斯列普活化爐尾氣余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

楊光明

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司洗選中心，寧夏 石嘴山 753000)

在煤基活性炭的生產(chǎn)過程中，活化工段是活性炭生產(chǎn)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)[1]。采用的主要設(shè)備是斯列普活化爐。由于其具有產(chǎn)能較大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)品吸附指標高、能同時生產(chǎn)不同技術(shù)指標活性炭、爐子使用壽命長等特點，而被國內(nèi)煤質(zhì)活性炭企業(yè)廣泛采用[2]。活化工藝以水蒸汽為主要活化介質(zhì)，與炭化料進行的不完全氧化反應(yīng)。在此過程中會產(chǎn)生大量的尾氣，排放的尾氣溫度在250～350 ℃范圍內(nèi)，尾氣主要成分為水蒸汽，還含有一定量的CO、H2、CH4等可燃氣體及少量含S、N的氫化物[3-5]。這些氣體在常溫下達不到連續(xù)燃燒，直接排空卻造成資源浪費和環(huán)境污染[6]。近年來，多數(shù)企業(yè)將排空至煙道內(nèi)的部分尾氣根據(jù)文丘里原理吸入活化爐蓄熱室，并隨水蒸汽一起進入活化室，為物料活化提供反應(yīng)介質(zhì)[7-9]。但此種方法使得爐壓升高、活化工藝不容易控制。為解決斯列普活化爐尾氣中低品質(zhì)可燃氣體回收綜合利用，實現(xiàn)自供活化介質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和潔凈生產(chǎn)的效果，設(shè)計的尾氣回收裝置主要通過使可燃氣體充分燃燒放熱、余熱梯次換熱等技術(shù)的集成應(yīng)用，實現(xiàn)了尾氣余熱的高效利用。通過尾氣在線檢測與自動配風(fēng)系統(tǒng)形成閉鎖控制，使可燃物經(jīng)焚燒爐充分燃燒，熱量得到充分利用。

1 活化爐排放尾氣檢測

以兩臺588斯列普活化爐為例，尾氣成分進行取樣檢測，檢測時活化爐運行條件如下。

1.1 設(shè)備條件

兩臺588斯列普活化爐，主要生產(chǎn)φ1.5～180 mm和φ1.5～160 mm柱狀活性炭。生產(chǎn)φ1.5～160 mm活性炭單臺產(chǎn)量為10 t/d，得率44%；生產(chǎn)φ1.5～180 mm活性炭單臺產(chǎn)量為8.5 t/d，得率37%。煙氣排放量約18 500 m3/h。

1.2 活化工藝條件

外供蒸汽為燃煤蒸汽鍋爐，壓力0.2～0.3 MPa，單臺活化爐蒸汽用量2.8～3.3 t/h，蒸汽溫度138 ℃，活化爐爐壓60～80 Pa，蓄熱室頂部溫度1 056 ℃，排氣半爐排煙溫度450 ℃，煙囪在以上工藝條件下產(chǎn)生的負壓為152～250 Pa。

1.3 活化爐配風(fēng)

兩臺活化爐共用3臺鼓風(fēng)機，風(fēng)機型號8-19-5A，單臺風(fēng)機流量3 166 m3/h，風(fēng)壓5 323 Pa，配用電機功率7.5 kW。

在上述活化工藝運行條件下，活化爐切換至10～15 min內(nèi)，于煙囪12 m處平臺采樣。取樣檢測結(jié)果如表1所示。

表1 活化爐尾氣組分監(jiān)測結(jié)果(干態(tài))

表1中A代表是生產(chǎn)氣相吸附活性炭時尾氣組分，B、C、D代表是液相吸附活性炭時的尾氣組分。由表1可知，尾氣中含有CO、H2、CH4等可燃氣體所占比例范圍為15.98%～19.95%，其中生產(chǎn)氣相吸附活性炭時尾氣中可燃組分含量較高，尾氣熱值最大為3.28×107kJ/h。

2 活化尾氣余熱利用工藝設(shè)計

2.1 余熱利用工藝設(shè)計

確定斯列普活化爐尾氣余熱利用裝置工藝技術(shù)流程示于圖1。

圖1 斯列普爐尾氣余熱利用工藝流程示意

2.1.1 尾氣

活化爐尾氣自蓄熱室底部煙道排出，溫度為300 ℃左右，含有CO、CH4、H2等可燃物質(zhì)。煙氣在引風(fēng)機抽力作用下，進入燃燒器。燃燒器根據(jù)在線氧含量裝置測試結(jié)果反饋的信號，通過二次配風(fēng)系統(tǒng)進行適當(dāng)配風(fēng)，進入燃燒室充分燃燒。其溫度達到700～850℃。然后，進入余熱鍋爐進行熱交換后，尾氣溫度降至大約300～350 ℃。再進入鍋爐上水預(yù)熱器進行二次低溫換熱，換熱后溫度大約為160 ℃，通過引風(fēng)機經(jīng)煙囪排入大氣。

