氧化铝熟料窑电除尘超低排放改造技术与应用

引言

氧化铝回转烧成窑（俗称“熟料窑”）烟气治理问题一直是铝行业的沉疴顽疾。根据《铝工业污染物排放标准》（GB25465—2010）修改单要求，熟料窑除尘器大气污染物特别排放限值从100mg/m3降到10mg/m3。某铝业公司的4台熟料窑电除尘系统改造前粉尘颗粒物排放浓度均在80～250mg/m3，不符合地方标准要求，故除尘设备技术升级改造迫在眉睫。本文以该铝业公司的5#熟料窑电除尘超低排放改造为例，阐述了氧化铝熟料窑 电除尘系统超低排放改造技术及应用实施过程

2、熟料窑烟气工况与现场条件

2.1 熟料窑烟气工况特性分析

该熟料窑的烟气工况特性为：粉尘浓度高（≥30g/m3，甚至更高）、烟气温度高、波动幅度大（正常160℃～230℃，最高可达300℃）、粉尘湿度大（正常30%～40%， 最高≥50%）、粉尘黏性特别强。

与燃煤电厂的烟尘化学成分相比较，熟料窑烟气中的Na2O、CaO的占比较高，说明微细粉尘占比高，比重特别轻，不利于粉尘荷电和振打。Al2O3含量高，比电阻偏高（荷电难）、黏性强（振打清灰难）。熟料窑烟气粉尘的化学成分见表1。

2.2 5#熟料窑原电除尘现场条件

原设计为1台熟料窑配置2台80m2单室电除尘器，2007年在电除尘入口扩容5700mm，并加高电场，改造后为2台92m2电除尘器，中间间隔1500mm，长度方 向柱距：5710+3×4900+2000=22410mm，宽度方向柱距2×7700mm。阳极板高度14.8m，比集尘面积76m2/m3/s， 前后扩容空间受限。

3、实施电除尘超低排放改造的难度

3.1 超低排放改造考核指标

燃煤电厂和烧结机头烟气超低排放治理技术路线都是采用一次除尘+脱硫协同（二次湿法除尘）组合方式。该项目考核指标特指一次电除尘出口颗粒物排放值≤10mg/m3，改造难度更大，在业内尚无先例。

3.2 熟料窑烧结工艺及工况的特殊性

因为氧化铝的原材料源自铝土矿，熟料窑回转窑烧结前必须将铝土矿制成浆液，采用喷浆工艺。因此，烟气中的水含量很高，特别是点火起炉阶段，烟气温度处于露点温度以下时，烟气湿度几乎处于饱和状态，高湿度的氢氧化铝粉尘可以黏住所有烟气流经的金属构件，导致后续烟气粉尘越黏越多。同时烟尘中Na2O、CaO、Al2O3含量占比高，导致粉尘粒径减小、微细粉尘占比高。飞灰强黏性和水硬性，在高湿度水分子作用下，特别容易发生极板极线板结，加剧振打清灰难度。

4、电除尘机电一体化协同技术

4.1 新型三相高效脉冲节能电源技术

新型三相高效脉冲节能电源的供电波形见图1。该技术在三相高效脉冲供电模式下，采用强行开环输出， 具有峰值电压高（最高≥110kV），瞬态峰值电流大，而平均电压、电流低的特点，采用不同的占空比，实际输出脉冲峰值电压可形成梯度逐级升高的供电趋势，最大程度匹配了电场所需的供电特性和粉尘荷电特点，可大幅提高微细粉尘荷电能力，大幅提高各级电场收尘效率，有效提高整体除尘效率，实现超低排放目标；同时避免未极电场“反电晕”现象。

（a）三相全波供电波形

（b）三相脉冲供电波形

图1三相高效脉冲电源供电波形

4.2 新型旋转极板电除尘专利技术

电除尘振打产生的二次扬尘是电除尘实现持续稳定超低排放的技术瓶颈。日本在20世纪80年代发明了顺向旋转极板（与烟气流动方向平行）钢刷摩擦清灰电除尘专利技术。主要缺点：一是传动部件较多，制造和安装工艺要求高，实际应用故障率高；二是阴极系统机械振打时，存在二次扬尘的问题。

新型旋转极板电除尘技术是一种横置旋转极板钢刷摩擦清灰电除尘专利技术，其多孔旋转收尘极板垂直于烟气流动方向（见图2）。

（a）新型旋转极板电除尘技术示意图

（b）新型旋转极板电除尘实物图

图2新型旋转极板电除尘示意图

阴极系统设置在旋转极板钢刷摩擦清灰的前端，阴极振打产生的二次扬尘能被后置的多孔旋转收尘极板单元再次捕集并用钢刷清除，达到完全避免振打二次扬尘对电除尘出口排放的影响，保障持续稳定满足超低排放限值。这项创新技术对于持续保证电除尘出口排放值≤10mg/m3至关重要。另外，横置旋转极板电除尘技术， 在长度方向占地面积只需2000mm，却能达到一个常规电场的除尘效果。

