铝电解烟气净化课件.ppt
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- 电解 烟气 净化 课件
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1、铝电解烟气净化铝电解烟气净化培训教案培训教案曹 广 洲培训内容 第一部分 工艺篇v电解铝行业形势分析v烟气净化产生的背景v烟气收集系统 v烟气净化方法 v电解烟气干法净化工艺 v除尘装置介绍 第二部分 技术规范篇 净化操作规程介绍 环境相关法律法规培训内容第一部分 工艺篇一、电解铝行业形势分析 近年新建的氧化铝厂起步规模都在80 万吨以上,采用能耗较低的拜耳法工艺。电解铝槽容也趋于大型化。一批新增生产能力基本上完全采用400KA 大型预焙槽,世界上最先进、槽容量最大的600KA 预焙槽也与2007 年进入工业化试验阶段。电解铝行业方面,严禁落后的自焙槽项目死灰复燃,报请核准的电解铝淘汰落后生产
2、能力置换项目及环保改造项目,必须采用200KA及以上大型预焙槽工艺,并且力争在“十一五”末期电解铝行业全部采用160KA以上大型预焙槽冶炼工艺。公告还禁止建设10万吨/年以下的独立铝用碳素项目,对于没有自己碳素项目的电解铝企业也将因为辅料短缺而陷入困境。在能源消耗方面,公告规定新改造的电解铝生产能力综合交流电耗必须低于14300千瓦时/吨铝,电流效率必须高于94%,并且要求阳极效应系数要小于0.08个/槽日;现有的电解铝企业综合交流电耗应低于14450千瓦时/吨铝,电流效率必须高于93%,并且要求十一五末现有电解铝综合交流电耗达到新改造项目水平,这对电解铝企业的工艺水平提出了更高的要求。近年来
3、国内电解铝企业的盲目扩张,产能过剩严重,在经济危机来临,需求大幅下降的情况下一批企业破产倒闭已不可避免。企业间竞争加剧,由于电解铝行业的规模效应,行业集中度有望进一步提高。资金雄厚,在行业中处于龙头地位的央企更容易得到国家的支撑,将成为这波行业洗牌过程中最大的赢家。电解铝产业属于高耗能高污染的行业,能耗高的企业这一项成本可以占到总成本的40%,因此改进电解槽设备降低能耗,减少生产成本是企业间竞争的重点。电解铝生产中会产生氟化物污染,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。由于我国铝矿资源稀缺,目前自给率仅在40%左右,而中国作为全球制造业中心,对于铝金属的需求在长期
4、来看还将保持高速增长,因此对于铝矿的控制也将是电解铝企业竞争的重点。除了争夺国内的铝矿资源外,还将积极的利用国外优质铝土矿资源。二、烟气净化产生的背景v1、电解铝生产中产生的有害气体成分、电解铝生产中产生的有害气体成分1.1 工业铝电解槽的冰晶石氧化铝熔体为电解质,以碳素材料为电极进行电解,在阴极上析出液态的金属铝,在阳极上产生大量的CO2与CO气体,另外在阳极气体中还含有氟化物:电解质蒸发,阳极气体带走氟化物固体颗粒,由于氧化铝含水0.2%-0.5%,原料中的水分及大气水蒸气,对固态氟化盐在高位(400-600度)条件下反应,生成HF气体:2Na3AlF6+3H2O=2Al2O3+6NaF+
5、6HF 2AlF3+3H2O=Al2O3+6HF 2NaF+H2O=Na2O+2HF1.2在发生阳极效应时,在高电压作用下析出的初生态氟原子与阳极作用生成CF4:C+4FCF4/C2F6。这二种产物排放量取决于阳极效应的频率,阳极效应延续时间。名称固态氟化物HFCF4 C2F6CO2COSO2数量Kg/T-AL8-117-120.1-0.2900-1000280-3307.9-15电解槽烟气的粉尘和沥青挥发物含量(Kg/T-AL)v2、电解烟气的危害、电解烟气的危害弥漫在电解车间电解烟气,恶化劳动生产条件,严重影响生产工人的身体健康,电解烟气不净化处理扩散到大气中,对生态有一定的危害。环保要求
