鋁電解多功能機組收塵系統的設計研發

李福俊

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司，遼寧 沈陽 110027)

0 前言

目前，我國電解鋁年運行產量已經突破3 800萬t，居世界首位。國內甚至國外的鋁電解多功能機組都是傳統配置的機組，所有工具工作過程中產生的煙氣、塵埃直接排放到車間空氣中，造成車間內空氣質量很差，影響操作人員身體健康的同時，污染車間環境和大氣環境，難以適應國家對鋁電解節能環保的新要求。

隨著人們對自身工作環境要求的提升，國家對環保的重視，尤其《環境保護法》的實施，將環保工作提高到了一個新的高度，而鋁電解多功能機組工作過程中所運送的物料產生煙塵的治理，是目前很多電解鋁生產廠家未能解決的難題，為了避免影響企業生產效益，滿足環保要求，本應在白班完成的工作，轉移到夜班作業，增加了企業的危險因素。收集和處理鋁電解多功能機組工作過程中所產生的污染物是目前鋁行業所面臨的棘手問題，所以在鋁電解多功能機組上搭載收塵系統，將鋁電解多功能機組工作過程中產生的煙塵通過自身收集處理，達到環保要求的課題是行業發展的需要，同時也是設備廠家研究的目標。

1 設計依據及要求

《GB 25465—2010鋁工業污染物排放標準》對大氣污染物排放濃度值有了確切的規定，要求鋁廠排放到大氣中的粉塵含量<4 mg/m3。

依據鋁電解多功能機組作業過程中所產生的煙塵、運送時間等參數及其它相關資料，在滿足針對電解鋁企業相關煙塵排放標準，同時結合原設備各工序操作時間，盡可能不延長原設備各工序流程操作時間的前提下，達到節能降耗、安全環保及取得綜合經濟效益等各項先進指標。

2 除塵系統布置

通過各工具末端設置的集成罩收集到各其工作位置所散發的煙塵，并通過離心風機輸送到布袋除塵器，根據鋁電解多功能機組現有條件，此除塵器擬采用低壓反吹清灰方式進行清灰。低壓反吹清灰方式是在除塵器的頂部設備若干個脈沖閥，脈沖閥通過PLC控制，按照預定的程序或者根據袋式除塵器布袋內外壓差控制脈沖閥的啟停或者吹風順序，反吹風與收塵氣流的流向相反，在反吹風及收塵氣流來回作用下，收塵布袋來回抖動，實現布袋清灰目的，提高除塵器的除塵效率。一般袋式除塵器的布袋采用聚酯纖維材料制作，布袋通透性性好，阻力小，強度高，具有良好的過濾性[1]。

2.1 除塵系統整體布局

鋁電解多功能機組的主要執行機構集中布置于工具小車上，包括更換陽極和清渣裝置，為了方便各積塵位置的粉塵收集和處理，將除塵系統及其相關管路、集塵罩等都布置在工具小車上，這就需要打破原工具小車的布局形式，在滿足各項工具正常工作的前提下，合理布置除塵器相關結構位置，便于處理煙塵，同時盡最大程度提高工作效率。具體布局形式如圖1所示。

1.更換陽極裝置 2.更換陽極裝置收塵裝置 3.清渣裝置收塵裝置 4.清渣裝置 5.清潔裝置 6.收塵系統(包括袋式除塵器、離心風機、管路等)

2.2 更換陽極裝置收塵裝置

更換陽極裝置收塵裝置如圖2所示，更換陽極收塵難點在于更換陽極裝置本身的上下移動距離一般在2 400～2 700 mm，而釋放煙塵的殘陽極到換陽極裝置夾具位置一般在3 800 mm，為了降低收塵系統相關參數，盡可能將收塵罩接近于散發煙塵位置，采用了升降折疊收塵罩的結構形式，保證收塵效果。

