活性炭床層溫度異?，F(xiàn)象的分析

高 磊，黃凱鋒，劉 忠，孫小龍，吳振山,3*

（1.內(nèi)蒙古伊泰煤制油有限責(zé)任公司,內(nèi)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(guān)冶煉廠，廣東韶關(guān) 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(shí)脫硫、脫硝的特征，近年來(lái)深受政府部門和企業(yè)的青睞[1-4]。某企業(yè)新上1座活性炭煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)處理燒結(jié)機(jī)頭煙氣以及少量富硫的有機(jī)廢氣。裝置共配備36個(gè)活性炭單元模塊，脫硫段與脫硝段串級(jí)，待處理煙氣依次穿過(guò)脫硫?qū)?、脫硝層、增壓風(fēng)機(jī)后進(jìn)入煙囪并排入大氣，活性炭再生環(huán)節(jié)的再生氣經(jīng)水洗凈化系統(tǒng)、制亞硫酸鹽系統(tǒng)、有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)處理后進(jìn)入活性炭脫硝段。2020年5月5日21∶07，位于脫硫?qū)佣欢?2～37號(hào)位的溫度測(cè)量值顯示異常，熱點(diǎn)溫度對(duì)比見(jiàn)表1。因熱點(diǎn)溫度嚴(yán)重威脅到整個(gè)廠區(qū)的安全生產(chǎn)，隨后48 h內(nèi)運(yùn)行人員曾嘗試采取降低系統(tǒng)負(fù)荷、改變物料循環(huán)速率等措施，均無(wú)法改變熱點(diǎn)溫度現(xiàn)象。

為防止自燃事故的發(fā)生，生產(chǎn)上采取停車排查的應(yīng)急處理措施，連帶致使上游燒結(jié)全廠停車以及活性炭煙氣脫硫脫硝裝置后系統(tǒng)停車，并上報(bào)至當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門備案。

表1 熱點(diǎn)溫度對(duì)比

系統(tǒng)性排查中發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)溫度附近存在明顯的積灰板結(jié)、附著掛壁以及附近格柵被炭灰包裹“糊死”現(xiàn)象，其中有4根活性炭下料管口已被完全堵塞，詳見(jiàn)圖1～2。另外，結(jié)合以往計(jì)劃停車期間裝置檢查留存照片與該次排查結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在其它未呈現(xiàn)出明顯問(wèn)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(jié)、物料架橋、床層空鼓等現(xiàn)象。

圖1 熱點(diǎn)溫度區(qū)的格柵

圖2 下料管被“糊死”

2 事故影響

該次因溫度參數(shù)異常誘發(fā)生產(chǎn)事故，待事故結(jié)束后，生產(chǎn)部門組織對(duì)與之關(guān)聯(lián)的直接經(jīng)濟(jì)損失及與之緊密關(guān)聯(lián)的間接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了量化指數(shù)的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示事故給企業(yè)共造成了134.36萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 直接經(jīng)濟(jì)損失

直接經(jīng)濟(jì)損失主要?dú)w納成4類，包括水電氣煤等能源介質(zhì)的功能性損失、額外增加的活性炭損耗、動(dòng)用維修資源的物力損失及人力成本損失。直接經(jīng)濟(jì)損失合計(jì)34.99萬(wàn)元，主要分項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)損失量化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

2.2 間接經(jīng)濟(jì)損失

間接經(jīng)濟(jì)損失主要是因系統(tǒng)非計(jì)劃性停車停產(chǎn)所引發(fā)的損失。參照企業(yè)全年生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)書以及該次事故發(fā)生前后一段時(shí)間內(nèi)該企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品產(chǎn)量分析得出，該次事故發(fā)生時(shí)正處于企業(yè)產(chǎn)品供不應(yīng)求期，即生產(chǎn)出的產(chǎn)品都可以賣出，并有一定的利潤(rùn)，按同期月均產(chǎn)品產(chǎn)量188 700 t，單位產(chǎn)品利潤(rùn)71.81元/t計(jì)，該次事故停機(jī)1.5 d，累計(jì)減產(chǎn)13 838 t，折合經(jīng)濟(jì)損失99.37萬(wàn)元。

表2 主要分項(xiàng)的經(jīng)濟(jì)損失量化統(tǒng)計(jì)

3 事故原因分析

3.1 異常溫度現(xiàn)象成因的分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察并結(jié)合理論分析認(rèn)為該次活性炭床層溫度異常的根本原因是設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題，基于溫度參數(shù)呈現(xiàn)的結(jié)果，分析如下。

1）局部溫度偏高的成因。區(qū)域格柵被粉塵糊死，致使問(wèn)題格柵上部的活性炭更新速率降低，同時(shí)誘發(fā)煙氣穿過(guò)該區(qū)域的能力降低。煙氣中SO2、H2O、O2分子可通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入活性炭毛細(xì)孔?；钚蕴课矫摿蜻^(guò)程是放熱反應(yīng)，氣體流通量降低，熱量不能及時(shí)被擴(kuò)散，造成局部溫度偏高。脫硫熱效應(yīng)機(jī)理如下：

熱化學(xué)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(jīng)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(qū)域活性炭補(bǔ)給不足，活性炭床層局部形成空鼓?？展奶幋矊幼枇Φ?，氣流流速增加，在熱效應(yīng)一定時(shí)，溫升與氣體流速成反比，局部溫度出現(xiàn)偏低。

3.2 堵塞原因分析

導(dǎo)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(fā)生前的一段時(shí)間內(nèi)脫硝段噴氨量異常。

