活性炭床層溫度異常現象的分析

高 磊，黃凱鋒，劉 忠，孫小龍，吳振山,3*

（1.內蒙古伊泰煤制油有限責任公司,內蒙古鄂爾多斯 010300；2.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司韶關冶煉廠，廣東韶關 512024；3.合肥中科聚能工程科技有限公司，安徽合肥 230601）

1 背景資料

活性炭具有可同時脫硫、脫硝的特征，近年來深受政府部門和企業的青睞[1-4]。某企業新上1座活性炭煙氣脫硫脫硝系統處理燒結機頭煙氣以及少量富硫的有機廢氣。裝置共配備36個活性炭單元模塊，脫硫段與脫硝段串級，待處理煙氣依次穿過脫硫層、脫硝層、增壓風機后進入煙囪并排入大氣，活性炭再生環節的再生氣經水洗凈化系統、制亞硫酸鹽系統、有機廢氣處理系統處理后進入活性炭脫硝段。2020年5月5日21∶07，位于脫硫層二塔一段32～37號位的溫度測量值顯示異常，熱點溫度對比見表1。因熱點溫度嚴重威脅到整個廠區的安全生產，隨后48 h內運行人員曾嘗試采取降低系統負荷、改變物料循環速率等措施，均無法改變熱點溫度現象。

為防止自燃事故的發生，生產上采取停車排查的應急處理措施，連帶致使上游燒結全廠停車以及活性炭煙氣脫硫脫硝裝置后系統停車，并上報至當地環保部門備案。

表1 熱點溫度對比

系統性排查中發現熱點溫度附近存在明顯的積灰板結、附著掛壁以及附近格柵被炭灰包裹“糊死”現象，其中有4根活性炭下料管口已被完全堵塞，詳見圖1～2。另外，結合以往計劃停車期間裝置檢查留存照片與該次排查結果的對比，發現在其它未呈現出明顯問題的模塊中，活性炭下料管口及分料格柵附近均普遍存在炭灰板結、物料架橋、床層空鼓等現象。

圖1 熱點溫度區的格柵

圖2 下料管被“糊死”

2 事故影響

該次因溫度參數異常誘發生產事故，待事故結束后，生產部門組織對與之關聯的直接經濟損失及與之緊密關聯的間接經濟損失進行了量化指數的統計，統計結果顯示事故給企業共造成了134.36萬元的經濟損失。

2.1 直接經濟損失

直接經濟損失主要歸納成4類，包括水電氣煤等能源介質的功能性損失、額外增加的活性炭損耗、動用維修資源的物力損失及人力成本損失。直接經濟損失合計34.99萬元，主要分項的經濟損失量化統計見表2。

2.2 間接經濟損失

間接經濟損失主要是因系統非計劃性停車停產所引發的損失。參照企業全年生產計劃任務書以及該次事故發生前后一段時間內該企業實際產品產量分析得出，該次事故發生時正處于企業產品供不應求期，即生產出的產品都可以賣出，并有一定的利潤，按同期月均產品產量188 700 t，單位產品利潤71.81元/t計，該次事故停機1.5 d，累計減產13 838 t，折合經濟損失99.37萬元。

表2 主要分項的經濟損失量化統計

3 事故原因分析

3.1 異常溫度現象成因的分析

經現場考察并結合理論分析認為該次活性炭床層溫度異常的根本原因是設計缺陷問題，基于溫度參數呈現的結果，分析如下。

1）局部溫度偏高的成因。區域格柵被粉塵糊死，致使問題格柵上部的活性炭更新速率降低，同時誘發煙氣穿過該區域的能力降低。煙氣中SO2、H2O、O2分子可通過擴散進入活性炭毛細孔。活性炭吸附脫硫過程是放熱反應，氣體流通量降低，熱量不能及時被擴散，造成局部溫度偏高。脫硫熱效應機理如下：

熱化學方程式：

正常煙氣中入口ρ(SO2)均值1 700 mg/m3，φ(H2O)約8%，φ(O2)約15%，煙氣平均比熱容約1.43 kJ/m3，理論煙氣經脫硫床層后的溫度可升高約4 ℃。

2）局部溫度偏低的成因。4根活性炭下料管堵塞，造成區域活性炭補給不足，活性炭床層局部形成空鼓。空鼓處床層阻力低，氣流流速增加，在熱效應一定時，溫升與氣體流速成反比，局部溫度出現偏低。

