电解铝烟气净化系统工艺设计与变频节能

摘要：

电解铝烟气净化系统工艺设计与变频节能

Technology Design and Energy-saving in Flue Gas Purification System of Electrolytic Aluminum

河南神火铝电有限责任公司  孙轲
山东新风光电子科技发展有限公司  徐长海  郭宗侦
                                         济宁圣地电力设计院    Sun Ke   Xu Changhai   Guo Zhongzhen  Li Lisheng

摘  要：本文介绍了干法净化工艺在电解铝烟气净化系统中的应用情况，阐述了干法净化工艺流程、电解烟气净化系统的组成、系统控制原理，以及风光高压变频调速系统在排烟风机中的实现机理、功能及特点，对节能效果进行了分析。诠释了如何在电解铝这个行业中实现环保和节能这两大社会目标，增强了企业竞争力和社会效益。
关键词：变频调速系统  电解烟气净化系统   DCS
Abstract: The article introduces the application instances of dry cleaning process
in flue gas purification system of electrolytic aluminum，with a description of the dry cleaning process, flue gas purification system components of electrolytic aluminum , and the system control theory. And FengGuang high voltage inverter in the exhaust fan in the implementation mechanism, function and characteristics,and energy-saving effect is analyzed. The article introduces the interpretation of how the aluminum industry to achieve environmental protection and energy saving these two social goals,it enhances their competitiveness and social benefits.
Key words: Frequency control system    Flue gas purification system of electrolytic aluminum      DCS
  
1引言
    河南神火铝电有限责任公司，是拥有固定资产10亿元，年产电解铝锭6万吨，年发电量7亿度，年产碳素阳极4万吨，销售收入8亿元，出口创汇能力达4000万美元的中型企业。公司拥有三个电解铝车间，电解铝车间设计为400kA电解槽，采用干法电解烟气净化技术治理铝电解生产过程中产生的氟化氢。整套电解槽烟气净化系统技术先进、工艺配置合理、运行可靠，有效地控制了电解烟气对大气带来的污染，完全达到国家环保要求。

图1  河南神火铝电有限公司

2铝电解烟气净化方法
     铝电解烟气净化回收，根据净化回收工艺和所选用的设备情况分为干法净化和湿法净化两大类。
   （1）干法。用氧化铝做吸附剂，吸附氟化物后形成载氟氧化铝，直接返回电解槽继续使用。此法多用于预焙槽和上插槽，是近几年发展起来的新方法，因为干法具有许多优点，是许多铝电解企业普遍采用的方法。
   （2）湿法。用清水洗涤或碱水洗涤电解烟气后，再通过碱法或酸法流程加以回收，制取冰晶石和氟化铝的方法。电解烟气中氟化氢是极性很强的气体分子，极易溶于水形成氢键，水中溶解氟化氢后生成氢氟酸，很容易腐蚀设备，同时将大气污染转成水污染，造成二次污染。湿法净化回收系统已逐渐不适应环保的要求，而趋于被淘汰。
3电解烟气干法净化工艺
   3.1干法净化原理
干法净化就是以某种固体物质吸附另一种气体物质所完成的净化过程。具有吸附作用的物质称吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。铝电解含氟烟气的干法净化使用电解铝生产用的氧化铝，作为吸附剂吸附烟气中的氟化氢等大气污染物来完成对烟气的净化。氧化铝对氟化氢的吸附过程分三个步骤：
（1）氟化氢在气相中不断扩散，通过氧化铝表面气膜到达氧化铝表面。
（2）氟化氢受氧化铝离子极化的化学键力的作用，形成化学吸附。
（3）被吸附的氟化氢和氧化铝发生化学反应，生成表面化合物—氟化铝。用化学式表示如图2：

图2 干法净化化学式

氟化氢的吸附率可达98%~99%，沥青烟的吸附率在95%以上。载有氟和沥青烟的氧化铝由布袋除尘器分离后供电解使用。回收的氟返回电解槽可补充电解生产过程中损失的氟元素，沥青焦油返槽后可逐步被烧掉。
   3.2干法净化工艺流程