當(dāng)余熱鍋爐發(fā)生故障或停電時，燃燒器可防止燃燒室內(nèi)高溫?zé)煔夥祷?，同時煙氣可通過事故煙道經(jīng)煙囪排出，確保安全生產(chǎn)。

2.1.2 蒸汽

常溫(≈20 ℃)下，軟化水進入鍋爐補水箱，鍋爐上水泵根據(jù)鍋爐水位自動調(diào)節(jié)上水量，先通過鍋爐上水預(yù)熱器換熱，溫度升至50～80 ℃，進入余熱鍋爐，產(chǎn)生160 ℃左右的飽和蒸汽，再進入過熱器二次加熱，產(chǎn)生190 ℃左右的過熱蒸汽，經(jīng)分汽缸進入活化爐參與活化反應(yīng)。

2.2 余熱鍋爐設(shè)計

活化尾氣余熱主要由物理顯熱和化學(xué)潛熱兩部分組成[10]。由350 ℃混合煙氣降至160 ℃混合煙氣的熱焓和混合煙氣中可燃物質(zhì)的化學(xué)能兩部分組成。單臺活化爐在標態(tài)下產(chǎn)生的煙氣流量為9 250 m3/h，最大熱流量為1.64×107kJ/h，兩臺活化爐總熱流量為3.28×107kJ/h。尾氣熱焓利用率根據(jù)以往煙道式鍋爐的經(jīng)驗值取值為58%，產(chǎn)生1 t蒸汽所需熱焓約為2.5×106kJ?？紤]活性炭產(chǎn)品品種改變及操作工況波動導(dǎo)致煙氣量變化，為確保安全運行，在余熱鍋爐設(shè)計時蒸發(fā)量冗余系數(shù)取1.3，即額定產(chǎn)蒸汽量為8 t/h，鍋爐最高產(chǎn)氣量可達10.4 t/h。

余熱鍋爐過熱器設(shè)計為中置式過熱器，均為光管管束順列布置，保證了良好的蒸汽品質(zhì)，確保用汽設(shè)備的安全可靠運行。汽包內(nèi)部裝置包括分配管及汽水分離系統(tǒng)。給水分配管靠近下降管。內(nèi)部裝置還包括兩級汽水分離裝置。余熱鍋爐爐墻為框架裝配式爐墻，耐火及保溫層采用雙層結(jié)構(gòu)的柔性密封。內(nèi)層為高鋁耐火磚砌筑外層為保溫水泥澆鑄料，既耐高溫而且防磨效果很好。外包為噴砂處理及噴涂防腐油漆鋼板。鍋筒、集箱和管道的保溫均應(yīng)采用硬質(zhì)的無石棉硅酸鈣瓦，外包護板。

2.3 焚燒爐設(shè)計

焚燒爐的外墻為磚砌體，外形尺寸為7200mm×4400mm×4800mm，外襯為360 mm厚普通紅磚，用M5水泥砂漿砌筑。內(nèi)襯為240 mm厚二級高鋁磚，爐頂為240 mm厚二級高鋁異型磚，高鋁磚砌筑均采用耐火水泥砌筑。內(nèi)、外襯之間設(shè)置50 mm寬隔熱膨脹縫，采用硅酸鋁板填充；爐頂保溫層用水泥珍珠巖填充，上鋪一層硅藻土保溫磚，20～30 mm厚水泥砂漿找坡層。格子磚為一級粘土耐火磚，焚燒室與煙管連接處縫隙采用耐火可塑料密封。外側(cè)焊接鋼結(jié)構(gòu)固定架，固定架采用14號槽鋼制作，間距≤1.2 m。焚燒爐設(shè)防爆孔、觀火孔。當(dāng)燃燒室內(nèi)煙氣燃燒不穩(wěn)定或產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象時，焚燒室內(nèi)產(chǎn)生瞬間沖擊壓力，防爆門在沖擊壓力作用下打開，而且防回火裝置可防止煙氣逆向進入蓄熱室，保證了活化的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的安全性。焚燒爐包含爐壓壓力監(jiān)測裝置及爐溫監(jiān)測裝置；焚燒爐設(shè)置二次給風(fēng)裝置及二次風(fēng)的加熱裝置。

2.4 PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

余熱回收利用系統(tǒng)選用PLC自動控制，可實現(xiàn)各工藝參數(shù)的監(jiān)測與控制、系統(tǒng)報警、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能；同時設(shè)有現(xiàn)場操作站，操作人員可通過自動控制系統(tǒng)和手動控制共同實現(xiàn)系統(tǒng)的操作。鍋爐補水以及配風(fēng)、引風(fēng)都可以實現(xiàn)獨立的閉環(huán)控制，保障鍋爐的安全運行。

(1)鍋爐有兩臺給水泵，分別裝變頻器，設(shè)低水位、低低水位報警及連鎖。當(dāng)發(fā)生低水位時，兩臺水泵同時啟動，水位到設(shè)定點時，一臺水泵停止，另一臺水泵繼續(xù)補充水位。

