高效脈沖供電模式下，采用強行開環(huán)輸出，具有峰值電壓高（最高≥110kV），瞬態(tài)峰值電流大，而平均電壓、電流低的特點，采用不同的占空比，實際輸出脈沖峰值電壓可形成梯度逐級升高的供電趨勢，最大程度匹配了電場所需的供電特性和粉塵荷電特點，可大幅提高微細粉塵荷電能力，大幅提高各級電場收塵效率，有效提高整體除塵效率，實現(xiàn)超低排放目標；同時避免未極電場“反電暈”現(xiàn)象。

圖1 三相高效脈沖電源供電波形

4.2 新型旋轉(zhuǎn)極板電除塵專利技術(shù)

電除塵振打產(chǎn)生的二次揚塵是電除塵實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定超低排放的技術(shù)瓶頸。日本在20世紀80年代發(fā)明了順向旋轉(zhuǎn)極板（與煙氣流動方向平行）鋼刷摩擦清灰電除塵專利技術(shù)。主要缺點：一是傳動部件較多，制造和安裝工藝要求高，實際應用故障率高；二是陰極系統(tǒng)機械振打時，存在二次揚塵的問題。

新型旋轉(zhuǎn)極板電除塵技術(shù)是一種橫置旋轉(zhuǎn)極板鋼刷摩擦清灰電除塵專利技術(shù)，其多孔旋轉(zhuǎn)收塵極板垂直于煙氣流動方向（見圖2）。

圖2 新型旋轉(zhuǎn)極板電除塵示意圖

陰極系統(tǒng)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)極板鋼刷摩擦清灰的前端，陰極振打產(chǎn)生的二次揚塵能被后置的多孔旋轉(zhuǎn)收塵極板單元再次捕集并用鋼刷清除，達到完全避免振打二次揚塵對電除塵出口排放的影響，保障持續(xù)穩(wěn)定滿足超低排放限值。這項創(chuàng)新技術(shù)對于持續(xù)保證電除塵出口排放值≤10mg/m3至關(guān)重要。另外，橫置旋轉(zhuǎn)極板電除塵技術(shù)，在長度方向占地面積只需2000mm，卻能達到一個常規(guī)電場的除塵效果。

4.3 新型電除塵湍流器流場優(yōu)化專利技術(shù)

氣流均布是保障高效除塵的重要因素。特別是在高濃度、高比電阻粉塵時，如果煙氣粉塵顆粒和氣流分布不均，容易導致電場內(nèi)局部粉塵堆積，引起“電暈封閉”。極板表面積灰厚度嚴重不均，既影響清灰效果，也容易產(chǎn)生二次揚塵，嚴重影響除塵器的收塵效果。

新型電除塵湍流器流場優(yōu)化技術(shù)：當氣流通過安裝在電除塵器煙道入口的湍流器時，產(chǎn)生恒溫態(tài)的旋渦，旋渦的強力旋轉(zhuǎn)引起流體成分沿氣流方向均勻分布，使得氣流能攜帶粉塵更充分擴散到整個殼體斷面，電場內(nèi)的集塵面積得到最大程度的利用，可將第一電場的除塵效率提高至90%以上，同時提高后續(xù)電場的除塵效率（見圖3）。

圖3 電除塵湍流器流場優(yōu)化仿真效果圖

4.4 電除塵頂部電磁振打小分區(qū)供電技術(shù)

頂部電磁振打的小分區(qū)供電技術(shù)與斷電振打技術(shù)是解決黏性粉塵清灰的最佳策略。陰極系統(tǒng)采用頂部電磁振打小分區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，其振打力分布和振打加速度分布更適合氧化鋁熟料窯黏性粉塵清灰要求，振打力和振打時序遠程在線可調(diào)。圖4為電除塵頂部電磁振打小分區(qū)供電配置模式。

三相高效脈沖節(jié)能電源與頂部電磁振打智能控制系統(tǒng)實行聯(lián)動控制，對每一個小分區(qū)供電區(qū)域，實施在線循環(huán)交替斷電振打，充分發(fā)揮電除塵機電一體化協(xié)同工作的技術(shù)效果。

圖4 電除塵小分區(qū)供電的配置方式

4.5 設(shè)備云助手遠程無線在線監(jiān)控技術(shù)