图3 干法净化工艺流程图

干法净化工艺流程包括电解槽集气、吸附反应、气固分离、氧化铝输送、机械排风等五个部分，如图3所示。
（1）电解槽集气。电解槽散发的烟气呈无组织扩散状态，为了有效地控制污染，必须对电解槽进行密封。收集的烟气通过电解槽的排烟支管汇到电解厂房外的排烟总管，然后送往净化系统集中处理。
（2）吸附反应。将吸附剂新鲜的氧化铝粉加入到电解烟气中，并使之与烟气充分接触而吸附烟气中的氟化氢，然后送到布袋除尘器袋滤室。
（3）气固分离。吸附后的氧化铝为载氟氧化铝，载氟氧化铝与烟气的分离是由布袋除尘器来完成的。分离下来的载氟氧化铝，一部分作为循环氧化铝继续参与吸附反应，另一部分由氧化铝输送系统送入载氟氧化铝料仓，供电解使用。
（4）氧化铝输送。新鲜氧化铝定量地由新鲜氧化铝料仓排出，经输送风动溜槽给入到文丘里反应器中。吸附后的载氟氧化铝由除尘器的沸腾床的溢流口，经输送风动溜槽及垂直输送气力提升机输送到载氟氧化铝料仓，供电解使用。
（5）机械排风。排风是整个净化系统的主动力源。净化系统的烟气输送、氧化铝输送、除尘器等均在负压状态下操作，不向外界排放污染物。机械排风的设备为离心风机。

4电解烟气净化系统的组成
我公司二期净化系统设计采用干法净化，所用主要设备有文丘里反应器、脉冲袋式除尘器、风动溜槽、气力提升机以及排烟风机等。
（1）文丘里反应器，其工作原理和特点是烟气向上通过文丘里反应器的喉口时，流速突然增大，形成湍流。在此加入氧化铝，氧化铝与烟气由于湍流而充分混合，进行充分反应，烟气自下而上穿过这层断面与氧化铝接触，完成氧化铝对氟化氢的吸附过程。喉口上方形成的湍流使氧化铝能充满整个管道断面，缩短了所需的管道长度，提高了净化效率。
（2）脉冲袋式除尘器，如图4所示，含尘气体从袋式除尘器进口引入后，通过烟气分配装置均匀进入滤袋，在此过程中粉尘即被滤袋的外侧所阻挡，经过净化处理的气体从出口排出，当滤袋表面的粉尘不断增加到一定的厚度，导致设备阻力上升到设定值时，微压差控制信号有信号输出。控制仪发出信号，使喷吹系统工作，电磁脉冲阀打开，此时压缩空气从气包顺序经脉冲阀和喷嘴向滤袋内喷射，附于袋外的粉尘脱离滤袋落入灰斗，然后由回转排灰阀将粉尘排出。

图4 脉冲袋式除尘器

（3）气力提升机是一种低压吹送的垂直提升气吸式输送设备，其工作原理：靠真空来吸取物料，即当排风机工作后，整个系统被抽成一定的真空度，在压力差的作用下，大气中的空气流从物料堆的间隙通过，把物料吸入吸嘴，并沿输料管进入分离器中，在分离器中物料和空气被分离，物料直接从底部卸出，空气进入除尘器，净化后的空气通过排风机进入大气。
（4）风动溜槽分为下充气层、中透气层和上输料层，由风机给予低压小容量的空气，由充气层透过透气层，使物料流态化，从而实现物流的移动。循环氧化铝加入到反应器的输送都采用风动溜槽。
（5）排风是整个净化系统的主动力源。二期焙烧净化系统由八台离心式风机组成，驱动电机为八台560kW/10kV高压电机（Y2 5004-6型）。
5系统设计以及控制
在电解铝烟气净化的过程中，为了有效的进行生产操作，就需要对生产过程中的工艺参数（温度、压力、流量等）进行自动检测，并与控制仪表、执行机构相配合，实现生产过程的自动控制。
5.1系统控制原理
根据工艺流程，在本系统中，被控对象是核心，被测信号经变送器转换成标准信号（4-20mA或0-5V），与给定值进行比较，并对结果进行调节运算，以输出作为控制信号，经执行器实现对被控对象的调节。控制系统方框图如图5 所示：

