罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)分析與測試

劉 超，周善紅，孫煦寒

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001；2.撫順鋁業(yè)有限公司，遼寧 撫順 113001)

罐式爐煅燒工序是對石油焦在隔絕空氣的條件下進行高溫干餾的過程，其核心設(shè)備是罐式煅燒爐，也稱罐式爐或煅燒爐。罐式煅燒爐的出口煙氣溫度通常在850～950℃，發(fā)熱量可達(dá)4186～8373 kJ/m3，具有較高的余熱回用價值。生產(chǎn)中，煅燒系統(tǒng)通過余熱鍋爐及導(dǎo)熱油爐等設(shè)備實現(xiàn)對此高溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽肹1-4]。

煅燒煙氣自罐式煅燒爐煙道出口流出，通過車間外煙道進入煅燒煙氣余熱回用系統(tǒng)，煙氣傳輸過程中存在的熱量損失主要包括煙道對環(huán)境的散熱損失及系統(tǒng)漏風(fēng)的熱量損失。其中，煙道保溫措施的有效實施使得煙道對環(huán)境的散熱損失有限[5]，而整個煙氣輸送系統(tǒng)由于漏風(fēng)所帶來的熱量損失往往是造成煅燒煙氣溫度降低的根本原因。余熱鍋爐的發(fā)電能力與入口煙氣溫度存在正相關(guān)[6]，系統(tǒng)漏風(fēng)造成煅燒煙氣余熱發(fā)電量降低，主要的原因在于兩個方面：

(1)系統(tǒng)漏風(fēng)會造成余熱鍋爐入口溫度大幅降低，降低了傳熱溫差，進而惡化換熱過程。此外還會明顯降低余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽的品質(zhì)，綜合降低了鍋爐熱效率。

(2)系統(tǒng)漏風(fēng)與否，進入余熱鍋爐的煙氣總熱量基本不變。但是由于余熱鍋爐的排煙溫度通常在170～200℃之間，系統(tǒng)發(fā)生漏風(fēng)相當(dāng)于將摻入的冷空氣從環(huán)境溫度加熱至余熱鍋爐的排煙溫度后排出鍋爐。即離開余熱鍋爐的煙氣總熱量變多，這部分熱損失會使得發(fā)電量進一步降低。

在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到余熱鍋爐用戶反饋入口煙氣溫度低導(dǎo)致發(fā)電量不足的現(xiàn)象。為提高煅燒煙氣在余熱鍋爐入口處的溫度，就需要對具體的煅燒煙氣漏風(fēng)問題進行分析，結(jié)合科學(xué)的檢測手段，查明煅燒煙氣的漏風(fēng)部位，采取合理的措施減少漏風(fēng)，進而提高煙氣溫度，增加煅燒煙氣余熱的利用價值。

1 煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)分析及測試方法

1.1 煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)分析方法

煅燒煙氣系統(tǒng)主要包括煙氣輸送管道、煙氣余熱利用用戶及煙氣處理設(shè)備。圖1是國內(nèi)炭素廠罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)的一般性工藝配置方案，未考慮煙氣處理系統(tǒng)。從圖中可以看出，多臺罐式煅燒爐生產(chǎn)時產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)爐體集合煙道輸送至車間外煙道，后分配至蒸汽鍋爐及導(dǎo)熱油爐實現(xiàn)余熱回用。在整個輸送過程中，高溫?zé)煔鈺?jīng)過工藝管道、高溫閘板及支道閥門等部位。由于閘板及閥門經(jīng)常動作，當(dāng)設(shè)備運行時間久、缺少日常維護，就會在上述部位漏入冷空氣，流入罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致煅燒煙氣溫度降低。

圖1 罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)的一般性工藝配置方案

當(dāng)對煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)情況進行分析時，首先需要依照圖1，明確特定企業(yè)對應(yīng)煅燒煙氣系統(tǒng)的一般性工藝配置現(xiàn)狀，找出可能存在漏風(fēng)的部位，即全部的集合煙道閘板、車間外煙道閘板、余熱用戶的分配閘板和煙道支道的閥門等。將全部位置整理并列入漏風(fēng)部位檢測清單，按照漏風(fēng)部位清單進行漏風(fēng)檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，綜合分析煅燒煙氣系統(tǒng)的漏風(fēng)情況。

1.2 煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)測試方法

完成具體煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)的分析工作后，可以得到明確的漏風(fēng)部位清單，采用熱電偶、煙氣分析儀和皮托管等設(shè)備進行測定，獲取對應(yīng)部位的原始數(shù)據(jù)。

