連退燒嘴調(diào)節(jié)閥堵塞問題分析及改進(jìn)措施

李本輝，鄧萬里，王曉明

1　連退煤氣供應(yīng)及堵塞現(xiàn)象

寶鋼湛江鋼鐵有限公司能源環(huán)保部所設(shè)5#煤氣混合加壓站（以下簡稱五加壓）向2030冷軋供應(yīng)的混合煤氣，煤氣總管在冷軋內(nèi)部分支到連退、熱鍍鋅等機(jī)組。在五加壓內(nèi)設(shè)置有電捕焦油器和脫硫塔對進(jìn)站的焦?fàn)t煤氣（COG）作進(jìn)一步的處理，以確保冷軋所用煤氣達(dá)到表1所示的質(zhì)量要求，連退機(jī)組的煤氣總管上也設(shè)置有兩套Y型過濾器，過濾精度120目，一用一備。煤氣輸配系統(tǒng)總體工藝流程如圖1所示。

圖1　冷軋煤氣輸配系統(tǒng)工藝流程圖

連退機(jī)組自2016年投產(chǎn)不久，其機(jī)組燒嘴的調(diào)節(jié)閥頻繁出現(xiàn)堵塞情況，對連退機(jī)組的產(chǎn)能發(fā)揮造成了很大影響。

表1　冷軋混合煤氣的雜質(zhì)含量

在表1中雜質(zhì)含量合格的情況下，連退在正常生產(chǎn)時還是頻繁遇到燒嘴前調(diào)節(jié)閥堵塞并存在腐蝕的情況，如圖2所示，影響煤氣的流通量從而對連退的產(chǎn)能造成影響，用戶多次抱怨，同時引起了公司的高度關(guān)注。

圖2　連退燒嘴調(diào)節(jié)閥堵塞物

2　堵塞物形成機(jī)理分析

2.1　堵塞物成分分析

利用灰分檢測法對堵塞物的成分進(jìn)行檢測，得知其成分主要為 TFe、CaO、SiO2、Al2O3、MgO（見表2）。利用X衍射分析法對白色沉積物分析（見圖3），認(rèn)為是NH4Cl。

表2　連退燒嘴堵塞物成分檢驗報告單 %

圖3　冷軋混堵塞物X衍射檢測結(jié)果

湛鋼高爐采用的是干法除塵工藝，高爐干法除塵后的煤氣中含有氯化銨已是共識，另外分析結(jié)果中顯示的 TFe、CaO、SiO2、Al2O3、MgO 等雜質(zhì)也是高爐工藝中存在的，所以可初步判斷其堵塞物是來自于高爐煤氣（BFG）。但造成連退調(diào)節(jié)閥堵塞的雜質(zhì)是否全部來自于BFG，根據(jù)BFG系統(tǒng)中TRT、加壓機(jī)的運行情況來看，尚未發(fā)現(xiàn)明顯的白色沉積物或運行工況劣化，表明NH4Cl的來源可能并不主要來自于 BFG。

2.2　氯化銨形成機(jī)理分析

在實驗室中關(guān)于NH3和HCl生成氯化銨的描述是這樣的：濃氨水與揮發(fā)性強(qiáng)酸如濃鹽酸接近，會生成白色煙霧：

煙霧是由NH3Cl4的細(xì)微顆粒組成。也就是說，氣態(tài)NH3和 HCl可反應(yīng)生成NH4Cl的細(xì)微顆粒。而且，二者的濃度要達(dá)到一定程度，化學(xué)上通常用Kp值（NH3、HCl氣體分壓的乘積，Kp=PHCl·PNH3）來判斷銨鹽是否發(fā)生沉積。

