某工厂铝熔炼炉除尘系统设计探讨

蔡丛端

摘 要：为了解决工厂熔炼时产生的大量烟气及粉尘颗粒，结合除尘需求，展开炉膛烟气捕集、扒渣口吸尘、管路及保温、风机及高空有组织排放等设计工作，设计计算工厂铝熔炼炉运行期间产生的烟气总量;采用Dura-Life Tetratex?薄膜抗静电聚酰胺滤袋，实现对粉尘持续不间断地高效过滤;将在线监测系统安装于烟囱排放口处;采用PLC控制系统，通过人机交互界面读取实际的排放浓度，实现对粉尘颗粒物的实时监控，确定排放浓度在10mg/m3以内，过滤后通过烟囱进行高空有组织排放。最后期望本研究能为后续的烟气除尘系统设计提供参考，推动环保事业发展。

关键词：铝熔炼炉;除尘系统;系统设计;除尘器;防爆

0 引言

工厂的铝熔炼炉正常运行期间，会产生大量的含尘烟气，如果不采取有效的处理措施，会给企业生产车间环境带来巨大的污染，为此结合工厂的生产运行需求，展开合理的除尘系统设计，去除烟气内含有的大量有害粉尘颗粒。以某工厂铝熔炼炉除尘系统设计项目为研究实例，先对熔炼炉的烟气特点及除尘系统工作原理展开分析，再对除尘系统方案设计过程深入探讨，最后就其系统调试及运行效果进行分析，重点研究除尘系统的设计过程，重视每一个设计细节。

1 熔炼炉烟气特点

铝熔炼炉烟气特点如下：

第一，烟尘粒径较小，一般在0.1～50μm之间。

第二，烟气量呈现出波动状态，最大波动幅度高达50%，造成该问题的原因在于熔炉的生产状态及温度变化，在熔炼炉运行期间温度呈现波动状态，进而影响燃气燃烧量，产生不同的烟气量，一般在熔化炉烧嘴全开的状态，最大化地对铝锭进行熔化模式下的烟气量最大。

第三，熔炉的生产过程往往会有很多的回炉料，烟气成分极为复杂，除了基本的燃烧产物和颗粒物，包括二氧化碳、水、灰分等，还会产生含油气体和粘性物质，包括氟化物（熔炉清渣剂中含有氟化物成分）等。

第四，烟气温度分布的范围差别较大，熔炼炉不同工作状态下的温度差异较大，其中温度最高的为熔炉自由熔化模式，烧嘴全开，烟气温度可达450℃以上;投料模式下，由于炉膛进料门的打开，炉膛负压状态下同时进入大量新鲜空气，烟气温度会有所稀释和冷却，烟气温度常规在250～350℃;保温状态下，熔炉烧嘴提供的热能仅需保持铝液的熔化状态即可，常规烟气温度在300℃左右;扒渣状态下，正常熔炉的烧嘴关闭，但是扒渣口打开的瞬间，由于热能空气动力学的原因，会瞬间从扒渣门内涌出浓度较高的烟气，该烟气温度常规在200～300℃。

综上，熔炼炉烟气存在粒径小、烟气量变化幅度大、成分复杂、温度变化幅度大等特点，这就对铝熔炼炉除尘系统设计提出了更高的要求，需要结合烟气特点展开设计，才能保证设计的合理性，高效处理熔炼炉烟产生的烟气[1]。

2 除尘系统工作原理

2.1 烟尘的捕集

工厂铝熔炼炉运行期间会释放大量的粉尘颗粒，这些颗粒会随着烟气向外扩散：炉膛烟气通过熔炉顶部的吸尘口进行吸尘管道的对接，根据除尘系统提供的风量进行抽排，并且实时根据熔炉不同的生产状态所要求的负压进行调节实际所需的风量，有效且节约能耗;扒渣口烟尘捕集通过在扒渣门上方设计吸尘罩口的模式进行捕集，由于扒渣门开启的瞬间，大量烟尘会由于热抬升的空气动气学涌现出来，根据除尘设计手册，扒渣口顶吸罩口界面捕捉风速设计2.5m/s，并且系统设计自控，扒渣门开，罩口电动风阀自动开启，扒渣门关，电动风阀自动关闭，系统实现PLC信号连锁，风机变频控制，有效提供实际所需的吸尘捕集风量且节约能耗，为企业节约运营成本。

