噴淋洗滌塔在石灰窯頂除塵治理中的應用

張銘洋,郭志剛,李曉光,李勝男,陳 星

(唐山三友化工股份有限公司,河北唐山 063305)

我車間10臺石灰窯所產生的窯氣在滿足正常生產使用的情況下,大約有14 000～21 000 m3/h的富余量,粉塵含量400～700 mg/m3。石灰窯上料過程中料盅頻繁開啟,導致窯氣外溢造成粉塵污染[1]。自2004年開始,我車間就著手窯頂除塵治理工作,先后引入以布袋除塵器為主的干法除塵系統和以洗滌塔、靜電除塵器為組合的濕法除塵系統,并取得了良好的使用效果,消除了窯頂粉塵外溢的環保風險。

1 干法除塵系統應用

2004年我車間引入干法除塵系統,由布袋除塵器、配套的風機、窯頂復線和廢灰倉組成。布袋除塵器通過窯頂復線與石灰窯窯頂相連接,泄漏的窯氣從窯頂經窯氣復線進入布袋除塵器內,經過除塵凈化后的窯氣由風機出風口排出,廢灰進入廢灰倉。

由于石灰石和焦炭內部含有一定的水分以及在運輸上料過程中經貨場噴淋除塵作用下導致石灰石和焦炭中混有大量的水分,石灰石和焦炭經石灰窯煅燒后產生的窯氣含濕量過高,并主要引發以下兩種問題現象:

1)窯氣含濕量大,布袋表面易形成絮狀結疤且不易在除塵器噴吹作用下掉落,嚴重的還會發生“糊袋”現象。尤其是冬季環境氣溫較低和夏季溫度較高時[2],布袋結露現象更為嚴重,從而使除塵器除塵效率和能力大大下降。同時還會增加系統運行阻力、風機的運行負荷及能耗,需要頻繁更換布袋來解決問題,檢修強度和費用支出較大。

2)窯氣中的水蒸氣冷凝后由氣態形成液態后進入到除塵風機中,長期運行會導致風機葉輪、軸及殼體等部件的腐蝕,并加速葉輪結疤導致葉輪失衡,同時風機進出口各法蘭接口處發生滴漏現象,檢修及崗位清理工作頻繁。

2 濕法除塵系統應用

為了提高設備穩定運行周期,降低檢修強度及費用支出,在2018年增加了石灰窯窯頂濕法除塵系統,即窯氣洗滌塔與濕式靜電除塵的二級除塵組合,如圖1所示。本系統中包含3臺篩板洗滌塔、2臺濕式靜電除塵器和3臺除塵風機以及各附屬管線等。

圖1 濕法除塵系統工藝流程圖

篩板洗滌塔內部設有三層搭接組成的篩板裝置,每層篩板滿布φ6通孔,如圖2所示。在使用過程中,氣體自上而下穿過篩板及篩板上的液層,通過氣體的鼓泡使窯氣中的粉塵得到洗滌凈化。

圖2 篩板洗滌塔及篩板結構示意圖

相較于干法除塵系統,濕法除塵系統中各設備的使用周期得到明顯提升,窯頂除塵治理效果更加明顯,但是也出現了窯頂復線易堵塞、靜電除塵器“放電”運行周期短,運行周期為1～2個月,以及石灰窯窯頂仍存在冒煙的現象等問題。

當洗滌塔的篩板堵塞后,系統的風量、管道內的氣體流速會明顯降低,管道堵塞現象更加凸顯,窯頂冒煙以及靜電除塵器“放電”的現象會明顯加劇。經分析判斷,我們得出的結論是:篩板洗滌塔的結構不適合我車間目前的生產環境,篩板易堵塞導致洗滌塔的除塵能力與效率降低,并且會導致整套系統的氣體流速降低,致使窯氣復線內部結疤堵塞較快。為此,我們決定將篩板洗滌塔改為具有除塵效率穩定、系統阻力小、氣液交換充分、節能等優勢的噴淋洗滌塔。

3 噴淋洗滌塔的應用

3.1 與篩板洗滌塔相比,噴淋洗滌塔的優點

1)內部構件少、質量輕。與篩板洗滌塔相比,噴淋洗滌塔內部用噴淋管替代篩板裝置,構件少,安裝方便,且安裝精度要求相對較低。

2)內部構件結疤可能性較低,運行阻力小。噴淋管代替塔盤裝置,改變了氣體以鼓泡的形式通過塔盤裝置液層,降低了系統運行阻力。同時,也避免了塔盤裝置篩板小孔由于水中雜質或窯氣中的粘性固體顆粒堆積,造成塔盤裝置結疤堵塞等導致系統運行阻力上升、除塵能力下降等問題。

3)采用多層霧化過濾工藝,使得氣液交換充分,除塵效率穩定。

3.2 與篩板洗滌塔相比,噴淋洗滌塔的缺點

噴淋洗滌塔一般采用較小的氣液比即可達到使用要求,所選擇的噴嘴規格也相對較小,當沖洗水中雜質較多或顆粒較大時,容易造成噴嘴及管道堵塞的現象。為了保證設備穩定運行,需定期進行檢查、清理。