1.更換陽極裝置 2.更換陽極裝置收塵裝置 3.殘陽極

2.3 清渣裝置收塵裝置

清渣裝置收塵裝置如圖3所示，為了滿足收集清渣裝置抓斗清理完電解槽坑內殘渣散發出的煙塵，清渣裝置需要全新設計，全新設計后的清渣裝置充分利用其結構特點，將清渣裝置的升降桿作為收塵裝置的收塵通道，將抓斗安裝支架改進設計為收塵罩，這樣有效利用了結構的原始條件，避免結構冗余。

1.清渣裝置 2.清渣裝置收塵裝置

2.4 清潔裝置

清潔裝置采用手持式設計，在除塵系統的適當位置設置清潔裝置接口，采用氣纜卷盤或者手動卷盤卷收清潔裝置管路，也可在鋁電解多功能機組不同的位置設置多處收塵接口或者靠機組大小車橫縱向運行來移動收塵口，對需要清潔的位置通過手持或者自動收塵口來回收需要清潔位置的灰塵，通過除塵后的潔凈空氣排空。

3 除塵系統設計

鋁電解多功能機組煙塵散發的位置主要集中在殘陽極吊運過程中和清理完的殘渣運送過程中，在更換陽極及清理殘渣過程，都是由鋁電解多功能機組工具小車來完成，工具小車在執行此任務過程中需要隨著鋁電解多功能機組大車方向移動及繞自身回轉中心旋轉，以實現可以精準到達儲存殘陽極或者殘渣的位置。

由于鋁電解多功能機組工具小車執行的工序不同，工具小車上所用的工具也有區別，例如更換陽極時采用的工具是更換陽極裝置，清理殘渣時所用的工具是清渣裝置，在使用不同工具時產生的煙塵位置不同。為了盡可能減少設備體積，提高工作效率，將除塵系統集中到一起，收塵點分散在各個散發煙塵的位置。收塵離心風機、袋式除塵器等公用設備集中布置在鋁電解多功能機組上，便于除塵系統的集中控制及回收粉塵的統一收集和灰塵處理。

除塵系統包括收塵離心風機、袋式除塵器、吸塵罩、管道及其附件，電氣控制在原鋁電解多功能機組控制系統的基礎上改造，確保控制系統同步。作為除塵系統還必須考慮粉塵和煙氣的性質以及系統中各個部分的匹配[2]。

3.1 除塵器的選擇

除塵器是把粉塵從煙氣分離出來的設備。按其作用原理可分成靜電除塵器、磁力除塵器、機械力除塵器、洗滌式除塵器和過濾式除塵器。根據以上幾種除塵器在各方面特點的對比，并考慮含塵氣體特點，采用過濾式除塵器中的袋式除塵器作為粉塵回收設備[3]。

現在工業中應用較多的是袋式除塵器。袋式(布袋)除塵器利用濾袋進行過濾除塵。濾袋的材質一般為天然纖維、化學合成纖維、玻璃纖維、金屬纖維[4]。袋式除塵器即在一個箱體內安裝濾袋場，煙塵從布袋外端引入，含塵煙氣部分通過管道后進入袋區，經濾袋外表面進入濾袋內部，粉塵被阻隔在濾袋外表面，潔凈的氣體從濾袋內部排出，進入離心風機后從煙道排出。

3.2 集氣吸塵罩的設計

吸塵罩因生產工藝條件和操作方式的不同，形式很多，按集氣吸塵罩的作用和構造，主要分為四類；密閉罩、半密閉罩、外部罩和吹吸罩。根據鋁電解多功能機組結構特點及電解鋁工藝要求，煙塵排放出來時帶有高溫，高溫排放的煙塵具有一定的浮力，在車間內無強空氣流動的情況下，煙塵依靠浮力向上擴散，基于此原理，更換陽極裝置和清渣裝置的吸塵罩采用上吸式矩形外部罩(如圖4所示)更加合理，而且可以保證相關機構及電解車間內相關設備及附屬機構不干涉。

圖4 上吸式外部罩

而且外部罩結構簡單，制造方便。由于吸氣罩的形狀大都和傘相似，所以這類罩簡稱傘形罩。

3.3 除塵系統處理風量確定

按照罩口周邊截面的平均風速計算粉塵處理風量[2]：

Q=3 600LHv

(1)

