淺析空心圓盤槳葉干燥機運行過程中出現(xiàn)的問題及處理措施

劉玉潭

(恒力石化(大連)煉化有限公司,遼寧大連 116300)

恒力石化(大連)煉化有限公司(簡稱恒力煉化)煤制氫氣化車間一共設(shè)有6臺四噴嘴氣化爐,采用5開1備的運行方式,每天消耗原料煤16 000 t,能產(chǎn)生2 000 t(濕基)左右廢渣。其中,1 200 t為粗渣,經(jīng)破渣機破碎后被鎖斗收集,排入撈渣機;另外800 t為細灰,被激冷水洗滌后形成氣化黑水進入閃蒸系統(tǒng),經(jīng)高壓、低壓及真空三級閃蒸、絮凝沉降后送至真空過濾機進行脫水。經(jīng)過真空過濾機脫水后的細灰一般含水質(zhì)量分數(shù)在45%～60%,可燃物質(zhì)量分數(shù)在18%左右。目前,恒力煉化這部分細灰的主要處理方式是使用翻斗車運送至廠外填埋。而在運輸過程中,由于細灰含水量大,極易造成灰渣溢出車斗,造成環(huán)境污染[1]。因此,若有一種設(shè)備可以蒸發(fā)細灰中水分,使干燥后的細灰送入電廠鍋爐摻燒,不僅可以減少環(huán)境污染,而且可以回收細灰中的殘?zhí)肌?/p>

恒力煉化真空過濾裝置一共設(shè)有6臺空心圓盤槳葉干燥機,其中4臺換熱面積為320 m2的空心圓盤槳葉干燥機(簡稱小干燥機)為中建五洲工程裝備有限公司生產(chǎn),2臺換熱面積為420 m2的空心圓盤槳葉干燥機(簡稱大干燥機)為天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司生產(chǎn)。6臺空心圓盤槳葉干燥機全部運行,每天可處理約500 t細灰,處理后的細灰被送至電廠鍋爐進行摻燒,運送至廠外的細灰大大減少,細灰中的殘?zhí)嫉靡曰厥?環(huán)境也得到改善。

1 空心圓盤槳葉干燥機概況

1.1 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

空心圓盤槳葉干燥機主要由機身、空心熱軸、傳動系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭、殼體、刮刀和抄板等組成(見圖1)。

圖1 干燥機結(jié)構(gòu)

空心圓盤和轉(zhuǎn)動的空心熱軸組成的轉(zhuǎn)子是圓盤槳葉干燥機的核心結(jié)構(gòu),干燥機共有58片圓盤,每片圓盤邊緣安裝12片抄板(也稱推料板),抄板與圓盤呈45°夾角安裝,圓盤轉(zhuǎn)動時,抄板能逐漸將物料推向出料一端。每片圓盤與圓盤之間都安裝1根斜邊長度為550 mm、厚度為14 mm的鈍型刮刀,可刮掉夾在圓盤之間的物料,防止物料架橋,確保換熱面的更新。干燥機殼體采用蜂窩夾套結(jié)構(gòu),低壓蒸汽通過轉(zhuǎn)子圓盤和殼體夾套間接加熱物料,達到干燥的目的。

干燥機主要參數(shù)見表1。

表1 干燥機主要參數(shù)

1.2 工藝流程

從上游真空過濾機來的細灰(水分質(zhì)量分數(shù)為45%～60%)通過螺旋輸送機經(jīng)干燥機進料口進入干燥機,飽和蒸汽通過干燥機空心熱軸、空心葉片和夾套將熱量傳遞給物料,物料中的濕基受熱蒸發(fā),同時物料被干燥(水分質(zhì)量分數(shù)為15%～20%),干燥的物料在抄板的推動下,逐漸向出料口運動,最后從出料口出干燥機,進入下道工序[2]。

低壓蒸汽通過調(diào)節(jié)閥調(diào)整到所需的壓力后進入干燥機夾套和空心熱軸內(nèi)加熱物料,換熱后的蒸汽通過疏水閥排入凝液系統(tǒng)。

