多级喷雾法在铅电解阳极熔铅锅烟气净化中的研究与应用

袁培新

(湖南水口山有色金属集团有限公司，湖南衡阳 421513)

多级喷雾法在铅电解阳极熔铅锅烟气净化中的研究与应用

袁培新

(湖南水口山有色金属集团有限公司，湖南衡阳 421513)

分析了铅电解阳极熔铅锅烟尘产生的机理及特性，确定了烟气净化工艺。根据多级喷雾塔脱除熔铅锅烟尘的试验研究结果，确定最佳工艺参数，优化设计关键设备。项目建成投产后，系统运行正常，各项环保指标均达到要求。

多级喷雾塔;阳极熔铅锅;铅烟尘;液气比;吹吸式吸尘罩

湖南水口山有色金属集团有限公司铅电解分厂铅阳极熔铅锅配套的烟气净化系统采用反吹风布袋除尘器，由于烟气中含有大量的水汽及酸雾，烟尘易粘附于布袋表面难以清理，引起布袋板结，导致布袋除尘器无法正常工作。并且侧吸烟罩设计不合理，车间内烟气四溢，严重影响现场操作工人的身体健康。因此，电解分厂拟对铅阳极锅台低空污染进行治理。

1 铅电解阳极熔铅锅铅烟尘产生的机理及特性

粗铅火法初步精炼是电解精炼之前的必经工序，主要是粗铅在熔融状态下通过熔析等过程除去杂质，并铸成适合电解生产的铅阳极板。因铅的饱和蒸气压较低，熔融铅的挥发率较高，生产过程中产生的铅蒸气易被氧化形成铅烟气溶胶。熔铅锅内熔融铅液直接暴露在空气中，会被氧化成海绵状的铅氧化物，铅烟气溶胶凝聚及铅氧化物的飞扬形成铅烟尘。铅烟尘的生成量与温度有关，随温度的升高而相应加大。残极片携带较多的水分、硅氟酸残液、阳极泥等，其加入熔铅锅时与高温的铅液接触，瞬间大量烟气爆发，该烟气具有瞬间流量大、流速快、含尘浓度高等特点。铅烟尘的主要成分为铅的氧化物，同时含有少量砷、锑、锡、锌、铜、银等及其氧化物，并携带有水蒸汽、酸雾等。

国内外许多专家研究过铅烟尘粒径分布规律。熔铅过程中，熔铅锅散发的铅烟气体，铅烟颗粒的平均粒径大约在0.1～0.3 μm，小于1 μm的颗粒占99%。加残极片时，爆发性烟气携带了部分阳极泥颗粒，因颗粒较大，进入烟道后即可沉降分离。

2 工艺选择

铅烟尘净化工艺主要分为干法和湿法两种。

干法净化处理工艺有覆盖法、过滤法和重力除尘法等。湿法净化处理工艺是采用不同吸收液并配备相应的湿法除尘设备将铅烟尘捕集。

覆盖法主要是通过减少铅液的裸露面积，抑制铅的氧化及铅蒸气的扩散，但其应用范围有限;过滤法是通过对铅烟尘颗粒物的滤除、拦截等净化烟气，对于大颗粒的铅烟尘脱除效率较高，而对于粒度为亚微米级的铅烟尘净化效果并不理想。而且当铅烟尘中含有水蒸汽、酸雾时，容易造成滤袋板结，收尘器无法正常工作。传统重力除尘，因除尘效率低，一般仅应用于初除尘。采用普通的湿法除尘设备并配以酸、碱等吸收液的除尘工艺，除尘效率能达到90%甚至更高，但对于高浓度含铅烟气的净化处理，要实现达标排放有很大的难度，并且其后废液的处理成本很高。

