高溫電袋復(fù)合除塵器在氧化鋁行業(yè)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳海明

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

目前，燃煤電廠污染物減排已全面進(jìn)入超低排放階段，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，其他行業(yè)的節(jié)能減排也將進(jìn)一步深化，其中，鋁工業(yè)大氣污染問題日漸重視。當(dāng)前執(zhí)行的《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25465—2010）修改單[1]，對(duì)氧化鋁（Al2O3）生產(chǎn)現(xiàn)有系統(tǒng)原料加工、運(yùn)輸工序所產(chǎn)生的顆粒物粉塵的排放限值為10mg/Nm3、二氧化硫（SO2）的排放限值為100mg/Nm3、氮氧化物（NOx）的排放限值為100mg/Nm3，但現(xiàn)有氧化鋁廠焙燒爐一般配套靜電除塵器，受產(chǎn)能、生產(chǎn)工藝、焙燒物料性質(zhì)等工況影響較大，實(shí)際運(yùn)行時(shí)收塵效率較低，排放濃度較高，污染周邊環(huán)境，無(wú)法滿足環(huán)保要求。焙燒爐煙氣的主要成分為Al2O3和氫氧化鋁[Al(OH)3]，價(jià)值較高，除塵效率低意味著資源的浪費(fèi)低。因此，適用于氧化鋁焙燒爐的收塵裝置需具備除塵效率高、排放濃度低、運(yùn)行可靠等技術(shù)特點(diǎn)。

高溫電袋復(fù)合除塵器屬于第三代新型電袋技術(shù)，是采用耐高溫合金濾袋作為核心過濾元件的新型高效除塵裝備，具有過濾精度高、運(yùn)行阻力低、耐高溫、濾袋使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，而且濾袋回收利用簡(jiǎn)單、價(jià)值高。因此，將高溫電袋復(fù)合除塵技術(shù)應(yīng)用于氧化鋁焙燒爐的煙氣治理，針對(duì)性地研發(fā)適用于氧化鋁焙燒爐煙氣處理的高溫電袋復(fù)合除塵器，具有良好的應(yīng)用前景，可為有色、冶金等行業(yè)實(shí)現(xiàn)煙塵超低排放提供科學(xué)可靠、性價(jià)比高的技術(shù)路線。

1 高溫電袋復(fù)合除塵器

1.1 高溫電袋復(fù)合除塵器簡(jiǎn)介

高溫電袋復(fù)合除塵器是電除塵和金屬濾袋除塵相結(jié)合的除塵設(shè)備，是在常規(guī)電袋復(fù)合除塵器工作原理的基礎(chǔ)上，將布袋濾袋替換成金屬濾袋，進(jìn)一步突破最優(yōu)耦合匹配、高均勻多維流場(chǎng)、微粒凝并、高精過濾技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)而開發(fā)的新一代電袋復(fù)合除塵器，前級(jí)由高壓放電電極對(duì)煙氣進(jìn)行電暈放電，形成電場(chǎng)，煙氣中粉塵荷電被吸附從而去除大部分顆粒粉塵，攜帶少量粉塵的高溫?zé)煔馔ㄟ^后級(jí)金屬濾袋時(shí)，干凈煙氣滲透通過金屬濾袋，而煙氣中的粉塵則被濾袋纖維阻擋在表面從而達(dá)到除塵目的。

1.2 高溫電袋復(fù)合除塵器的特點(diǎn)

在工程應(yīng)用中，高溫電袋復(fù)合除塵器與靜電除塵器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）占地面積小、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低；

（2）能耗低、運(yùn)行阻力低（≤1150Pa）；

（3）適應(yīng)不同濃度工況，長(zhǎng)期穩(wěn)定超低排放（≤10mg/Nm3）；

（4）超長(zhǎng)的濾袋使用壽命（≥8 年）；

（5）廢舊濾料回收利用簡(jiǎn)單，價(jià)值高，無(wú)二次污染；

（6）耐高溫（400℃—800℃）。

2 高溫電袋復(fù)合除塵器的設(shè)計(jì)

2.1 性能參數(shù)

下面以山西某材料廠氧化鋁焙燒爐配套靜電除塵器改造為高溫電袋復(fù)合除塵器工程進(jìn)行設(shè)計(jì)論述，主要設(shè)計(jì)條件及性能要求見表1。

表1 項(xiàng)目改造設(shè)計(jì)條件及性能要求

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫電袋復(fù)合除塵器的電場(chǎng)區(qū)充分發(fā)揮了靜電除塵高效的特點(diǎn)，并使未被收集的粉塵荷電，可以大幅降低進(jìn)入金屬濾袋區(qū)的煙塵濃度，從而改善粉塵在濾袋表面的堆積狀況，降低金屬濾袋除塵區(qū)的負(fù)荷和過濾層的壓力損失。

電除塵區(qū)效率受很多因素影響，總體設(shè)計(jì)時(shí)按多依奇公式進(jìn)行理論計(jì)算：

式中：η為除塵效率，%；A為總集塵面積，m2；Q為處理煙氣量，m2/s；ω為驅(qū)進(jìn)速度，m2/s。

驅(qū)進(jìn)速度ω屬于設(shè)備設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，是在設(shè)定電場(chǎng)強(qiáng)度為3kV/cm 的條件下，設(shè)計(jì)者根據(jù)處理煙氣特性、飛灰等相關(guān)資料確定的。因此，在電場(chǎng)區(qū)除塵效率、煙氣量確定的情況下，即可通過公式計(jì)算出比集塵面積。

