干熄焦旋風(fēng)式一次除塵器的實(shí)際應(yīng)用

趙青玉

（北京中日聯(lián)節(jié)能環(huán)保工程技術(shù)有限公司，北京 100040）

隨著干熄焦技術(shù)的不斷發(fā)展，干熄焦工藝在國(guó)內(nèi)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及獨(dú)立焦化企業(yè)得到了大力推廣，目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的干熄焦裝置達(dá)200余套。一次除塵器作為干熄焦循環(huán)系統(tǒng)重要的初級(jí)除塵設(shè)備，對(duì)干熄焦余熱鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行、循環(huán)系統(tǒng)壓力計(jì)算、循環(huán)風(fēng)機(jī)規(guī)格選型等起到了決定作用。一次除塵器運(yùn)行是否良好，設(shè)計(jì)是否能達(dá)到除塵要求，都影響并制約著干熄焦裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)內(nèi)干熄焦一次除塵器多根據(jù)沉降分離的原理，對(duì)高溫?zé)煔庵械慕狗圻M(jìn)行收集，可分為沖擊反轉(zhuǎn)式（有擋墻）和自由沉降式（無(wú)擋墻）。近年來(lái)，陸續(xù)有設(shè)計(jì)單位將離心沉降工藝引入一次除塵器，形成了新型旋風(fēng)離心沉降式（簡(jiǎn)稱旋風(fēng)式）一次除塵器[1]。

本文總結(jié)了不同形式的干熄焦一次除塵器的除塵原理及存在的問(wèn)題，介紹了旋風(fēng)式一次除塵器在山西某焦化公司的應(yīng)用情況，可供同行企業(yè)借鑒與參考。

1 干熄焦的工藝原理及流程

干熄焦的核心原理為循環(huán)惰性氣體的兩次換熱過(guò)程。低溫（約130℃）惰性氣體在干熄爐內(nèi)與赤熱（約1 050℃）紅焦逆流進(jìn)行熱交換，形成的高溫（約980℃）惰性氣體在余熱鍋爐爐膛內(nèi)通過(guò)爐管管壁與管內(nèi)除鹽水進(jìn)行熱交換。鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽被送至汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，或經(jīng)減溫、減壓后，供蒸汽用戶使用。

干熄焦工藝流程：裝滿紅焦的焦罐由提升機(jī)送到干熄爐頂，通過(guò)爐頂裝入裝置將焦炭裝入干熄爐。焦炭在干熄爐中與惰性氣體進(jìn)行熱交換，并冷卻至200℃以下，經(jīng)排焦裝置卸至膠帶機(jī)上，送至后續(xù)運(yùn)焦系統(tǒng)。用于冷卻焦炭的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機(jī)通過(guò)干熄爐底部的鼓風(fēng)裝置鼓入干熄爐，與焦炭進(jìn)行換熱，從干熄爐出來(lái)的熱的惰性氣體經(jīng)一次除塵器除塵后進(jìn)入余熱鍋爐換熱，溫度降至約170℃，再經(jīng)二次除塵后由循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓，經(jīng)給水預(yù)熱器冷卻至≤130℃后，進(jìn)入干熄爐循環(huán)使用。

2 一次除塵器的除塵原理

一次除塵器設(shè)置在干熄爐與余熱鍋爐之間，用于去除焦炭與循環(huán)氣體換熱時(shí)所產(chǎn)生的高溫粉塵（粒徑1 mm以上的焦粉），保證進(jìn)入余熱鍋爐的高溫?zé)煔庵薪狗鄣馁|(zhì)量濃度在10 g/m3以下，從而減少對(duì)鍋爐爐管的沖刷，延長(zhǎng)鍋爐使用壽命，保證干熄焦裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 沖擊反轉(zhuǎn)式（有擋墻）

