干熄焦旋風式一次除塵器的實際應用

趙青玉

（北京中日聯節能環保工程技術有限公司，北京 100040）

隨著干熄焦技術的不斷發展，干熄焦工藝在國內鋼鐵聯合企業及獨立焦化企業得到了大力推廣，目前國內已投產的干熄焦裝置達200余套。一次除塵器作為干熄焦循環系統重要的初級除塵設備，對干熄焦余熱鍋爐穩定運行、循環系統壓力計算、循環風機規格選型等起到了決定作用。一次除塵器運行是否良好，設計是否能達到除塵要求，都影響并制約著干熄焦裝置的穩定運行。國內干熄焦一次除塵器多根據沉降分離的原理，對高溫煙氣中的焦粉進行收集，可分為沖擊反轉式（有擋墻）和自由沉降式（無擋墻）。近年來，陸續有設計單位將離心沉降工藝引入一次除塵器，形成了新型旋風離心沉降式（簡稱旋風式）一次除塵器[1]。

本文總結了不同形式的干熄焦一次除塵器的除塵原理及存在的問題，介紹了旋風式一次除塵器在山西某焦化公司的應用情況，可供同行企業借鑒與參考。

1 干熄焦的工藝原理及流程

干熄焦的核心原理為循環惰性氣體的兩次換熱過程。低溫（約130℃）惰性氣體在干熄爐內與赤熱（約1 050℃）紅焦逆流進行熱交換，形成的高溫（約980℃）惰性氣體在余熱鍋爐爐膛內通過爐管管壁與管內除鹽水進行熱交換。鍋爐產生的高溫高壓蒸汽被送至汽輪機進行發電，或經減溫、減壓后，供蒸汽用戶使用。

干熄焦工藝流程：裝滿紅焦的焦罐由提升機送到干熄爐頂，通過爐頂裝入裝置將焦炭裝入干熄爐。焦炭在干熄爐中與惰性氣體進行熱交換，并冷卻至200℃以下，經排焦裝置卸至膠帶機上，送至后續運焦系統。用于冷卻焦炭的惰性氣體由循環風機通過干熄爐底部的鼓風裝置鼓入干熄爐，與焦炭進行換熱，從干熄爐出來的熱的惰性氣體經一次除塵器除塵后進入余熱鍋爐換熱，溫度降至約170℃，再經二次除塵后由循環風機加壓，經給水預熱器冷卻至≤130℃后，進入干熄爐循環使用。

2 一次除塵器的除塵原理

一次除塵器設置在干熄爐與余熱鍋爐之間，用于去除焦炭與循環氣體換熱時所產生的高溫粉塵（粒徑1 mm以上的焦粉），保證進入余熱鍋爐的高溫煙氣中焦粉的質量濃度在10 g/m3以下，從而減少對鍋爐爐管的沖刷，延長鍋爐使用壽命，保證干熄焦裝置的穩定運行。

2.1 沖擊反轉式（有擋墻）

隨著干熄焦技術的不斷發展和對鍋爐爐管磨損機理的深入研究，發現對鍋爐爐管磨損起決定作用的是粒徑1 mm以上的焦粉。沖擊反轉式（有擋墻）除塵工藝原理示意圖見圖1。沖擊反轉式一次除塵器通過高溫膨脹節與干熄爐、余熱鍋爐連接，外殼為鋼板焊接結構，兩側設有檢修人孔，頂部設置蒸汽緊急放散裝置及溫度、壓力測量接管。由于從干熄爐出來的煙氣（含焦粉）溫度較高（約980℃），所以在除塵器內部砌筑高強黏土磚及隔熱磚，襯磚與殼體之間鋪有隔熱纖維毯，頂部為拱頂結構，并填充部分隔熱碎磚以保證耐高溫性。為提高除塵器的除塵效率，在其通道中設置了耐材砌體結構的擋墻。高溫循環氣體夾帶著焦粉從干熄爐出口流向擋墻，焦粉與擋墻沖擊失速后靠自重落至下部焦粉倉，氣流沿著擋墻進行反轉，同時將部分粒徑較小的焦粉吹起，進入余熱鍋爐。擋墻設置位置及砌體施工質量直接影響其除塵效率。該類型一次除塵器已在干熄焦裝置中應用，但多次發生擋墻倒塌的事故，使得除塵效率降低，加速了鍋爐爐管的磨損。