6、日益严格,世界各国都颁发了铝厂氟化物排放量的法规。牧草和干草中含有过量氟化物对生畜有危害,特别是那些工作和居住在排放源周围的人们,铝厂的污染是一个严重的问题。多数氟化物毒性是由氟化物离子,而不是由分子中所含其它元素来决定的,氟化钠比冰晶石和氟化铝这些低水溶性物质毒性更大些。因某些情形下吸入的含氟化物的粉尘已被证明跟吸入的相同浓度氟化氢气体在生理上同样起作用。氟化物离子是一种普通的细胞毒素。所以人体中所有的细胞和器官系统都会受到影响。当氟化物进入人的肌体内时,大部分氟化物便被胃肠道吸收,进入血液中。沉积于骨骼的磷灰石无机物中。氟化物离子对钙和磷有很强的亲和力是其沉积骨骼、牙齿、指甲和头发的硬组织
7、中的原因。人体中99以上氟化物滞留在骨骼中。铝工业中氟化物对人体影响可分为两部分:对工人影响,以及对居住在铝厂周围人群的危害。老式自焙槽铝厂的操作工人在车间空气中氟化物浓度超过3mgFm3空气时,并未出现损坏性的变化,但有25工人经X光检查发现他们骨骼异常。众所周知CO2被称为温室气体。而CF4C2F6全氟乙烷使全球变暖趋势分别是CO2的65009200倍,因此在电解铝生产中应尽量减少阳极效应次数,法国彼施涅公司,300kA预焙槽,基本达到无效应操作。v3、对废气治理的必要性、对废气治理的必要性 按照国家环保标准GB12971996大气污染物综合排放标准的要求,必须对电解烟气加以治理,进行达标
8、排放。国家提高对电解铝行业准入的门槛,如:产能消耗(电能)厂址外部环境、技术指标等进行限制。强制对治理效果进行监测,定期复检、在线监测、环保局设置终端监测等。三、烟气收集系统v1、集气系统 铝电解槽散发出来的烟气,由槽上集气罩收集下来的,称为一次烟气;未经集气罩收集而直接进入电解厂房空气中的烟气,称为二次烟气。一次烟气的体积较小,其中氟化物浓渡较大;二次烟气的体积较大,其中氟化物浓渡较小。收集一次烟气的设备系统,称为一次集气系统;收集二次烟气的设备系统,称为二次集气系统。1)一次集气系统三种槽型(预焙槽、上插槽和旁插槽)各有不同的一次集气系统:预焙槽通常采用平板式罩子或圆弧式罩子使其密闭,上插
9、棒槽的一次集气系统是由安装在阳极下部周围的裙式集气罩所构成,旁插槽通常是用槽罩或槽帘来使其密闭。在这三种型式电解槽上,都有导气支管把罩子内的气体排送入导气总管内,然后送一次净化系统(干法或湿法净化)一次集气系统的密闭程度通常是7598。这就是说,还有相当数量的烟气泄漏入厂房空气中,当然也有相当数量的空气进入槽罩之内。中间点式下料预焙槽,设计的排烟风量约为12万M3tAl。2)二次集气系统由于一次集气系统的密闭程度不能达到100,再加上还有大量的热从电解槽散发出来,所以电解厂房内部必须有良好的通风,让外部的新鲜空气通过墙壁上的百叶窗进入电解厂房,流经电解槽的操作地带,然后上升至天窗。边部加工预焙
10、槽在阳极侧部和端部打壳和加料,槽上虽然有密闭罩,由于打开罩子的次数多,故控制系统仅能收集8090的污染物。上插自焙槽的裙式集气罩,可收集5085的污染物,氟的收集效率为80。须二次净化(天窗与地面)旁插自焙槽采用全密闭的罩子,集气系统可收集8090的污染物,氟的收集效率为86。须二次净化(天窗与地面)。中间下料预焙槽,打壳下料不打开罩子集气效率为98氟的捕集效率98,因此可采用一次集气地面系统净化即可在标排放。四、烟气净化方法v铝电解烟气净化工艺主要有湿法净化和干法净化回收两种。(1)干法。用氧化铝作吸附剂,使之产生含氟氧化铝,直接返回电解槽使用。此法多用于预焙槽和上插自焙槽,是一种较新的方法
