Инженерно-технические системы для улавливания пылей при кальцинации глинозема
Кальцинация является основной технологической операцией при производстве глинозема. Процесс кальцинации осуществляется в кальцинаторах - ротационных печах или системах кальцинации в кипящем слое. Рассматриваемый процесс обеспечивает снижение содержания влаги в гидрооксиде алюминия от 45 до 2 % и сопровождается выбросами сухой пыли глинозема А1x Оy, содержание которой в потоках отходящих газов от 10 до 25 г/м3.
Для отделения пылей, содержащихся в отходящих газах, от горячих воздушных потоков целесообразно применять электрофильтры.
Для рассматриваемых целей возможно также применение циклонов.
При проектировании фильтрационных систем, применяемых для очистки отходящих газов от пылей при эксплуатации импульсных кальцинаторов, следует ориентироваться на технологические параметры работы кальцинаторов и параметры пылевоздушной среды, отходящей от технологических устройств.
Фильтрационные системы (электрофильтры) целесообразно проектировать для условий, при которых на выходе из фильтрационного устройства газовые потоки должны содержать пылей не более 0,08 г/м3. Техническое решение этого вопроса представляет определенные трудности, поскольку температура отходящих газов рассматриваемого процесса 120-170 °С, а расход газов порядка 2000-3000 м3/мин. При этом концентрация частиц (пылей) во входящем потоке может составлять величину от 11,4 до 24 г/м3.
Для того чтобы работа фильтрационных систем была эффективной и удовлетворяла требованиям ГОСТ 12.1.005-76 Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования и СН-245-71, необходимо применение электрофильтров, рабочая поверхность пластин которых не менее 2000 см2.
Инженерно-технические системы газоочистки при производстве алюминия в электролизерах
Технологический процесс производства алюминия предусматривает его получение электролизом раствора А12О3 в расплавленном криолите (AlF3-3NaF), содержащем примеси SiO2, Fe2O3 и др. Процесс получения алюминия в электролизерах ведут при температурах около 1000 °С с применением самообжигающихся анодов. При этом на аноде выделяется кислород, а на катоде, представляющим собой углеродсодержащий материал, выложенный по дну электролизера, - жидкий алюминий. Жидкий алюминий собирается на дне электролизера, откуда периодически удаляется.
Выделяющийся на аноде кислород вступает в реакцию с графитовым анодом с образованием СО, СО7 и HF. Наряду с СО и СО2 образуются незначительные количества CF4, поскольку для получения алюминия в электролизерах используют криолит (AlF3-3NaF).
Из рассмотренных контаминантов (СО, СО7, CF4, HF), выделяющихся в процессе электролизного производства алюминия и удаляющихся из объема электролизера вместе с отходящими газами, наиболее опасными являются соединения фтора, относящиеся к первому классу опасности токсических соединений.
Согласно нормативам [79] количество и качество выбросов, сопутствующих производству алюминия, должно быть минимальным, а удаление контаминантов из отходящих газов электролизера - превышать 90 %.
В табл. 54 приведены рекомендуемые значения эффективности очистки отходящих газов электролизного производства алюминия от фторсодержащих соединений.
Обсуждая эффективность применения инженерно-технических систем газоочистки отходящих газов при электролизном производстве алюминия, необходимо дифференцировать систему газоочистки на первичную и вторичную.
К первичным инженерно-техническим системам газоочистки, предусматривающей использование вытяжной вентиляции, относят системы воздухозаборников (кожухов), воздуховодов, с помощью которых удаляют отходящие газы непосредственно из зоны электролитической ванны над расплавом (рис. 65).
Для электролизеров с заранее спеченными анодами обеспечивается эффективное удаление фторсодержащих соединений из объема электролизера при производительности вентиляционных систем, равной 6000-9000 м3/ч.
В целом же удаление отходящих газов с помощью первичной вентиляционной системы должно быть не менее 90-95 %.
Однако применение первичной вентиляционной системы не обеспечивает полного удаления фторидов из электролизного корпуса. Отходящие газы электролизного производства, которые не улавливаются первичной вытяжной системой, должны удаляться из электролизного корпуса или за счет процессов аэрации, или за счет принудительной тяги вентиляционных систем, расположенных под крышей электролизного корпуса. Производительность таких вентиляционных систем может составлять 1 млн м3/на 1 τ производимого алюминия. Газы, удаленные из электролизного корпуса с помощью вторичной вентиляции, сильно разбавлены и обычно содержат менее 1 мг фторидов на 1 м3 воздуха. Содержание же пылевидных частиц в отходящих газах от 2 до 10 мг/м3 при среднем размере частиц в пределах от 3 до 10 мкм.
Такое малое содержание газов и малые диаметры аэрозольных частиц снижают эффективность применения систем газоочистки вторичных вентиляционных систем. Поэтому при проектировании инженерно-технических систем газоочистных сооружений применительно к электролизному производству алюминия необходимо предусматривать первичные вентиляционные системы, производительность которых обеспечивает удаление контаминантов из области их формирования над расплавами электролизных ванн.
Инженерно-технические системы, применяемые для первичной газоочистки при электролизном производстве алюминия
Основным требованием к инженерно-техническим системам первичной газоочистки при электролизном производстве алюминия является эффективность удаления контаминантов, в основном фтористых соединений из области их формирования в электролитических ваннах. При этом эффективным считается удаление более 95-98,5 % фтористых соединений и мелкозернистых частиц, содержащихся в отходящих газах.
Для удаления контаминантов из области их формирования могут применяться мокрые скрубберы с малым потреблением энергии, скрубберы с подвижной насадкой, а также ситовые скрубберы.
Наиболее эффективно применение мокрых скрубберов, в конструкции которых предусмотрена возможность орошения восходящего газового потока, содержащего контаминанты.