圖1 沖擊反轉式除塵工藝原理示意圖

2.2 自由沉降式（無擋墻）

為解決沖擊反轉式一次除塵器擋墻頻繁倒塌的問題，同時降低由于設置擋墻帶來的整個系統的壓力損失，開發了自由沉降式（無擋墻）一次除塵器，其除塵工藝原理示意圖見圖2。該類型一次除塵器不設置擋墻，完全靠焦粉的自重進行沉降（類似拋物線運動）。為了最大程度地收集焦粉，焦粉倉的位置與沖擊反轉式一次除塵器相比，離干熄爐出口更遠，更靠近余熱鍋爐入口。

圖2 自由沉降式除塵工藝原理示意圖

自由沉降式一次除塵器可以最大程度地收集粒徑1 mm以上的焦粉，從而確保不會對余熱鍋爐爐管造成嚴重磨損，同時可優化氣體循環系統的壓力分布、降低風機壓頭、避免擋墻倒塌事故的發生。國內已投產的采用自由沉降式一次除塵器的干熄焦項目，經實踐表明，可完全滿足余熱鍋爐正常運行的設計要求。

2.3 新型旋風離心沉降式

旋風式除塵工藝原理示意圖見圖3，旋風式一次除塵器主要由殼體內/外筒、入/出口管道組成，除塵時高溫循環氣體（含焦粉）在殼體內外筒壁間呈螺旋狀由上向下運動，然后通過殼體內筒排出，之后進入余熱鍋爐[2]。

圖3 旋風式除塵工藝原理示意圖

旋風式一次除塵器利用高溫煙氣在離心運動時，焦粉撞擊外筒內壁而失速沉降的原理，將進入余熱鍋爐前的煙氣含塵量降至最小值（理論目標質量濃度為1 g/m3）。隨著進入余熱鍋爐焦粉濃度的降低，可以大幅減少或取消余熱鍋爐的防磨措施，還可以延長余熱鍋爐的使用壽命。同時由于磨損大幅降低，可以適當提高余熱鍋爐的煙氣流速，從而減小余熱鍋爐的斷面尺寸及占地面積，降低投資成本。另外，由于在一次除塵后焦粉質量濃度已經達到了1 g/m3（除塵效率可達90%[3]），因此可以取消二次除塵器（多管旋風），進一步降低設備投資。從離心沉降的原理出發，旋風式一次除塵器外形須采用圓形筒體結構，內部耐高溫耐材部分仍采用襯磚，設備內部采用噴涂澆注料工藝。

3 除塵工藝存在的問題及對比

3.1 存在的問題

3.1.1 沖擊反轉式（有擋墻）

沖擊反轉式（有擋墻）一次除塵器在干熄焦裝置運行過程中，會發生擋墻倒塌，造成系統壓力波動、除塵效率差、一次除塵器灰斗堵塞等，主要原因如下[4]：（1）設計存在缺陷。擋墻為單磚砌體結構，設計有兩處膨脹縫，干熄焦升、降溫后擋墻會出現一些縫隙，再次運行時隨著高溫氣體的不斷沖刷，會導致縫隙周圍襯磚的火泥脫落，久而久之出現掉磚現象，從而導致擋墻倒塌。（2）耐材施工存在問題。在除塵器耐材砌筑施工時，未嚴格按照設計圖紙進行火泥選定、錨固件材質選型及襯磚施工，為投產運行后火泥燒結不完全或失效、錨固件脫落、氣體受力結構失效埋下隱患。（3）操作水平較低。擋墻處于干熄焦循環系統負壓區，當干熄爐預存段壓力控制波動較大時，會直接在擋墻上產生波動推力，反復受到推力作用會發生擋墻倒塌。

3.1.2 自由沉降式（無擋墻）

自由沉降式（無擋墻）一次除塵器兩側立墻外傾的情況較為普遍，尤其是立墻上部多點外傾超過50 mm（根據維修技術標準，需要重新砌筑），甚至立墻整體移位。雖然對立墻采取了加強拉固手段，但施工過程中一旦出現錯誤（如托磚板或磚鉤未安裝），砌體在升溫過程中就會出現輕微外傾現象，一旦砌體與除塵器殼體之間出現縫隙，高溫氣體便沿著縫隙不斷沖刷。在這個過程中，不斷有焦粉堆積在砌體與殼體之間的縫隙處，并產生向外的推力，造成爐墻不可逆轉地外傾，直至傾斜[5]。

