铝型材加工熔铸烟尘净化技术研究 ——以某铝业公司工程为例

【摘要】我国铝型材行业最近几年发展迅猛,无论是产量还是生产规模,都居有色金属之首。但是,由于该行业的环境保护工作还相对落后,很大程度地制约了企业的发展扩大。本文通过对铝型材行业熔炼时产生的废气治理技术的分析,结合某铝业有限公司相关的工程实例,得出一套有效的废气治理工艺技术,从而实现铝型材行业高速发展和环境保护的相互统一。

随着国民经济建设的高速发展,国防、军工现代化建设和科技进步的需要,各种铝及铝合金材料被首选为解决能源、环境和安全的基础材料,被广泛地应用在各相关领域,使铝及铝合金加工业进入了一个崭新的高速发展时期。经过半个世纪的发展,目前我国已是全球最大的铝挤压材生产国、出口国与消费国。目前我国工业铝型材的消耗量增幅明显高于建筑铝型材,工业铝型材将会成为我国铝挤压材产业的发展趋势。铝在熔铸过程中产生大量废气烟尘,如不妥善治理,将会对环境造成很大污染。本文结合某铝业有限公司工程对铝加工熔铸过程中产生的烟尘收集、净化处理进行了研究。

1 熔铸烟尘产生及危害

铝型材熔炼和铸造工序主要是对铝型材产品的合金成份进行调配,是保证铝型材产品质量的关键步骤。铝加工过程中,熔铝炉为了熔化铝锭等金属材料需加热到较高的温度。因此,在原料投加熔解、除杂纯化等过程中,熔铝炉开炉时会逸出大量的含尘气体。该含尘废气污染物成份主要由熔化过程投加的原料成份确定。铝型材生产企业的主要生产原料是铝锭,为了提高产品某些特殊性能,一般还会向熔铝炉加入少量的镁、硅和稀土元素进行成份调整,此外,还会加入精炼剂(含有冰晶石Na3AlF6)和少量惰性气体除去铝熔体中的少量H2。因此,该含尘废气主要含有铝、镁等金属颗粒物以及氟化物和一些稀土元素。这些污染物微粒较小,部分以气溶胶的形态产生。对于部分以废铝为主要生产原料的铝型材生产企业来说,由于废铝表面还含有镍、锡、铬和有机涂料等物质,这类企业熔铝炉和搓灰炉产生的工艺废气中还含有镍、锡、铬等金属和有机物质,污染物成份更为复杂。为了有效地降低熔铝炉工艺废气对环境的污染,铝型材生产企业一般在熔铝炉等设备上方设置集气罩,利用风机将该含尘废气引入袋式除尘器进行除尘处理[1]。对于那些以废铝为主要生产原料的铝型材生产企业来说,控制入炉废铝的纯度,尽量减少废铝中的杂质含量,是减少熔铝过程污染物的有效方法。熔铝炉的烟尘特点是粉尘细而轻,粉尘排入大气还会造成大气污染,某些有害气体、液体或某些金属元素都能吸附在粉尘上,随着人的呼吸而被带入肺部深处或粘附在支气管的管壁上,引起或加重呼吸器官的各种疾病。另外,空气中的粉尘还会降低大气的能见度,生成的烟雾能减少到达地球表面的太阳辐射能量。

2 熔铸烟尘的治理

烟尘治理目的一是最大限度地使烟气中的尘粒得到收集,使有害气体转化为无害的和稳定的物质,以达到相关的排放标准。对于铝合金熔炼和搓灰时产生烟尘的治理,首先要从源头进行控制,加强原材料的预处理和分类,尽量选用杂质较少的原材料和燃料,减少污染物的产生量;二是尽量选用无污染的添加剂;三是提高熔炼技术,减少废物的产生量[2]。除尘是捕集、分离含尘气流中的粉尘等固体颗粒物的技术,除尘器是用于捕集、分离悬浮于空气或气体中粉尘粒子的设备。除尘器的种类很多,一般根据主要除尘机理的不同可分为重力、惯性、离心、过滤、洗涤、静电等六大类,具体分析对比如下:

2.1 重力除尘

重力除尘技术是利用粉尘颗粒的重力沉降作用而使粉尘与气体分离的除尘技术。利用重力除尘是一种最古老最简易的除尘方法。其主要优点是：1)结构简单,维护容易;(2)阻力低,一般约为50-150Pa,主要是气体入口和出口的压力损失;(3)维护费用低,经久耐用;(4)可靠性优良,很少有故障。它的缺点是1)除尘效率低,一般只有40%-50%,适用于捕集大于50μm粉尘粒子;(2)设备较庞大,适合处理中等气量的常温或高温气体,多作为多级除尘的预除尘使用。当尘量很大或粒度很粗时,对串联使用的下一级除尘器会产生有害作用时,先使用重力除尘器预先净化是特别有利的。

2.2 惯性除尘

惯性除尘技术是指借助挡板使气流改变方向,利用气流中尘粒的惯性力使之分离的技术。在惯性除尘器内,主要是使气流急速转向,或冲击在挡板上再急速转向,其中颗粒由于惯性效应,其运动轨迹就与气流轨迹不一样,从而使两者获得分离。气流速度高,这种惯性效应就大,所以这类除尘器的体积可以大大减少,占地面积也小,没有活动部件,可用于高温和高浓度粉尘场合,对细颗粒的分离效率比重力除尘器大为提高,可捕集到10μm的颗粒。惯性除尘器的阻力在600-1200Pa之间。惯性除尘器的主要缺点是磨损严重,从而影响其性能。

2.3 旋风除尘器

旋风除尘器的工作过程是当含尘气体由切向进气口进入旋风分离器时气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下、朝锥体流动,通常称此为外旋气流,含尘气体在旋转过程中产生离心力,将相对密度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触,便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落,进入排灰管,旋转下降的外旋气体到达锥体时,因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢。当气流到达锥体下端某一位置时,即以同样的旋转力方向从旋风分离器中部,由下反转向上,继续做螺旋性流动,即内旋气流。最后净化气体经排气管排出管外,一部分未被捕集的尘粒也由此排出。旋风除尘器的优点是结构简单,造价便宜,体积小,无运行部件,操作维修方便,压力损失中等,动力消耗不大;缺点是除尘效率不高,对于流量变化大的含尘气体性能较差。旋风除尘器可以单独使用,也可以作多级除尘系统的预除尘之用。

2.4 袋式除尘器

袋式除尘器是通过多孔过滤材料的作用从气固两相流中捕集粉尘、并使气体得以净化的设备。按照过滤材料和工作对象的不同,可分为袋式除尘器、颗粒层除尘器、空气过滤器三种类型。用滤袋进行过滤与分离粉尘颗粒时,可以让含尘气体从滤袋外部进入到内部,把粉尘分离在滤袋外表面,也可以使含尘气体从滤袋内部流向外部,将粉尘分离在滤袋内表面。含尘气体通过滤袋分离与过滤完成除尘过程。袋式除尘器的突出优点是除尘效率高,属高效除尘器,除尘效率一般大于99%。运行稳定,不受风量波动影响,适应性强,不受粉尘比电阻值限制。因此,应用最为广泛,它的应用数量约占各类除尘器的总量的60%-70%。袋式除尘器的不足之处是不宜处理潮解、黏性的粉尘。

2.5 湿式除尘器

湿式除尘器主要是通过含尘气流与液滴或液膜的接触,在液体与粗大尘粒的互相碰撞、滞留,细微尘的扩散、相互凝聚等净化机理的共同作用下,使尘粒从气流中分离出来净化气流的。湿式除尘器结构简单,投资低,占地面积小,除尘效率高,能同时进行有害气体的净化,但不能干法回收物料,泥浆处理比较困难,有时要设置专门的废水处理系统。

2.6 静电除尘器

静电除尘器是利用静电力将气体中的粉尘或液滴分离出来的除尘设备。它与其他除尘器相比,其显著特点是:几乎对各种粉尘、烟雾等,直至极其微小的颗粒都有很高的除尘效率;即使高温、高压气体也能应用;设备阻力低(100-300Pa),耗能少;维护检修不复杂[3]。