由于干燥尾氣中夾帶細粉較多,故設(shè)置尾氣洗滌系統(tǒng)。單套尾氣洗滌系統(tǒng)由1臺洗滌塔、2臺循環(huán)水泵、1臺換熱器、2臺引風(fēng)機組成。來自干燥機的尾氣通過干燥機風(fēng)管,從洗滌塔中部進入,尾氣進入洗滌塔后,經(jīng)過5層塔盤,與自上而下的洗滌水相向而行,尾氣中的灰塵被洗滌水去除。殘存的不凝氣經(jīng)過洗滌塔頂部的除沫器后排出洗滌塔。洗滌塔底部設(shè)有排放閥,當(dāng)液位超過90%時,閥門打開,排出多余的凝結(jié)水與洗滌出的細灰。當(dāng)液位達到80%時,排放閥關(guān)閉[3]。

每臺洗滌塔設(shè)置2臺并聯(lián)的引風(fēng)機用來抽吸洗滌后的尾氣,引風(fēng)機入口設(shè)置積液器,積液器底部設(shè)有排放閥定期排放收集的凝結(jié)水,防止凝結(jié)水帶入風(fēng)機。

每臺洗滌塔設(shè)置2臺循環(huán)水泵,泵入口設(shè)置在洗滌塔側(cè)面底部,泵出口設(shè)置在洗滌塔第二層塔盤上方。循環(huán)水泵出口設(shè)置循環(huán)水冷卻器,1開1備,將洗滌水冷卻至50 ℃以下進入洗滌塔,洗滌尾氣的同時,也將尾氣中的濕分凝結(jié)。干燥機工藝流程見圖2。

圖2 干燥機工藝流程

2 經(jīng)濟效益分析

單臺大干燥機處理質(zhì)量流量原設(shè)計為249.6 t/d,實際處理質(zhì)量流量為150 t/d;單臺小干燥機處理質(zhì)量流量原設(shè)計為192 t/d,實際處理質(zhì)量流量為120 t/d。6臺干燥機實際總處理質(zhì)量流量為780 t/d,每年按運行330 d計算,則總處理質(zhì)量流量為257 400 t/a。

被干燥的細灰經(jīng)測算平均熱值為8 373.6 kJ,1 t標準煤熱值為29 307.6 kJ,1 t細灰可折合動力煤0.29 t。故每年可節(jié)約動力煤73 542 t。動力煤按800元/t計算,則每年可節(jié)省5 883.36萬元。

單臺干燥機額定功率為110 kW,正常輸入功率為55 kW,每年按330 d計算,則6臺干燥機用電量為2 613 600 kW·h,按電單價為0.43元/(kW·h)計算,每年消耗電費1 123 848元。

為6臺干燥機輸送物料的螺旋輸送器共16臺,其中4臺額定功率為7.5 kW,正常輸入功率為4.8 kW,其余12臺額定功率為11 kW,正常輸入功率為6 kW。每年按330 d計算,則16臺螺旋輸送器每年消耗電量為722 304 kW·h,按電單價為0.43元/(kW·h)計算,每年消耗電費310 590.72元。

單臺引風(fēng)機額定功率為90 kW,單臺循環(huán)水泵額定功率為30 kW,單臺凝液泵額定功率為15 kW,查各電機性能曲線可得正常運行引風(fēng)機功率為60 kW,循環(huán)水泵功率為20 kW,凝液泵功率為10 kW,每年按330 d計算,可計算出每年消耗電量712 800 kW·h,按電單價為0.43元/(kW·h)計算,每年消耗電費306 504元。

單臺小干燥機消耗蒸汽質(zhì)量流量4 t/h,單臺大干燥機消耗蒸汽質(zhì)量流量7.5 t/h,每年按330 d計算,可計算出6臺干燥機每年消耗蒸汽質(zhì)量245 520 t,蒸汽單價按83元/t計算,則每年消耗蒸汽費用2 203.7萬元。

綜上可得,6臺干燥機平穩(wěn)運行每年可節(jié)省3 505萬元,更重要的是減少了翻斗車向廠外運輸灰渣造成的環(huán)境污染。

3 運行期間存在問題及處理措施

3.1 干燥機入料口堵塞

干燥機原設(shè)計進口設(shè)置1臺旋轉(zhuǎn)給料閥,原理是采用電機作為驅(qū)動裝置,閥體內(nèi)裝有葉輪,通過葉輪的旋轉(zhuǎn)來均速、定量給料[4]。但是根據(jù)實際運行分析,旋轉(zhuǎn)給料閥由于入料口狹窄,多次發(fā)生灰渣堵塞,不僅造成現(xiàn)場工作量加大,環(huán)境衛(wèi)生難以維持,而且干燥機的進料不連續(xù),影響干燥機效率。

