CN110219024A - 反馈式铝电解槽排烟压力控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝电解槽废气处理装置，属于环保设备领域。一种反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，控制器通过综合检测、计算、控制每台铝电解槽排烟管压力，使得总排烟压力、电解槽实际合理的排烟管压力相耦合，实现排烟管废气的合理排放。使电解槽排烟管监测点压力符合电解槽排烟量的需求，避免了负压过大造成的过度排烟、电解槽热能散失加快、电解槽工艺不稳定进行、浪费能源等缺点。高效的排烟系统避免了压力过小造成的排烟不足问题，避免槽内的烟气受自身热力上浮穿过槽盖板和阳极导杆缝隙散发到电解车间，防止作业环境恶化，减少无组织的废气排放，提升环保质量。

Description

反馈式铝电解槽排烟压力控制系统
技术领域
本发明涉及电解槽排烟系统，尤其涉及一种反馈式铝电解槽排烟压力控制系统。
背景技术
电解铝生产工艺一般控制在950摄氏度下进行，鉴于氢氧化铝热分解法等工艺生产的氧化铝原材料中仍含有0.2％～0.5％的水分。电解铝生产过程中新投料氧化铝中水分与电解铝池中的助融剂氟盐发生水解反应，转化为氟化氢等高毒性、高腐蚀性气体污染物。除此之外，高温下熔融电解质本身也会产生各种成分的气体，比如CO、CO2、SO2以及六氟合铝化钠、四氟合铝化钠、氟化铝等污染物。在物料添加等过程中，还会产生大量氧化铝、氟化盐的粉尘，亦具有较高的污染性。
铝电解在生产过程产生有害烟气中氟化物会造成动植物死亡、减产等严重的大气污染，也严重危害到员工骨骼、神经系统的健康，必须加以治理；同时，因为烟气中含有大量的含氟气体，回收后又可以返回电解车间使用，降低生产成本，变废为宝，一举两得。数据表明每生产1吨铝产生氟化物15-40kg，粉尘40-60kg/t，二氧化硫10-15kg，因此，电解铝烟气的回收处理是解决大气污染的手段，也是提高资源利用率、降低生产成本的必经之路。
经过近几十年的发展，我国电解铝行业现在通行的电解烟气净化技术分为三种，分别为传统一段净化技术、传统两段净化技术和新型两段逆流净化技术。
传统一段净化技术中新鲜氧化铝和载氟氧化铝同时通过反应器(文丘里、Ⅵu、管道)加入到除尘器前的上升烟道内，新鲜氧化铝、载氟氧化铝和含氟气体进行吸附反应，并一起进入除尘器箱体内，经过除尘器布袋进行气固分离。分离后的气体通过风机和烟囱排入大气，分离下的载氟氧化铝一部分进入载氟氧化铝仓供生产使用，另一部分进入除尘器前的上升烟道继续进行吸附反应。
传统两段净化技术中新鲜氧化铝和载氟氧化铝分别加入到除尘器的进风管道中，首先在反应器上游管路约20米处加入载氟氧化铝，其次在反应器内加新鲜氧化铝，完成反应后的载氟氧化铝通过布袋进行气固分离。同样，分离后的气体通过风机和烟囱排入大气，分离下的载氟氧化铝一部分进入载氟氧化铝仓供生产使用，另一部分进入系统继续进行吸附反应。
新型两段逆流净化技术中新鲜氧化铝首先喷入布袋的底部，与动力分离器来的低浓度烟气进行二次吸附反应，然后通过布袋进行气固分离，分离下来完成一次吸附反应的载氟氧化铝由循环系统加入除尘器前的上升烟道，与高氟化氢浓度的烟气进入动力分离器进行一次吸附反应，完成再次吸附反应后的载氟氧化铝70％以上被烟气流动产生的动力分离出来，经载氟氧化铝输送系统送往电解车间，低氟化氢和粉尘浓度的烟气进入布袋室进行二次吸附反应和气固分离，这样既提高了烟气净化效率，又降低了袋滤系统的气固分离负荷和系统动力消耗。
无论采用何种方案，其对气流的综合控制是关键技术之一：气流压力过小造成的排烟不足，排烟压力过小使槽内的烟气受自身热力产生的向上浮力，会穿过槽盖板和阳极导杆缝隙散发到电解车间，恶化作业环境，无组织废气排放增加，企业面临的环保风险加剧。气流压力过大造成过度排烟，过度排烟会使电解槽热能散失加快，能量平衡被破坏，不利于电解槽工艺稳定进行。另一方面，工艺管理者为了电解槽能量平衡，需要提高一定的电压，又造成能源消耗。再者，不均衡的气流控制导致压力浪费严重，为了维持各个电解槽负压，必须保持除尘器过高的整体负压，相应过高气流不但对过滤布袋设计要求高，还导致氧化铝与载氟氧化铝分离不彻底，导致氧化铝存在多次无功死循环，导致粉化严重，且新鲜氧化铝和载氟氧化铝完成吸附反应后，容易同时进入除尘器，使烟气中粉尘浓度太高，从而加大除尘器粉尘处理量，增加布袋负荷。
