多級(jí)噴霧塔脫除陽極熔鉛鍋鉛煙塵的試驗(yàn)研究

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司， 湖南 衡陽 421513)

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綜合利用與環(huán)保

多級(jí)噴霧塔脫除陽極熔鉛鍋鉛煙塵的試驗(yàn)研究

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司， 湖南 衡陽 421513)

對(duì)多級(jí)噴霧塔脫除鉛電解陽極熔鉛鍋鉛煙塵進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察了吸收液、pH值、液氣比、吸收級(jí)數(shù)以及煙氣流速等對(duì)鉛塵脫除率的影響，得出最佳工藝參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

多級(jí)噴霧塔； 陽極熔鉛鍋； 鉛煙塵； 濕法除塵； 吸收液

湖南水口山有色金屬有限責(zé)任公司第三冶煉廠(簡稱水口山三廠)以電鉛生產(chǎn)為主，現(xiàn)有鉛陽極熔鉛鍋4臺(tái)。陽極鑄板生產(chǎn)過程中有大量的含鉛蒸氣產(chǎn)生，原熔鉛鍋的排煙系統(tǒng)配套建有一套側(cè)吸罩+反吹風(fēng)布袋除塵系統(tǒng)，由于煙氣中含有大量的霧沫，該套設(shè)施的布袋表面經(jīng)常粘附煙塵引起布袋板結(jié)，造成布袋除塵器無法正常工作，車間低空污染嚴(yán)重。為此，水口山三廠聯(lián)合五礦環(huán)保公司擬開發(fā)一種多級(jí)噴霧塔高效處理鉛電解陽極熔鉛鍋鉛煙塵的濕法除塵工藝，借助江蘇攬山環(huán)境科技有限公司中試試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該工藝進(jìn)行模擬研究，考察吸收液、pH值、液氣比、吸收級(jí)數(shù)以及煙氣流速等因素對(duì)鉛煙塵凈化處理的影響，為下一步工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

粗鉛在熔鉛鍋中熔化、壓渣、撈渣、加殘極續(xù)鍋、降溫熔析、加適量煤粉除銅過程中產(chǎn)生含鉛蒸氣，其量隨溫度升高明顯增多。鉛蒸氣在空氣中可迅速氧化，鉛蒸氣和鉛氧化物形成氣溶膠(稱為鉛煙)；在熔化的鉛液和空氣界面上，由于鉛不斷氧化形成較厚的海綿狀式鉛氧化物(俗稱鉛渣)。鉛煙氣溶膠凝聚或鉛渣飛揚(yáng)形成鉛塵[1]。鉛煙塵主要成分是氧化鉛及熔鉛添加成分，如銻、錫、鋅、銅、銀等及其化合物。

目前鉛煙塵凈化手段有干法和濕法兩大類。干法凈化工藝常見的有覆蓋法、過濾和重力除塵。濕法凈化處理工藝是采用清水、稀酸或者稀堿吸收液借助相應(yīng)的設(shè)備將鉛煙塵捕集。

覆蓋法是對(duì)鉛煙塵的產(chǎn)生起抑制作用，局限性很大；過濾法(包括濾筒收塵和布袋除塵)僅對(duì)大顆粒鉛煙塵有效，當(dāng)鉛煙塵中含有水蒸氣、酸霧及骨膠等工藝添加物時(shí)，容易造成布袋板結(jié)，脫灰和透氣性均受影響。有研究表明，鉛煙塵直徑小于1 μm，且主要集中在0.1 μm左右[2～4]，所以過濾和重力除塵對(duì)于顆粒細(xì)小的鉛煙脫除效率較低。酸、堿吸收液配以普通的塔式除塵設(shè)備的濕法除塵工藝，雖然除塵效果達(dá)到90%左右，但熔鉛鍋加殘極時(shí)產(chǎn)生的爆發(fā)性煙氣具有煙氣量大、流速快和濃度高的特點(diǎn)，其也很難滿足要求。

本研究采用多級(jí)噴霧塔脫除鉛煙塵，通過多級(jí)噴霧處理，實(shí)現(xiàn)煙氣最終達(dá)標(biāo)排放。脫塵基本原理是：煙塵中較大顆粒和二氧化鉛可在吸收液形成的水霧包裹下物理沉降，難以吸收的氣溶膠亞微米顆粒在充滿霧滴的反應(yīng)器內(nèi)被有活性劑的極性液滴捕捉，活性劑可有效改善顆粒物的疏水性。