煙氣分析儀是利用電化學(xué)傳感器連續(xù)分析測量煙氣中成分(O2、CO2、CO、H2O、NOX和SO2等)含量的設(shè)備，在煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)檢測分析過程中，對于正常使用中的閘板或者閥門處，通過使用煙氣分析儀檢測其上、下游測口，可以獲得煙氣流過對應(yīng)部位時的含氧量變化，以此反推此處的漏風(fēng)情況。

皮托管流量計是一根彎成直角的雙層空心復(fù)合管，帶有多個取壓孔，能同時測量流體總壓和靜壓力，與差壓變送器、流量顯示儀配套使用。由于流體的總壓和靜壓之差與被測流體的流速有確定的數(shù)值關(guān)系，因此可以用皮托管測得流體流速從而計算出被測流量的大小[7]。在煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)檢測分析過程中，對處在完全關(guān)閉狀態(tài)的閘板下游使用皮托管流量計檢測，通過計算得出對應(yīng)位置的動壓大小，可以估計封閉閘板處的漏風(fēng)情況。

使用熱電偶可以測定煙氣溫度，在全流程分析時，通過煙氣的溫度變化情況，可以從整體上把握煙氣的漏風(fēng)程度。對上下游溫度對比分析時，可以得出某一部位的漏風(fēng)情況，在采取封堵措施前后，通過同一部位的煙氣溫度對比，可以反映出實際的封堵效果。

對清單部位完成測定及理論計算后，將有漏風(fēng)問題的部位進行有效堵漏。完成全部漏風(fēng)的封堵工作后，可以再次使用上述設(shè)備對清單部位的漏風(fēng)情況進行檢查，最終通過熱電偶的測定溫度，綜合評估系統(tǒng)的漏風(fēng)改善情況。

2 煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)分析及測試實例

國內(nèi)某炭素企業(yè)煅燒煙氣系統(tǒng)生產(chǎn)運行過程中，罐式煅燒爐出口煙氣溫度經(jīng)測定在850～900℃范圍內(nèi)，沿程經(jīng)過集合煙道、閘板等進入余熱蒸汽鍋爐，溫度降低至500℃左右，最高溫度可達(dá)到600℃。煙氣在輸送過程中的溫度損失過大，導(dǎo)致余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽的發(fā)電量偏低，僅有1000 kWh/h左右，余熱利用效果較差。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]的理論數(shù)據(jù)，對于24罐，單罐產(chǎn)量為120 kg/h的罐式煅燒爐，其理論煙氣量約為11,000 Nm3/h。該炭素廠處在生產(chǎn)狀態(tài)的兩臺罐式煅燒爐為24罐，每罐產(chǎn)量在100 kg/h，根據(jù)平衡關(guān)系可以估算該煅燒煙氣系統(tǒng)在正常生產(chǎn)時的理論煙氣量為18,000 Nm3/h。由于系統(tǒng)存在漏風(fēng)，導(dǎo)致煅燒煙氣溫度由900℃降低至600℃。根據(jù)熱平衡可以初步估算出，該炭素廠日常生產(chǎn)中煅燒煙氣系統(tǒng)的實際煙氣量已達(dá)到27,000 Nm3/h。由此可見，系統(tǒng)漏風(fēng)量達(dá)到了9000 Nm3/h。同時，參照文獻(xiàn)[9]中余熱鍋爐發(fā)熱量的計算過程，可以計算出鍋爐入口煙氣溫度為800℃的理論發(fā)電量約為1298 kWh/h，能比現(xiàn)有發(fā)電量增加約300℃/h，提高約30%的發(fā)電量。因此，該廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)問題亟待解決。

為了提高煅燒煙氣余熱利用效率，增加發(fā)電量，本文以該炭素廠為例開展了煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)分析及測試工作。