针对现有的铅烟尘污染治理方法存在的不足，拟利用多级喷雾塔对铅电解阳极锅台烟气进行净化治理。

多级喷雾塔内部除了各级分隔板外，没有任何内部元件，喷嘴、仪表等均在塔外安装，这样可以保证在不停产、不停喷雾塔的情况下进行设备维修或更换。喷雾塔由于烟气的强烈湍动和细雾滴极大的比表面积，保证了烟气与吸收液的充分接触，净化除尘效率高，通过多级串联，完全可以将铅烟尘的排放浓度降低到理想值。

多级喷雾塔净化铅烟尘的原理为:烟尘中较大颗粒被经高效喷嘴喷出的吸收液雾滴包裹实现物理沉降，难以吸收的铅烟气溶胶微粒在喷雾塔内被含有活性剂的极性液滴有效捕捉。

3 试验研究

多级喷雾塔以前多用于尾气脱硫，效果较好，应用于熔铅锅铅烟气的净化尚属首次。为了保证良好的净化效果，在电解分厂利用多级喷雾塔中试装置进行试验，确定最佳工艺参数。中试主要考察吸收液的种类、吸收液pH值、吸收级数及烟气流速对烟气中颗粒物和铅脱除率的影响。

试验表明:使用清水并配入少量活性剂作吸收液，与硅氟酸、醋酸、草酸等作为吸收液差别不大，均可达到较高的除尘效率，而且清水作吸收液，后续废液的处理相对简单;烟气中所携带的硅氟酸在吸收液中通过溶解、挥发最终达到平衡，吸收液pH值稳定在4左右;除尘效率随着液气比增加而增加，但当液气比控制在8～16 L/m3范围内时，除尘效率上升速度明显放缓;多级喷雾塔每级的除尘效率为60%～70%，级数增加，除尘效率提升;烟气流速加快，除尘效率降低，流速超过4～5 m/s时，除尘效率急剧下降。

根据中试试验结果，综合考虑烟尘净化效果及运行成本，确定多级喷雾塔净化铅阳极熔铅锅铅烟气的最优工艺参数，见表1。

表1 多级喷雾塔最优工艺参数

4 工程设计

4.1 工艺流程

熔铅锅工作时产生的烟气通过吹、吸气流的作用，被吸尘罩捕集进入烟道，再到达喷雾塔。喷雾塔共设6级吸收脱铅级，脱铅后的烟气中含有许多雾滴，通过两级除雾器高效除雾，经烟囱达标排放。从烟气中除去的烟尘颗粒沉降至喷雾塔浆液池内，通过专用管道排出，经过滤除渣系统回收。

4.2 主要工艺参数

4.2.1 烟气量

阳极锅生产过程中不同的操作工况，产生的烟气量差别很大。本系统中烟气量的确定主要综合考虑熔铅锅烟气上升流速及吸尘罩吹、吸风量，通过fluent软件进行流场模拟、计算得出。

熔铅锅加入残极时，大量烟气瞬间爆发。通过摄像分析，加入残极时熔铅锅液面中心φ2000mm区域烟气流速为3～5 m/s，周边圆环区域产生的熔铅烟气的流速为0.2～0.4 m/s，通过流场计算得出熔铅锅加残极时产生的烟气量为50000m3/h左右。根据fluent流场分析得出:烟气捕集效果较好并且风量较少的最佳风量为:吸尘罩吸风总量95000m3/h，其中吹风口风量为30000m3/h，约15000m3/h为被吸尘罩所吸入的逸风。

当4个熔铅锅都只有熔铅过程，熔铅锅铅烟气上升速度为0.2～0.3 m/s，fluent流场分析得出，效果最佳时每台熔铅锅吸尘罩的吸风量为11000m3/h，其中吹风口风量为1800m3/h，工程设计考虑余量，4个熔铅锅总的风量取50000m3/h。

熔铅锅在进行续加粗铅、铅锅搅拌、捞渣、舀铅等操作时，烟气的流速约为1 m/s左右。续加粗铅和铅锅搅拌两种操作所产生的烟气量远远低于加残极操作。捞渣、舀铅等操作涉及两个熔铅锅，产生的烟气量略高于熔铅工况。