现有技术多采用技术人员手动简单粗放的方式进行调节，无法达到均衡排烟。实际生产中每台电解槽与排烟干管相互连通，相互影响的因素很多，技术人员对电解槽生产过程中排烟量的大小无法掌握；对不同电解槽槽型的排烟量大小，究竟适用多大的压力缺乏研究，难以考虑到数台电解槽出口烟管与排烟干管连通的相互影响，以及电解槽在加工作业和其他因素造成压力波动的影响，造成电解槽排烟不均衡，且不同电解槽排烟量极不均衡，有的过渡排烟，有的排烟不足，造成电解车间无组织排放增加，恶化作业环境，给企业带来环保风险。
设计合理的电解槽排烟气流控制系统，是提高烟气净化效率，降低环境污染、减少氟化铝消耗的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，解决现在铝电解槽烟气气流控制效率不高的问题。
技术方案
一种反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，多个铝电解槽各自通过排烟管并联于排烟干管，每个铝电解槽排烟管内设置调节阀门，在每个排烟管相应调节阀门前设置压力传感器，各个压力传感器、调节阀门均与控制器电连接，控制器可以获取每台铝电解槽排烟管压力数据并通过相应调节阀门单独调控每台铝电解槽排烟管的压力；
控制器通过综合检测、计算、控制每个排烟管的压力，使得总排烟压力、铝电解槽排烟管压力、电解槽实际合理的排烟管压力相耦合，实现烟气的合理排放。
进一步，控制器还连接上位机，上位机包括用于记录历史监测数据的信息存储器、交互功能的信息显示用显示屏，上位机方便技术人员进行实时监控、查找历史数据等信息，并在上位机中可以实现对调节阀的手动调节操作功能。
进一步，压力传感器、调节阀门均通过信号中转箱与控制器连接。
进一步，所述信号中转箱通过4～20mA模拟信号与压力传感器、调节阀门电连接；所述信号中转箱将接受到的模拟信号进行抗干扰、滤波、A/D转换处理转换为数字信号通过光纤与控制器连接；所述信号中转箱将控制器反馈的信号转换为4～20mA的模拟信号与调节阀门电连接，调控调节阀门的开度大小。
进一步，所述控制器收到压力数字量值后，控制器根据采集、处理后的压力值，利用电解槽压力管控数学模型计算出偏差值、波动速率、波动幅度等，4～20mA的模拟信号对应0～＜净化系统除尘器入口负压的压力取值，来判断压力设定值对条件的满足程度，通过信号中转箱对超出或低于压力设定值的电解槽出口的调节阀门发出调节指令。
进一步，该控制系统工作流程如下：
a.当控制器检测到某个压力探测器反馈该排烟管负压值过低时，控制器发出数字信号经过光纤传递给信号中转箱，信号中转箱将数字信号转换为4～20mA模拟信号输送至压力传感器所在电解槽排烟管的调节阀门，调节该阀门开度加大，提升该排烟管的排烟量；
b.当控制器检测到某个压力探测器反馈该电解槽排烟管负压值过高时，控制器发出数字信号经过光纤传递给信号中转箱，信号中转箱将数字信号转换为4～20mA模拟信号输送至压力传感器所在电解槽排烟管的调节阀门，调节该阀门开度减小，降低该排烟管的排烟量。
进一步，电解槽排烟管的调节阀门均为冗余设计，既可以通过PLC控制器电控，又可以手动控制。
进一步，控制器还连接声光报警设备，当各排烟管压力低于设定值时予以报警，可以手动调节各排烟管排烟量，起到冗余设计，提升安全系数的作用。
进一步，所述控制器选自PLC、DCS、单片机、智能控制器中的任意一种。
有益效果
采用本技术方案提供的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，使电解槽出口烟管监测点压力符合电解槽排烟量的需求，避免了压力过大造成的过度排烟、电解槽热能散失加快、电解槽工艺不稳定进行、浪费能源消耗等缺点。且高效的排烟系统能够避免了压力过小造成的排烟不足，避免槽内的烟气受自身热力上浮穿过槽盖板和阳极导杆缝隙散发到电解车间，防止作业环境恶化，减少无组织的废气排放，提升环保质量。