1.2 試驗(yàn)裝置及配套設(shè)備

試驗(yàn)主要裝置為：多級(jí)噴霧吸收塔(下簡稱：噴霧塔)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。噴霧吸收塔尺寸為Φ1 320 mm×6 000 mm，材質(zhì)為PP，配備有4臺(tái)循環(huán)泵，每一臺(tái)循環(huán)泵和12個(gè)噴嘴及其相關(guān)管道提供吸收塔一級(jí)反應(yīng)所需吸收液的量，管線為橡膠軟管。由于煙氣的強(qiáng)烈湍動(dòng)和細(xì)霧滴極大的比表面積，噴霧塔具有較高的捕捉效率，多級(jí)串聯(lián)可以將煙氣鉛塵排放濃度控制到很低。其主要優(yōu)點(diǎn)：煙氣阻力低，液氣比小，運(yùn)行成本低，維護(hù)容易，可以達(dá)到近100%的投運(yùn)率。

1-底板; 2-圈座; 3-底部排空管; 4-泵接管; 5-pH計(jì)接管; 6-平衡器接管; 7-視鏡接管; 8-溢流管; 9-進(jìn)口; 10-出口; 11-法蘭; 12-頂蓋; 13-隔板; 14-殼體圖1 噴霧吸收塔示意圖

1.3 工藝流程

陽極熔鉛鍋產(chǎn)生的煙氣由吸塵罩收集，所處理煙氣為收集的煙氣中一小部分。煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入噴霧塔，與霧狀吸收液接觸，其中的煙塵被吸收，并隨霧滴落入噴霧塔底部池從而被脫除。噴霧塔設(shè)置四級(jí)，每一級(jí)12個(gè)噴嘴及1臺(tái)循環(huán)泵。噴霧塔底部為漿液池，池中為吸收液。前三級(jí)循環(huán)泵將吸收塔底部的漿液打至噴嘴，漿液經(jīng)噴嘴霧化后進(jìn)入噴霧塔吸收鉛煙塵。吸收了煙塵的漿液落入噴霧塔底部漿液池，繼續(xù)循環(huán)利用，以降低運(yùn)行成本；第四級(jí)循環(huán)泵從外部工藝水箱取水打至噴嘴，霧狀水將前幾級(jí)的漿液洗滌下來，進(jìn)一步減少噴霧塔出口的粉塵量。洗滌后的煙氣再經(jīng)除霧級(jí)除去霧、沫，最終煙囪排放。漿液池內(nèi)的固體顆粒通過泵排至脫水系統(tǒng)，固體物被收集，液體經(jīng)過循環(huán)泵打回吸收塔繼續(xù)用于吸收以降低運(yùn)行成本。

1.4 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過試驗(yàn)考察吸收液、pH值、液氣比、吸收級(jí)數(shù)以及煙氣流速等因素對(duì)煙氣中顆粒物和鉛脫除率的影響，為下一步工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸收液對(duì)脫除率的影響

從經(jīng)濟(jì)性與可行性方面考慮，選擇配制4種吸收液進(jìn)行試驗(yàn)，分別為：清水- 活性劑；硅氟酸- 活性劑；草酸- 活性劑；醋酸- 活性劑。

鉛煙塵的濕法凈化一般采用醋酸、草酸和清水作為吸收液，本試驗(yàn)選取硅氟酸作為吸收液之一，主要是考察硅氟酸吸收鉛煙塵后能否返回鉛電解系統(tǒng)作為電解液的補(bǔ)充，從根本上解決吸收液廢液的后續(xù)處理問題。

活性劑為烷基苯磺酸類，質(zhì)量濃度為8‰，各種酸濃度為質(zhì)量濃度3‰。在煙氣流速5 m/s、吸收級(jí)數(shù)4級(jí)、液氣比16 L/m3條件下，分別對(duì)幾種吸收液進(jìn)行試驗(yàn)。檢測凈化前后煙氣中顆粒物和鉛的濃度，計(jì)算得出顆粒物和鉛的脫除率。吸收液對(duì)煙氣顆粒物和鉛脫除率的影響如表1。

表1 吸收液對(duì)煙氣顆粒物和鉛脫除率的影響

由表1可知：噴霧塔采用這幾種吸收劑吸收效率都較高，由于與活性劑混合的物質(zhì)酸性不同，顆粒物和鉛的脫除率有微小的差異，具體為：硅氟酸>草酸>醋酸>水。

采用水- 活性劑時(shí)，顆粒物的脫除率與其他吸收液接近，鉛的脫除率稍低，但仍在98%以上。從運(yùn)行成本和操作方面考慮，選擇水- 活性劑作為鉛塵治理系統(tǒng)的吸收液，有利于簡化吸收液制備系統(tǒng)，減少運(yùn)行成本；廢液組成簡單，可以大大降低廢液處理成本。