故系统的抽风量最高值为150000m3/h，最低值为50000m3/h。抽风量的变化通过两台引风机并联、切换来实现，1#引风机风量为100000m3/h，2#引风机风量为50000m3/h。当生产处于低烟气量的熔铅阶段时，只开启2#小风机;当某口熔铅锅加入残极，或熔铅锅有搅拌或捞渣等操作时，可立即切换到1#风机;当某口熔铅锅加入残极，且其他熔铅锅存在搅拌或捞渣等操作，同时开启1#、2#风机，并确保加残极熔铅锅的抽风量大于71640m3/h，烟气不外溢。在不同操作工况下通过切换引风机，可确保熔铅锅烟气有效捕集所需的风量，且能减少能耗，降低生产成本。

4.2.2 液气比

多级喷雾塔系统共设4台循环泵，1#～3#循环泵的流量均为300m3/h，4#循环泵的流量为75m3/h。系统根据熔铅锅操作工况不同，将其划分为高负荷和低负荷工况，低负荷工况主要是指熔铅过程，无其它操作，高负荷工况主要包括加残极、铅锅搅拌、捞渣、舀铅、加粗铅等操作。当铅阳极锅处于低负荷工况时，开启2#风机及1#、4#循环泵，此时液气比为7.5 L/m3。当铅阳极锅处于高负荷工况时，在低负荷设备开启的基础上，再开启1#风机和2#、3#循环泵，此时的液气比为6.5 L/m3。

4.2.3 除尘效率

加残极时，烟气中粉尘颗粒和铅的浓度最高，瞬间粉尘颗粒物浓度可达6000～8500mg/m3，铅及化合物浓度可达800～1200mg/m3。根据中试结果，喷雾塔每级的除尘效率为60%～70%，为了保险起见，颗粒物和铅的脱除率均取值为60%，通过计算，6级除尘后颗粒物和铅的脱除率可达到99.59%，尾气中颗粒物和铅浓度都能够达标。

4.3 关键设备

4.3.1 吸尘罩

吸尘罩作为熔铅锅所产生烟尘的捕集设备，既要将烟尘、烟气完全捕集不外溢，还要尽可能减少吹吸风量，降低生产成本，并且要保证操作方便。考虑到生产过程中需要经常进行加粗铅和残极片、搅拌、捞渣等操作，不宜采用密闭式吸尘罩。

敞口吸尘罩有单吸气式、吹吸式吸尘罩等类型。吹吸式吸尘罩在尘源的两侧设有吹气口和吸气口，吹气气流形成的气幕可将整个尘源覆盖，尘源烟气和被吹气气幕卷入的逸风在吹吸气流的共同作用下被吸尘罩捕集，保证烟气不外溢。烟罩的设计充分考虑了吸气气流速度衰减快，而吹气气流气幕式作用距离较长的特点。由于吹吸罩具有风量小、烟气捕集效果好且不影响工艺操作等优点，故本系统选用吹吸式吸尘罩。

吹吸气流的运动轨迹复杂，目前没有统一的计算公式，采用fluent软件模拟吹吸式吸尘罩气流流场的方法对吸尘罩进行设计。先根据熔铅锅的现场尺寸和操作要求确定吹、吸风口的基本尺寸。由于在熔铅锅的各种工况中，加残极时烟气量最大、烟尘浓度最高，气流运动最复杂，故流场模拟选用加残极工况。通过流场模拟，最终确定了吹吸式吸尘罩合理的吸风口风量、吸风口角度、送风风量和送风角度等工艺参数，见表2。