采用本技术方案实现气流的可控、合理的流动，即保证了含氟废气的有效吸附，提高尾气的处理效率，又实现含氟废气的有效回收，提高资源利用效率，降低原料损耗。
附图说明
图1为本发明排烟管及排烟总管、电解槽布局示意图；
图2为本发明烟气流通及信号监控示意图；
图3为本发明信号中转箱内部电路示意图；
图4为本发明PLC控制器调控流程示意图；
图5为本发明压力控制系统调控流程功能块的示意图；
其中：1-排烟干管，2-排烟管，3-调节阀门，4-压力传感器，5-铝电解槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图1～5，进一步阐述本发明。
本实施例中10台铝电解槽5相应的排烟管2如附图1所示，每台铝电解槽排烟管2的排烟口均与排烟干管1连接。每个排烟管内设置单独电控/手动控制的调节阀门3，在每个排烟管相应调节阀门之前设置一个模拟信号反馈模式的压力传感器4。在本实施例中，每个排烟管的电控的调节阀门与压力传感器均通过20mA模拟信号与信号中转箱连接，信号中转箱将接受到的模拟信号进行抗干扰、滤波、A/D转换处理转换为数字信号，然后将所处理产生的数字信号通过光纤与远处的PLC控制器连接，PLC控制器收到压力数字量值后，控制器根据采集、处理后的压力值，利用电解槽压力管控数学模型计算出偏差值、波动速率、波动幅度等，来判断压力设定值对条件的满足程度，通过信号中转箱对超出或低于压力设定值的电解槽出口的调节阀门发出调节指令。
在本实施例中，当PLC控制器检测到某个压力探测器反馈该排烟管负压值过低时，控制器发出数字信号经过光纤传递给信号中转箱，信号中转箱将数字信号转换为4～20mA模拟信号输送至压力传感器所在排烟管的调节阀门，调节该阀门开度加大，提升该排烟管的排烟量；当PLC控制器检测到某个压力探测器反馈该排烟管负压值过高时，控制器发出数字信号经过光纤传递给信号中转箱，信号中转箱将数字信号转换为4～20mA模拟信号输送至压力传感器所在排烟管的调节阀门，调节该阀门开度减小，降低该排烟管的排烟量。本实施例中，所述负压值与气流的变化关系，遵循伯努利原理，在此不做详述。
在本实施例中，所述PLC控制器还连接上位机，本实施例中上位机为具备数据接口的台式计算机，该上位机用于记录历史监测数据，并提供实时检测结果，台式机可以接受操控人员输入的调节参数，并将调节参数反馈给PLC控制器，实现对调节阀的实时调节操作及PLC、控制器内部计算程序的实时更新。
在本实施例中，电解槽排烟管的调节阀门均为冗余设计，既可以通过PLC控制器电控，又可以手动控制。此外，本实施例中的PLC控制器还连接声光报警设备，当各排烟管压力低于或超出设定值时判定电控调节阀门故障并予以报警，可以手动调节各排烟管排烟量，起到冗余设计，提升安全系数的作用。
采用本方案所提供的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统可以实时监测电解槽出口烟管压力变化，采取自动方式调节出口烟管阀门开度大小达到压力平衡，使电解槽出口烟管监测点压力符合电解槽排烟量的需求。给电解铝企业、国家环境保护带来很多好处，具体优势分析如下：
1.企业采用铝电解槽排烟智能管控技术，使电解槽出口烟管监测点压力符合电解槽排烟量的需求，避免了压力过大造成的过度排烟，过度排烟会使电解槽热能散失加快，能量平衡被破坏，不利于电解槽工艺稳定进行，另一方面，工艺管理者为了电解槽能量平衡，需要提高一定的电压，又浪费能源消耗。
2.企业采用铝电解槽排烟智能管控技术，使电解槽出口烟管监测点压力符合电解槽排烟量的需求，避免了压力过小造成的排烟不足，排烟压力过小使槽内的烟气受自身热力产生的向上浮力，会穿过槽盖板和阳极导杆缝隙散发到电解车间，恶化作业环境，无组织排放增加，企业面临的环保风险加剧。
3.企业采用铝电解槽排烟智能管控技术，由于均衡调节电解槽出口烟管压力，提高了电解槽集气效率，进入净化系统烟气含氟浓度上升，有利于氧化铝对氟化物的吸附效果，氧化铝载氟含量增加。本实施例中，根据对电解槽压力均衡调节实验的前后对比，按设计理论每1m2/g氧化铝吸附氟化氢的重量比为0.033％进行计算，调节前每g氧化铝载氟含量平均是0.885％，调节后每g氧化铝载氟含量平均是1.075％，假设按某企业年产30万吨电解铝水计算，1吨铝水消耗氧化铝1920Kg，年多增加回收的氟化物总量如下：