11、。我国于1977年4月开始试验这一技术,现在已掌握了工艺流程和技术条件控制等问题。v(2)湿法。湿法净化回收有多种方法,如用清水洗涤、碱水洗涤、海水洗涤等。洗液再通过碱法、氨法和酸法流程加以回收,制取冰晶石、氟化钠、氟化铝等。一般多用于制造冰晶石。虽然烟气净化最简单经济的方法是用水洗涤,但由于水溶解氟化氢后变为氢氟酸,最容易腐蚀设备,所以目前各国多采用碱法净化回收。v从近十几年的发展趋势看,湿法净化回收大部分已被干法净化回收所取代。这不但是因为干法净化易于控制、流程简单、环境好、操作容易,而且干法净化回收过程中产生的二次污染小、净化效果好。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。
12、湿法净化工艺v湿法净化系统 电解槽烟气经槽集气罩密封收集经过排烟支管汇集到电解厂房侧面总管中,再由引风机送到洗涤塔内,由循环泵将洗涤液打到洗涤塔上部,经喷咀喷淋,与烟气充分接触使烟气中的HF等酸性气体被吸收,同时,烟气中的粉尘沥青挥发等有害物质也被洗涤下去。洗涤后的烟气经气水分离器除去雾沫后排入大气。洗涤液在循环洗涤过程中消耗的碱由回收部及时供给补充。当洗涤液中的NaF浓度达到2025g/l时,进行冰晶石合成。冰晶石过滤烘干后返回到电解生产使用。v湿法净化原理及参数控制 湿法净化工艺的原理是用Na2CO3,NaOH的溶液与电解烟气中的HF反应,最终生成冰晶石,然后返回到电解生产使用。其主要反应
13、式如下:HF+Na2CO3=NaF+NaHCO3 HF+NaHCO3=NaF+CO2+H2O CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3 SO2+Na2CO3=Na2SO3+CO2 NaOH+Al(OH)3=NaAlO2+2H2O 6NaF+NaAlO2+2CO2=Na2AlF6+2Na2CO3 洗涤液的pH值控制在85-105。洗涤液吸收反应后的NaF浓度最终控制在20-25gl。NaOH的浓度在35-45范围内,过量值为12-13。Al(OH)3量按理论计算值加入。冰晶石合成时间16-48小时(以烟气中酸性气体而定)。v湿法净化主要设备湿法净化系统的主要设备是:引风机:洗涤塔(塔体内包括
14、喷淋装置);泵;各种溶液槽;自动板框过滤机;烘干回转窑等。v湿法净化工艺的净化效率 气氟 93 固氟 85 粉尘 80 沥青挥发物 42五、电解烟气干法净化工艺 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是使用电解铝生产用的Al2O3,做为吸附剂吸附烟气中的HF等大气污染物来完成对烟气的净化。Al2O3吸附HF是由它们的性质和吸附规律决定的。电解用Al2O3和HF的性质Al2O3根据焙烧状况的不同,各结晶构造的比例也不一样,一般为r型与型及少量的中间型。型活性较差,约占总量的4050
15、,r型及中间型Al2O3孔隙率较高,比表面积较大,且Al2O3是一个典型的两性化合物。HF沸点为1954,活性大,具有同自身以及其他化合物相结合的特点。氧化铝与烟气中的HF接触后,吸附反应速度很快,几乎是在0251.5秒钟完成。干法净化回收的吸附效率主要取决于氧化铝的物理性能和投入到烟气中的数量。v氧化铝分粉状氧化铝和砂状氧化铝。v特性见下表:真比重g/cm3比表面积m3/g安息角(度)粒度粉状氧化铝3.8820-35380-20um20-60um大于60um砂状氧化铝3.59903518.1%41.8%40.1%v氧化铝的比表面积的大小,不仅影响氧化铝的熔解性能,而且也影响对HF的吸附效率。