隨著干熄焦技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)鍋爐爐管磨損機(jī)理的深入研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)鍋爐爐管磨損起決定作用的是粒徑1 mm以上的焦粉。沖擊反轉(zhuǎn)式（有擋墻）除塵工藝原理示意圖見(jiàn)圖1。沖擊反轉(zhuǎn)式一次除塵器通過(guò)高溫膨脹節(jié)與干熄爐、余熱鍋爐連接，外殼為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，兩側(cè)設(shè)有檢修人孔，頂部設(shè)置蒸汽緊急放散裝置及溫度、壓力測(cè)量接管。由于從干熄爐出來(lái)的煙氣（含焦粉）溫度較高（約980℃），所以在除塵器內(nèi)部砌筑高強(qiáng)黏土磚及隔熱磚，襯磚與殼體之間鋪有隔熱纖維毯，頂部為拱頂結(jié)構(gòu)，并填充部分隔熱碎磚以保證耐高溫性。為提高除塵器的除塵效率，在其通道中設(shè)置了耐材砌體結(jié)構(gòu)的擋墻。高溫循環(huán)氣體夾帶著焦粉從干熄爐出口流向擋墻，焦粉與擋墻沖擊失速后靠自重落至下部焦粉倉(cāng)，氣流沿著擋墻進(jìn)行反轉(zhuǎn)，同時(shí)將部分粒徑較小的焦粉吹起，進(jìn)入余熱鍋爐。擋墻設(shè)置位置及砌體施工質(zhì)量直接影響其除塵效率。該類型一次除塵器已在干熄焦裝置中應(yīng)用，但多次發(fā)生擋墻倒塌的事故，使得除塵效率降低，加速了鍋爐爐管的磨損。

圖1 沖擊反轉(zhuǎn)式除塵工藝原理示意圖

2.2 自由沉降式（無(wú)擋墻）

為解決沖擊反轉(zhuǎn)式一次除塵器擋墻頻繁倒塌的問(wèn)題，同時(shí)降低由于設(shè)置擋墻帶來(lái)的整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失，開(kāi)發(fā)了自由沉降式（無(wú)擋墻）一次除塵器，其除塵工藝原理示意圖見(jiàn)圖2。該類型一次除塵器不設(shè)置擋墻，完全靠焦粉的自重進(jìn)行沉降（類似拋物線運(yùn)動(dòng)）。為了最大程度地收集焦粉，焦粉倉(cāng)的位置與沖擊反轉(zhuǎn)式一次除塵器相比，離干熄爐出口更遠(yuǎn)，更靠近余熱鍋爐入口。

圖2 自由沉降式除塵工藝原理示意圖

自由沉降式一次除塵器可以最大程度地收集粒徑1 mm以上的焦粉，從而確保不會(huì)對(duì)余熱鍋爐爐管造成嚴(yán)重磨損，同時(shí)可優(yōu)化氣體循環(huán)系統(tǒng)的壓力分布、降低風(fēng)機(jī)壓頭、避免擋墻倒塌事故的發(fā)生。國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的采用自由沉降式一次除塵器的干熄焦項(xiàng)目，經(jīng)實(shí)踐表明，可完全滿足余熱鍋爐正常運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求。

2.3 新型旋風(fēng)離心沉降式

旋風(fēng)式除塵工藝原理示意圖見(jiàn)圖3，旋風(fēng)式一次除塵器主要由殼體內(nèi)/外筒、入/出口管道組成，除塵時(shí)高溫循環(huán)氣體（含焦粉）在殼體內(nèi)外筒壁間呈螺旋狀由上向下運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)殼體內(nèi)筒排出，之后進(jìn)入余熱鍋爐[2]。