Сущность технологии газоочистки при электролизном производстве алюминия заключается в том, что в воду скруббера добавляют соединения натрия и кальция, наличие которых в водной среде скруббера повышает эффективность улавливания газообразных фторидов. Так, например, введение в водную среду скруббера системы первичной очистки газов в результате протекания реакций вида
позволяет удалять из отходящих газов фтористые соединения в виде шлама CaF2. Введение же карбоната натрия Na2CO3 в водную среду скруббера системы первичной газоочистки обеспечивает возможность выведения фтора из отходящих газов в виде NaF за счет протекания реакции
которое в дальнейшем, взаимодействуя с алюминатом натрия (NaAl02-2H20 по реакции)
обеспечивает возможность выведения фтора из отходящих газов в виде криолита Na3AlF6 или AlF3-3NaF.
В системе первичной газоочистки при электролизном производстве алюминия целесообразно оснащать мокрые скрубберы циклонами или электрофильтрами, что способствует предварительному выведению из отходящих газов пылевидных частиц (d приб 10 мк).
Рассмотренные системы газоочистки при электролизном производстве алюминия являются достаточно эффективными. Однако они уступают системам первичной газоочистке по экономическим показателям, поскольку применение в системах первичной газоочистки сухих скрубберов позволяет возвращать в производство уловленные фториды и частицы аэрозоля, которые вновь становятся компонентами электролизной ванны.
В рассматриваемом методе в сухих скрубберах используют глинозем как среду, улавливающую контаминанты. Получаемый в результате протекания реакции между глиноземом А12О3 и содержащимся в отходящих газах HF фторид алюминия A1F3,
А12О3 + 6HF = 2A1F3, + ЗН2О (367)
нерастворим в воде, что обеспечивает возможность его извлечения из скруббера для последующего повторного использования в электролизерах для получения первичного алюминия.
При использовании в сухих скрубберах мелкой фракции частиц глинозема, поверхность которых превышает 45 м2/г, возможна адсорбция в больших количествах газообразных фторидов на поверхности частиц глинозема. Количественная оценка этого процесса показывает, что частицы глинозема таких размеров могут адсорбировать газообразные фториды в количестве до 4 % своей массы. Эффективному протеканию этого процесса способствует также содержание в глиноземе определенного количества натрия, который положительно влияет на удержание фторидов.
Важную роль в адсорбции фторидов на поверхности частиц глинозема играет относительная влажность отходящих газов.
Схема очистки отходящих газов в сухих скрубберах показана на рис. 66.
Конструктивные особенности рассматриваемой системы очистки отходящих газов (см. рис. 66) обеспечивают равномерное распределение глинозема по всему потоку газов, в результате чего наблюдается эффективное удаление фторидов из отходящих газов.
Глинозем вводится в поток отходящих газов через жиклеры или сопла, расположенные в объеме скруббера, и затем смесь глинозема и отходящих газов поступает в отдельную секцию скруббера, где большая часть глинозема осаждается за счет гравитации. Поток же газов направляется в рукавный фильтр или в электрофильтр для улавливания тонкой фракции руды.
Поскольку профилактический ремонт скруббера требует остановки вентиляторов, то в системе газоочистки должно быть предусмотрено от 5 до 20 скрубберов, производительность которых может быть равна 100 000 м3/ч.
При таком количестве скрубберов в системе газоочистки временное неиспользование одного или нескольких скрубберов не существенно скажется на эффективности работы системы газоочистки в целом.
Рассмотренная система первичной газоочистки при электролизном производстве алюминия обеспечивает ее эффективность более 99 %.
Входящие газы, содержащие 100 мг/м3 фторидов, на выходе после очистки отходящих газов от фторидов имеют не более 1 мг/м3 фторидов, содержащихся в отходящих газах.
В отходящих газах из электролизных ванн алюминиевого производства содержится до 200-300 мг/м3 фтористого водорода, до 200-500 мг/м3 пылей, а также 10-50 мг/м3 смолистых веществ, имеющих канцерогенные компоненты (бензапирен).
Такое содержание контаминантов в отходящих газах характерно для электролизеров с верхним токоподводом. Для электролизеров с боковым токоподводом содержание контаминантов в отходящих газах составляет до 25 мг/м3 HF, до 200 мг/м3 пылей и до 20 мг/м3 углеводородов в виде смолистых соединений.
Дисперсность пылей в отходящих газах электролизного производства составляет в среднем 10-20 мкм.
Для очистки газов от пылей на отечественных предприятиях применяют электрофильтры и скоростные полые скрубберы с циклонным каплеуловителем. Условия работы скруббера для электролизера с верхним токoподводом следующие: скорость газа 6-8 м/с; используется орошение отходящих газов содовым раствором (3-5 % Na2CO3) для нейтрализации кислотосодержащих компонентов в отходящих газах. В частности, нейтрализуется фтористый водород, содержащийся в отходящих газах электролизного производства, с образованием бикарбоната натрия и в конечном итоге - фтористой соли натрия и диоксида углерода.
Наличие в системе газоочистки каплеуловителей обеспечивает остаточное содержание водяной пыли в газах не более 0,12 г/м3.
Смолистые вещества, содержащиеся в отходящих газах, дожигаются в кислородсодержащей среде при 50-95 % степени очистки отходящих газов от углеводородов.
Рассмотренные комплексные методы очистки отходящих газов электролизного производства алюминия обеспечивают их очистку на 90-98 % по контаминантам, содержащимся в отходящих газах.
Газоочистные сооружения, применяемые для очистки отходящих газов электролизного производства алюминия, в системе газоочистки располагаются в последовательности: электрофильтр - вентилятор - скоростной скруббер - каплеуловитель. Возможны и другие схемы размещения элементов газоочистных сооружений.