采用4G設(shè)備云助手遠程無線傳輸和遠程操控技術(shù)。將現(xiàn)場上位機集中管理系統(tǒng)鏡像到公司本部的遠程管理服務器，實現(xiàn)了遠程故障診斷和軟件在線升級，以及智能手機APP在線實時監(jiān)控，隨時掌控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，為長期穩(wěn)定超低排放保駕護航。

每一個項目設(shè)備安裝運行后，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)可通過智能手機APP同時傳送到設(shè)計、生產(chǎn)、技術(shù)服務等部門。一旦現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生波動，第一時間通過智能手機終端研判問題所在，也可以會診協(xié)商，查找故障，并給出指導性處理意見，及時解決問題。對較大的安裝或設(shè)備內(nèi)部缺陷，可提前準備消缺方案、材料、人員，一旦具備消缺條件，可用最快的時間，達到最好的消缺效果。圖5為智能手機APP在線實時監(jiān)控界面圖。

圖5 智能手機APP在線實時監(jiān)控界面截圖

5 熟料窯電除塵超低排放改造

5.1 現(xiàn)場空間優(yōu)化布局，有效提高收塵面積

以該企業(yè)5#熟料窯電除塵超低排放改造為例。在現(xiàn)場空間擴容受限的條件下，如何在可利用的空間內(nèi)提高收塵面積非常重要。為了提高平面布置空間，原電除塵器土建基礎(chǔ)利舊，在寬度方向，先利用原除塵器中間基礎(chǔ)設(shè)置橫梁支撐雙室立柱，改造成雙室四電場電除塵器，將寬度方向柱距從2×7700mm改造為2×8450mm。長度方向在第四電場出口端延伸擴容2000mm，作為第五電場。擴容后各電場柱距長度方向柱距5710+3×4900+2000=22 410mm。改造后電除塵器斷面積從184m2提高到224m2。為實施超低排放創(chuàng)造了基本條件。

5.2 電除塵超低排放改造前后參數(shù)選型表

將兩臺獨立184m2單室四電場電除塵器改造成一臺224m2雙室五電場高效電除塵器后，電除塵斷面積增加21.7%，總集塵面積從12 658m2提高到20 187m2，增加了59.5%，比集塵面積可提高到121.12m2/m3/s，煙氣流速降低到0.744m/s，達到滿足≤10mg/m3的基本要求（見表2）。

表2 改造前后電除塵選型參數(shù)表

6 推廣應用效果

該電除塵超低排放改造技術(shù)，首次應用于該鋁業(yè)有限公司5#熟料窯煙氣超低排放改造項目，改造后于2017年11月20日投運；2017年12月3日委托第三方檢測結(jié)果為5.18mg/m3；2018年6月7日項目運行半年后，委托第三方檢測結(jié)果為5.75mg/m3；2018年12月24日項目運行一年后，第三方檢測結(jié)果為2.2mg/m3。至今已連續(xù)運行超20個月，環(huán)保部門在線監(jiān)測粉塵顆粒物始終保持在2～5mg/m3，完全滿足了超低排放改造要求。

該公司簽訂的4#、6#、7#熟料窯電除塵超低排放改造項目，電除塵出口排放值檢測結(jié)果分別為4.4mg/m3、1.6mg/m3、4.2mg/m3，達到超低排放標準。

7 結(jié)語

電除塵因其運行壓力損耗小（200～300Pa），耐高溫、耐高濕、運行和檢修費用低等優(yōu)點，在大氣污染粉塵治理中處于主導地位。但因常規(guī)電除塵技術(shù)對粉塵特性較敏感，在全面實施超低排放（≤10mg/m3）后，電除塵技術(shù)的缺陷愈發(fā)顯現(xiàn)出來，需要研發(fā)相關(guān)技術(shù)逼近乃至突破技術(shù)壁壘。

通過該鋁業(yè)氧化鋁熟料窯煙氣粉塵電除塵超低排放的改造成功并推廣應用，充分證明了電除塵技術(shù)已突破了超低排放應用的技術(shù)局限，也為企業(yè)在焙燒爐、燃煤自備電廠電除塵超低排放改造提供經(jīng)驗借鑒。