粉煤熱解高溫油氣除塵工藝設(shè)計(jì)

劉 佳 張 興 上海電氣集團(tuán)國控環(huán)球工程有限公司 太原 030024

我國是一個富煤、貧油、少氣的國家。能源資源稟賦特點(diǎn)決定了煤炭在我國國民經(jīng)濟(jì)中的戰(zhàn)略主要地位，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用是建成資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的必經(jīng)之路[1]。因此，發(fā)展煤炭分級分質(zhì)梯級利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭能源的“高質(zhì)高用，低質(zhì)低用”，是我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。隨著采煤機(jī)械化的大范圍使用，粉煤率越來越高，不僅帶來安全隱患，還會造成二次污染。合理利用粉煤進(jìn)行低溫?zé)峤猓欠勖豪玫淖罴淹緩?，但是在粉煤低溫?zé)峤夥旨壏仲|(zhì)過程中，產(chǎn)生了含有大量細(xì)煤粉的高溫油氣，要想實(shí)現(xiàn)這些高溫油氣的有效利用，必須解決高溫油氣的除塵。

粉煤熱解過程中產(chǎn)生的含塵油氣溫度高、易相變，焦油冷卻會夾帶大量粉塵，不僅影響焦油產(chǎn)品質(zhì)量，而且焦油的流動性變差，導(dǎo)致設(shè)備及管道堵塞，無法實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行。粉煤熱解高溫油氣除塵已經(jīng)成為制約低階煤低溫?zé)峤饧夹g(shù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝要求

鑒于粉煤熱解工藝中粉塵含量大、熱解氣成分復(fù)雜、氣體溫度高、易相變等特點(diǎn)，需對粉煤熱解高溫油氣除塵工藝提出新要求：①保證氣固分離效果，才能保證油品質(zhì)量；②保證設(shè)備及濾材在450～600℃的高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行；③保證設(shè)備的溫降小，防止高溫油氣冷凝出現(xiàn)含塵焦油，粘附在除塵設(shè)備及管道上，導(dǎo)致過濾失效、設(shè)備管道堵塞；④對出現(xiàn)的輕度粘附現(xiàn)象，要有減輕其繼續(xù)富集的控制措施，防止設(shè)備堵塞；⑤保證設(shè)備的壓降小，降低生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用。

2 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝選擇

在實(shí)現(xiàn)高溫含油含塵可燃?xì)怏w的過濾除塵研究和實(shí)踐中，人們嘗試了很多辦法。目前能用于高溫狀態(tài)下氣固分離的技術(shù)主要有：高溫旋風(fēng)除塵、金屬濾芯除塵、陶瓷濾芯除塵、高溫靜電除塵和顆粒層過濾除塵。各種除塵技術(shù)有其自身的特點(diǎn)及適用范圍，現(xiàn)針對粉煤熱解高溫油氣除塵需求進(jìn)行分析。

旋風(fēng)分離器具有耐高溫、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造及安裝和維護(hù)管理、設(shè)備投資和操作費(fèi)用都較低等優(yōu)點(diǎn)，但其對細(xì)微顆粒的除塵效率低。而粉煤熱解氣中塵顆粒粒徑較小，旋風(fēng)除塵器無法滿足除塵精度，影響后續(xù)系統(tǒng)操作及油品質(zhì)量，只能作為預(yù)處理設(shè)備使用。

顆粒層過濾除塵器很好地解決了高溫下材料性能的問題，但其能耗高，工質(zhì)再生困難[2]。

高溫靜電除塵試驗(yàn)在500℃含油熱解煤氣氣氛中，除塵器除塵效率在61%～78%之間波動，運(yùn)行狀況良好[3]，但仍在中試試驗(yàn)階段。

金屬濾芯過濾器和陶瓷濾芯過濾器，采用微孔過濾形式，均具有除塵效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是運(yùn)行一段時間后，陶瓷濾芯相對金屬濾芯而言，更容易由于受到氣流的沖擊及熱應(yīng)力，出現(xiàn)斷裂、破損現(xiàn)象。國內(nèi)所有殼牌煤氣化裝置均發(fā)生過斷裂問題[4]。金屬濾芯以FeAl為材料，其強(qiáng)度高、塑性形變量大、通透性好，過濾壓差偏低[5]。

粉煤熱解高溫油氣中粉塵濃度高，因此設(shè)計(jì)中采用粗過濾+精過濾結(jié)合的方式。首先采用旋風(fēng)除塵器將大顆粒粉塵攔截，未被攔截的粉塵隨高溫油氣進(jìn)入金屬濾芯除塵器進(jìn)行精過濾。