經(jīng)過仔細分析研究,最終決定去除旋轉(zhuǎn)給料閥,改為上料設(shè)備螺旋輸送機直接進料,入料口位置從干燥機本體移至上蓋(見圖3),且進料口增加網(wǎng)孔為100 mm×100 mm的篦子板,防止大型異物進入干燥機。經(jīng)過改造以后,問題徹底解決,再未發(fā)生干燥機進料口堵塞現(xiàn)象。

圖3 更改后進料口

3.2 刮刀損壞

干燥機刮刀的安裝位置在圓盤與圓盤之間,作用是及時撥去附著在圓盤上的灰渣,以確保換熱面的更新。當(dāng)刮刀損壞后,圓盤之間堵滿灰渣,換熱面無法更新,不能有效將熱量傳遞給物料,會造成干燥機效率大幅下降。經(jīng)過測量,相鄰圓盤上抄板之間距離只有65 mm(見圖4),所以刮刀的運行空間只是一個寬度為65 mm的圓圈,由于刮刀行進空間狹小,而正常運行時干燥機內(nèi)部溫度變化會使刮刀輕微形變,當(dāng)形變量達到刮刀與抄板相碰撞的時候,就會導(dǎo)致刮刀損壞。當(dāng)有1片刮刀掉落,經(jīng)過抄板推動向下游移動,卡在圓盤之間會使下游刮刀變形,故刮刀損害一般都是成排的。

圖4 刮刀運行空間

經(jīng)過研究,具體改造為:首先,將刮刀厚度由原來的14 mm更改為18 mm,較厚的刮刀能夠減小因溫度變化而發(fā)生的形變;其次,在安裝刮刀過程中,刮刀與兩側(cè)圓盤的安裝距離比應(yīng)為5∶3,因為干燥機在高溫運行時,轉(zhuǎn)子會向出料端方向膨脹12 mm左右,故刮刀與入料端圓盤距離應(yīng)比與出料端圓盤距離大,以保證在高溫運行時刮刀在相鄰兩片圓盤的中心,減少刮刀與抄板碰撞的可能;最后,刮刀安裝后應(yīng)空轉(zhuǎn)試機,確認刮刀與抄板沒有相碰撞的情況。另外,應(yīng)強調(diào)員工精心操作,確保細灰入料與蒸汽壓力的穩(wěn)定,防止因干燥機介質(zhì)波動對溫度產(chǎn)生較大的影響,從而導(dǎo)致刮刀形變。督促員工加強巡檢,現(xiàn)場若出現(xiàn)異響振動應(yīng)及時匯報,防止事故擴大。

3.3 干燥機效率下降

隨著干燥機運行時間增加,其出灰量會逐漸減少,效率逐漸下降。這種情況下若是按正常負荷進料,經(jīng)分析產(chǎn)出物含水質(zhì)量分數(shù)在40%以上,遠高于15%～20%的指標。而且細灰在含水質(zhì)量分數(shù)為40%左右的時候,黏性較大,容易成團,附著在干燥機圓盤和內(nèi)壁上,致使空心軸扭矩增加,電流逐漸升高甚至超標,非常容易產(chǎn)生事故。

干燥機效率下降的原因是在運行期間圓盤上會逐漸附著細灰顆粒,隨著運行時間增加,細灰顆粒越積越多形成垢片(見圖5),較厚的垢片阻擋了熱量傳遞,物料吸收熱量少,內(nèi)部水分無法蒸發(fā),導(dǎo)致出料含水量高,只能逐漸減少進料量以維持運行,這個周期一般在1個月左右。

圖5 干燥機清洗前

解決方法為定期對干燥機內(nèi)件進行機械清洗。一般在干燥機運行30 d左右,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,對干燥機泄壓降溫,進行機械清洗。機械清洗是利用柴油機帶動增壓泵,將水增壓到100 MPa,利用高壓水槍對圓盤上的垢片進行清除,清洗后能去除大部分垢片(見圖6),增加熱量傳遞。