3.1.3 新型旋風離心沉降式

當干熄焦排焦量降低、循環風量減少時，會導致旋風式一次除塵器的除塵效率降低，可打開空氣（或燃料）導入管，向旋風式一次除塵器入口導入空氣（或燃料），通過燃燒氣體中的可燃性成分及焦粉（或燃料）使氣體溫度及流量上升，保證旋風式一次除塵器入口煙氣的溫度及流量，從而保證其除塵效率。當氣體溫度超過800℃時，打開旁通氣體管，通過向除塵器入口導入低溫旁通氣體，將氣體溫度控制在800℃以下。

3.2 除塵工藝對比

不同除塵工藝對比見表1。

4 旋風式一次除塵器的應用

山西某焦化公司65萬t/a焦化項目配套建設的85 t/h干熄焦裝置于2017年7月投產運行，一次除塵器采用旋風式，為國內首次使用。

4.1 高除塵效率驗證

由于干熄焦循環煙氣溫度較高（約980℃），所以在鍋爐出口（約180℃）及二次除塵器出口（約160℃）進行焦粉濃度測定。2018年，干熄焦裝置滿負荷運行時鍋爐出口及二次除塵器出口的焦粉濃度分別見表2、表3。由表2、表3可知，鍋爐出口焦粉質量濃度降到了400 mg/m3以下，可滿足進入循環風機前達到1 g/m3以下的工藝要求；二次除塵器出口焦粉質量濃度在300 mg/m3以下，其除塵量幾乎可以不考慮（未采用旋風式一次除塵器的干熄焦工程，二次除塵器出口的焦粉質量濃度一般在300 mg/m3～500 mg/m3）。

4.2 存在的問題及對應措施

旋風式一次除塵器在高效率除塵的同時，也帶來一些新的問題：（1）由于首次采用旋風式一次除塵器，考慮到干熄焦整體工藝的安全性及穩定性，未同步對鍋爐進行相應改造（鍋爐煙氣流速仍按以往的設計標準進行，約7 m/s）；（2）一次除塵后，90%以上的大粒徑焦粉都被收集，進入鍋爐爐膛煙氣中焦粉的粒徑變小，造成焦粉附著在鍋爐過熱器爐管內（在原有煙氣流速下，無法將焦粉沖刷掉），隨著焦粉的不斷附著，鍋爐爐管的換熱性變差。

針對以上問題，先后采取了鍋爐超聲波清灰、氮氣炮吹掃等措施，但改善效果不明顯。經多次試驗性操作，最后采用氣力輸灰將一次除塵器的焦粉吹入鍋爐入口（每天1次、每次5 s），利用大粒徑焦粉沖刷鍋爐過熱器爐管，去除附著的焦粉[6]。經過3年的跟蹤觀察，通過對鍋爐過熱器爐管壁厚進行檢測，發現爐管的磨損并未加快。

4.3 改進方向

根據該干熄焦工程的實際運行情況，下一步將實施減小鍋爐爐膛截面、調整鍋爐爐管間隙等措施，在保證鍋爐壽命的前提下，逐漸降低鍋爐的一次投資成本；通過模擬煙氣焦粉對爐管的附著，找到一個最佳的煙氣流速設計值。此外，鑒于旋風式一次除塵器的高除塵效率，在后續推廣中將取消二次除塵器，進一步優化總圖布置、降低設備一次投資。

5 結 語

干熄焦項目采用旋風式一次除塵器后，除塵效率高，一次除塵就能實現常規干熄焦重力沉降式一次除塵器與二次除塵器兩級除塵才能達到的效果，保證進入鍋爐焦粉的質量濃度在1 g/m3以下，改善鍋爐爐管的磨損情況；可取消原工藝流程中的二次除塵器，使得整體布置更緊湊、整體系統更優化，還可以減少占地及設備投資，為后續干熄焦余熱鍋爐的小型化奠定了技術基礎。