3 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝描述

以外熱式回轉(zhuǎn)窯低溫?zé)峤鉃槔?，正常生產(chǎn)時，溫度450～550℃的含塵油氣首先進(jìn)入一級旋風(fēng)除塵器，沿除塵器外壁自上而下作螺旋形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將其中70%的提質(zhì)煤粉分離，再進(jìn)入二級旋風(fēng)除塵器分離出其中15%提質(zhì)煤粉，隨后含塵高溫油氣再進(jìn)入濾芯除塵器進(jìn)行精除塵。精除塵設(shè)備臺數(shù)根據(jù)過濾氣量進(jìn)行設(shè)計(jì)，單根金屬濾芯規(guī)格?60×2500mm，過濾風(fēng)速取1.0m/min。同時設(shè)置一臺備用除塵器。含塵高溫油氣進(jìn)入濾芯除塵器，利用微孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣固分離和氣體凈化，通過濾芯后的凈化高溫油氣進(jìn)入凈氣室，提質(zhì)煤塵被擋在濾芯外，形成一層濾餅，并作為過濾介質(zhì)，隨著濾餅層厚度不斷增加，適時開啟高溫氮?dú)饷}沖閥對濾芯進(jìn)行反吹，將濾芯外壁上的濾餅吹落，實(shí)現(xiàn)濾芯再生。反吹系統(tǒng)為在線反吹，不影響裝置運(yùn)行。反吹所用電加熱器采用dIIBT4防爆電機(jī)。吹落的提質(zhì)煤塵落入灰斗，通過除塵器下部卸灰口排出。經(jīng)過高溫除塵后的油氣中塵含量<50mg/Nm3，過濾效率可達(dá)99.99%，既保證了焦油中含塵量低，后續(xù)加工成本低，又避免了后續(xù)系統(tǒng)設(shè)備管道堵塞，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

高溫油氣除塵，因其工況特殊性，兼有氣體爆炸和粉塵爆炸雙重要求。設(shè)計(jì)時，所有設(shè)備均要求氣密性檢測，同時合理控制流速及壓降，及時清灰、控制除塵器內(nèi)的粉塵堆積量，防止粉塵濃度超標(biāo)。采用雙盤閥排灰，滿足排灰要求的同時，保證系統(tǒng)密封性，防止煤氣、粉塵外泄出現(xiàn)安全隱患。動設(shè)備電機(jī)均采用dIIBT4防爆等級，所有設(shè)備、管道等應(yīng)保持等電位，根據(jù)實(shí)際情況，采用分散或集中的接地系統(tǒng)進(jìn)行可靠接地。同時根據(jù)計(jì)算，在反吹氣包上設(shè)置安全閥，除塵器頂部設(shè)置泄爆閥，除塵器的進(jìn)出口管道安裝緊急切斷閥，防止火焰或爆炸波向其他場所傳播。

4 粉煤熱解高溫油氣除塵工藝優(yōu)化

4.1 高溫油氣除塵系統(tǒng)的預(yù)熱

粉煤熱解高溫含塵油氣，遇冷會凝結(jié)，進(jìn)而粘附在濾芯表面，影響工藝的順行，因此在除塵器投運(yùn)前必須將其預(yù)熱至工作溫度。設(shè)計(jì)時采用先置換后升溫的方式對除塵器進(jìn)行預(yù)熱，單臺除塵器設(shè)計(jì)流程見圖1。

1-濾芯除塵器；2-電加熱器；3-熱風(fēng)爐；4-循環(huán)風(fēng)機(jī)；5-中間倉；6-高溫油氣進(jìn)氣閥；7-高溫油氣出氣閥；8-循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥；9-放空閥；10-煙氣進(jìn)口閥；11-循環(huán)煙氣進(jìn)口閥；12-煙氣排放閥

置換階段關(guān)閉閥6、閥7、閥9、閥11，打開閥8、閥10、閥12，啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)，采用氮?dú)鈱Τ龎m器內(nèi)部的含氧空氣進(jìn)行置換，氣體從閥12出口排放，當(dāng)除塵器內(nèi)的空氣氧含量小于1.5%時，置換完成。進(jìn)入升溫預(yù)熱階段，打開閥9，關(guān)閉閥10、閥12、循環(huán)風(fēng)機(jī)，停止氮?dú)庀?的輸送，同時向熱風(fēng)爐內(nèi)通入燃料氣，打開助燃風(fēng)機(jī)，點(diǎn)火并調(diào)節(jié)空燃比，然后再向熱風(fēng)爐內(nèi)通入氮?dú)?，對煙氣進(jìn)行溫度和氧含量調(diào)節(jié)控制，直至熱風(fēng)爐的煙氣溫度為80℃、氧含量小于1.5%。