2.2 pH值對(duì)脫除率的影響

鉛煙塵中有部分鉛以氧化鉛形式存在，氧化鉛為堿性氧化物，因此在吸收劑中添加酸可加速鉛塵的吸收。并且金屬鉛的性質(zhì)較活潑，可以與酸緩慢地反應(yīng)。酸性越強(qiáng)，越有利于鉛塵的吸收。在煙氣流速5 m/s、吸收級(jí)數(shù)4級(jí)、液氣比16 L/m3、吸收劑為清水- 活性劑的條件下，通過加入硅氟酸調(diào)節(jié)pH，用pH值分別為2、4、6的3種溶液進(jìn)行煙氣吸收試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 吸收液pH值對(duì)顆粒物和鉛

由表2可以看出，酸性條件下，pH值的變化對(duì)顆粒物去除影響并不明顯，顆粒物去除率基本都在98%以上。

試驗(yàn)中測得，吸收液pH值逐漸降低，其不斷循環(huán)，最終pH值大致穩(wěn)定在4左右。原因是殘極中含有硅氟酸，高溫熔煉過程中，硅氟酸分解并揮發(fā)隨煙氣進(jìn)入吸收塔，與吸收液接觸被吸收后導(dǎo)致系統(tǒng)pH值下降，同時(shí)在吸收液循環(huán)過程中尤其是噴霧過程中揮發(fā)，硅氟酸離開吸收液進(jìn)入空氣，當(dāng)pH值在4左右時(shí)，吸收液從煙塵中獲取的硅氟酸和揮發(fā)的硅氟酸相當(dāng)，從而吸收液的pH值穩(wěn)定在4左右。

2.3 液氣比對(duì)脫除率的影響

液氣比是噴霧塔的重要運(yùn)行參數(shù)，與噴霧塔的裝機(jī)容量、造價(jià)等關(guān)系密切。在滿足所需吸收效率前提下，液氣比越低，系統(tǒng)造價(jià)和運(yùn)行成本越低。

試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)流量閥及關(guān)開相應(yīng)的噴嘴調(diào)節(jié)液氣比，控制液氣比分別為(L/m3)：4、6、8、10、12、14和16，在煙氣流速5 m/s、吸收級(jí)數(shù)4級(jí)、pH值為7、吸收劑為清水- 活性劑條件下，考察液氣比對(duì)顆粒物和鉛的脫除率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 液氣比對(duì)脫除率的影響

由圖2可見，顆粒物和鉛的脫除率隨著液氣比增加而增大，但是增幅逐漸放緩，當(dāng)液氣比為8～16 L/m3時(shí)，顆粒物和鉛的脫除率上升放緩。從運(yùn)行成本和系統(tǒng)造價(jià)考慮，液氣比為8 L/m3時(shí)吸收性價(jià)比最高。

2.4 吸收級(jí)數(shù)對(duì)脫除率的影響

吸收級(jí)數(shù)表示吸收液對(duì)煙氣吸收的次數(shù)，級(jí)數(shù)越高，則吸收的次數(shù)越多。吸收次數(shù)分別對(duì)應(yīng)著吸收時(shí)間和液氣比，吸收級(jí)數(shù)越高，煙氣與吸收劑接觸的時(shí)間越長，吸收效率越高。

試驗(yàn)中通過開啟和關(guān)閉循環(huán)泵控制吸收級(jí)數(shù)。在煙氣流速5 m/s、液氣比16 L/m3、pH值為7、吸收劑為清水- 活性劑條件下，控制吸收級(jí)數(shù)分別為1、2、3和4，考察了吸收級(jí)數(shù)對(duì)顆粒物和鉛脫除率的影響，結(jié)果見表3。

表3 吸收級(jí)數(shù)對(duì)顆粒物和鉛脫除率的影響 %

從表3可見，第一級(jí)效率最低，可能是因?yàn)轭w粒物和鉛塵需要潤濕；第二級(jí)單級(jí)效率最高，第三級(jí)和第四級(jí)單級(jí)效率略減，可能是單位體積煙氣內(nèi)顆粒物和鉛濃度降低。除了第一級(jí)效率約為60%外，其后的每一級(jí)顆粒物和鉛的脫除效率約為60%～70%。

2.5 煙氣流速對(duì)脫除率的影響

在同樣大小的吸收塔中，煙氣流速越快，其在吸收塔內(nèi)停留的時(shí)間越短，與吸收液接觸時(shí)間越短，吸收效率越低；而且還會(huì)造成煙氣所攜帶霧滴過多，增加除霧器的負(fù)擔(dān)，影響除霧器的除霧性能，并造成吸收塔內(nèi)的壓力損失增大，能耗增加。但是煙氣流速增加可以使吸收塔直徑變小，減小設(shè)備體積，對(duì)降低造價(jià)有益。

