高溫電袋復合除塵器在氧化鋁行業的設計及應用

吳海明

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

目前，燃煤電廠污染物減排已全面進入超低排放階段，隨著經濟發展和環保要求的不斷提高，其他行業的節能減排也將進一步深化，其中，鋁工業大氣污染問題日漸重視。當前執行的《鋁工業污染物排放標準》（GB 25465—2010）修改單[1]，對氧化鋁（Al2O3）生產現有系統原料加工、運輸工序所產生的顆粒物粉塵的排放限值為10mg/Nm3、二氧化硫（SO2）的排放限值為100mg/Nm3、氮氧化物（NOx）的排放限值為100mg/Nm3，但現有氧化鋁廠焙燒爐一般配套靜電除塵器，受產能、生產工藝、焙燒物料性質等工況影響較大，實際運行時收塵效率較低，排放濃度較高，污染周邊環境，無法滿足環保要求。焙燒爐煙氣的主要成分為Al2O3和氫氧化鋁[Al(OH)3]，價值較高，除塵效率低意味著資源的浪費低。因此，適用于氧化鋁焙燒爐的收塵裝置需具備除塵效率高、排放濃度低、運行可靠等技術特點。

高溫電袋復合除塵器屬于第三代新型電袋技術，是采用耐高溫合金濾袋作為核心過濾元件的新型高效除塵裝備，具有過濾精度高、運行阻力低、耐高溫、濾袋使用壽命長等優勢，而且濾袋回收利用簡單、價值高。因此，將高溫電袋復合除塵技術應用于氧化鋁焙燒爐的煙氣治理，針對性地研發適用于氧化鋁焙燒爐煙氣處理的高溫電袋復合除塵器，具有良好的應用前景，可為有色、冶金等行業實現煙塵超低排放提供科學可靠、性價比高的技術路線。

1 高溫電袋復合除塵器

1.1 高溫電袋復合除塵器簡介

高溫電袋復合除塵器是電除塵和金屬濾袋除塵相結合的除塵設備，是在常規電袋復合除塵器工作原理的基礎上，將布袋濾袋替換成金屬濾袋，進一步突破最優耦合匹配、高均勻多維流場、微粒凝并、高精過濾技術等多項關鍵技術而開發的新一代電袋復合除塵器，前級由高壓放電電極對煙氣進行電暈放電，形成電場，煙氣中粉塵荷電被吸附從而去除大部分顆粒粉塵，攜帶少量粉塵的高溫煙氣通過后級金屬濾袋時，干凈煙氣滲透通過金屬濾袋，而煙氣中的粉塵則被濾袋纖維阻擋在表面從而達到除塵目的。

1.2 高溫電袋復合除塵器的特點

在工程應用中，高溫電袋復合除塵器與靜電除塵器相比，具有以下優點：

（1）占地面積小、運行維護費用低；

（2）能耗低、運行阻力低（≤1150Pa）；

（3）適應不同濃度工況，長期穩定超低排放（≤10mg/Nm3）；

（4）超長的濾袋使用壽命（≥8 年）；

（5）廢舊濾料回收利用簡單，價值高，無二次污染；

（6）耐高溫（400℃—800℃）。

2 高溫電袋復合除塵器的設計

2.1 性能參數

下面以山西某材料廠氧化鋁焙燒爐配套靜電除塵器改造為高溫電袋復合除塵器工程進行設計論述，主要設計條件及性能要求見表1。

表1 項目改造設計條件及性能要求

2.2 整體結構設計

高溫電袋復合除塵器的電場區充分發揮了靜電除塵高效的特點，并使未被收集的粉塵荷電，可以大幅降低進入金屬濾袋區的煙塵濃度，從而改善粉塵在濾袋表面的堆積狀況，降低金屬濾袋除塵區的負荷和過濾層的壓力損失。

電除塵區效率受很多因素影響，總體設計時按多依奇公式進行理論計算：

式中：η為除塵效率，%；A為總集塵面積，m2；Q為處理煙氣量，m2/s；ω為驅進速度，m2/s。

驅進速度ω屬于設備設計的主要參數，是在設定電場強度為3kV/cm 的條件下，設計者根據處理煙氣特性、飛灰等相關資料確定的。因此，在電場區除塵效率、煙氣量確定的情況下，即可通過公式計算出比集塵面積。