3.3 噴淋洗滌塔的選用

綜合我車間生產窯氣富余量、場地空間、沖洗水中含有腐蝕性介質以及采購成本等因素,我車間選用的噴淋洗滌塔規格為φ2200×8353,塔體整體選用鋼襯PO的結構形式(8 mm碳鋼鋼體+6 mmPO內襯),塔內件全部選用316L不銹鋼材質。內部主要構件包括:除霧器沖洗裝置、除霧器、窯氣除塵噴淋裝置、氣體分布器和進氣管。詳見圖3。

圖3 噴淋洗滌塔結構示意圖

除霧器沖洗裝置:本沖洗裝置位于洗滌塔頂部,共包含4組均布的1/2′螺旋霧化噴嘴,主要用于除霧器沖洗,防止除霧器結疤堵塞。外部與沖洗水主管道連接,管道上次設有電動球閥、過濾器和電磁流量計,通過DCS遠程控制電動球閥開關定時對除霧器進行沖洗清理,防止除霧器因結疤導致堵塞,通過流量計進行水量實施監測并進行調節控制。

除霧器:我們所選的除霧器為ME折線型三通道結構,具有結構簡單、易于沖洗、除霧效率高且板片臨界速度較高的特點。除霧器位于洗滌塔靠近頂部、窯氣噴淋裝置下部位置。主要作用是利用水膜分離原理,液滴由于慣性與除霧器板片發生碰撞實現氣水分離,高效捕獲窯氣中漿液霧滴,最大限度的減少窯氣中的漿液含量,對下游設備穩定運行有著重要作用[3],結構及工作原理詳見圖4。

圖4 除霧器結構及工作原理

窯氣除塵噴淋裝置:包括三層相同的噴淋裝置,我們選用的噴淋裝置主要為3/8′螺旋霧化噴嘴和沖洗水管道,螺旋霧化噴嘴具有耐腐蝕性強、耐磨性好、不易堵塞且霧化效果好的優點[4]。3層噴淋裝置縱向等間距分布于除霧器與氣體分布器之間,通過噴嘴的規格(主要是噴射角度、水壓、水量等)確定噴嘴的數量及沖洗水管道管徑,從而使的每層噴淋裝置的沖洗水能夠全覆蓋洗滌塔的橫截面,橫向按等角度α=20°錯開排列布置,使所有噴嘴在洗滌塔橫截面內分布均勻,在選擇α的角度值時,應綜合考慮噴射角、噴嘴數量、水壓等因素,從而使沖洗水在洗滌塔內盡量均勻,避免因水量不均而影響氣體在洗滌塔內的分布。外部與沖洗水主管道連接,管道上次設有調節閥、過濾器和電磁流量計,根據石灰窯頂壓、系統抽氣量等參數變化,判斷系統風量變化,通過DCS遠程控制調節閥開度以及流量計檢測,進行水量調節。窯氣除塵噴淋裝置布置示意圖詳見圖5,其中C1-C2、C3-C4、C5-C6分別為3層相同的噴淋裝置,結構詳見圖6。

圖5 窯氣除塵噴淋裝置布置示意圖

圖6 噴淋裝置結構示意圖

氣體分布器:設在進氣管緊上方,結構為呈正三角形排列的φ80圓形通孔,我們所選用的氣體分布器開孔率為進氣管截面積的2.5倍。其作用是將進入塔內的窯氣進行均布引流,使窯氣均勻分布到整個洗滌塔內部,提高氣液接觸面積并使氣液接觸均勻,從而提高除塵效果。

進氣管:DN900的進氣管設在洗滌塔下部位置,出氣口在塔中心位置,目的是使氣流從塔中央向四周均勻分布,使塔內氣流均勻,必要時也可增加氣體分布帽。

4 效果查定及工作方向

目前,我們已經完成對濕法除塵系統3臺窯氣洗滌塔的全部改型更換工作,并取得了良好的效果。近1年內,在生產產量、化工操作相同的條件下,未出現窯頂復線結疤堵塞現象,且石灰窯窯頂冒煙次數大幅下降。

洗滌塔改型前后進口含塵濃度基本相同,洗滌塔改型后出口(即靜電除塵器進口)含塵濃度均低于300 mg/m3,達到了靜電除塵器的設計工作能力要求;系統風量及氣體流速大幅提升;用水量增加12 m3/h;洗滌塔除塵效率由84.5%提高至91.7%,靜電除塵器運行周期由1～2個月提高至4個月。

表1 洗滌塔改型前后檢測數據

下一步,我們的工作方向有兩點,一是著手研究改造噴淋洗滌塔的窯氣除塵噴淋裝置,通過增加沖洗水管道內水壓和降低螺旋霧化噴嘴的規格,在保證除塵效果和效率的前提下,降低用水量,達到節約水資源降低生產成本的目的;二是重點研究窯氣脫硝降碳排放技術,進一步提高企業綠色生產的能力。