再打開閥10、閥8，啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)，并逐漸關(guān)閉閥9，使熱煙氣對除塵器進(jìn)行預(yù)熱，形成循環(huán)回路；以后每小時調(diào)整熱風(fēng)爐功率，使熱風(fēng)爐出口的熱煙氣溫度按50～100℃ /h的升溫速率升溫，同時控制氧含量小于1.5%，多余的熱煙氣從閥12排出；當(dāng)溫度升至工作溫度時停止預(yù)熱，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐及其管道上閥門，打開煤氣進(jìn)出口閥6、閥7，進(jìn)入正常過濾環(huán)節(jié)。

預(yù)熱過程中對氧含量和溫度的控制，可避免熱煙氣氧含量超標(biāo)對濾芯的氧化，延長了濾芯的使用壽命，提高了除塵效率。

4.2 高溫油氣除塵系統(tǒng)的再生

由于高溫油氣除塵過程中不可避免地會出現(xiàn)死區(qū)，產(chǎn)生溫差變化，使粉塵隨焦油出現(xiàn)凝結(jié)粘附現(xiàn)象，在線反吹系統(tǒng)無法保證粘附在濾芯外部的粉塵100%脫落，運(yùn)行一定時間后，系統(tǒng)阻力會急劇增大。設(shè)計(jì)中為消除這一問題，設(shè)計(jì)了備用除塵器及離線氧化再生系統(tǒng)。該系統(tǒng)為依托預(yù)熱系統(tǒng)使用的設(shè)備。氧化再生是指向除塵器內(nèi)輸送貧氧，使附在濾芯外部的煤塵、焦油等可燃成分燒成灰分，附著物發(fā)生松動，配合反吹系統(tǒng)反吹，粉塵更易脫落，可實(shí)現(xiàn)濾芯100%再生。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)某臺除塵器進(jìn)出口差壓達(dá)到一定數(shù)值時，開啟預(yù)熱好的備用除塵器，關(guān)閉高壓差的除塵器高溫油氣進(jìn)出口閥6、閥7，使除塵器切出系統(tǒng)處于離線狀態(tài)。打開熱風(fēng)爐出口放散閥9，同時點(diǎn)燃熱風(fēng)爐。通過調(diào)節(jié)空燃比及加入氮?dú)饬?，使熱風(fēng)爐出口高溫?zé)煔庋鹾靠刂圃?%以下，煙氣溫度比除塵器正常運(yùn)行溫度低80℃。達(dá)到要求后，打開閥10、閥8、閥12，啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)，關(guān)閉閥9、閥11，貧氧煙氣進(jìn)入除塵器，使附著在濾芯外部的煤塵、焦油等可燃成分燒成灰分。期間，間隔啟動高溫氮?dú)夥创迪到y(tǒng)進(jìn)行反吹，使粉塵脫落。當(dāng)形成循環(huán)后，打開閥11，關(guān)小閥12，關(guān)閉熱風(fēng)爐燒嘴，熱風(fēng)爐僅起熱煙氣混合配氧作用，同時可根據(jù)除塵器再生過程中的升溫幅度，調(diào)節(jié)熱煙氣的含氧量，直至熱煙氣出口溫度與進(jìn)口溫度相同，將其中的灰排出，完成除塵器的再生。

采用反吹系統(tǒng)和離線氧化再生系統(tǒng)相結(jié)合，離線再生初期利用熱風(fēng)爐產(chǎn)生高溫?zé)煔?，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)爐的空燃比調(diào)節(jié)煙氣的含氧量，混入氮?dú)庹{(diào)節(jié)煙氣的溫度，避免進(jìn)入除塵器的煙氣溫度過高，造成除塵器的濾芯飛溫，影響使用壽命。離線氧化再生系統(tǒng)形成循環(huán)后，燃燒系統(tǒng)關(guān)閉，熱風(fēng)爐僅起熱煙氣混合配氧作用，這樣進(jìn)入除塵器的貧氧煙氣與濾芯外部煤塵等可燃成分混合發(fā)生燃燒，附著力減小，利用反吹系統(tǒng)進(jìn)行反吹，粉塵更易脫落，進(jìn)而加快了再生速度，實(shí)現(xiàn)濾芯過濾性能的恢復(fù)，提高了濾芯過濾效率和使用壽命。

5 結(jié)語

本文通過對含塵高溫油氣性質(zhì)的分析，從設(shè)計(jì)上合理選擇除塵方式，并針對除塵設(shè)備特點(diǎn)及物料特性，對防爆提出了要求，同時優(yōu)化設(shè)計(jì)了置換預(yù)熱及氧化再生單元，整個除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、設(shè)備安全可靠，不僅能夠保證正常運(yùn)行時的高過濾效率，也提高了除塵器關(guān)鍵部件濾芯的使用壽命，降低了運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了除塵系統(tǒng)的長周期運(yùn)行，后續(xù)系統(tǒng)回收的焦油基本不含塵，具有很好的推廣和使用價(jià)值。