300000×1.920×(1.075％-0.885％)＝1094.4吨
4.企业采用电解槽排烟智能管控技术，净化系统集气效率达到98.5％以上，增加了对氟化物的回收，折算成氟化铝增加1824吨/年，这些氟化铝返回电解槽生产使用，降低了氟化铝的消耗，根据实际生产结果吨铝消耗氟化铝至少可以下降3～5Kg,按平均值4Kg，氟化铝市场价平均1万元/吨计算，年产30万吨铝水节约生产成本1200万元/年。
5.折合成生产1吨铝多回收氟化物3.648Kg，按全国电解铝实际年产约3500万吨产能计算，年多回收氟化物约12万吨以上，对国家环保意义十分重大。
6.折合成吨铝降低氟化铝资金消耗40元/t.AL，按全国电解铝实际年产约3500万吨产能计算，经济价值十分可观。

Claims (9)

1.一种反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，多个铝电解槽通过排烟管并联于排烟干管，每个铝电解槽排烟管内设置调节阀门，在每个排烟管相应调节阀门前设置压力传感器，各个压力传感器、调节阀门均与控制器电连接，控制器可以获取每台铝电解槽排烟管压力数据并通过相应调节阀门单独调控每台铝电解槽排烟管的负压；
控制器通过综合检测、计算、控制每台铝电解槽排烟管负压、使得总排烟负压、电解槽实际合理的排烟管负压相耦合，实现排烟管气体的合理排放。
2.如权利要求1所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，每个压力传感器、调节阀门均通过信号中转箱与控制器连接。
3.如权利要求2所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，所述信号中转箱通过4～20mA模拟信号与压力传感器、调节阀门电连接。
4.如权利要求2所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，所述信号中转箱将接受到的压力传感器发出的模拟信号进行抗干扰、滤波、A/D转换处理转换为数字信号通过光纤与控制器连接；所述信号中转箱将控制器反馈的数字信号转换为4～20mA的模拟信号与调节阀门电连接，调控调节阀门的开度大小。
5.如权利要求1所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，所述控制器根据各排烟管的压力值，利用电解槽压力管控数学模型计算出偏差值、波动速率、波动幅度，并通过信号中转箱对超出或低于压力设定值的电解槽出口的调节阀门发出调节指令。
6.如权利要求5所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，该控制系统工作流程如下：
a.当控制器检测到某个压力探测器反馈该排烟管负压值过低时，控制器发出数字信号经过光纤传递给信号中转箱，信号中转箱将数字信号转换为4～20mA模拟信号输送至压力传感器所在排烟管的调节阀门，调节该阀门开度加大，提升该排烟管的排烟量；
b.当控制器检测到某个压力探测器反馈该排烟管负压值过高时，控制器发出数字信号经过光纤传递给信号中转箱，信号中转箱将数字信号转换为4～20mA模拟信号输送至压力传感器所在排烟管的调节阀门，调节该阀门开度减小，降低该排烟管的排烟量。
7.如权利要求1～6所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，电解槽排烟管的调节阀门均为冗余设计，既可以通过PLC控制器电控，又可以手动控制。
8.如权利要求7所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，所述控制器选自PLC、DCS、单片机或智能控制器。
9.如权利要求1所述的反馈式铝电解槽排烟压力控制系统，其特征在于，所述控制器还连接上位机，上位机包括用于记录历史监测数据的信息存储器、交互功能的信息显示屏。
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