3.2.1 原煙氣帶水

事故發(fā)生前的2020年5月3日，上游燒結(jié)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(shí)裝置恢復(fù)運(yùn)行初期，煙氣降溫噴淋水控制不當(dāng)，液態(tài)水被帶入系統(tǒng)。同時(shí)，原煙氣末端分支因系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)，含水率較其它支路有更為明顯的偏高現(xiàn)象，而2塔入口正對(duì)原煙氣末端的分支，未汽化的冷卻降溫水隨氣流進(jìn)入活性炭床層，高濕環(huán)境造成活性炭間摩擦系數(shù)上升，夾雜在活性炭中的粉塵結(jié)塊，黏附到格柵處，造成格柵糊死，進(jìn)而誘發(fā)活性炭下料管的堵塞，引起活性炭床層溫度出現(xiàn)異常。

3.2.2 除塵效率偏低

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，因除塵器安裝空間受限，將原設(shè)計(jì)選用的φ133 mm×3 125 mm濾芯替換成了φ133 mm×2 750 mm的濾芯，過(guò)濾面積直降12%，間接引起除塵器的處理能力降低7%～10%，即對(duì)含塵煙氣處理的量減少了。除塵器對(duì)煙氣處理量的減少，導(dǎo)致夾雜在活性炭中的粉塵不能全部被冷卻風(fēng)帶走，致使循環(huán)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(xiàn)了結(jié)塊，糊住格柵。

3.2.3 脫硝段噴氨量異常

4月20日起氨系統(tǒng)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(wú)法滿足再生塔內(nèi)NOx的還原需要[5]，誘發(fā)再生后的再生氣中NOx含量超標(biāo)以及再生后的活性炭中NOx含量超設(shè)計(jì)值上限。循環(huán)活性炭中NOx含量的增加，吸水率增加，活性炭的運(yùn)動(dòng)黏度也隨之增加，促使格柵堵塞的發(fā)生。

此外，入再生塔的活性炭含銨鹽量的減少，會(huì)促使參與化學(xué)反應(yīng)的活性炭量增加，進(jìn)而誘發(fā)生成的活性炭粉比率上升。過(guò)程機(jī)理如下：

1）銨鹽的分解反應(yīng)生產(chǎn)氨：

3(NH4)2SO4→4NH3+3SO2+6H2O+N2

2）硫酸的氧化還原反應(yīng)消耗炭：

2H2SO4+C→CO2+2SO2+2H2O

同時(shí)，炭粉可降低循環(huán)物料的流動(dòng)性能，提升活性炭床層非均勻下降的概率，容易導(dǎo)致活性炭床層出現(xiàn)架橋、下料管堵塞、偏流等問(wèn)題。

4 優(yōu)化措施及改進(jìn)效果

4.1 改進(jìn)措施

4.1.1 建立上下游工序的信息共享平臺(tái)

為消除信息不對(duì)稱或信息延遲帶來(lái)的負(fù)面影響，建立上下游工序的信息共享平臺(tái)。由電氣工程師將活性炭脫硫脫硝上游工序的燒結(jié)機(jī)尾排風(fēng)機(jī)信號(hào)、燒結(jié)機(jī)機(jī)尾溫度信號(hào)分屏至活性炭脫硫脫硝主控室，同時(shí)增加聲光報(bào)警信號(hào)。

燒結(jié)機(jī)開車過(guò)程，燒結(jié)工序派燒結(jié)專工1名入駐活性炭脫硫脫硝主控室，協(xié)同指揮活性炭脫硫脫硝裝置及燒結(jié)機(jī)的開車。

4.1.2 降低原煙氣入脫硫塔時(shí)的水分

該過(guò)程包含兩部分：①將下游制亞硫酸鹽系統(tǒng)的尾氣引入原煙氣進(jìn)脫硫段前，通過(guò)切向擾動(dòng)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(guò)增加上游原煙氣余熱鍋爐的換熱面積，減少原煙氣降溫環(huán)節(jié)噴淋水用量。

4.1.3 增加空氣炮

對(duì)易堵塞區(qū)域的下料管按排分為組，每組增加空氣炮1套，空氣炮現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟動(dòng)。分步實(shí)施，第一步僅增加2組，對(duì)應(yīng)兩排的各4支下料管。

4.2 改進(jìn)效果

6月3日改造完成至11月底，技改后的裝置已經(jīng)歷4次開停車，均未出現(xiàn)類似改造前的問(wèn)題，技改效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

案例中因溫度參數(shù)異常導(dǎo)致的活性炭煙氣脫硫脫硝裝置實(shí)施了一次非計(jì)劃性停車，給企業(yè)帶來(lái)134.36萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入分析后認(rèn)為，事故的根源來(lái)自于設(shè)計(jì)缺陷，如在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)配置相應(yīng)的輔助設(shè)施，可以消除或是規(guī)避此類事故的發(fā)生。

鑒于大型環(huán)保系統(tǒng)的非計(jì)劃性開停機(jī)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)影響較大，建議有條件的企業(yè)在引進(jìn)不熟悉的環(huán)保系統(tǒng)時(shí)咨詢專業(yè)的環(huán)保機(jī)構(gòu)并委派專業(yè)技術(shù)人員參與項(xiàng)目招投標(biāo)，可大幅提高所選環(huán)保裝置的綜合性能，降低環(huán)保裝置的后續(xù)運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，在環(huán)保設(shè)備投入使用后，聘請(qǐng)專業(yè)環(huán)保技術(shù)人員做技術(shù)顧問(wèn)，可有效降低環(huán)保系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。