2.2 过滤

设计选用耐高温并且抗静电滤料进行粉尘颗粒物的过滤，设计过滤精度为0.3μm以上颗粒物，过滤精度达到99.99%，过滤后颗粒物浓度达到≤10mg/m3以内的排放标准。

3 除尘系统方案设计

3.1 除尘工艺流程

某工厂铝熔炼炉除尘系统工艺流程如下图1所示。

熔炉烟尘产生的点源主要有两方面，分别是炉膛连续高温烟气和扒渣口偶发工作烟气，通过各自的管道及吸尘罩口进行烟气捕集后，汇总进入系统主管，管内风速根据防爆标准要求，设计为23m/s。然后进入管道隔爆阀，管道隔爆阀的作用就是在除尘器内部在发生爆炸隐患的同时，瞬间将管路隔断，防止爆炸压力及火焰通过管路进入生产工艺前端。然后再进入高温烟气冷却器及火花捕捉器一体机，由于铝熔炼炉的烟气温度较高，烟气混合后常规温度在400℃左右，而目前最新前沿技术的袋式过滤介质的材料耐温極限温度是260℃，长期运行温度需≤204℃，所以需要将大量的高温烟气冷却至204℃以下。

冷却器工作情况为：高温烟气通过管道进入风冷设备的热侧通道，由混流风机提供的常温空气进入设备的冷侧通道，冷热侧通道互不相同，经由换热板片的间壁进行对流换热;在空气冷却器及火花捕捉器一体机内部为U型气流通道，并设计挡板，含未燃尽火花颗粒物进入设备后，根据气流挡板进行分流、降速、碰撞、熄灭、沉降，起到火花捕捉的作用;温度降低后再进入除尘器进行粉尘过滤，过滤后洁净空气通过烟囱进行高空有组织排放;除尘器过滤下来的粉尘通过灰斗底部的螺杆输送器和卸灰阀进行锁气卸灰。

3.2 系统组成

3.2.1 扒渣口吸尘设计

在扒渣口吸尘罩口截面风速设计为2.5m/s，例如根据炉膛门尺寸，设计顶吸罩口设计尺寸为长2000mm×宽1200mm，则扒渣口处理风量为Q扒渣口=2×1.2×2.5×3600=21600m3/h。

3.2.2 炉膛顶部烟气收集设计

结合除尘需求，在炉膛顶部设计烟气收集系统，为了控制能源消耗，选择变频风机，可以结合实际需求控制风机频率，将能源消耗控制在合理范围内。同时，还要合理设置压力变送器及调温调压阀，主要是为了控制炉膛顶部的排烟情况，根据烟道实际的压力值调节。同时还配合无级调节阀门，主要用于调控配合炉组主辅烟道，采取PLC信号连锁，根据熔炉不同的生产状态和炉膛负压的需求，可以对风机转速及阀开度进行合理调节，这样就可以快速收集炉膛顶部烟气，让炉膛维持一个稳定的压力值，同时收集扩散的烟气[3]。

3.2.3 系统管路及保温

系统管路由两部分构成，一个为支管，另一个为系统主管。在铝熔炼炉正常运行期间，先通过除尘罩口吸收烟气，通过支管进入到主管内，在经过合理处理以后，才能进入到除尘主机。结合铝熔炼炉烟尘排放的实际情况，采用不锈钢SS304材质或碳钢焊接管材料且喷涂耐高温保护漆，这样才能承受高温，避免烟尘损坏系统管路。如该生产制造企业位于冬季较为寒冷地区，且除尘设施和大部分管道在室外的情况，为防止冬季结露产生大量冷凝水进入除尘器，必须对管道和除尘器外部进行保温处理，保温材料采用陶瓷纤维及外包铝板加工而成。

3.2.4 环保除尘器的设计及选型

根据上述研究可知，铝熔炼炉排出的废气温度极高，采用风冷或水冷热交换的方式将高温含尘烟气降温至185℃后，该温度在除尘领域仍然属于较高温度，仍然给除尘器带来不小的压力，常规布袋无法承受高温。为了承受该温度，可以选择陶瓷薄膜滤芯、不锈钢滤芯、陶瓷结板等材料，但是这类材料要花费较高的费用，投入较高的成本费用，增加项目的运行风险。经过一系列的研究分析，最后选定一款性价比更高的除尘器，具体为Dura-Life Tetratex?薄膜抗静电聚酰胺滤袋，可以实现对粉尘的高效过滤，并且该款滤袋可以承受204℃的高温，满足烟气除尘需求，并且过滤效率较高。要注意保护好除尘设备，在周边合理设置护栏爬梯及检修用的平台，可以实现对机械设备的保护，同时为检修提供便利。在烟气经过多项处理后，通过电控风阀进入到除尘器内，处理后的烟气达到国家相关标准，可以直接通过烟囱排放。此外，除尘系统可以根据熔炉状态控制风机，提供足够的风量，采取变频控制模式，节约大量的能源消耗[4]。

