多级喷雾塔脱除阳极熔铅锅铅烟尘的试验研究

袁培新

(湖南水口山有色金属集团有限公司， 湖南 衡阳 421513)



综合利用与环保

多级喷雾塔脱除阳极熔铅锅铅烟尘的试验研究

袁培新

(湖南水口山有色金属集团有限公司， 湖南 衡阳 421513)

对多级喷雾塔脱除铅电解阳极熔铅锅铅烟尘进行试验研究，考察了吸收液、pH值、液气比、吸收级数以及烟气流速等对铅尘脱除率的影响，得出最佳工艺参数，为工程设计提供依据。

多级喷雾塔； 阳极熔铅锅； 铅烟尘； 湿法除尘； 吸收液

湖南水口山有色金属有限责任公司第三冶炼厂(简称水口山三厂)以电铅生产为主，现有铅阳极熔铅锅4台。阳极铸板生产过程中有大量的含铅蒸气产生，原熔铅锅的排烟系统配套建有一套侧吸罩+反吹风布袋除尘系统，由于烟气中含有大量的雾沫，该套设施的布袋表面经常粘附烟尘引起布袋板结，造成布袋除尘器无法正常工作，车间低空污染严重。为此，水口山三厂联合五矿环保公司拟开发一种多级喷雾塔高效处理铅电解阳极熔铅锅铅烟尘的湿法除尘工艺，借助江苏揽山环境科技有限公司中试试验台对该工艺进行模拟研究，考察吸收液、pH值、液气比、吸收级数以及烟气流速等因素对铅烟尘净化处理的影响，为下一步工程设计提供可靠依据。

1 试验方案

1.1 试验原理

粗铅在熔铅锅中熔化、压渣、捞渣、加残极续锅、降温熔析、加适量煤粉除铜过程中产生含铅蒸气，其量随温度升高明显增多。铅蒸气在空气中可迅速氧化，铅蒸气和铅氧化物形成气溶胶(称为铅烟)；在熔化的铅液和空气界面上，由于铅不断氧化形成较厚的海绵状式铅氧化物(俗称铅渣)。铅烟气溶胶凝聚或铅渣飞扬形成铅尘[1]。铅烟尘主要成分是氧化铅及熔铅添加成分，如锑、锡、锌、铜、银等及其化合物。

目前铅烟尘净化手段有干法和湿法两大类。干法净化工艺常见的有覆盖法、过滤和重力除尘。湿法净化处理工艺是采用清水、稀酸或者稀碱吸收液借助相应的设备将铅烟尘捕集。

覆盖法是对铅烟尘的产生起抑制作用，局限性很大；过滤法(包括滤筒收尘和布袋除尘)仅对大颗粒铅烟尘有效，当铅烟尘中含有水蒸气、酸雾及骨胶等工艺添加物时，容易造成布袋板结，脱灰和透气性均受影响。有研究表明，铅烟尘直径小于1 μm，且主要集中在0.1 μm左右[2～4]，所以过滤和重力除尘对于颗粒细小的铅烟脱除效率较低。酸、碱吸收液配以普通的塔式除尘设备的湿法除尘工艺，虽然除尘效果达到90%左右，但熔铅锅加残极时产生的爆发性烟气具有烟气量大、流速快和浓度高的特点，其也很难满足要求。

本研究采用多级喷雾塔脱除铅烟尘，通过多级喷雾处理，实现烟气最终达标排放。脱尘基本原理是：烟尘中较大颗粒和二氧化铅可在吸收液形成的水雾包裹下物理沉降，难以吸收的气溶胶亚微米颗粒在充满雾滴的反应器内被有活性剂的极性液滴捕捉，活性剂可有效改善颗粒物的疏水性。