表2 吸尘罩主要参数

4.3.2 多级喷雾塔

多级喷雾塔是系统中核心设备，采用立式多级串联工艺，共有6级脱铅，2级除雾。6级脱铅效率可达99.5%以上。喷雾塔整体结构长度为11 m，宽度为7 m，高度为8.6 m，塔内采用迂回式通道设计，烟气通道总长度达35 m，烟气在吸收塔内与雾滴有足够的接触时间，确保除尘效率。每一个吸收级的长度为3.5 m，宽度为2.1 m，高度为5 m。为保证除雾效果，每一个除雾级的长度为吸收级的2倍。

多级喷雾塔下方为浆液池，其容积为85m3。由于铅尘等颗粒密度大、粘性强，极易在塔内沉积，为了避免沉积引起管道堵塞，浆液池底部采用蝶形防沉积结构。

5 治理效果

项目建成投入使用正常运行一段时间后，电解分厂委托环境监测部门对不同工况下净化前后铅烟气中的颗粒物、铅及化合物的浓度及车间内关键岗位的铅烟浓度进行了检测。

加残极时，经多级喷雾塔净化后，铅烟气中颗粒物的平均浓度为22.54mg/m3，铅及化合物的平均浓度为3.15mg/m3;熔铅时，经多级喷雾塔净化后的铅烟气中，颗粒物的平均浓度为12.35mg/m3，铅及化合物的平均浓度为4.33mg/m3，达到《铅锌工业污染物排放标准》要求。

阳极铸板车间熔铅锅处时间加权平均浓度为0.012mg/m3，铅烟的短时间接触浓度超限倍数为1.34倍;铸板操作处铅烟的时间加权平均浓度为0.022mg/m3，铅烟的短时间接触浓度超限倍数为1.43倍，满足《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》要求，检测结果合格。

6 结论

多级喷雾法治理阳极熔铅锅烟尘系统在该铅电解分厂运行平稳，烟气经净化后，颗粒物、铅及化合物浓度均满足《铅锌工业污染物排放标准》规定的大气污染物排放标准要求，车间内主要工作岗位空气质量达到《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》规定的要求，较好地克服了滤式收尘及普通单级湿式收尘工艺在阳极熔铅锅烟尘净化中存在的不足，有着较好的应用发展前景。

［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.

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［3］袁培新.多级喷雾法治理铅阳极熔铅锅铅烟尘的研究与工程设计［D］.长沙:中南大学，2014.

［4］聂江宁，凌斌.多级喷雾反应塔［P］.中国专利:202516554，2012-11-07.

［5］张殿印，王纯.除尘工程设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2003，6.

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

“低浓度稀土溶液大相比鼓泡油膜萃取技术及装置”通过鉴定

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

2016-10-13

由中国科学院过程工程研究所和青岛生物能源与过程研究所联合研发的“低浓度稀土溶液大相比鼓泡油膜萃取技术及装置”通过鉴定。该技术解决了如何将极小体积的有机萃取剂油相的传质表面积最大化、并在流动过程中如何均匀分散在大体积水相中的技术难题。由于萃取反应发生在气泡表面油膜薄层，界面效应强化了萃取传质的效率，传质推动力大，适用于从低浓度稀土溶液中回收稀土。萃取过程水油相比高达600以上，萃取反萃后稀土溶液浓度可富集上千倍，可实现与现行单一稀土萃取分离工艺直接衔接。新技术相比传统工艺生产成本大幅下降，可直接用于从含稀土离子浓度＜100mg/L(以REO计)的极稀溶液中经济、高效地萃取回收稀土。

在气泡表面有机萃取剂油膜层易控制破膜聚集问题上，该技术有效地减少了有机萃取剂在萃余液中的夹带损失。解决了传统液膜萃取需外加表面活性剂易引起乳化、破乳困难的问题;解决了易乳化萃取体系大相比萃取操作时，油水分散和聚并的矛盾;也解决了大流比萃取时的高比负荷操作易导致液泛的技术难题。经大相比鼓泡油膜萃取后，一次过柱水相开路排出的萃余液中残留的总稀土浓度＜0.1mg/L，总磷P＜0.3mg/L，COD＜50mg/L。