濾袋區(qū)過濾風(fēng)速及濾袋規(guī)格選擇也是至關(guān)重要的。過濾風(fēng)速的大小與進(jìn)入袋區(qū)的粉塵濃度、出口排放要求、系統(tǒng)阻力、清灰方式均有關(guān)系。另外，濾袋規(guī)格選擇要綜合考慮場(chǎng)地布置、過濾風(fēng)速等。本項(xiàng)目設(shè)備系統(tǒng)阻力要求≤1200Pa，清灰方式可采用低脈沖噴吹，同時(shí)出口排放濃度要求≤10mg/Nm3，因此選取過濾風(fēng)速≤1.2m/s，并通過公式計(jì)算袋口流速來(lái)選取長(zhǎng)度：

式中：v0為袋口流速，m/s；vF為袋區(qū)過濾風(fēng)速，m/min；h為濾袋長(zhǎng)度，m；D為濾袋直徑，m。

由此可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳的濾袋規(guī)格，綜上可計(jì)算出過濾面積。

根據(jù)以上性能要求及設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)高溫電袋復(fù)合除塵器的電場(chǎng)截面積為95m2、過濾面積為4570m2，1 個(gè)入口煙道，1 個(gè)氣室，形成1 個(gè)煙氣通道。此外，將原靜電除塵器改造成新電袋除塵器，整體布置方案如圖1 所示，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 整體布置圖

圖2 三維示意圖

煙氣經(jīng)過高溫電袋復(fù)合除塵器的氣流路徑為：進(jìn)口喇叭—電場(chǎng)區(qū)—金屬濾袋區(qū)—凈氣室—出口煙道。入口采用垂直上進(jìn)風(fēng)形式，進(jìn)口喇叭設(shè)有合理的導(dǎo)流板，在除去粗粉塵顆粒的同時(shí)均勻進(jìn)入多層孔板裝置，對(duì)氣流進(jìn)行二次均布后進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)[2]。大部分粉塵在電場(chǎng)中荷電，并在電場(chǎng)力的作用下向極性相反的電極運(yùn)行，從而沉積在電極上，可達(dá)到粉塵和氣體分離的目的。含少量剩余粉塵的煙氣進(jìn)入金屬濾袋區(qū)，煙氣通過濾袋時(shí)，粉塵被阻留在濾袋表面，干凈氣體進(jìn)入凈氣室[3]，從而達(dá)到收塵目的。

2.3 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）氣流均布分析

根據(jù)擬定的高溫電袋除塵器結(jié)構(gòu)改造方案，設(shè)置其邊界條件及模型，進(jìn)行CFD 氣流均布分析。

入口邊界設(shè)為速度入口邊界，出口邊界設(shè)為自由出流邊界，孔板、開孔極板、濾袋設(shè)為多孔跳躍邊界，非開孔極板、花板、封板等設(shè)為WALL 邊界。

本次模擬的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，利用有限容積法離散控制方程，采用壓力耦合方程組半隱式方法（SIMPLE 算法），對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，近壁面采用壁面函數(shù)法處理。假定流體不可壓縮，作定常流動(dòng)，整個(gè)模擬過程為等溫過程[4,5]。

圖3 為數(shù)值模擬得到的高溫電袋復(fù)合除塵器整體速度跡線圖，可以看出電區(qū)和金屬濾袋區(qū)氣流分布都比較均勻。

圖3 高溫電袋復(fù)合除塵器整體速度跡線圖

3 改造后的效果

3.1 排放濃度等監(jiān)測(cè)結(jié)果

出口濃度、進(jìn)出口壓差及煙溫監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。由表2 可知，山西某廠高溫電袋復(fù)合除塵器出口顆粒物排放濃度達(dá)到3mg/Nm3以下，優(yōu)于《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25465—2010）修改單表1 中大氣污染物特別排放限值要求。

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，高溫電袋復(fù)合除塵器出口粉塵長(zhǎng)期保持穩(wěn)定低排放，運(yùn)行阻力穩(wěn)定在400Pa 以下，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

表2 出口濃度、進(jìn)出口壓差及煙溫監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 能耗對(duì)比

改造前后除塵器的系統(tǒng)能耗估算值見表3。根據(jù)風(fēng)機(jī)電流監(jiān)測(cè)值以及投料量，改造前后引風(fēng)機(jī)能耗基本相當(dāng)，但是從表3 中可以得出，改造后高溫超凈電袋復(fù)合除塵器的系統(tǒng)能耗較原電除塵器降低64%。由此可看出，改造后可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表3 改造前后能耗對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

目前氧化鋁行業(yè)中大部分使用靜電除塵器，此設(shè)備受煙氣濃度、溫度等影響較大，無(wú)法滿足環(huán)保要求，需進(jìn)行改造升級(jí)。上述的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用實(shí)踐證明，高溫電袋復(fù)合除塵器應(yīng)用于氧化鋁行業(yè)，對(duì)于提高Al2O3收集效率、降低能耗、改善大氣環(huán)境質(zhì)量，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣價(jià)值。