圖3 旋風(fēng)式除塵工藝原理示意圖

旋風(fēng)式一次除塵器利用高溫?zé)煔庠陔x心運(yùn)動(dòng)時(shí)，焦粉撞擊外筒內(nèi)壁而失速沉降的原理，將進(jìn)入余熱鍋爐前的煙氣含塵量降至最小值（理論目標(biāo)質(zhì)量濃度為1 g/m3）。隨著進(jìn)入余熱鍋爐焦粉濃度的降低，可以大幅減少或取消余熱鍋爐的防磨措施，還可以延長(zhǎng)余熱鍋爐的使用壽命。同時(shí)由于磨損大幅降低，可以適當(dāng)提高余熱鍋爐的煙氣流速，從而減小余熱鍋爐的斷面尺寸及占地面積，降低投資成本。另外，由于在一次除塵后焦粉質(zhì)量濃度已經(jīng)達(dá)到了1 g/m3（除塵效率可達(dá)90%[3]），因此可以取消二次除塵器（多管旋風(fēng)），進(jìn)一步降低設(shè)備投資。從離心沉降的原理出發(fā)，旋風(fēng)式一次除塵器外形須采用圓形筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部耐高溫耐材部分仍采用襯磚，設(shè)備內(nèi)部采用噴涂澆注料工藝。

3 除塵工藝存在的問(wèn)題及對(duì)比

3.1 存在的問(wèn)題

3.1.1 沖擊反轉(zhuǎn)式（有擋墻）

沖擊反轉(zhuǎn)式（有擋墻）一次除塵器在干熄焦裝置運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)發(fā)生擋墻倒塌，造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)、除塵效率差、一次除塵器灰斗堵塞等，主要原因如下[4]：（1）設(shè)計(jì)存在缺陷。擋墻為單磚砌體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有兩處膨脹縫，干熄焦升、降溫后擋墻會(huì)出現(xiàn)一些縫隙，再次運(yùn)行時(shí)隨著高溫氣體的不斷沖刷，會(huì)導(dǎo)致縫隙周圍襯磚的火泥脫落，久而久之出現(xiàn)掉磚現(xiàn)象，從而導(dǎo)致?lián)鯄Φ顾＃?）耐材施工存在問(wèn)題。在除塵器耐材砌筑施工時(shí)，未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行火泥選定、錨固件材質(zhì)選型及襯磚施工，為投產(chǎn)運(yùn)行后火泥燒結(jié)不完全或失效、錨固件脫落、氣體受力結(jié)構(gòu)失效埋下隱患。（3）操作水平較低。擋墻處于干熄焦循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓區(qū)，當(dāng)干熄爐預(yù)存段壓力控制波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)直接在擋墻上產(chǎn)生波動(dòng)推力，反復(fù)受到推力作用會(huì)發(fā)生擋墻倒塌。

3.1.2 自由沉降式（無(wú)擋墻）

自由沉降式（無(wú)擋墻）一次除塵器兩側(cè)立墻外傾的情況較為普遍，尤其是立墻上部多點(diǎn)外傾超過(guò)50 mm（根據(jù)維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要重新砌筑），甚至立墻整體移位。雖然對(duì)立墻采取了加強(qiáng)拉固手段，但施工過(guò)程中一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤（如托磚板或磚鉤未安裝），砌體在升溫過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)輕微外傾現(xiàn)象，一旦砌體與除塵器殼體之間出現(xiàn)縫隙，高溫氣體便沿著縫隙不斷沖刷。在這個(gè)過(guò)程中，不斷有焦粉堆積在砌體與殼體之間的縫隙處，并產(chǎn)生向外的推力，造成爐墻不可逆轉(zhuǎn)地外傾，直至傾斜[5]。

3.1.3 新型旋風(fēng)離心沉降式

當(dāng)干熄焦排焦量降低、循環(huán)風(fēng)量減少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)式一次除塵器的除塵效率降低，可打開(kāi)空氣（或燃料）導(dǎo)入管，向旋風(fēng)式一次除塵器入口導(dǎo)入空氣（或燃料），通過(guò)燃燒氣體中的可燃性成分及焦粉（或燃料）使氣體溫度及流量上升，保證旋風(fēng)式一次除塵器入口煙氣的溫度及流量，從而保證其除塵效率。當(dāng)氣體溫度超過(guò)800℃時(shí)，打開(kāi)旁通氣體管，通過(guò)向除塵器入口導(dǎo)入低溫旁通氣體，將氣體溫度控制在800℃以下。

