摘要：本文介紹了干法凈化工藝在電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，闡述了干法凈化工藝流程、電解煙氣凈化系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)控制原理，以及風(fēng)光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在排煙風(fēng)機中的實現(xiàn)機理、功能及特點，對節(jié)能效果進行了分析。詮釋了如何在電解鋁這個行業(yè)中實現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能這兩大社會目標，增強了企業(yè)競爭力和社會效益。

　　1引言

　　河南神火鋁電有限責任公司，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4000萬美元的中型企業(yè)。公司擁有三個電解鋁車間，電解鋁車間設(shè)計為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、工藝配置合理、運行可靠，有效地控制了電解煙氣對大氣帶來的污染，完全達到國家環(huán)保要求。

　　圖1河南神火鋁電有限公司

　　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，因為干法具有許多優(yōu)點，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煙氣的凈化。氧化鋁對氟化氫的吸附過程分三個步驟：

　?。?）氟化氫在氣相中不斷擴散，通過氧化鋁表面氣膜到達氧化鋁表面。

　?。?）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2：

　　圖2干法凈化化學(xué)式

　　氟化氫的吸附率可達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

　　圖3干法凈化工藝流程圖

　　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、機械排風(fēng)等五個部分，如圖3所示。

　?。?）電解槽集氣。電解槽散發(fā)的煙氣呈無組織擴散狀態(tài)，為了有效地控制污染，必須對電解槽進行密封。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。

　?。?）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。

　?。?）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)動溜槽及垂直輸送氣力提升機輸送到載氟氧化鋁料倉，供電解使用。

　?。?）機械排風(fēng)。排風(fēng)是整個凈化系統(tǒng)的主動力源。凈化系統(tǒng)的煙氣輸送、氧化鋁輸送、除塵器等均在負壓狀態(tài)下操作，不向外界排放污染物。機械排風(fēng)的設(shè)備為離心風(fēng)機。

　　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)動溜槽、氣力提升機以及排煙風(fēng)機等。

　　（1）文丘里反應(yīng)器，其工作原理和特點是煙氣向上通過文丘里反應(yīng)器的喉口時，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4所示，含塵氣體從袋式除塵器進口引入后，通過煙氣分配裝置均勻進入濾袋，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，微壓差控制信號有信號輸出?？刂苾x發(fā)出信號，使噴吹系統(tǒng)工作，電磁脈沖閥打開，此時壓縮空氣從氣包順序經(jīng)脈沖閥和噴嘴向濾袋內(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。

　　圖4脈沖袋式除塵器

　?。?）氣力提升機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，即當排風(fēng)機工作后，整個系統(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，空氣進入除塵器，凈化后的空氣通過排風(fēng)機進入大氣。

　?。?）風(fēng)動溜槽分為下充氣層、中透氣層和上輸料層，由風(fēng)機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，從而實現(xiàn)物流的移動。循環(huán)氧化鋁加入到反應(yīng)器的輸送都采用風(fēng)動溜槽。

　?。?）排風(fēng)是整個凈化系統(tǒng)的主動力源。二期焙燒凈化系統(tǒng)由八臺離心式風(fēng)機組成，驅(qū)動電機為八臺560kW/10kV高壓電機（Y25004-6型）。

　　5系統(tǒng)設(shè)計以及控制

　　在電解鋁煙氣凈化的過程中，為了有效的進行生產(chǎn)操作，就需要對生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量等）進行自動檢測，并與控制儀表、執(zhí)行機構(gòu)相配合，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。

　　5.1系統(tǒng)控制原理

　　根據(jù)工藝流程，在本系統(tǒng)中，被控對象是核心，被測信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成標準信號（4-20mA或0-5V），與給定值進行比較，并對結(jié)果進行調(diào)節(jié)運算，以輸出作為控制信號，經(jīng)執(zhí)行器實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)方框圖如圖5所示：

