铝电解多功能机组收尘系统的设计研发

2020-08-06李福俊

有色设备 2020年3期

李福俊

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司，辽宁沈阳 110027)

0 前言

目前，我国电解铝年运行产量已经突破3 800万t，居世界首位。国内甚至国外的铝电解多功能机组都是传统配置的机组，所有工具工作过程中产生的烟气、尘埃直接排放到车间空气中，造成车间内空气质量很差，影响操作人员身体健康的同时，污染车间环境和大气环境，难以适应国家对铝电解节能环保的新要求。

随着人们对自身工作环境要求的提升，国家对环保的重视，尤其《环境保护法》的实施，将环保工作提高到了一个新的高度，而铝电解多功能机组工作过程中所运送的物料产生烟尘的治理，是目前很多电解铝生产厂家未能解决的难题，为了避免影响企业生产效益，满足环保要求，本应在白班完成的工作，转移到夜班作业，增加了企业的危险因素。收集和处理铝电解多功能机组工作过程中所产生的污染物是目前铝行业所面临的棘手问题，所以在铝电解多功能机组上搭载收尘系统，将铝电解多功能机组工作过程中产生的烟尘通过自身收集处理，达到环保要求的课题是行业发展的需要，同时也是设备厂家研究的目标。

1 设计依据及要求

《GB 25465—2010铝工业污染物排放标准》对大气污染物排放浓度值有了确切的规定，要求铝厂排放到大气中的粉尘含量<4 mg/m3。

依据铝电解多功能机组作业过程中所产生的烟尘、运送时间等参数及其它相关资料，在满足针对电解铝企业相关烟尘排放标准，同时结合原设备各工序操作时间，尽可能不延长原设备各工序流程操作时间的前提下，达到节能降耗、安全环保及取得综合经济效益等各项先进指标。

2 除尘系统布置

通过各工具末端设置的集成罩收集到各其工作位置所散发的烟尘，并通过离心风机输送到布袋除尘器，根据铝电解多功能机组现有条件，此除尘器拟采用低压反吹清灰方式进行清灰。低压反吹清灰方式是在除尘器的顶部设备若干个脉冲阀，脉冲阀通过PLC控制，按照预定的程序或者根据袋式除尘器布袋内外压差控制脉冲阀的启停或者吹风顺序，反吹风与收尘气流的流向相反，在反吹风及收尘气流来回作用下，收尘布袋来回抖动，实现布袋清灰目的，提高除尘器的除尘效率。一般袋式除尘器的布袋采用聚酯纤维材料制作，布袋通透性性好，阻力小，强度高，具有良好的过滤性[1]。

2.1 除尘系统整体布局

铝电解多功能机组的主要执行机构集中布置于工具小车上，包括更换阳极和清渣装置，为了方便各积尘位置的粉尘收集和处理，将除尘系统及其相关管路、集尘罩等都布置在工具小车上，这就需要打破原工具小车的布局形式，在满足各项工具正常工作的前提下，合理布置除尘器相关结构位置，便于处理烟尘，同时尽最大程度提高工作效率。具体布局形式如图1所示。

1.更换阳极装置 2.更换阳极装置收尘装置 3.清渣装置收尘装置 4.清渣装置 5.清洁装置 6.收尘系统(包括袋式除尘器、离心风机、管路等)

2.2 更换阳极装置收尘装置

更换阳极装置收尘装置如图2所示，更换阳极收尘难点在于更换阳极装置本身的上下移动距离一般在2 400～2 700 mm，而释放烟尘的残阳极到换阳极装置夹具位置一般在3 800 mm，为了降低收尘系统相关参数，尽可能将收尘罩接近于散发烟尘位置，采用了升降折叠收尘罩的结构形式，保证收尘效果。

1.更换阳极装置 2.更换阳极装置收尘装置 3.残阳极

2.3 清渣装置收尘装置

清渣装置收尘装置如图3所示，为了满足收集清渣装置抓斗清理完电解槽坑内残渣散发出的烟尘，清渣装置需要全新设计，全新设计后的清渣装置充分利用其结构特点，将清渣装置的升降杆作为收尘装置的收尘通道，将抓斗安装支架改进设计为收尘罩，这样有效利用了结构的原始条件，避免结构冗余。

1.清渣装置 2.清渣装置收尘装置

2.4 清洁装置

清洁装置采用手持式设计，在除尘系统的适当位置设置清洁装置接口，采用气缆卷盘或者手动卷盘卷收清洁装置管路，也可在铝电解多功能机组不同的位置设置多处收尘接口或者靠机组大小车横纵向运行来移动收尘口，对需要清洁的位置通过手持或者自动收尘口来回收需要清洁位置的灰尘，通过除尘后的洁净空气排空。

3 除尘系统设计

铝电解多功能机组烟尘散发的位置主要集中在残阳极吊运过程中和清理完的残渣运送过程中，在更换阳极及清理残渣过程，都是由铝电解多功能机组工具小车来完成，工具小车在执行此任务过程中需要随着铝电解多功能机组大车方向移动及绕自身回转中心旋转，以实现可以精准到达储存残阳极或者残渣的位置。

由于铝电解多功能机组工具小车执行的工序不同，工具小车上所用的工具也有区别，例如更换阳极时采用的工具是更换阳极装置，清理残渣时所用的工具是清渣装置，在使用不同工具时产生的烟尘位置不同。为了尽可能减少设备体积，提高工作效率，将除尘系统集中到一起，收尘点分散在各个散发烟尘的位置。收尘离心风机、袋式除尘器等公用设备集中布置在铝电解多功能机组上，便于除尘系统的集中控制及回收粉尘的统一收集和灰尘处理。

