淺析空心圓盤槳葉干燥機運行過程中出現的問題及處理措施

劉玉潭

(恒力石化(大連)煉化有限公司,遼寧大連 116300)

恒力石化(大連)煉化有限公司(簡稱恒力煉化)煤制氫氣化車間一共設有6臺四噴嘴氣化爐,采用5開1備的運行方式,每天消耗原料煤16 000 t,能產生2 000 t(濕基)左右廢渣。其中,1 200 t為粗渣,經破渣機破碎后被鎖斗收集,排入撈渣機;另外800 t為細灰,被激冷水洗滌后形成氣化黑水進入閃蒸系統,經高壓、低壓及真空三級閃蒸、絮凝沉降后送至真空過濾機進行脫水。經過真空過濾機脫水后的細灰一般含水質量分數在45%～60%,可燃物質量分數在18%左右。目前,恒力煉化這部分細灰的主要處理方式是使用翻斗車運送至廠外填埋。而在運輸過程中,由于細灰含水量大,極易造成灰渣溢出車斗,造成環境污染[1]。因此,若有一種設備可以蒸發細灰中水分,使干燥后的細灰送入電廠鍋爐摻燒,不僅可以減少環境污染,而且可以回收細灰中的殘碳。

恒力煉化真空過濾裝置一共設有6臺空心圓盤槳葉干燥機,其中4臺換熱面積為320 m2的空心圓盤槳葉干燥機(簡稱小干燥機)為中建五洲工程裝備有限公司生產,2臺換熱面積為420 m2的空心圓盤槳葉干燥機(簡稱大干燥機)為天華化工機械及自動化研究設計院有限公司生產。6臺空心圓盤槳葉干燥機全部運行,每天可處理約500 t細灰,處理后的細灰被送至電廠鍋爐進行摻燒,運送至廠外的細灰大大減少,細灰中的殘碳得以回收,環境也得到改善。

1 空心圓盤槳葉干燥機概況

1.1 結構及主要參數

空心圓盤槳葉干燥機主要由機身、空心熱軸、傳動系統、旋轉接頭、殼體、刮刀和抄板等組成(見圖1)。

圖1 干燥機結構

空心圓盤和轉動的空心熱軸組成的轉子是圓盤槳葉干燥機的核心結構,干燥機共有58片圓盤,每片圓盤邊緣安裝12片抄板(也稱推料板),抄板與圓盤呈45°夾角安裝,圓盤轉動時,抄板能逐漸將物料推向出料一端。每片圓盤與圓盤之間都安裝1根斜邊長度為550 mm、厚度為14 mm的鈍型刮刀,可刮掉夾在圓盤之間的物料,防止物料架橋,確保換熱面的更新。干燥機殼體采用蜂窩夾套結構,低壓蒸汽通過轉子圓盤和殼體夾套間接加熱物料,達到干燥的目的。

干燥機主要參數見表1。

表1 干燥機主要參數

1.2 工藝流程

從上游真空過濾機來的細灰(水分質量分數為45%～60%)通過螺旋輸送機經干燥機進料口進入干燥機,飽和蒸汽通過干燥機空心熱軸、空心葉片和夾套將熱量傳遞給物料,物料中的濕基受熱蒸發,同時物料被干燥(水分質量分數為15%～20%),干燥的物料在抄板的推動下,逐漸向出料口運動,最后從出料口出干燥機,進入下道工序[2]。

低壓蒸汽通過調節閥調整到所需的壓力后進入干燥機夾套和空心熱軸內加熱物料,換熱后的蒸汽通過疏水閥排入凝液系統。

由于干燥尾氣中夾帶細粉較多,故設置尾氣洗滌系統。單套尾氣洗滌系統由1臺洗滌塔、2臺循環水泵、1臺換熱器、2臺引風機組成。來自干燥機的尾氣通過干燥機風管,從洗滌塔中部進入,尾氣進入洗滌塔后,經過5層塔盤,與自上而下的洗滌水相向而行,尾氣中的灰塵被洗滌水去除。殘存的不凝氣經過洗滌塔頂部的除沫器后排出洗滌塔。洗滌塔底部設有排放閥,當液位超過90%時,閥門打開,排出多余的凝結水與洗滌出的細灰。當液位達到80%時,排放閥關閉[3]。

每臺洗滌塔設置2臺并聯的引風機用來抽吸洗滌后的尾氣,引風機入口設置積液器,積液器底部設有排放閥定期排放收集的凝結水,防止凝結水帶入風機。

每臺洗滌塔設置2臺循環水泵,泵入口設置在洗滌塔側面底部,泵出口設置在洗滌塔第二層塔盤上方。循環水泵出口設置循環水冷卻器,1開1備,將洗滌水冷卻至50 ℃以下進入洗滌塔,洗滌尾氣的同時,也將尾氣中的濕分凝結。干燥機工藝流程見圖2。