16、氧化铝是一种多孔结构的物质,具有很大的内表面积,这给吸附物和吸附剂之间提供了接触机会。所以氧化铝的比表面积越大,接收吸附物的能力就越大,吸附量也随比表面积的增加而增加。从上表中可以看出砂状氧化铝的比表面积比粉状氧化铝的比表面积大的多,所以砂状氧化铝是理想的吸附剂。国内几个氧化铝厂生产的氧化铝都基本接近砂状氧化铝,所以都可以做为较好的吸附剂使用。向铝电解烟气中投入的氧化铝数量称为气固比,在预焙槽烟气净化回收系统中的气固比为3555gm3,在自焙槽烟气净化回收系统中的气固比为4580gm3。2、吸附规律 吸附为表面作用,吸附剂的比表面积越大其吸附能力越强。吸附剂的比表面积的大小取决吸附剂的孔隙率的
17、大小及其颗粒的粗细。吸附质的沸点越高越易被吸附,相反则难于被吸附。HF的吸附一般分为物理吸附和化学吸附。产生物理吸附的作用力为范德华力,产生化学吸附的作用力为化学键力。物理吸附可以向化学吸附转化。试验证明,氧化铝对HF以化学吸附为主,物理吸附次之。化学吸附的结果在氧化铝表层,每个氧化铝分子吸附两个HF分子,生在单分子层吸附化合物。氧化铝对沥青烟的吸附为物理吸附。对于物理吸附,吸附质的沸点的高低具有决定图图。对于化学吸附除沸点外,吸附剂与吸附质的反应性也是极其重要的。HF的高沸点、化学性强的特点,使得HF很容易被氧化铝吸附。用化学式表示如下:吸附:3Al2O3+6HF 3(Al2O32HF)转化
18、:3(Al2O32HF)2AlF3+3H2O+2Al2O3 总反应式:Al2O3+6HF 2AlF3+3H2O 当载氟氧化铝被加温到400度以下时,氧化铝的载氟量无变化,但表面吸附的化合物发生晶体重排,由正四面体结构转化为正六面体结构,这样便得到了稳定的ALF3化合物,但在高温下ALF3容易水解和升华,温度越高,水解越多,升华越迅速。但温度达到600度时就会大量的解析、升华,这是因为ALF3的沸点较低,电解槽的保温料层的温度大约在400度以下,这恰好是表面化合物转化为ALF3所需的温度。在下层高温状态下,即使有少量的水解和升华,也会被上层低温的氧化铝所吸附,因此,载氟氧化铝在槽面预热期间,因解
19、析而释放的氟是很少的。3、干法净化工艺流程干法净化工艺流程包括电解槽集气、烟气净化与气固分离、新鲜氧化铝供给、载氟氧化铝回收四部分。v电解槽集气电解槽集气电解槽散发的烟气呈无组织扩散状态,为了有效的控制污染,必须对电解槽进行密封。收集到的烟气通过电解槽的排烟支管汇总到电解厂房排烟总管,然后送往净化系统集中处理。v烟气净化与气固分离烟气净化与气固分离 将吸附剂氧化铝粉加入到烟气中,并使之与烟气充分接触而吸附烟气中的HF。本工程采用(1、VRI反应器;2、文丘里反应器;3、烟道反应器;4、沸腾床反应器)来完成吸附反应。电解车间所需的氧化铝100%通过净化系统。吸附后的 氧化铝为载氟氧化铝,载氟氧化
20、铝与烟气的分离是由具有最严格控制指标的袋式除尘器来完成的。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(相当于新鲜氧化铝的加入量)由氧化铝输送系统送入载氟氧化铝料仓供电解使用。v氧化铝输送氧化铝输送 氧化铝输送主要是为了解决氧化铝加入和载氟氧化铝返回问题,新鲜氧化铝定量地从新鲜氧化铝料仓排出,经水平风动溜槽分别供给进入到各个VRI反应器中;吸附后的载氟氧化铝由除尘器下部的沸腾床的溢流口经水平溜槽及气力提升机输送到载氟氧化铝料仓供给电解槽使用干法净化基本原理流程框图含氟烟气集气系统反应器气固分离载氟氧化铝废弃排空废弃排空新鲜氧化铝去电解作原料4、干法净化工艺特点:v4.1