在BFG、COG混合過程中，氯化銨的形成環(huán)境可簡單分為兩種：

（1）氣相空間

BFG離開高爐時含有微量HCl氣體（約30～100 mg/m3）和其他氯化物（如 NH4Cl、CaCl2），HCl極易溶于水（體積比 400∶1），在水中HCl可完全電離成 H+和Cl-，幾乎不存在HCl分子，即BFG經(jīng)噴淋塔后在氣相空間幾乎不含有或者說只含有極微量的HCl。故而雖然COG中含有微量氨氣（煤氣主管網(wǎng)約50 mg/m3），但BFG與COG混合時幾乎不會在氣相空間生成NH4Cl的細(xì)微顆粒。而且如果能生成，NH4Cl將迅速吸潮結(jié)塊，在抵達(dá)連退前即大量析出。

（2）液相空間

COG中的氨氣極易溶于水（體積比 700∶1），大部分形成氨的水合物。BFG冷凝水中的H+（由HCl、CO2、鹽類等電離形成）可結(jié)合氨氣在水中生成NH4+：

另外，煤氣混合過程須考慮CO2的影響。BFG氣體中CO2含量約25%，可超出NH3濃度上萬倍，即使CO2溶解度很低，在冷凝水中濃度也超過NH3濃度數(shù)十倍乃至上百倍，當(dāng)NH3、H2O遇見過量CO2時，會結(jié)合生成碳酸氫氨

因此，BFG與COG混合后，可能隨冷凝水的析出不斷生成NH4HCO3和NH4Cl等銨鹽，銨鹽在水中幾乎以離子形態(tài)存在。

2.3　堵塞過程分析

混合煤氣冷凝水中的物質(zhì)在動態(tài)變化，一方面不斷有新的銨鹽形成，一方面部分冷凝水沿途被排出或是流向下游。總的來說，是個逐漸溫降的過程。但煤氣進(jìn)入廠房特別是接近機(jī)組后，是個溫升過程。

（1）氯化銨的繼續(xù)生成

NH4HCO3受熱易分解（36℃即開始分解），而且會在酸性環(huán)境下與 Cl-反應(yīng)生成NH4Cl。上游冷凝水帶來的NH4HCO3將逐漸分解。隨著環(huán)境溫度上升，冷凝水中各物質(zhì)的飽和度增加。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中的復(fù)分解反應(yīng)原理，溶液里的離子哪種相結(jié)合先飽和，就先析出過飽和的那一部分。相比較而言，NH4Cl的溶解度極大，在各類離子混戰(zhàn)重組的過程中，NH4+、Cl-最后結(jié)合生成NH4Cl析出。另外煤氣冷凝水中的H+和Cl-隨著水分的減少而重組為HCl分子并進(jìn)入氣相空間，與氣態(tài)的NH3反應(yīng)生成NH4Cl。

（2）NH4Cl的沉積

銨鹽結(jié)晶速率隨溫度上升而增加，隨溶液過飽和度的增加而增加，并且氣流越紊亂晶體越容易增大。連退機(jī)組旁環(huán)境溫度較高，NH4Cl易在管壁上形成；連退機(jī)組為法國斯坦因公司設(shè)計，所配調(diào)壓閥非常見的類型，其通道縫隙狹小，銨鹽極易沉積和引發(fā)堵塞。連退機(jī)組不同高度的平臺上銨堵形態(tài)有所差異：高層（管道溫度70℃）銨鹽結(jié)晶為粉末狀，容易清除；低層（管道溫度50℃）則為潮濕的結(jié)塊狀，不易清除，這也是環(huán)境溫度的差異所致。

通過以上分析可得出，連退機(jī)組燒嘴前的堵塞物除去COG中帶有的焦油和BFG中帶有的灰分及少量的氯化銨外，還包含了煤氣在輸配過程中所后形成的NH4Cl雜質(zhì)，并在溫度較高的機(jī)組燒嘴前結(jié)晶析出，造成燒嘴堵塞從而影響機(jī)組的煤氣使用量。