1.2 试验装置及配套设备

试验主要装置为：多级喷雾吸收塔(下简称：喷雾塔)，其结构示意图见图1。喷雾吸收塔尺寸为Φ1 320 mm×6 000 mm，材质为PP，配备有4台循环泵，每一台循环泵和12个喷嘴及其相关管道提供吸收塔一级反应所需吸收液的量，管线为橡胶软管。由于烟气的强烈湍动和细雾滴极大的比表面积，喷雾塔具有较高的捕捉效率，多级串联可以将烟气铅尘排放浓度控制到很低。其主要优点：烟气阻力低，液气比小，运行成本低，维护容易，可以达到近100%的投运率。

1-底板; 2-圈座; 3-底部排空管; 4-泵接管; 5-pH计接管; 6-平衡器接管; 7-视镜接管; 8-溢流管; 9-进口; 10-出口; 11-法兰; 12-顶盖; 13-隔板; 14-壳体图1 喷雾吸收塔示意图

1.3 工艺流程

阳极熔铅锅产生的烟气由吸尘罩收集，所处理烟气为收集的烟气中一小部分。烟气经引风机进入喷雾塔，与雾状吸收液接触，其中的烟尘被吸收，并随雾滴落入喷雾塔底部池从而被脱除。喷雾塔设置四级，每一级12个喷嘴及1台循环泵。喷雾塔底部为浆液池，池中为吸收液。前三级循环泵将吸收塔底部的浆液打至喷嘴，浆液经喷嘴雾化后进入喷雾塔吸收铅烟尘。吸收了烟尘的浆液落入喷雾塔底部浆液池，继续循环利用，以降低运行成本；第四级循环泵从外部工艺水箱取水打至喷嘴，雾状水将前几级的浆液洗涤下来，进一步减少喷雾塔出口的粉尘量。洗涤后的烟气再经除雾级除去雾、沫，最终烟囱排放。浆液池内的固体颗粒通过泵排至脱水系统，固体物被收集，液体经过循环泵打回吸收塔继续用于吸收以降低运行成本。

1.4 试验目的

通过试验考察吸收液、pH值、液气比、吸收级数以及烟气流速等因素对烟气中颗粒物和铅脱除率的影响，为下一步工程设计提供可靠依据。

2 试验结果与分析

2.1 吸收液对脱除率的影响

从经济性与可行性方面考虑，选择配制4种吸收液进行试验，分别为：清水- 活性剂；硅氟酸- 活性剂；草酸- 活性剂；醋酸- 活性剂。

铅烟尘的湿法净化一般采用醋酸、草酸和清水作为吸收液，本试验选取硅氟酸作为吸收液之一，主要是考察硅氟酸吸收铅烟尘后能否返回铅电解系统作为电解液的补充，从根本上解决吸收液废液的后续处理问题。

活性剂为烷基苯磺酸类，质量浓度为8‰，各种酸浓度为质量浓度3‰。在烟气流速5 m/s、吸收级数4级、液气比16 L/m3条件下，分别对几种吸收液进行试验。检测净化前后烟气中颗粒物和铅的浓度，计算得出颗粒物和铅的脱除率。吸收液对烟气颗粒物和铅脱除率的影响如表1。

表1 吸收液对烟气颗粒物和铅脱除率的影响

由表1可知：喷雾塔采用这几种吸收剂吸收效率都较高，由于与活性剂混合的物质酸性不同，颗粒物和铅的脱除率有微小的差异，具体为：硅氟酸>草酸>醋酸>水。

采用水- 活性剂时，颗粒物的脱除率与其他吸收液接近，铅的脱除率稍低，但仍在98%以上。从运行成本和操作方面考虑，选择水- 活性剂作为铅尘治理系统的吸收液，有利于简化吸收液制备系统，减少运行成本；废液组成简单，可以大大降低废液处理成本。