試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)進(jìn)口擋板門開度控制煙氣流速。控制煙氣流速分別為(m/s)：2、4、5、6、8，在吸收級(jí)數(shù)為4級(jí)、pH值等于7、吸收劑為清水- 活性劑，液氣比為16 L/m3的條件下，考察了煙氣流速對(duì)顆粒物和鉛脫除率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 煙氣流速對(duì)脫除率的影響

由圖3可見，煙氣流速增大，顆粒物和鉛塵的脫除率降低。煙氣流速大于4～5 m/s時(shí)，顆粒物和鉛的脫除率陡降，從運(yùn)行成本、設(shè)備造價(jià)和性能效率考慮，煙氣流速4～5 m/s最合適。

2.6 最優(yōu)參數(shù)

根據(jù)五組單因素試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)從運(yùn)行成本和污染治理的經(jīng)濟(jì)性考慮，確定多級(jí)噴霧塔治理鉛陽極熔鉛鍋鉛煙塵的最優(yōu)工藝參數(shù)為：

(1)吸收液采用水- 活性劑；

(2)pH值選擇4；

(3)液氣比8 L/m3；

(4)煙氣流速4～5 m/s；

(5)吸收塔單級(jí)脫塵率為60%～70%，當(dāng)吸收級(jí)數(shù)為4級(jí)時(shí)，顆粒物和鉛的脫除率已達(dá)98%以上，工程設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)過程中最大煙塵濃度來確定吸收塔的吸收級(jí)數(shù)。

3 結(jié)論

(1)鉛電解熔鉛鍋所產(chǎn)生的鉛煙塵顆粒物粒徑多為1 μm以下，且主要集中在0.1 μm左右，布袋除塵不但效率低而且容易造成布袋板結(jié)，普通的單級(jí)濕法除塵工藝，也很難應(yīng)對(duì)鉛陽極熔鉛鍋加殘極時(shí)

所產(chǎn)生的爆發(fā)性煙塵，而多級(jí)噴霧法可較好地克服以上缺陷。

(2)不同吸收液對(duì)于顆粒物和鉛的脫除率存在微小差異，由高到低具體為：硅氟酸- 活性劑>草酸- 活性劑>醋酸- 活性劑>水- 活性劑；酸性條件下pH值的變化對(duì)顆粒物去除的影響并不明顯，吸收液不斷循環(huán)，其pH值逐漸降低并穩(wěn)定在4左右；顆粒物和鉛的脫除率隨著液氣比增加而增大，當(dāng)液氣比為8～16 L/m3時(shí)，顆粒物和鉛的脫除率上升速度放緩；顆粒物和鉛的脫除率第一級(jí)最低，第二級(jí)最高，但單級(jí)效率基本穩(wěn)定在60%～70%；隨著煙氣流速增加，顆粒物和鉛的塵脫除率降低，流速為4～5 m/s時(shí)，顆粒物和鉛的脫除率下降顯著。

(3)多級(jí)噴霧塔治理電鉛陽極熔鉛鍋鉛煙塵的最佳工藝參數(shù)為：水- 活性劑作為吸收劑，pH值為4，液氣比8 L/m3，煙氣流速4～5 m/s。吸收塔單級(jí)顆粒物和鉛的脫除率為60%～70%，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)加殘極時(shí)產(chǎn)生的煙氣量和煙塵濃度確定吸收塔級(jí)數(shù)。

[1] 吳達(dá)明．熔鉛煙塵的特性及治理技術(shù)[J]．重慶環(huán)境科學(xué)，1983(4)：27-30．

[2] Sheldon B.Davis, Thomas K.Gale, et al. Multicomponent coagulation and condensation of toxic metals in combustors[C]∥Proceedings of 27th Symposium on Combustion. Pittsburgh: The Combustion Institute, 1998:1785-1791.

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Experimental study on treatment of melt lead dust from lead anode pot by multi-stages spray tower

YUAN Pei-xin

The experimental study on adopting the multi-stages spray tower to deal with melt lead dust from lead anode pot of lead electrolytic was conducted. Through experimental research the influences of absorbing liquid, pH value, liquid-gas ratio, reaction series and gas velocity etc. on lead dust removal rate, the best process parameters are obtained, which provide the basis for engineering design.

multi-stages spray tower; lead anode pot; lead dust; particle removal with wet process; absorbing liquid

袁培新(1973—)，男，湖南婁底人，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事有色金屬冶煉生產(chǎn)技術(shù)管理與研究。

2014-- 07-- 24

TF812； TF805.3

B

1672-- 6103(2015)03-- 0046-- 04