4.3 新型电除尘湍流器流场优化专利技术

气流均布是保障高效除尘的重要因素。特别是在高浓度、高比电阻粉尘时，如果烟气粉尘颗粒和气流分布不均，容易导致电场内局部粉尘堆积，引起“电晕封闭”。极板表面积灰厚度严重不均，既影响清灰效果，也容易产生二次扬尘，严重影响除尘器的收尘效果。

新型电除尘湍流器流场优化技术：当气流通过安装在 电除尘器烟道入口的湍流器时，产生恒温态的旋涡，旋涡的强力旋转引起流体成分沿气流方向均匀分布，使得气流能携带粉尘更充分扩散到整个壳体断面，电场内的集尘面积得到最大程度的利用，可将第一电场的除尘效率提高至90%以上，同时提高后续电场的除尘效率（见图3）。

（a）未加装湍流器的流场仿真效果图

（b）加装湍流器的流场仿真效果图

图3电除尘湍流器流场优化仿真效果图

4.4 电除尘顶部电磁振打小分区供电技术

顶部电磁振打的小分区供电技术与断电振打技术是解决黏性粉尘清灰的最佳策略。阴极系统采用顶部电磁振打小分区结构设计，其振打力分布和振打加速度分布更适合氧化铝熟料窑黏性粉尘清灰要求，振打力和振打时序远程在线可调。图4为电除尘顶部电磁振打小分区供电配置模式。

图4电除尘小分区供电的配置方式

三相高效脉冲节能电源与顶部电磁振打智能控制系统实行联动控制，对每一个小分区供电区域，实施在线循环交替断电振打，充分发挥电除尘机电一体化协同工作的技术效果。

4.5 设备云助手远程无线在线监控技术

采用4G设备云助手远程无线传输和远程操控技术。将现场上位机集中管理系统镜像到公司本部的远程管理服务器，实现了远程故障诊断和软件在线升级，以及智能手机APP在线实时监控，随时掌控现场设备的运行状态，为长期稳定超低排放保驾护航。

每一个项目设备安装运行后，实时监控数据可通过 智能手机APP同时传送到设计、生产、技术服务等部门。一旦现场设备运行状态发生波动，第一时间通过智能手机终端研判问题所在，也可以会诊协商，查找故障，并给出指导性处理意见，及时解决问题。对较大的安装或设备内部缺陷，可提前准备消缺方案、材料、人员，一旦具备消缺条件，可用最快的时间，达到最好的消缺效果。图5为智能手机APP在线实时监控界面图。

图5智能手机APP在线实时监控界面截图

5、熟料窑电除尘超低排放改造产业发展

5.1 现场空间优化布局，有效提高收尘面积

以该企业5#熟料窑电除尘超低排放改造为例。在现场空间扩容受限的条件下，如何在可利用的空间内提高收尘面积非常重要。为了提高平面布置空间，原电除尘器土建基础利旧，在宽度方向，先利用原除尘器中间基础设置横梁支撑双室立柱，改造成双室四电场电除尘器，将宽度方向柱距从2×7700mm改造为2×8450mm。长度方向在第四电场出口端延伸扩容2000mm，作为第五电场。扩容后各电场柱距长度方向柱距5710+3×4900+2000=22410mm。改造后电除尘器断面积从184m提高到224m。为实施超低排放创造了基本条件。

5.2 电除尘超低排放改造前后参数选型表

将两台独立184m2单室四电场电除尘器改造成一台224m2双室五电场高效电除尘器后，电除尘断面积增加21.7%，总集尘面积从12658m2提高到20187m2，增加了59.5%，比集尘面积可提高到121.12m2/m3/s，烟气流速降 低到0.744m/s，达到满足≤10mg/m3的基本要求（见表2）。

6、推广应用效果

该电除尘超低排放改造技术，首次应用于该铝业有限公司5#熟料窑烟气超低排放改造项目，改造后于2017年11月20日投运；2017年12月3日委托第三方检测结 果为5.18mg/m3；2018年6月7日项目运行半年后，委托第三方检测结果为5.75mg/m3；2018年12月24日项目运行一年后，第三方检测结果为2.2mg/m3。至今已连续运行超20个月，环保部门在线监测粉尘颗粒物始终保持在2～5mg/m3，完全满足了超低排放改造要求。该公司签订的4#、6#、7#熟料窑电除尘超低排放改造项目，电除尘出口排放值检测结果分别为4.4mg/m3、 1.6mg/m3、4.2mg/m3，达到超低排放标准。

7、结语

电除尘因其运行压力损耗小（200～300Pa），耐高温、耐高湿、运行和检修费用低等优点，在大气污染粉尘治理中处于主导地位。但因常规电除尘技术对粉尘特性较敏感，在全面实施超低排放（≤10mg/m3）后，电除尘技术的缺陷愈发显现出来，需要研发相关技术逼近乃至突破技术壁垒。

通过该铝业氧化铝熟料窑烟气粉尘电除尘超低排放 的改造成功并推广应用，充分证明了电除尘技术已突破了超低排放应用的技术局限，也为企业在焙烧炉、燃煤自备电厂电除尘超低排放改造提供经验借鉴。