2.2 pH值对脱除率的影响

铅烟尘中有部分铅以氧化铅形式存在，氧化铅为碱性氧化物，因此在吸收剂中添加酸可加速铅尘的吸收。并且金属铅的性质较活泼，可以与酸缓慢地反应。酸性越强，越有利于铅尘的吸收。在烟气流速5 m/s、吸收级数4级、液气比16 L/m3、吸收剂为清水- 活性剂的条件下，通过加入硅氟酸调节pH，用pH值分别为2、4、6的3种溶液进行烟气吸收试验， 试验结果如表2。

表2 吸收液pH值对颗粒物和铅

由表2可以看出，酸性条件下，pH值的变化对颗粒物去除影响并不明显，颗粒物去除率基本都在98%以上。

试验中测得，吸收液pH值逐渐降低，其不断循环，最终pH值大致稳定在4左右。原因是残极中含有硅氟酸，高温熔炼过程中，硅氟酸分解并挥发随烟气进入吸收塔，与吸收液接触被吸收后导致系统pH值下降，同时在吸收液循环过程中尤其是喷雾过程中挥发，硅氟酸离开吸收液进入空气，当pH值在4左右时，吸收液从烟尘中获取的硅氟酸和挥发的硅氟酸相当，从而吸收液的pH值稳定在4左右。

2.3 液气比对脱除率的影响

液气比是喷雾塔的重要运行参数，与喷雾塔的装机容量、造价等关系密切。在满足所需吸收效率前提下，液气比越低，系统造价和运行成本越低。

试验中通过调节流量阀及关开相应的喷嘴调节液气比，控制液气比分别为(L/m3)：4、6、8、10、12、14和16，在烟气流速5 m/s、吸收级数4级、pH值为7、吸收剂为清水- 活性剂条件下，考察液气比对颗粒物和铅的脱除率的影响，结果见图2。

图2 液气比对脱除率的影响

由图2可见，颗粒物和铅的脱除率随着液气比增加而增大，但是增幅逐渐放缓，当液气比为8～16 L/m3时，颗粒物和铅的脱除率上升放缓。从运行成本和系统造价考虑，液气比为8 L/m3时吸收性价比最高。

2.4 吸收级数对脱除率的影响

吸收级数表示吸收液对烟气吸收的次数，级数越高，则吸收的次数越多。吸收次数分别对应着吸收时间和液气比，吸收级数越高，烟气与吸收剂接触的时间越长，吸收效率越高。

试验中通过开启和关闭循环泵控制吸收级数。在烟气流速5 m/s、液气比16 L/m3、pH值为7、吸收剂为清水- 活性剂条件下，控制吸收级数分别为1、2、3和4，考察了吸收级数对颗粒物和铅脱除率的影响，结果见表3。

表3 吸收级数对颗粒物和铅脱除率的影响 %

从表3可见，第一级效率最低，可能是因为颗粒物和铅尘需要润湿；第二级单级效率最高，第三级和第四级单级效率略减，可能是单位体积烟气内颗粒物和铅浓度降低。除了第一级效率约为60%外，其后的每一级颗粒物和铅的脱除效率约为60%～70%。

2.5 烟气流速对脱除率的影响

在同样大小的吸收塔中，烟气流速越快，其在吸收塔内停留的时间越短，与吸收液接触时间越短，吸收效率越低；而且还会造成烟气所携带雾滴过多，增加除雾器的负担，影响除雾器的除雾性能，并造成吸收塔内的压力损失增大，能耗增加。但是烟气流速增加可以使吸收塔直径变小，减小设备体积，对降低造价有益。

试验中通过调节进口挡板门开度控制烟气流速。控制烟气流速分别为(m/s)：2、4、5、6、8，在吸收级数为4级、pH值等于7、吸收剂为清水- 活性剂，液气比为16 L/m3的条件下，考察了烟气流速对颗粒物和铅脱除率的影响，结果见图3。

图3 烟气流速对脱除率的影响

由图3可见，烟气流速增大，颗粒物和铅尘的脱除率降低。烟气流速大于4～5 m/s时，颗粒物和铅的脱除率陡降，从运行成本、设备造价和性能效率考虑，烟气流速4～5 m/s最合适。