除尘系统包括收尘离心风机、袋式除尘器、吸尘罩、管道及其附件，电气控制在原铝电解多功能机组控制系统的基础上改造，确保控制系统同步。作为除尘系统还必须考虑粉尘和烟气的性质以及系统中各个部分的匹配[2]。

3.1 除尘器的选择

除尘器是把粉尘从烟气分离出来的设备。按其作用原理可分成静电除尘器、磁力除尘器、机械力除尘器、洗涤式除尘器和过滤式除尘器。根据以上几种除尘器在各方面特点的对比，并考虑含尘气体特点，采用过滤式除尘器中的袋式除尘器作为粉尘回收设备[3]。

现在工业中应用较多的是袋式除尘器。袋式(布袋)除尘器利用滤袋进行过滤除尘。滤袋的材质一般为天然纤维、化学合成纤维、玻璃纤维、金属纤维[4]。袋式除尘器即在一个箱体内安装滤袋场，烟尘从布袋外端引入，含尘烟气部分通过管道后进入袋区，经滤袋外表面进入滤袋内部，粉尘被阻隔在滤袋外表面，洁净的气体从滤袋内部排出，进入离心风机后从烟道排出。

3.2 集气吸尘罩的设计

吸尘罩因生产工艺条件和操作方式的不同，形式很多，按集气吸尘罩的作用和构造，主要分为四类；密闭罩、半密闭罩、外部罩和吹吸罩。根据铝电解多功能机组结构特点及电解铝工艺要求，烟尘排放出来时带有高温，高温排放的烟尘具有一定的浮力，在车间内无强空气流动的情况下，烟尘依靠浮力向上扩散，基于此原理，更换阳极装置和清渣装置的吸尘罩采用上吸式矩形外部罩(如图4所示)更加合理，而且可以保证相关机构及电解车间内相关设备及附属机构不干涉。

图4 上吸式外部罩

而且外部罩结构简单，制造方便。由于吸气罩的形状大都和伞相似，所以这类罩简称伞形罩。

3.3 除尘系统处理风量确定

按照罩口周边截面的平均风速计算粉尘处理风量[2]：

Q=3 600LHv

(1)

式中Q—必需的排风量，粉尘气体进入除尘器的工况风量，m3/h；

L—罩口周边长，m；

H—罩口离设备或者尘源平面的距离，m；

v—罩口周边截面上的平均风速，m/s，根据粉尘的特点选用罩口周边截面上的平均风速v=0.5 m/s。

根据电解铝工艺要求和设备特点，清渣装置和更换阳极装置不同时工作，属于单独工序，所以计算排风量以罩口离尘源平面的距离相同的情况下，收尘罩周长最大的作为收尘风量的依据。

4 除尘器的主要技术参数设计计算

4.1 除尘器的过滤面积和过滤速度的确定

除尘器的过滤面积是指除尘器布袋起过滤作用滤料的有效面积，具体计算公式为：

(2)

式中S—除尘系统过滤面积，m2；

Q—处理风量，粉尘气体进入除尘器的工况风量，m3/h；

vF—过滤速度，m/min。

其中，过滤风速的大小，决定滤料的使用寿命及整个除尘系统的除尘效率。查阅相关资料，脉冲袋式除尘器的过滤速度一般取0.6～1.2 m/min。根据铝电解多功能机组工作环境及收尘粉尘的特点，结合除尘系统布局空间有限，选定除尘器过滤速度为vF=1.2 m/min。

4.2 滤袋的规格及数量

脉冲袋式除尘器推荐选用滤袋的长度与直径的比例为12∶1～60∶1，布袋的直径一般选用120～200 mm，布袋的长度一般选用2～9 m。考虑到布袋除尘器过滤速度以及收尘粉尘的性质，选用直径130 mm、袋长4 m的滤袋。

(1)单条滤袋的过滤面积

Sd=πDL

(3)

式中Sd—单条滤袋的过滤面积，m2；

D—滤袋的直径，m；

L—滤袋长度，m。

(2)滤袋的数量

(4)

式中S—除尘器的过滤总面积，m2；

Sd—单条滤袋的过滤面积，m2。

4.3 除尘器的除尘效率

除尘器的除尘效率是指含尘气体通过除尘器过滤，在一定时间内被除尘器过滤下来的粉尘量与进入除尘器之前的粉尘量之比，一般情况下，要求除尘器的除尘效率不低于98%[5]。

4.4 除尘器的清灰方式

通常情况下，气动脉冲袋式除尘器采用在线清灰和离线清灰两种清灰方式。在线清灰是指袋式除尘器在通过气动脉冲阀进行抖动清灰时，除尘器不停止工作，一直处于过滤灰尘的工作状态；离线清灰是指袋式除尘器停止工作时通过脉冲阀喷吹来进行布袋清灰，这种清灰方式布袋上的灰尘清理的比较彻底，避免“二次扬尘”，所使用的压缩空气在压力、流量同等条件的情况下，清灰效果比在线清灰喷吹彻底[2]。

综上所述，离线状态清灰的除尘器除尘效率要高于在线状态清灰的除尘器，故采用离线清灰方式要可靠。