3 长袋低压脉冲袋式除尘器工作原理

在借鉴国外先进经验的基础上,结合铝加工行业熔保炉烟尘排放的特性,低压脉冲袋式除尘器具有体积小、重量轻、安装周期短、设备价格低及除尘效率高等特点,目前非常好地应用于铝加工行业熔保炉烟尘净化处理[4]。长袋低压脉冲袋式除尘器主要由净气室(上箱体) 、尘气室、灰斗、喷吹装置、滤袋及滤袋框架、输灰装置等部件组成。含尘气体由除尘器进风口进入尘气室后,由于气流断面的突然扩大,气流中一部分大颗粒粉尘因惯性而落人灰斗,颗粒小的粉尘进入滤袋室后,通过筛分、惯性、粘附、扩散和静电等作用而被收集、阻留在滤袋外侧,净化后的气体则进入袋内,汇集到净气室,经出口管道排出。滤袋内有骨架,防止负压运行时被吸瘪。滤袋经一定过滤操作时间后,由于粘附等作用,尘粒在滤布网孔间产生架桥现象,使气流通过滤布的孔径变小,滤布网孔及表面迅速截留粉尘形成粉尘层。随着滤袋外表面的粉尘不断增加,设备阻力上升,当运行到设定的时间或压差达到设定值时,压力控制仪发出信号,喷吹装置工作,压缩空气从气包通过脉冲阀经喷吹管上的喷嘴射入各滤袋内,由于膨胀产生的加速度和反向气流的作用,附在滤袋外表面的粉尘脱离滤袋落入灰斗,经输灰装置排出。喷吹结束后,滤袋即恢复过滤状态。

4 长袋低压脉冲袋式除尘器的主要特点

(1)喷吹压力低:在长袋低压脉冲袋式除尘器中,为了获得较好的清灰效果,通常采用淹没式脉冲阀。因淹没式脉冲阀直接装在稳压气包上,减少了脉冲阀阻力,故其能快速启闭,所需清灰压力低。淹没式脉冲阀喷吹压力一般不超过0.25～0.60MPa,在清灰能力相同的条件下,仅为高压脉冲喷吹压力的1/3～1/4。因为其喷吹压力较低,所以在气源压力不足的场合,通常也能达到预期的清灰效果。

(2)喷吹时间短:采用淹没式脉冲阀,脉冲阀喷吹时间一般在 0.1 s以下,为达到时间比较短的有效性,有了很大的保障。

(3)清灰能力强:省去了传统的引射器,直接利用袋门起引射作用。增大喷吹管径,并以喷嘴代替喷孔。采用压缩空气 (或氮气)做清灰气源,清灰气流可有效地作用于10m长的滤袋,通常一个脉冲可满足34m2,甚至更多滤袋的清灰。对长袋低压脉冲袋式除尘器而言,滤袋长径比取 (20:1)～(30:1)是比较合适的。

(4)滤袋更换方便 、收尘效率高:采用针刺毡滤袋,且滤袋袋口通过弹性胀圈嵌入花板孔内,安装牢固、严密,故其可获得较高的收尘效率,入口含尘浓度可达30g/m3。这是靠绑扎或压紧等安装方式达不到的。

(5)设备重量轻、成本低:因为在除尘设备中采用了新型的长袋式,有效地减小了设备的占地面积,设备的重量也大大减轻,成本降低。

(6)自动化程度高:系统控制以PLC为控制核心,触摸屏为人机界面,引风机采用变频调速,全自动化运营。实践表明,系统具有运行稳定可靠、人机界面友好等特点。包括除尘设备系统各参数(温度、压力、流量、清灰间隔和周期、阀门位置等)的监测控制、各种故障(如阀门误动作等)的显示、清灰程序控制等。其抗干扰性能强,在供电电压波动、环境温度较高或较低及粉尘干扰的条件下均能稳定工作。

5 结语

铝型材生产和加工过程中环境污染源的分析,必须从实际的生产过程入手。随着铝型材生产工艺和技术的发展,可能会有新的污染源随之产生。为了减少铝型材生产和加工过程对环境所造成的影响,最有效的污染防治办法就是在生产过程中实行清洁生产,采用低污染的原材料,研究推广低能耗、低污染的生产工艺,最终实现环境效益和经济效益的“双赢”。

参考文献:

[1]王君,李栋源.铝型材生产企业工艺介绍和污染源分析探讨[J].科技创新导报,2012.6, 61～63.

[2]陈维平,黄丹,江帆,罗洪峰,李元元.铸造行业节能减排的对策分析[J].2008中国铸造活动周论文集,2008,65～74.

[3]阮彩群,李芳艳,裴青青.工业安全与环保[J].2009.35(6),13～14

[4]王自焘.中国铝型材工业的发展与现状[J].轻合金加工技术,2002,30(2):11～15.