3.2 堵塞原因分析

導致格柵堵塞的主因有：原煙氣帶水、活性炭再生后除塵效率偏低及事故發生前的一段時間內脫硝段噴氨量異常。

3.2.1 原煙氣帶水

事故發生前的2020年5月3日，上游燒結廠停車檢修，活性炭煙氣脫硫脫硝裝置同步停車。待5月4日22時裝置恢復運行初期，煙氣降溫噴淋水控制不當，液態水被帶入系統。同時，原煙氣末端分支因系統設計及施工不當，含水率較其它支路有更為明顯的偏高現象，而2塔入口正對原煙氣末端的分支，未汽化的冷卻降溫水隨氣流進入活性炭床層，高濕環境造成活性炭間摩擦系數上升，夾雜在活性炭中的粉塵結塊，黏附到格柵處，造成格柵糊死，進而誘發活性炭下料管的堵塞，引起活性炭床層溫度出現異常。

3.2.2 除塵效率偏低

該系統設計時，因除塵器安裝空間受限，將原設計選用的φ133 mm×3 125 mm濾芯替換成了φ133 mm×2 750 mm的濾芯，過濾面積直降12%，間接引起除塵器的處理能力降低7%～10%，即對含塵煙氣處理的量減少了。除塵器對煙氣處理量的減少，導致夾雜在活性炭中的粉塵不能全部被冷卻風帶走，致使循環活性炭中粉塵含量逼近允許的粉塵上限，遇到煙氣含濕量異常，便出現了結塊，糊住格柵。

3.2.3 脫硝段噴氨量異常

4月20日起氨系統故障，脫硝段噴氨量從650 kg/h降至340 kg/h，入再生塔的銨鹽量降低，無法滿足再生塔內NOx的還原需要[5]，誘發再生后的再生氣中NOx含量超標以及再生后的活性炭中NOx含量超設計值上限。循環活性炭中NOx含量的增加，吸水率增加，活性炭的運動黏度也隨之增加，促使格柵堵塞的發生。

此外，入再生塔的活性炭含銨鹽量的減少，會促使參與化學反應的活性炭量增加，進而誘發生成的活性炭粉比率上升。過程機理如下：

1）銨鹽的分解反應生產氨：

3(NH4)2SO4→4NH3+3SO2+6H2O+N2

2）硫酸的氧化還原反應消耗炭：

2H2SO4+C→CO2+2SO2+2H2O

同時，炭粉可降低循環物料的流動性能，提升活性炭床層非均勻下降的概率，容易導致活性炭床層出現架橋、下料管堵塞、偏流等問題。

4 優化措施及改進效果

4.1 改進措施

4.1.1 建立上下游工序的信息共享平臺

為消除信息不對稱或信息延遲帶來的負面影響，建立上下游工序的信息共享平臺。由電氣工程師將活性炭脫硫脫硝上游工序的燒結機尾排風機信號、燒結機機尾溫度信號分屏至活性炭脫硫脫硝主控室，同時增加聲光報警信號。

燒結機開車過程，燒結工序派燒結專工1名入駐活性炭脫硫脫硝主控室，協同指揮活性炭脫硫脫硝裝置及燒結機的開車。

4.1.2 降低原煙氣入脫硫塔時的水分

該過程包含兩部分：①將下游制亞硫酸鹽系統的尾氣引入原煙氣進脫硫段前，通過切向擾動及降低水分壓等措施降低待處理煙氣中的霧滴夾帶量；②通過增加上游原煙氣余熱鍋爐的換熱面積，減少原煙氣降溫環節噴淋水用量。

4.1.3 增加空氣炮

對易堵塞區域的下料管按排分為組，每組增加空氣炮1套，空氣炮現場手動啟動。分步實施，第一步僅增加2組，對應兩排的各4支下料管。

4.2 改進效果

6月3日改造完成至11月底，技改后的裝置已經歷4次開停車，均未出現類似改造前的問題，技改效果明顯。

5 結語

案例中因溫度參數異常導致的活性炭煙氣脫硫脫硝裝置實施了一次非計劃性停車，給企業帶來134.36萬元的經濟損失。對問題進行深入分析后認為，事故的根源來自于設計缺陷，如在系統設計時配置相應的輔助設施，可以消除或是規避此類事故的發生。

鑒于大型環保系統的非計劃性開停機對企業生產經營活動影響較大，建議有條件的企業在引進不熟悉的環保系統時咨詢專業的環保機構并委派專業技術人員參與項目招投標，可大幅提高所選環保裝置的綜合性能，降低環保裝置的后續運營成本。同時，在環保設備投入使用后，聘請專業環保技術人員做技術顧問，可有效降低環保系統的運營成本。