3.2.5 风机及高空有组织排放的设计

风机采取变频控制的方式，可以结合烟气排放需求调节，减少不必要的能源消耗。在烟气经过吸尘罩口、管路、火花捕捉器、石灰喷粉机、除尘器等设备以后，铝熔炼炉内的烟尘颗粒已经处理达到国家标准，这时候就可以通过风机吹入烟囱，采取高空有组织排放的方式释放到大气内，烟囱满足高空排放需求，不会造成大气污染，可以达到国家相关要求。

3.2.6 除尘系统防爆设计

由于铝熔炼炉所产生的粉尘经过第三方检测及测试，检测出粉尘具有涉爆参数，所以铝熔炼炉除尘系统设计均需符合GB15577-2018《粉尘防爆安全规程》及AQ4273-2016《粉尘爆炸危险场所用除尘系统安全技术规范》相关防爆除尘系统要求，具体体现在整体管路的静电跨接、检修及清灰口的设计和制作、管内风速的设计、隔爆阀的设计选型、泄爆片的面积计算及选型、压差监控、温度监控、抗静电滤材及设备整体抗静电接地、系统安全联锁等。

4 系统运行效果及建议

经过一系列的研究设计，得到科学合理的除尘系统方案，按照该方案指挥系统运行，站在全局角度上展开技术统筹，并做好对系统的调试工作，最后顺利完成安装任务，所有除尘系统准备就绪，正常投入生产。在运行期间，除尘系统没有出现异常问题，可以满足熔炼炉的烟气处理需求，将烟气通过高空有组织排放。为了达到国家排放标准，按照设计规范将在线监测系统安装在烟囱排放口处，实现对粉尘颗粒物的实时监控，除尘系统采用PLC系统控制，通过人机交互界面读取实际的排放浓度，经过长时间的记录，确定排放浓度在10mg/m3以内，完全符合国家的相关标准，并且顺利通过相关部门的验收检查[5]。

由于铝熔炼炉在铝制品铸件行业中的作用非常重要，熔炼炉的正常生产和出铝水，是该工厂后续其他产线的保障。所以铝熔炼炉除尘系统的配套，是非常重要的，必须保证熔炉正常生产的同时，保障企业环境、员工的职业健康等。较其他工况产生的烟气相比，熔炼炉产生的烟气具有温度变化大、颗粒物浓度较高、成本复杂且变化大等特点，除尘难度相对更高。从实际情况入手，先分析工厂熔炼炉运行的实际特点，设计专用的除尘设备，持续不断地处理烟气，并且有效地解决烟气高温降温及避免未燃尽火星进入到除尘器内部，同时按照相关的国标及行业标准进行防爆设计，避免埋下隐患问题，引发安全事故。

5 结语

工厂铝熔炼炉除尘系统都是采用优质高效的除尘设备、质量可靠的配套设备及吸尘管道等，根据除尘系统的设计方案定制，生产后运送至现场安装，由专业的安装人员负责，可以保证除尘系统的安装质量。同时除尘系统拥有较强的环保性能，采用大量的节能设备，结合实际的除尘需求开展节能环保设计，如变频式风机设备，可以节约大量的能源消耗，顺利完成工程铝熔炼炉除尘系统设计任务。铝熔炼炉除尘系统运行效果良好，实现了对烟气的全方面处理，满足工厂日常运行需求，达到环保排放标准。

参考文献：

[1]王文兵.布袋除尘系统在铝熔保炉组上的设计分析及应用研究[J].中国设备工程，2018（10）：201-202.

[2]齐辉，李钢，丁甦.再生铝熔炼烟气除尘脱硫系统改造研究[J].中國设备工程，2018，40（19）：98-99.

[3]欧群林.熔铝炉烟气除尘脱硝系统设计及应用[C].2018年中国铝加工产业年度大会论文集，2018.

[4]裴作明，宋道辉.铝液熔保炉除尘系统改进措施[J].轻金属，2018， 480（10）：63-66.

[5]华金晶，陈三强，牟杰，等.抛光铝合金粉尘企业通风除尘系统的安全性研究[J].建筑热能通风空调，2018，37（08）：75-78.