电解车间无组织排放烟气的天窗采样系统简介

杨青辰

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

目前电解铝生产过程中产生的污染物主要为氟化物，电解烟气净化系统净化效率的高低是影响氟化物排放的主要因素，而电解槽集气效率和电解烟气净化系统的净化效率是净化系统指标的主要控制因素。目前，无论是从理论研究还是从实际运行角度看，国内外对电解铝烟气净化系统的研究已经趋于成熟。下面就电解车间天窗无组织排放的烟气的采集系统做一下简单介绍。

1 系统介绍

目前，关于电解车间天窗无组织排放的电解烟气的采集系统国内研究不是很多，我们目前主要是参考美国环境保护署（EPA：Environmental Protection Agency）测试方法中的方法14：(DETERMINATION OF FLUORIDE EMISSIONS FROM POTROOM ROOF MONITORS FOR PRIMARY ALUMINUM PLANTS（电解铝厂天窗氟化物无组织排放的测定）)，下面结合具体情况就天窗采样系统简单地探讨一下。EPA方法14可用于检测电解车间天窗无组织排放的氟化物。在本方法中，天窗排放的气态和固态的氟化物通过几个预设的采样口被引入一个永久性的采样主管中，然后通过管路从采样主管输送到地面。管路内气体中的氟化物成分通过方法13a或13b方法进行检测。排气速度和流量则由设置在天窗的风速计来测定。

2 系统组成

天窗烟气采样系统包括主管系统和支管路系统以及动力系统，下面我们就这两个系统简单地分析一下。

2.1 主管系统和管路系统

每个电解车间至少要设置一个主管系统。主管系统和管路系统应该满足以下8个要求：①为了将空气样本从高处位置处的天窗处抽取到地面位置，主管系统及配套的连接管路应该永久性的安装，而不是临时性安装。如果要将主管系统安装到一个特殊的天窗，这些管道的尺寸可以做相应改动，但通常的情况下不应该轻易改动，应该遵守初始设计。②应该设置8个采样口，采样口直径控制在400～500mm之间。③主管系统从第1个到第8个采样口的长度控制在35m左右，或者控制在电解车间天窗长度的7-9%，如果该长度得不到满足，则应该重新进行计算调整。④从天窗主管系统到地面的管路直径应控制为300～400mm之间。管路系统中的所有接头位置都应该密闭良好，运行过程中不能发生漏气现象。⑤主管的每一个采样分支都应该设置可以调节进入采样口风速的装置，比如调节风门或者调节阀门。⑥主管系统应该安装在靠近风速计的位置，并且尽可能安装在电解车间的中间位置。避免将采样主管安装在靠近电解车间端头的位置，或者电解铝生产不具有代表性的位置。采样口应该位于天窗喉部具有代表性的中央位置。⑦采样口、主管、采样管路等部件，以及和采样系统接触的部件表面都应该采用316不锈钢制作，特殊情况下可以采用铝制作，不过在第一次使用之前，新管路系统必须经过天窗的含氟气体老化42-45天处理。⑧在天窗和引风机间之间的管路竖向直段应该设置2个采样点。采样点的位置应该满足以下要求：距离管路的弯头和收缩等会对气流造成扰动的位置的下风向至少10倍管径以及上风向至少3倍管径的要求。两个采样点应该呈90°分开布置。其中一个采样点应该在最近弯头所在平面上。

2.2 动力系统

采样管路系统的地面部分还设置一台工业用引风机作为系统的动力设备。引风机的风量和风压应该满足如下要求：在所有可能的天窗风速下通过管路系统以及所有采样口可以满足等速采样的要求。引风机的流量可以在±30%范围内进行调节，以满足将天窗烟气可以均匀被导入采样口的要求。

3 采样系统的调试

系统安装完毕后，我们就可以开始对天窗无组织排放的烟气进行采样处理。在采样过程中，为了保证采样系统的准确性以及均匀性，我们需要注意以下几个方面。

3.1 预估等速采样的速度

预估风速可以取值风速计连续监控的风速的平均值，如果天窗位置处风速变化较大，则可以将测试系统分成2个或多个子测试系统，每个子测试系统采用其对应时间段的平均风速，最后子测试系统的数值进行汇总处理。

3.2 管路系统状况预测试

在进行系统测试之前，启动引风机，通过主管和管路系统抽取天窗无组织排放的含有氟气体。通过调整风机调节装置来调整进入管路的烟风量，使进入采样口的气体流速近似于邻近风速计测出的天窗空气流速。

3.3 主管等速采样速度的调整

（1）初始调整。在进行正式测试前，需要调整引风机，使进入采样口的气体流速近似等于天窗的平均风速。用下式可以确定采样点位置的管路内的风速，从而确保采样口抽取气样时是等速采样。

8=采样嘴数；Vd=采样点处管路内的风速，m/s；Dd=采样点处管路直径，m；Dn=天窗采样嘴直径，m；Vm=天窗平均风速，m/s。

接下来的工作，则是为了确保风速测量的正确性，我们将采用皮托管测试管道内的风速。

（2）测试过程中的调整。如果测试系统被分成2个或多个子测试系统，测试过程中的等速校验是很有必要的，校验需要在子测试系统工作开始之前进行。在测试过程中不允许进行等速调整工作。

4 主管采样口校准

在主管系统安装时，首先应该对主管采样口进行校验。或者在安装前，主管预装配时，在地面上对采样口进行校准，应遵循如下步骤：①将标准皮托管插入到主管上风（阀）门和采样口间的校准孔（直径25mm或更小）内，测试每个采样口的入风风速。

注意：应该用标准皮托管，而不是采用S型皮托管，以减少在细采样管（直径130mm）里截面阻塞而引起的测试误差。皮托管末端应该位于主管分支管路的中心。同时注意保证皮托管周围不能有漏气现象，因为漏气会影响到主管分支内的速度分布。②调节引风机的流量，使每个采样口的入口流速接近于天窗无组织排放的烟气流速的平均值。③如果进入每个采样口的风速不同，调整每个风（阀）门的开闭度，使每个采样口的风速保持一致。考虑到测试的要求及设备的加工费用，我们对EPA中给出的采样系统进行了优化，采样口由8个减少为4个，同样采样管的管径也做了相应的调整。

同时，要对整个采样系统进行了阻力和风量估算，其中天窗自然通风最大风速取值2.5m/s，采样管路长度取值45m，风机选取的参数：风量5400m3/h，全压1250Pa。

5 总结

通过如上所述，我们对电解铝天窗无组织排放的烟气采样，从方案设计，到安装、施工过程，最后到系统调试做了详细的介绍，可以最大程度的保证系统采样的准确性与均匀性，为后续的设计方案优化等工作打下坚实基础。