式中Q—必需的排風量，粉塵氣體進入除塵器的工況風量，m3/h；

L—罩口周邊長，m；

H—罩口離設備或者塵源平面的距離，m；

v—罩口周邊截面上的平均風速，m/s，根據粉塵的特點選用罩口周邊截面上的平均風速v=0.5 m/s。

根據電解鋁工藝要求和設備特點，清渣裝置和更換陽極裝置不同時工作，屬于單獨工序，所以計算排風量以罩口離塵源平面的距離相同的情況下，收塵罩周長最大的作為收塵風量的依據。

4 除塵器的主要技術參數設計計算

4.1 除塵器的過濾面積和過濾速度的確定

除塵器的過濾面積是指除塵器布袋起過濾作用濾料的有效面積，具體計算公式為：

(2)

式中S—除塵系統過濾面積，m2；

Q—處理風量，粉塵氣體進入除塵器的工況風量，m3/h；

vF—過濾速度，m/min。

其中，過濾風速的大小，決定濾料的使用壽命及整個除塵系統的除塵效率。查閱相關資料，脈沖袋式除塵器的過濾速度一般取0.6～1.2 m/min。根據鋁電解多功能機組工作環境及收塵粉塵的特點，結合除塵系統布局空間有限，選定除塵器過濾速度為vF=1.2 m/min。

4.2 濾袋的規格及數量

脈沖袋式除塵器推薦選用濾袋的長度與直徑的比例為12∶1～60∶1，布袋的直徑一般選用120～200 mm，布袋的長度一般選用2～9 m。考慮到布袋除塵器過濾速度以及收塵粉塵的性質，選用直徑130 mm、袋長4 m的濾袋。

(1)單條濾袋的過濾面積

Sd=πDL

(3)

式中Sd—單條濾袋的過濾面積，m2；

D—濾袋的直徑，m；

L—濾袋長度，m。

(2)濾袋的數量

(4)

式中S—除塵器的過濾總面積，m2；

Sd—單條濾袋的過濾面積，m2。

4.3 除塵器的除塵效率

除塵器的除塵效率是指含塵氣體通過除塵器過濾，在一定時間內被除塵器過濾下來的粉塵量與進入除塵器之前的粉塵量之比，一般情況下，要求除塵器的除塵效率不低于98%[5]。

4.4 除塵器的清灰方式

通常情況下，氣動脈沖袋式除塵器采用在線清灰和離線清灰兩種清灰方式。在線清灰是指袋式除塵器在通過氣動脈沖閥進行抖動清灰時，除塵器不停止工作，一直處于過濾灰塵的工作狀態；離線清灰是指袋式除塵器停止工作時通過脈沖閥噴吹來進行布袋清灰，這種清灰方式布袋上的灰塵清理的比較徹底，避免“二次揚塵”，所使用的壓縮空氣在壓力、流量同等條件的情況下，清灰效果比在線清灰噴吹徹底[2]。

綜上所述，離線狀態清灰的除塵器除塵效率要高于在線狀態清灰的除塵器，故采用離線清灰方式要可靠。

5 結論

(1)選擇合適的除塵器，確定好各收塵點的合理風量，結合需要處理煙塵的特點，選擇合適的過濾速度，同時合理選擇風量，保證除塵器過濾布袋的過濾面積合理，才能保證除塵器的除塵效果。

(2)除塵系統設計過程中，應優先考慮各收塵點收塵罩的結構形式及密閉性，有利于含塵氣體的收集。

(3)綜合考慮煙塵的性質及除塵器的特點，結合鋁電解多功能機組自身的設備特性，合理選用清灰方式，可以有效提高除塵效果，降低除塵系統阻力。

(4)由于該系統屬于開放式收塵，受外界氣流影響較大，在確保鋁電解多功能機組空間上可以布置的情況下，建議增大收塵系統的參數，以滿足在外界條件的干擾下可以滿足除塵要求，達到較好的凈化效果。