21、菱形组合式布袋除尘器1)高效除尘由于此除尘器在设计结构、加工制造、滤料等硬件及工作控制方式等软件上的独特设计,从而保证其除尘效率高达99.9%以上。a.清灰方式采用低压反吹清灰。清灰是由设在除尘器顶部的气缸阀控制的,可以在指定的任何时间内由程序控制清灰,清灰时不进行过滤,反吹气流与过滤气流方向相反,反吹风风压较低,清灰后净化除尘效率仍很高,清灰时整个布袋振动小,布袋既不互相碰撞,也不受任何机械损伤,故滤料使用寿命长,可使用3-5年。b.先进的密封措施,采用了线形钢体与橡胶软体线面接触的先进的密封方式,密封简单可靠。c.布袋采用非纺织针刺滤料制作,材质为聚酯纤维,这种滤料的特点是阻力小,强度高,
22、伸缩率低,有一定的容尘量,具有较好的过滤性能。d.布袋清灰通过可编程控制器由程序控制,采用“时间”、“差压”、“手动”三种控制方式皆可清灰。2)经济性 布袋采用菱形扁袋结构,增大了单位体积的过滤面积,其m3体积可安装7.0m2过滤面积。由于其结构紧凑,所以此除尘器钢材耗量低,单位过滤面积钢材消耗20Kg/m2,而脉冲袋式除尘器为32-35Kg/m2,其它大型反吹风袋式除尘器40-45Kg/m2。因此节约了制造费用,节省了净化系统的占地面积。3)较强的自适应性 此除尘器下部设有流态化沸腾床,溢流排料,进出料总是自动平衡的,不会出现除尘器内积料现象。根据处理烟气的需要,可以均匀地控制吸附剂的循环量
23、,并可使氧化铝在漏斗内均匀混料。沸腾床面积较大,可达14.4m2,可动态衡量保存氧化铝14吨,当新吸附剂断流时,可利用其沸腾床上的这部分氧化铝作为循环吸附剂继续使用数小时,不致于因新氧化铝断流导致整个净化系统停止运行。4)对氧化铝的清洁作用 沸腾床溢流对氧化铝有清洁作用,沸腾床可沸腾溢流出来,而其中的石子等杂质可沉积在沸腾床上,定期清除分离出来,提高了铝锭的品位。5)安全性 此除尘器每个单元顶部为大揭盖式设计,安装检修时,打开大盖用天车将整个单元吊出,不需人员进入除尘器内,这对处理有毒的电解烟气是非常必要的,采用这种吊装方式,不仅改善了劳动条件,而且节约了检修时间,使艰苦危险的工作变得简单、安
24、全、便捷了。v4.2先进的VRI反应器 原理:AL2O3经给料箱和流化元件进入VRI空心锥体,经锥体壳体上的沿辐射线布置的孔均匀地,呈溢流状态流入烟气管道内,并很快布满整个管道截面。烟气自下而上穿过这层断面与AL2O3接触,AL2O3连续地加入,烟气连续地流过,为烟气和AL2O3提供了均匀的接触机会,完成AL2O3对HF的吸附过程。沿锥体圆周布置的溢流孔,使AL2O3能充满整个管道断面,克服了管道稀相反应器及布料不均的缺点,缩短了所需的管道长度,提高了净化效率。由于AL2O3与烟气接触不是在强烈的紊流气氛中进行(如文丘里反应器),且AL2O3在系统中停留时间短所以破损率在现有的几种反应器中它比
25、较低。另外流化元件不与烟气直接接触,不存在孔眼堵塞问题,操作维修简单方便。下表为不同形式的氧化铝破损率及阻力损失比较。不同形式的氧化铝破损率及阻力损失比较不同形式的氧化铝破损率及阻力损失比较序号国别反应器类型阻力损失(Pa)氧化铝破损率%1美国铝业公司沸腾床3500-400010-152法国彼斯涅公司文丘里40010-203加拿大铝业公司稀相床150-200204本厂采用VRI2505v4.3氧化铝垂直提升技术本设备最初是从美国引进,经消化吸收后使用。90年代以前,氧化铝垂直提升多采用压缩空气稀相提升和斗式提升机提升。由于斗式提升机设备设备投资大,运行故障多,维修量大,尤其密封性能差、跑料严重
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