(2)以氧體積分數(shù)(氧冗余量為3%～8%)為基準，調(diào)整鼓風(fēng)機頻率，同時兼顧活化爐運行所需的負壓值(-160～-200 Pa)。

(3)給水系統(tǒng)：給水泵由變頻控制，與鍋爐水位聯(lián)鎖。

(4)蒸汽系統(tǒng)：正常狀況下，開啟活化爐供汽閥門、鍋爐出汽閥門。鍋爐停運后，關(guān)閉鍋爐出汽閥門，打開蒸汽備用管道閥門。分汽缸定期排污，壓力保持在0.3 MPa左右。

(5)排污系統(tǒng)：鍋爐排污分為定期排污和連續(xù)排污。一般8 h定排一次，每次2～3 min。若水質(zhì)指標不達標，可適當(dāng)加強排污。連排一般處于常開狀態(tài)，可視水質(zhì)狀況調(diào)節(jié)開啟度大小。

3 活化尾氣余熱利用過程研究

3.1 低品位高含水蒸氣尾氣的燃燒可行性及所需狀態(tài)條件

對活化爐尾氣的等待時間間隔和在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)活化爐尾氣中H2、CO、CH4等可燃物質(zhì)的含量非線性恒定，是隨活化爐的換向周期呈谷峰、谷底變化。對這種低品位活化爐工業(yè)尾氣，采取兩臺活化爐換向時間相錯，以谷峰擬補谷底的辦法，同時在燃燒室內(nèi)加蓄熱塊來維持燃燒溫度，保證尾氣連續(xù)燃燒。

3.2 氧含量在線監(jiān)測和配風(fēng)控制

通過對尾氣組分及含量的監(jiān)測知，其氫氣含量在8%以上。由于H2熱焓較高，煙氣在有明火的狀態(tài)下，能夠迅速燃燒。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)排空尾氣中氧含量在3%～6%之間時，一是能夠保證尾氣得到充分穩(wěn)定的燃燒；二是根據(jù)活化尾氣的工況條件，保證鍋爐的效率最高。通過氧含量在線監(jiān)測，當(dāng)氧含量低于3%時，利用自動配風(fēng)系統(tǒng)，啟動風(fēng)機，空氣經(jīng)過預(yù)埋在燃燒室內(nèi)的預(yù)熱器預(yù)熱后，輸送至焚燒室補充氧氣；當(dāng)氧含量高于6%時，減少給風(fēng)量。因此，通過配風(fēng)方式的調(diào)節(jié)，使余熱鍋爐排出尾氣中氧含量在3%～6%范圍內(nèi)保持一個動態(tài)平衡，可確保尾氣充分燃燒。

3.3 余熱利用系統(tǒng)在突發(fā)生產(chǎn)事故狀態(tài)下運行的安全性研究

對于大型活化爐及活化爐的余熱利用系統(tǒng)，防止余熱利用系統(tǒng)的高溫?zé)煔饣鼗鹗沁\行過程中最大的安全隱患，特別是在突然停電的狀態(tài)下。在焚燒爐前安裝單向閥和防火快關(guān)閥，并在UPS不間斷電源的驅(qū)動和PLC的控制下，在短時間內(nèi)通過PLC自動關(guān)閉余熱系統(tǒng)，將斯列普活化爐煙氣切換至地下煙道排放。

4 結(jié)果與討論

(1)斯列普活化爐尾氣回收利用系統(tǒng)建設(shè)完成后，已連續(xù)運行6個月，表2為系統(tǒng)運行一周所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，煙氣經(jīng)過焚燒后平均溫度為855 ℃，高于設(shè)計時煙氣溫度，排煙溫度為142 ℃低于設(shè)計時排煙溫度，說明該系統(tǒng)煙氣熱焓利用率高，能量得到充分利用。

(2)蒸汽平均產(chǎn)量達6.78 t/h，壓力為0.39 MPa，滿足兩臺活化爐6 t/h和不小于0.3 MPa的活化水蒸氣技術(shù)指標的需求。

表2 斯列普活化爐尾氣余熱利用系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

(3)該系統(tǒng)不僅有效利用活化尾氣中的余熱，減少煤炭消耗，同時SO2、NOx等有害氣體的排放量比現(xiàn)行寧夏地方標準《煤基活性炭工業(yè)大氣污染物排放標準》分別低361mg/m3，159 mg/m3(見表3)。進一步降低了對環(huán)境的污染。經(jīng)計算，年減少SO2排放量183.7t，節(jié)約標煤約6 150 t。

表3 余熱鍋爐尾氣檢測結(jié)論報告

5 結(jié) 論

斯列普活化爐排放高含水蒸氣的尾氣回收技術(shù)在保證活化系統(tǒng)穩(wěn)定運狀態(tài)下，將含有的硫化氫、一氧化碳、氮氧化物等有害污染物經(jīng)過焚燒和余熱梯次換熱后，既能充分利用活化尾氣中的余熱，還可以大幅減少活化爐尾氣中的有害污染物。對降低煤質(zhì)活性炭行業(yè)的能耗水平，實現(xiàn)全行業(yè)節(jié)能減排、降耗、提效具有十分重要的意義。同時對炭素行業(yè)、碳化硅行業(yè)節(jié)能減排也具有參考價值。