圖2 干燥機工藝流程

2 經濟效益分析

單臺大干燥機處理質量流量原設計為249.6 t/d,實際處理質量流量為150 t/d;單臺小干燥機處理質量流量原設計為192 t/d,實際處理質量流量為120 t/d。6臺干燥機實際總處理質量流量為780 t/d,每年按運行330 d計算,則總處理質量流量為257 400 t/a。

被干燥的細灰經測算平均熱值為8 373.6 kJ,1 t標準煤熱值為29 307.6 kJ,1 t細灰可折合動力煤0.29 t。故每年可節約動力煤73 542 t。動力煤按800元/t計算,則每年可節省5 883.36萬元。

單臺干燥機額定功率為110 kW,正常輸入功率為55 kW,每年按330 d計算,則6臺干燥機用電量為2 613 600 kW·h,按電單價為0.43元/(kW·h)計算,每年消耗電費1 123 848元。

為6臺干燥機輸送物料的螺旋輸送器共16臺,其中4臺額定功率為7.5 kW,正常輸入功率為4.8 kW,其余12臺額定功率為11 kW,正常輸入功率為6 kW。每年按330 d計算,則16臺螺旋輸送器每年消耗電量為722 304 kW·h,按電單價為0.43元/(kW·h)計算,每年消耗電費310 590.72元。

單臺引風機額定功率為90 kW,單臺循環水泵額定功率為30 kW,單臺凝液泵額定功率為15 kW,查各電機性能曲線可得正常運行引風機功率為60 kW,循環水泵功率為20 kW,凝液泵功率為10 kW,每年按330 d計算,可計算出每年消耗電量712 800 kW·h,按電單價為0.43元/(kW·h)計算,每年消耗電費306 504元。

單臺小干燥機消耗蒸汽質量流量4 t/h,單臺大干燥機消耗蒸汽質量流量7.5 t/h,每年按330 d計算,可計算出6臺干燥機每年消耗蒸汽質量245 520 t,蒸汽單價按83元/t計算,則每年消耗蒸汽費用2 203.7萬元。

綜上可得,6臺干燥機平穩運行每年可節省3 505萬元,更重要的是減少了翻斗車向廠外運輸灰渣造成的環境污染。

3 運行期間存在問題及處理措施

3.1 干燥機入料口堵塞

干燥機原設計進口設置1臺旋轉給料閥,原理是采用電機作為驅動裝置,閥體內裝有葉輪,通過葉輪的旋轉來均速、定量給料[4]。但是根據實際運行分析,旋轉給料閥由于入料口狹窄,多次發生灰渣堵塞,不僅造成現場工作量加大,環境衛生難以維持,而且干燥機的進料不連續,影響干燥機效率。

經過仔細分析研究,最終決定去除旋轉給料閥,改為上料設備螺旋輸送機直接進料,入料口位置從干燥機本體移至上蓋(見圖3),且進料口增加網孔為100 mm×100 mm的篦子板,防止大型異物進入干燥機。經過改造以后,問題徹底解決,再未發生干燥機進料口堵塞現象。

圖3 更改后進料口

3.2 刮刀損壞

干燥機刮刀的安裝位置在圓盤與圓盤之間,作用是及時撥去附著在圓盤上的灰渣,以確保換熱面的更新。當刮刀損壞后,圓盤之間堵滿灰渣,換熱面無法更新,不能有效將熱量傳遞給物料,會造成干燥機效率大幅下降。經過測量,相鄰圓盤上抄板之間距離只有65 mm(見圖4),所以刮刀的運行空間只是一個寬度為65 mm的圓圈,由于刮刀行進空間狹小,而正常運行時干燥機內部溫度變化會使刮刀輕微形變,當形變量達到刮刀與抄板相碰撞的時候,就會導致刮刀損壞。當有1片刮刀掉落,經過抄板推動向下游移動,卡在圓盤之間會使下游刮刀變形,故刮刀損害一般都是成排的。

圖4 刮刀運行空間

經過研究,具體改造為:首先,將刮刀厚度由原來的14 mm更改為18 mm,較厚的刮刀能夠減小因溫度變化而發生的形變;其次,在安裝刮刀過程中,刮刀與兩側圓盤的安裝距離比應為5∶3,因為干燥機在高溫運行時,轉子會向出料端方向膨脹12 mm左右,故刮刀與入料端圓盤距離應比與出料端圓盤距離大,以保證在高溫運行時刮刀在相鄰兩片圓盤的中心,減少刮刀與抄板碰撞的可能;最后,刮刀安裝后應空轉試機,確認刮刀與抄板沒有相碰撞的情況。另外,應強調員工精心操作,確保細灰入料與蒸汽壓力的穩定,防止因干燥機介質波動對溫度產生較大的影響,從而導致刮刀形變。督促員工加強巡檢,現場若出現異響振動應及時匯報,防止事故擴大。