　　圖5系統(tǒng)控制原理方框圖

　　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排煙機變頻控制原理

　　下面就以排煙機的出口煙氣壓力控制來說明本系統(tǒng)的控制原理與實現(xiàn)方法。

　　圖6排煙機變頻控制原理圖

　　如圖6所示，檢測排煙風(fēng)機出口煙氣壓力，因為當內(nèi)外壓差太大時，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行，DCS接受壓力變送器傳輸過來的壓力信號，按照既定算法進行計算。當壓力超過系統(tǒng)設(shè)定值時，DCS發(fā)出4-20mA或0-5V的信號來降低變頻器的頻率，實現(xiàn)排風(fēng)機降速運行來降低出口煙氣壓力；當壓力低于系統(tǒng)設(shè)定值時，DCS發(fā)出4-20mA或0-5V的信號來升高變頻器的頻率，實現(xiàn)排風(fēng)機升速運行來升高出口煙氣壓力。

　　6變頻控制排煙風(fēng)機的效果

　　離心排風(fēng)機是凈化系統(tǒng)的動力源，為煙氣凈化系統(tǒng)煙氣捕集提供所需的負壓和煙氣在系統(tǒng)中傳輸、流動提供動能，是凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。因此，離心排風(fēng)機的控制、運行狀況及維護保養(yǎng)對煙氣凈化系統(tǒng)非常重要。

　　圖7高壓變頻器現(xiàn)場設(shè)備圖

　　二期電解鋁車間煙氣凈化系統(tǒng)采用八臺離心風(fēng)機，這八臺排風(fēng)機的驅(qū)動電機選用佳木斯電機股份有限公司生產(chǎn)的Y25004-6型高壓電機，電機的功率為560kW，額定電流為40.9A，額定轉(zhuǎn)速為980r/min。本系統(tǒng)選用四臺山東新風(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（圖7），采用一拖二方案。如圖8，一臺變頻器拖動兩臺電機，其中一臺工頻運行，一臺變頻運行；當變頻器出現(xiàn)故障時可以自動切換到工頻運行；并且，變頻器旁路部分具有互鎖功能，確保兩臺電機不出現(xiàn)同時驅(qū)動，同一電機不出現(xiàn)變頻、工頻同時驅(qū)動。虛線框內(nèi)為變頻器旁路柜的電路設(shè)計。

　　圖8排風(fēng)機高壓變頻一次接線圖

　　DCS采集煙氣出口壓力，當壓力升高超過上限值時，通過降低變頻器頻率來降低排風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使煙氣出口壓力降低到目標值；當壓力降低到下限值時，通過升高變頻器頻率來升高排風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使煙氣出口壓力升高到目標值。當然，也可以人工操作DCS平臺，來調(diào)節(jié)排風(fēng)機的轉(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)的自動化性能。

　　同時，變頻器可以實現(xiàn)同機組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞，可完成自診斷、報警和接收指令的功能。

　　四臺高壓變頻器于2010年8月8日一次性投運成功。對分別工頻和變頻運行的兩臺電機進行數(shù)據(jù)對比：

　　工頻運行：運行電流為22A。

　　變頻運行：運行頻率為40Hz，輸入電流為15A。

　　通過電度表進行一個月分別跟蹤檢測，實測節(jié)電率約為31%，節(jié)能效果十分明顯。

　　7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。電解鋁生產(chǎn)中產(chǎn)生的氟化物污染，隨著國家對環(huán)境保護的重視，對電解鋁企業(yè)廢物排放的指標也將越來越嚴格，因此使用先進的煙氣凈化設(shè)備，并且實現(xiàn)設(shè)備的變頻節(jié)能勢在必行，并且具有廣闊的推廣意義。

　　作者簡介：

　　孫軻電氣工程師凈化車間主任現(xiàn)供職于河南神火鋁電有限責任公司。

　　徐長海電氣工程師現(xiàn)供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司技術(shù)支持部。

　　文章聯(lián)系人：郭培彬

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