濾袋區過濾風速及濾袋規格選擇也是至關重要的。過濾風速的大小與進入袋區的粉塵濃度、出口排放要求、系統阻力、清灰方式均有關系。另外，濾袋規格選擇要綜合考慮場地布置、過濾風速等。本項目設備系統阻力要求≤1200Pa，清灰方式可采用低脈沖噴吹，同時出口排放濃度要求≤10mg/Nm3，因此選取過濾風速≤1.2m/s，并通過公式計算袋口流速來選取長度：

式中：v0為袋口流速，m/s；vF為袋區過濾風速，m/min；h為濾袋長度，m；D為濾袋直徑，m。

由此可以根據實際情況，選擇最佳的濾袋規格，綜上可計算出過濾面積。

根據以上性能要求及設計規范，設計高溫電袋復合除塵器的電場截面積為95m2、過濾面積為4570m2，1 個入口煙道，1 個氣室，形成1 個煙氣通道。此外，將原靜電除塵器改造成新電袋除塵器，整體布置方案如圖1 所示，具體結構如圖2 所示。

圖1 整體布置圖

圖2 三維示意圖

煙氣經過高溫電袋復合除塵器的氣流路徑為：進口喇叭—電場區—金屬濾袋區—凈氣室—出口煙道。入口采用垂直上進風形式，進口喇叭設有合理的導流板，在除去粗粉塵顆粒的同時均勻進入多層孔板裝置，對氣流進行二次均布后進入電場區[2]。大部分粉塵在電場中荷電，并在電場力的作用下向極性相反的電極運行，從而沉積在電極上，可達到粉塵和氣體分離的目的。含少量剩余粉塵的煙氣進入金屬濾袋區，煙氣通過濾袋時，粉塵被阻留在濾袋表面，干凈氣體進入凈氣室[3]，從而達到收塵目的。

2.3 計算流體力學（CFD）氣流均布分析

根據擬定的高溫電袋除塵器結構改造方案，設置其邊界條件及模型，進行CFD 氣流均布分析。

入口邊界設為速度入口邊界，出口邊界設為自由出流邊界，孔板、開孔極板、濾袋設為多孔跳躍邊界，非開孔極板、花板、封板等設為WALL 邊界。

本次模擬的湍流模型采用標準k-ε 模型，利用有限容積法離散控制方程，采用壓力耦合方程組半隱式方法（SIMPLE 算法），對流項采用二階迎風格式，近壁面采用壁面函數法處理。假定流體不可壓縮，作定常流動，整個模擬過程為等溫過程[4,5]。

圖3 為數值模擬得到的高溫電袋復合除塵器整體速度跡線圖，可以看出電區和金屬濾袋區氣流分布都比較均勻。

圖3 高溫電袋復合除塵器整體速度跡線圖

3 改造后的效果

3.1 排放濃度等監測結果

出口濃度、進出口壓差及煙溫監測結果見表2。由表2 可知，山西某廠高溫電袋復合除塵器出口顆粒物排放濃度達到3mg/Nm3以下，優于《鋁工業污染物排放標準》（GB 25465—2010）修改單表1 中大氣污染物特別排放限值要求。

煙氣排放連續監測系統（CEMS）監測結果顯示，高溫電袋復合除塵器出口粉塵長期保持穩定低排放，運行阻力穩定在400Pa 以下，優于設計要求。

表2 出口濃度、進出口壓差及煙溫監測結果

3.2 能耗對比

改造前后除塵器的系統能耗估算值見表3。根據風機電流監測值以及投料量，改造前后引風機能耗基本相當，但是從表3 中可以得出，改造后高溫超凈電袋復合除塵器的系統能耗較原電除塵器降低64%。由此可看出，改造后可實現節能減排，提高經濟效益。

表3 改造前后能耗對比

4 結語

目前氧化鋁行業中大部分使用靜電除塵器，此設備受煙氣濃度、溫度等影響較大，無法滿足環保要求，需進行改造升級。上述的設計與工程應用實踐證明，高溫電袋復合除塵器應用于氧化鋁行業，對于提高Al2O3收集效率、降低能耗、改善大氣環境質量，具有明顯的社會效益和經濟效益，具有一定的推廣價值。