2.1 煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)分析

通過現(xiàn)場實際調(diào)研，按照本文中所述煅燒煙氣分析方法，可以獲得圖2所示的某炭素廠罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)的工藝配置情況。由圖2可以看出，該廠現(xiàn)有3臺罐式煅燒爐，其中1#罐式煅燒爐處在空罐狀態(tài)，2#及3#罐式煅燒爐處于正常生產(chǎn)狀態(tài)。每臺罐式煅燒爐通過集合煙道與車間外煙道連接，在每臺罐式煅燒爐的集合煙道處均設(shè)置有煙道閘板，在車間外煙道也設(shè)有煙道閘板。此外，煅燒高溫?zé)煔庵饕斔椭劣酂徨仩t進行發(fā)電或?qū)嵊蜖t加熱熱媒進行余熱回用。在通往余熱鍋爐的管線上設(shè)有控制煙氣流量的閘板，進入地下煙道的支道上設(shè)有支道閘板。同樣的，在通往導(dǎo)熱油爐的管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閘板，由導(dǎo)熱油爐流出的煙氣管道上也設(shè)有管道閘板。

圖2 某炭素廠罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)的工藝配置情況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果及實際的工藝配置情況，可以將某廠煅燒煙氣系統(tǒng)可能存在的漏風(fēng)部位詳細(xì)列出，表1所示即為某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)檢測部位清單。

表1 某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)檢測部位清單

根據(jù)表中所列全部可能存在漏風(fēng)的部位，即可采用煙氣分析儀、皮托管及熱電偶等檢測設(shè)備按照測試要求開展測試工作。需要特別說明的是：

1#罐式煅燒爐整臺爐子全部料罐處于空罐待修狀態(tài)，集合煙道的兩道閘板都處在完全封閉的狀態(tài)下，如果此處存在漏風(fēng)，應(yīng)該是由閘板上游流向閘板下游。因此，在兩道閘板的下游測點處采用皮托管流量計檢測煙氣動壓。

2#罐式煅燒爐處在正常生產(chǎn)的狀態(tài)下，兩個集合煙道閘板均只有一個處于打開的狀態(tài)，另外一個完全封閉。因此，對處在工作狀態(tài)的閘板的上、下游采用煙氣分析儀測量氧氣含量，對處在關(guān)閉狀態(tài)的閘板下游測點采用皮托管流量計測量風(fēng)壓。

3#罐式煅燒爐處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，且兩個集合煙道閘板都處于打開狀態(tài)。因此，對兩個閘板處的上、下游測點均使用煙氣分析儀進行檢測。

車間外煙道上的閘板處在工作狀態(tài)。因此，使用煙氣分析儀對此處的上、下游測點進行含氧量測定。

余熱鍋爐處于工作狀態(tài)，入口閘板處于打開狀態(tài)。因此，需要對入口閘板處的上、下游測點使用煙氣分析儀進行含氧量測定。由于余熱鍋爐入口煙道支道上的閘板處于完全關(guān)閉狀態(tài)，且如果此處存在漏風(fēng)，則是由閘板下游流向閘板上游。因此，需要使用皮托管流量計對對應(yīng)閘板上游測點進行風(fēng)壓檢測。

導(dǎo)熱油爐處于停產(chǎn)狀態(tài)，閘板完全關(guān)閉，由導(dǎo)熱油爐通向地下煙道的支道上的閘板也處于完全關(guān)閉狀態(tài)，如果此處漏風(fēng)，應(yīng)該是由外界向煙道內(nèi)部漏風(fēng)。因此，需要對此處閘板的上游使用皮托管流量計對風(fēng)壓進行測試。

同時對全部測點使用熱電偶進行溫度檢測。

2.2 某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)測試

依據(jù)某煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)檢測部位清單，對某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)進行漏風(fēng)測試工作。對清單中所列部位的上、下游測點分別進行測試，具體測試結(jié)果見表2。

表2 某炭素廠煅燒煙氣漏風(fēng)測試結(jié)果

由測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下幾方面問題：

(1)罐式煅燒爐在正常生產(chǎn)時，集合煙道處的煙氣含氧量通常在7%～9%的水平，而測試結(jié)果反應(yīng)出3#閘板、5#閘板及6#閘板上游測點的含氧量均大于9%，在10.5%～11.0%之間，說明該炭素廠罐式煅燒爐本身生產(chǎn)工藝存在氧氣過量的情況。

(2)處于完全關(guān)閉狀態(tài)的集合煙道閘板(1#閘板、2#閘板和4#閘板)處，使用皮托管流量計測得其下游的氣流動壓較小，說明對應(yīng)閘板處雖然有空氣漏入，但是流入的空氣量相對較少；對處于工作狀態(tài)的集合煙道閘板(3#閘板、5#閘板和6#閘板)的測試結(jié)果可以看出，煙氣中的含氧量在經(jīng)過閘板前后的變化為0.5%左右，對應(yīng)漏風(fēng)量在5%左右。