圖6 干燥機清洗后

5#干燥機出灰量統(tǒng)計折線圖見圖7。由圖7可以看出:2022年5月9日清洗前干燥機每天出灰量逐漸下降,5月13日清洗后干燥機出灰量恢復(fù)正常水平。

圖7 5#干燥機出灰統(tǒng)計折線圖

3.4 中心熱軸變形

2022年7月27日,5#干燥機結(jié)束機械清洗,開始暖機。17:00:00左右,溫度升至160 ℃,現(xiàn)場出現(xiàn)規(guī)律性刮蹭聲響。隨著時間推移,噪聲越來越大,且伴隨減速機劇烈振動,中央控制室顯示電流波動逐漸增大(見圖8)。聯(lián)系設(shè)備工程師現(xiàn)場檢查,經(jīng)百分表測量,顯示中心軸跳動值為2.5 mm,遠遠超過規(guī)定值(0.3 mm)。綜合判斷,5#干燥機中心熱軸已彎曲變形,無法正常運轉(zhuǎn)。

圖8 干燥機電流

干燥機中心熱軸長度為13 m,質(zhì)量為60 t,材質(zhì)內(nèi)部為碳鋼,外表包裹2205雙相鋼防腐。由于干燥機中心熱軸自身重且長,若平時運行不注意保護,就可能造成中心熱軸彎曲變形,甚至斷裂,致使干燥機壽命縮短。恒力煉化6臺干燥機均出現(xiàn)過中心熱軸變形事故,運行時間長則1.5 a,短則0.5 a。根據(jù)運行經(jīng)驗,總結(jié)以下3點預(yù)防措施:

(1) 避免進料過多。若干燥機進料口進料過多,無法與出料量達成平衡,干燥機內(nèi)部細灰會越積越多,大量的細灰由于不能平均受熱,內(nèi)部水分無法蒸發(fā),致使黏性變大,粘在圓盤與殼體上,造成中心熱軸扭矩增大,電流增高。就算此時停止干燥機進料,也需要1 h以上才能將干燥機內(nèi)部物料全部轉(zhuǎn)出。而經(jīng)常性地進料出料不平衡會造成中心熱軸金屬疲勞,是中心熱軸彎曲變形的誘因。

(2) 避免暖機過快。每次檢修清洗結(jié)束后,干燥機需要暖機達到運行溫度才能進料。暖機過程應(yīng)該保持升溫速率恒定,避免升溫速率過快。由于中心熱軸受熱會產(chǎn)生膨脹,急速的升溫會導(dǎo)致中心熱軸快速膨脹且不均勻,造成中心熱軸受損。2022年7月27日5#干燥機中心熱軸變形問題就是暖機過快造成的。針對干燥機暖機問題,在每臺干燥機蒸汽閥組處增加DN25暖機管線,通過減小管徑來降低蒸汽流量,拉長暖機時間。同時,小管徑閥門易操作、精確、更換簡單。技改后,未發(fā)生因暖機快造成設(shè)備損壞。

(3) 避免進入異物。螺旋輸送器部件掉落或者其他異物通過干燥機進料口進入干燥機,卡在圓盤之間,阻擋刮刀的運行路徑,異物與刮刀相碰瞬間,干燥機中心熱軸扭矩增加,電流增高。集散控制系統(tǒng)(DCS)顯示電流曲線呈心電圖樣式,由于金屬在高溫情況下,屈服強度會有所下降,經(jīng)常如此容易造成中心熱軸受損,故異物進入干燥機也是中心熱軸變形的誘因。

4 結(jié)語

空心圓盤槳葉干燥機是氣化裝置渣水處理的一種新型設(shè)備,通過對干燥機的運行分析、技術(shù)改造,以及提高操作管理,真空過濾系統(tǒng)目前運行比較穩(wěn)定,干燥機的運行穩(wěn)定為水煤漿氣化細灰處理提供了一種新方法。通過該設(shè)備干燥后的細灰被送入電廠鍋爐摻燒能充分回收細灰中的殘?zhí)?減少運輸車外運,有效降低對環(huán)境的污染,電廠鍋爐摻燒細灰從而降低燃料煤的使用量,也給公司帶來實際的成本節(jié)約。