3　對策措施及效果

對煤氣中雜質(zhì)的處理辦法一般為源頭處理和末端處理，針對連退的燒嘴堵塞情況來說，由于堵塞物有在輸配過程中所產(chǎn)生的雜質(zhì)，并在源頭煤氣中的雜質(zhì)目前還沒有較好的解決手段，故改進(jìn)堵塞的措施從以下幾方面進(jìn)行。

3.1　對策措施

高爐采用干法除塵工藝，原本被濕法除塵工藝煤氣洗滌水吸收的酸性物質(zhì)和灰分，隨著煤氣一起流向下游用戶。而干法除塵后煤氣所帶有的酸性物質(zhì)本身就會對煤氣管網(wǎng)造成一定的腐蝕性。目前公司也在組織對高爐煤氣冷凝水呈酸性的問題攻關(guān)，已對高爐的噴淋塔水質(zhì)進(jìn)行改善，增加了噴水量，并在噴淋塔的出入口增加噴堿裝置來進(jìn)一步去除煤氣中所含Cl-，減少煤氣中灰分和酸性物質(zhì)。

煤氣在整個輸配過程中隨著氣體的壓力、溫度的變化，冷凝水的析出量也是不同的，而在冷凝水析出時也會帶出煤氣中的灰分和生成物。通過對煤氣管道上的排水密封罐的運行方式進(jìn)行調(diào)整，使攜帶部分灰分和生成物的冷凝水在抵達(dá)機(jī)組前析出，減少煤氣中的雜質(zhì)量。

為減少形成下游燒嘴板結(jié)塊的雜質(zhì)，將連退混合煤氣總管設(shè)置的一路Y型粗過濾器替換為過濾精度較高的立式圓筒形過濾器，見圖4（a）。過濾器內(nèi)部采用粗、精兩級過濾設(shè)計：初級粗過濾采用折流板加捕霧網(wǎng)組合方式，去除煤氣中包含的焦油顆粒及粗大塵粒，提高后段精過濾段濾筒的效率及使用壽命；精過濾濾筒采用過濾精度20目的玻纖材質(zhì)，對煤氣的耐候性較強(qiáng)，吸附煤氣中的微小含塵粒子，起到精過濾的效果。

圖4　立式圓筒形過濾器

3.2　效果改進(jìn)

但是，過濾芯在運行一周后即出現(xiàn)壓損過大的情況，無法繼續(xù)使用，對過濾器解體后發(fā)現(xiàn)濾芯上結(jié)有濕的粘性物，見圖4（b），應(yīng)該是煤氣中的飽和水分在經(jīng)過濾芯時析出并與部分雜質(zhì)一起黏附在濾芯表面，致使濾芯的流通面積變小，增加了過濾器前后的阻損。

要求廠家對濾芯進(jìn)行了改良，在第一款濾芯的外表面加裝一層不銹鋼絲網(wǎng)，見圖4（c），以使煤氣在經(jīng)過不銹鋼絲網(wǎng)時先讓水分析出；并同時將濾芯的精度由20目放大至50目， 以減少壓損。

改進(jìn)后2個月，過濾器與連退機(jī)組的定修同步進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)濾芯上存在較多的雜質(zhì)，而燒嘴堵塞物已有所減少，說明過濾器后的煤氣能使連退維持一個定修周期的生產(chǎn)，初步達(dá)到了預(yù)期目的。

4　結(jié)語

高爐煤氣干法除塵工藝所引發(fā)的連退機(jī)組燒嘴調(diào)節(jié)閥堵塞的情況在上海寶山基地同樣存在，目前沒有很好的解決手段，只能通過過濾等在一定程度上緩解。另外，對于堵塞物形成機(jī)理的分析在很大程度上是一種推斷甚至假說，限于條件，無法進(jìn)行實驗和進(jìn)一步論證。

盡管如此，我們將繼續(xù)跟進(jìn)連退機(jī)組煤氣使用效果，逐步摸索該區(qū)域過濾器的濾芯參數(shù)，為用戶持續(xù)提供供能保障和技術(shù)支持。