3.2 除塵工藝對(duì)比

不同除塵工藝對(duì)比見(jiàn)表1。

4 旋風(fēng)式一次除塵器的應(yīng)用

山西某焦化公司65萬(wàn)t/a焦化項(xiàng)目配套建設(shè)的85 t/h干熄焦裝置于2017年7月投產(chǎn)運(yùn)行，一次除塵器采用旋風(fēng)式，為國(guó)內(nèi)首次使用。

4.1 高除塵效率驗(yàn)證

由于干熄焦循環(huán)煙氣溫度較高（約980℃），所以在鍋爐出口（約180℃）及二次除塵器出口（約160℃）進(jìn)行焦粉濃度測(cè)定。2018年，干熄焦裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)鍋爐出口及二次除塵器出口的焦粉濃度分別見(jiàn)表2、表3。由表2、表3可知，鍋爐出口焦粉質(zhì)量濃度降到了400 mg/m3以下，可滿足進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)前達(dá)到1 g/m3以下的工藝要求；二次除塵器出口焦粉質(zhì)量濃度在300 mg/m3以下，其除塵量幾乎可以不考慮（未采用旋風(fēng)式一次除塵器的干熄焦工程，二次除塵器出口的焦粉質(zhì)量濃度一般在300 mg/m3～500 mg/m3）。

4.2 存在的問(wèn)題及對(duì)應(yīng)措施

旋風(fēng)式一次除塵器在高效率除塵的同時(shí)，也帶來(lái)一些新的問(wèn)題：（1）由于首次采用旋風(fēng)式一次除塵器，考慮到干熄焦整體工藝的安全性及穩(wěn)定性，未同步對(duì)鍋爐進(jìn)行相應(yīng)改造（鍋爐煙氣流速仍按以往的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，約7 m/s）；（2）一次除塵后，90%以上的大粒徑焦粉都被收集，進(jìn)入鍋爐爐膛煙氣中焦粉的粒徑變小，造成焦粉附著在鍋爐過(guò)熱器爐管內(nèi)（在原有煙氣流速下，無(wú)法將焦粉沖刷掉），隨著焦粉的不斷附著，鍋爐爐管的換熱性變差。

針對(duì)以上問(wèn)題，先后采取了鍋爐超聲波清灰、氮?dú)馀诖祾叩却胧纳菩Ч幻黠@。經(jīng)多次試驗(yàn)性操作，最后采用氣力輸灰將一次除塵器的焦粉吹入鍋爐入口（每天1次、每次5 s），利用大粒徑焦粉沖刷鍋爐過(guò)熱器爐管，去除附著的焦粉[6]。經(jīng)過(guò)3年的跟蹤觀察，通過(guò)對(duì)鍋爐過(guò)熱器爐管壁厚進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)爐管的磨損并未加快。

4.3 改進(jìn)方向

根據(jù)該干熄焦工程的實(shí)際運(yùn)行情況，下一步將實(shí)施減小鍋爐爐膛截面、調(diào)整鍋爐爐管間隙等措施，在保證鍋爐壽命的前提下，逐漸降低鍋爐的一次投資成本；通過(guò)模擬煙氣焦粉對(duì)爐管的附著，找到一個(gè)最佳的煙氣流速設(shè)計(jì)值。此外，鑒于旋風(fēng)式一次除塵器的高除塵效率，在后續(xù)推廣中將取消二次除塵器，進(jìn)一步優(yōu)化總圖布置、降低設(shè)備一次投資。

5 結(jié) 語(yǔ)

干熄焦項(xiàng)目采用旋風(fēng)式一次除塵器后，除塵效率高，一次除塵就能實(shí)現(xiàn)常規(guī)干熄焦重力沉降式一次除塵器與二次除塵器兩級(jí)除塵才能達(dá)到的效果，保證進(jìn)入鍋爐焦粉的質(zhì)量濃度在1 g/m3以下，改善鍋爐爐管的磨損情況；可取消原工藝流程中的二次除塵器，使得整體布置更緊湊、整體系統(tǒng)更優(yōu)化，還可以減少占地及設(shè)備投資，為后續(xù)干熄焦余熱鍋爐的小型化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。