图5 系统控制原理方框图

本系统中除尘器的出入口压差、载氟氧化铝的物位控制、新鲜氧化铝的物位控制、排烟机的温度控制以及出口烟气压力的控制是本系统的控制核心。
5.2排烟机变频控制原理
下面就以排烟机的出口烟气压力控制来说明本系统的控制原理与实现方法。

图6 排烟机变频控制原理图

如图6所示，检测排烟风机出口烟气压力，因为当内外压差太大时，布袋除尘器中的烟气没有被除掉，就被直接吸出，影响净化效果。为了保证烟气净化过程顺畅进行，DCS接受压力变送器传输过来的压力信号，按照既定算法进行计算。当压力超过系统设定值时，DCS发出4-20mA或0-5V的信号来降低变频器的频率，实现排风机降速运行来降低出口烟气压力；当压力低于系统设定值时，DCS发出4-20mA或0-5V的信号来升高变频器的频率，实现排风机升速运行来升高出口烟气压力。
6变频控制排烟风机的效果
离心排风机是净化系统的动力源，为烟气净化系统烟气捕集提供所需的负压和烟气在系统中传输、流动提供动能，是净化系统的关键设备。因此，离心排风机的控制、运行状况及维护保养对烟气净化系统非常重要。

图7   高压变频器现场设备图

二期电解铝车间烟气净化系统采用八台离心风机，这八台排风机的驱动电机选用佳木斯电机股份有限公司生产的Y2 5004-6型高压电机，电机的功率为560kW，额定电流为40.9A，额定转速为980 r/min。本系统选用四台山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-560F型高压变频器（图7），采用一拖二方案。如图8 ，一台变频器拖动两台电机，其中一台工频运行，一台变频运行；当变频器出现故障时可以自动切换到工频运行；并且，变频器旁路部分具有互锁功能，确保两台电机不出现同时驱动，同一电机不出现变频、工频同时驱动。虚线框内为变频器旁路柜的电路设计。

图8 排风机高压变频一次接线图

DCS采集烟气出口压力，当压力升高超过上限值时，通过降低变频器频率来降低排风机转速，使烟气出口压力降低到目标值；当压力降低到下限值时，通过升高变频器频率来升高排风机转速，使烟气出口压力升高到目标值。当然，也可以人工操作DCS平台，来调节排风机的转速。操作更加方便，这样提高了系统的稳定性和系统的自动化性能。
同时，变频器可以实现同机组DCS系统的双向信息传递，可完成自诊断、报警和接收指令的功能。
四台高压变频器于2010年8月8日一次性投运成功。对分别工频和变频运行的两台电机进行数据对比：
工频运行：运行电流为22A。
变频运行：运行频率为40Hz，输入电流为15A。
通过电度表进行一个月分别跟踪检测，实测节电率约为31%，节能效果十分明显。
7 结语
电解铝产业属于高能耗高污染的行业，电解铝的生产成本中所占比重最大的就是电能,大约占总生产成本的40%左右,因此改进电解槽设备，使用节能设备降低能耗，减少生产成本是企业间竞争的重点。电解铝生产中产生的氟化物污染，随着国家对环境保护的重视，对电解铝企业废物排放的指标也将越来越严格，因此使用先进的烟气净化设备，并且实现设备的变频节能势在必行，并且具有广阔的推广意义。

参考文献
 [1]山东新风光电子使用手册[Z]. 山东新风光电子科技发展有限公司。
 [2]山东新风光电子JD-BP38-560F高压变频调速系统河南神火铝电公司调试大纲。
 [3]山东新风光电子JD-BP38-560F高压变频调速系统河南神火铝电公司验收报告。