2.6 最优参数

根据五组单因素试验结果，同时从运行成本和污染治理的经济性考虑，确定多级喷雾塔治理铅阳极熔铅锅铅烟尘的最优工艺参数为：

(1)吸收液采用水- 活性剂；

(2)pH值选择4；

(3)液气比8 L/m3；

(4)烟气流速4～5 m/s；

(5)吸收塔单级脱尘率为60%～70%，当吸收级数为4级时，颗粒物和铅的脱除率已达98%以上，工程设计时可根据生产过程中最大烟尘浓度来确定吸收塔的吸收级数。

3 结论

(1)铅电解熔铅锅所产生的铅烟尘颗粒物粒径多为1 μm以下，且主要集中在0.1 μm左右，布袋除尘不但效率低而且容易造成布袋板结，普通的单级湿法除尘工艺，也很难应对铅阳极熔铅锅加残极时

所产生的爆发性烟尘，而多级喷雾法可较好地克服以上缺陷。

(2)不同吸收液对于颗粒物和铅的脱除率存在微小差异，由高到低具体为：硅氟酸- 活性剂>草酸- 活性剂>醋酸- 活性剂>水- 活性剂；酸性条件下pH值的变化对颗粒物去除的影响并不明显，吸收液不断循环，其pH值逐渐降低并稳定在4左右；颗粒物和铅的脱除率随着液气比增加而增大，当液气比为8～16 L/m3时，颗粒物和铅的脱除率上升速度放缓；颗粒物和铅的脱除率第一级最低，第二级最高，但单级效率基本稳定在60%～70%；随着烟气流速增加，颗粒物和铅的尘脱除率降低，流速为4～5 m/s时，颗粒物和铅的脱除率下降显著。

(3)多级喷雾塔治理电铅阳极熔铅锅铅烟尘的最佳工艺参数为：水- 活性剂作为吸收剂，pH值为4，液气比8 L/m3，烟气流速4～5 m/s。吸收塔单级颗粒物和铅的脱除率为60%～70%，实际工程设计中可根据加残极时产生的烟气量和烟尘浓度确定吸收塔级数。

[1] 吴达明．熔铅烟尘的特性及治理技术[J]．重庆环境科学，1983(4)：27-30．

[2] Sheldon B.Davis, Thomas K.Gale, et al. Multicomponent coagulation and condensation of toxic metals in combustors[C]∥Proceedings of 27th Symposium on Combustion. Pittsburgh: The Combustion Institute, 1998:1785-1791.

[3] Timothy M.Owens, Pratim Biswas. Vapor phase sorbent precursors for toxic metal emissions control from combustors [J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 1996,35(3):792-798.

[4] Scotto M A, Peterson T W, Wendt J O L. Hazardous waste incineration: the in-situ capture of lead by sorbents in a laboratory down-flow combustor [C]∥Proceedings of 24th Symposium on Combust ion. Pittsburgh:The Combustion Institute,1992:1109-1118.

Experimental study on treatment of melt lead dust from lead anode pot by multi-stages spray tower

YUAN Pei-xin

The experimental study on adopting the multi-stages spray tower to deal with melt lead dust from lead anode pot of lead electrolytic was conducted. Through experimental research the influences of absorbing liquid, pH value, liquid-gas ratio, reaction series and gas velocity etc. on lead dust removal rate, the best process parameters are obtained, which provide the basis for engineering design.

multi-stages spray tower; lead anode pot; lead dust; particle removal with wet process; absorbing liquid

袁培新(1973—)，男，湖南娄底人，高级工程师，工程硕士，主要从事有色金属冶炼生产技术管理与研究。

2014-- 07-- 24

TF812； TF805.3

B

1672-- 6103(2015)03-- 0046-- 04