(3)7#閘板上游煙氣的含氧量達(dá)到12.5%，下游煙氣的含氧量達(dá)到14.1%，可計算出此處漏風(fēng)量達(dá)到23%左右，從對應(yīng)熱電偶測得的溫度變化幅度也最大，說明此處閘板是整個系統(tǒng)中漏風(fēng)最嚴(yán)重的部位。

(4)9#閘板上、下游含氧量的變化幅度為0.4%，說明此處有少量空氣漏入。

(5)8#閘板、10#閘板和11#閘板處于完全關(guān)閉的狀態(tài)，測試結(jié)果顯示8#閘板和11#閘板處的氣流動壓較小，說明漏入空氣量較少。而10#閘板處動壓達(dá)到78 Pa，說明此閘板處外部空氣倒灌現(xiàn)象嚴(yán)重。

(6)從測點11和測點13的溫度數(shù)據(jù)上可以看出，除上述閘板位置存在漏風(fēng)外，煙道自身也存在對環(huán)境的散熱損失。

2.3 某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)解決措施

根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)的漏風(fēng)及散熱問題，對該炭素廠提出了以下的解決措施：

(1)優(yōu)化煅燒生產(chǎn)工藝，減少空氣兌入量，降低集合煙道出口處氧氣含量。

(2)該炭素廠每臺罐式煅燒爐有兩個集合煙道，均采用“一用一備”生產(chǎn)模式，將其中暫時不用的閘板采用四周鋼板固定后，然后向縫隙中塞纖維棉，最后采用耐火泥抹平密封處理，對使用的煙道閘板也要進行密封處理。

(3)工藝操作上，確定7#閘板的大致位置后應(yīng)停止對其頻繁操作，使用5#閘板或6#閘板調(diào)節(jié)3#罐式煅燒爐的火道負(fù)壓，要對7#閘板進行重點堵漏，對縫隙填塞纖維棉，然后采用耐火泥抹平密封處理。

(4)對8#閘板、10#閘板和11#閘板進行密封，對縫隙填塞纖維棉，然后采用耐火泥抹平密封處理。

(5)對車間外煙道的保溫措施定期進行維護，降低煙道表面對環(huán)境的散熱損失。

2.4 某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)優(yōu)化結(jié)果

國內(nèi)某炭素廠在實際生產(chǎn)過程中，罐式煅燒爐煙氣出口處的溫度為850～900℃，輸送至余熱鍋爐入口處的溫度最低降至500℃，導(dǎo)致余熱鍋爐的發(fā)電量僅有1000 kWh/h，存在明顯的漏風(fēng)問題。

依據(jù)該炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)問題分析與測試結(jié)果，文中提出了漏風(fēng)問題的解決措施。該炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)按照合理化的改善建議整改后，使用熱電偶測得進入余熱鍋爐入口處的煙氣溫度從537℃提升至820℃，達(dá)到了正常水平，發(fā)電量提升至1330 kWh/h，約提高了30%的發(fā)電能力。

3 結(jié) 語

本文提出了罐式爐煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)問題的分析及測試方法，并以國內(nèi)某炭素廠煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)問題為案例開展了分析及測試工作，對存在漏風(fēng)問題的煅燒煙氣系統(tǒng)進行理論分析，明確可能存在漏風(fēng)情況的部位清單。

根據(jù)清單，開展測試工作，結(jié)論如下：

(1)對于正常使用中的閘板或者閥門處，通過使用煙氣分析儀檢測其上、下游測口，可以獲得煙氣流過對應(yīng)部位時的含氧量變化，以此反推此處的漏風(fēng)情況。

(2)對處在完全關(guān)閉狀態(tài)的閘板下游使用皮托管流量計檢測，通過計算得出對應(yīng)位置的動壓大小，可以估計封閉閘板處的漏風(fēng)情況。

(3)在全流程分析時，采用熱電偶測定流通煙氣的溫度變化，從整體上把握煙氣的漏風(fēng)程度，通過對比分析上下游溫度，判斷某一部位的漏風(fēng)情況。

最后，根據(jù)測試結(jié)果對漏風(fēng)位置進行整改，整改后再次測量漏風(fēng)位置上下游的溫度情況，對堵漏效果進行分析。

通過開展上述分析及檢測工作，可以有效解決煅燒煙氣系統(tǒng)漏風(fēng)問題，提高余熱用戶的入口煙氣溫度，最終實現(xiàn)煅燒煙氣余熱利用價值的提高。