3.3 干燥機效率下降

隨著干燥機運行時間增加,其出灰量會逐漸減少,效率逐漸下降。這種情況下若是按正常負荷進料,經分析產出物含水質量分數在40%以上,遠高于15%～20%的指標。而且細灰在含水質量分數為40%左右的時候,黏性較大,容易成團,附著在干燥機圓盤和內壁上,致使空心軸扭矩增加,電流逐漸升高甚至超標,非常容易產生事故。

干燥機效率下降的原因是在運行期間圓盤上會逐漸附著細灰顆粒,隨著運行時間增加,細灰顆粒越積越多形成垢片(見圖5),較厚的垢片阻擋了熱量傳遞,物料吸收熱量少,內部水分無法蒸發,導致出料含水量高,只能逐漸減少進料量以維持運行,這個周期一般在1個月左右。

圖5 干燥機清洗前

解決方法為定期對干燥機內件進行機械清洗。一般在干燥機運行30 d左右,結合現場實際情況,對干燥機泄壓降溫,進行機械清洗。機械清洗是利用柴油機帶動增壓泵,將水增壓到100 MPa,利用高壓水槍對圓盤上的垢片進行清除,清洗后能去除大部分垢片(見圖6),增加熱量傳遞。

圖6 干燥機清洗后

5#干燥機出灰量統計折線圖見圖7。由圖7可以看出:2022年5月9日清洗前干燥機每天出灰量逐漸下降,5月13日清洗后干燥機出灰量恢復正常水平。

圖7 5#干燥機出灰統計折線圖

3.4 中心熱軸變形

2022年7月27日,5#干燥機結束機械清洗,開始暖機。17:00:00左右,溫度升至160 ℃,現場出現規律性刮蹭聲響。隨著時間推移,噪聲越來越大,且伴隨減速機劇烈振動,中央控制室顯示電流波動逐漸增大(見圖8)。聯系設備工程師現場檢查,經百分表測量,顯示中心軸跳動值為2.5 mm,遠遠超過規定值(0.3 mm)。綜合判斷,5#干燥機中心熱軸已彎曲變形,無法正常運轉。

圖8 干燥機電流

干燥機中心熱軸長度為13 m,質量為60 t,材質內部為碳鋼,外表包裹2205雙相鋼防腐。由于干燥機中心熱軸自身重且長,若平時運行不注意保護,就可能造成中心熱軸彎曲變形,甚至斷裂,致使干燥機壽命縮短。恒力煉化6臺干燥機均出現過中心熱軸變形事故,運行時間長則1.5 a,短則0.5 a。根據運行經驗,總結以下3點預防措施:

(1) 避免進料過多。若干燥機進料口進料過多,無法與出料量達成平衡,干燥機內部細灰會越積越多,大量的細灰由于不能平均受熱,內部水分無法蒸發,致使黏性變大,粘在圓盤與殼體上,造成中心熱軸扭矩增大,電流增高。就算此時停止干燥機進料,也需要1 h以上才能將干燥機內部物料全部轉出。而經常性地進料出料不平衡會造成中心熱軸金屬疲勞,是中心熱軸彎曲變形的誘因。

(2) 避免暖機過快。每次檢修清洗結束后,干燥機需要暖機達到運行溫度才能進料。暖機過程應該保持升溫速率恒定,避免升溫速率過快。由于中心熱軸受熱會產生膨脹,急速的升溫會導致中心熱軸快速膨脹且不均勻,造成中心熱軸受損。2022年7月27日5#干燥機中心熱軸變形問題就是暖機過快造成的。針對干燥機暖機問題,在每臺干燥機蒸汽閥組處增加DN25暖機管線,通過減小管徑來降低蒸汽流量,拉長暖機時間。同時,小管徑閥門易操作、精確、更換簡單。技改后,未發生因暖機快造成設備損壞。

(3) 避免進入異物。螺旋輸送器部件掉落或者其他異物通過干燥機進料口進入干燥機,卡在圓盤之間,阻擋刮刀的運行路徑,異物與刮刀相碰瞬間,干燥機中心熱軸扭矩增加,電流增高。集散控制系統(DCS)顯示電流曲線呈心電圖樣式,由于金屬在高溫情況下,屈服強度會有所下降,經常如此容易造成中心熱軸受損,故異物進入干燥機也是中心熱軸變形的誘因。

4 結語

空心圓盤槳葉干燥機是氣化裝置渣水處理的一種新型設備,通過對干燥機的運行分析、技術改造,以及提高操作管理,真空過濾系統目前運行比較穩定,干燥機的運行穩定為水煤漿氣化細灰處理提供了一種新方法。通過該設備干燥后的細灰被送入電廠鍋爐摻燒能充分回收細灰中的殘碳,減少運輸車外運,有效降低對環境的污染,電廠鍋爐摻燒細灰從而降低燃料煤的使用量,也給公司帶來實際的成本節約。