旋風分離器在焦爐煤氣凈化中的應用探討

王慶豐，王志峰

（安陽鋼鐵股份有限公司，河南安陽 455004）

引言

在煉焦生產中，焦爐煤氣中的焦油的產生是不可避免的；在現(xiàn)有焦爐煤氣加壓輸送工藝中，焦爐煤氣中含有的焦油等雜質對活塞機的穩(wěn)定運行有較大影響。活塞式壓縮機是煤氣輸配的主要設備，在實際應用中，由于煤氣質量、維護保養(yǎng)、檢修等因素，造成活塞機運行效率低、備件消耗量大、檢修頻繁甚至無備機的情況發(fā)生，影響生產順行。本文探討采用旋風分離器替代過濾罐去除焦爐煤氣中焦油等雜質，提高焦爐煤氣凈化質量，保證活塞機的長周期穩(wěn)定運行。

1 設備概述

安鋼3#煤氣加壓站投運于2013年，現(xiàn)有活塞式壓縮機4 套，型號為4M40-420/0.06-3，額定流量為420 m3/min，運行模式為開一備三。來自焦化廠焦爐煤氣主管網的低壓焦爐煤氣經母管進入站內，經3 套并聯(lián)運行的過濾罐過濾掉焦油等雜質后再進入機前進氣母管，依次經機前電動蝶閥、盲板閥進入活塞機，被壓縮后經機后冷卻器冷卻至40 ℃左右，依次經機后電動盲板閥、機后電動蝶閥進入機后煤氣主管，外送用戶為安鋼冷軋廠，生產工藝見圖1。

圖1 原焦爐煤氣活塞機加壓工藝圖

由于3#加壓站至冷軋廠間的煤氣輸送管線經過市區(qū)，且長達15.5 km，該管線上設置有35 個凝水缸，產生的冷凝液定時外排也需要大量人力物力消耗。

2 問題及分析

2.1 濾芯堵塞

過濾罐采用低進高出、濾芯采用不銹鋼絲網形式，用于過濾焦爐煤氣中的焦油等雜質。在過濾罐阻力大于1.0 kPa時，關閉過濾罐前后盲板閥后進行蒸汽吹掃，通過加熱促使吸附的焦油雜質軟化成液態(tài)流到過濾罐底部，開啟底部排污閥外排。

生產運行中，由于焦爐煤氣質量問題，過濾罐內部濾芯吸附大量焦油雜質，堵塞問題較為嚴重，阻礙煤氣正常流通，更換拆除的濾芯如圖2所示。

圖2 更換拆除的濾芯

為保證生產運行，過濾罐必須每周進行一次蒸汽吹掃，吹掃作業(yè)產生的氣體對環(huán)境造成嚴重污染。

2.2 活塞機內雜質

活塞機的生產能力與吸氣閥、排氣閥的氣密性程度有很大關系，由于輸送介質質量不達標，尤其是焦油等雜質，和一般輸送空氣的活塞機相比，煤氣活塞機的吸氣閥和排氣閥更易出現(xiàn)諸如閥片磨損或斷裂、閥片與閥座之間進入雜物把閥片墊住、彈簧疲勞斷裂等情況，最終造成氣閥關閉不嚴，活塞機做功不足，排氣量顯著下降。

從檢修中拆卸的活塞機部件可看到大量焦油等雜質，尤其是吸氣閥、排氣閥、壓蘭、端蓋等處的焦油等雜質積存較多，如圖3所示。

圖3 活塞機內部焦油及雜質

2.3 檢修頻繁

長期以來，活塞機因振動升高、聲音異常等原因造成運行時間短而頻繁檢修，有時多臺活塞機同時檢修甚至發(fā)生無備機的情況；同時活塞機的頻繁檢修也造成吸氣閥、排氣閥及濾芯等備件的大量消耗。

通過以上分析，由于焦爐煤氣中含有的焦油等雜質較多，即使經過過濾處理，仍有部分焦油等雜質進入活塞機內部，在壓縮下變成焦渣，磨損閥片和閥座，同時焦油、焦渣等雜質粘住閥片和閥座，影響閥片正常動作，影響吸氣閥和排氣閥的開啟和關閉，造成活塞機氣缸端蓋溫度升高，引起活塞機做功不足，直接影響活塞機正常工作從而導致頻繁檢修。

3 探討

3#加壓站活塞機現(xiàn)有工藝為焦爐煤氣經過濾罐凈化后進入活塞機，加壓后外送至安鋼冷軋廠。經長時間的生產實踐及設備檢修解體后檢查，過濾罐凈化效果差，活塞機內部積存焦油等雜質，造成的活塞機頻繁檢修與煤氣質量有較大關系。下面探討采用旋風分離器替代過濾罐去除焦爐煤氣中焦油等雜質，提高焦爐煤氣凈化質量，以達到延長壓縮機的穩(wěn)定運行時間的目的。

3.1 分離原理

在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質稱為分散物質或分散相，例如分散于流體中的液滴、固體顆?；蛘邭馀莸?，包圍著分散物質而處于連續(xù)狀態(tài)的流體稱為連續(xù)相或分散介質。根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均相物系通常分為兩種類型，一種為液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液等；另一種為氣態(tài)非均相物系，如含霧氣體、含塵氣體等［1］。由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性質，其分離操作遵循流體力學的基本規(guī)律，在工業(yè)上采用機械方法進行分離；對于氣態(tài)非均相物系的分離，主要采用重力沉降和離心沉降的方式。在慣性離心力場中進行的沉降稱為離心沉降，通常氣固非均相物系的離心沉降是在旋風分離器中進行［2］。

采用旋風分離器替代過濾罐，焦爐煤氣以一定的速度從旋風分離器的上部周邊切向進入，當含有焦油液滴的焦爐煤氣從切向進入旋風分離器內部，在離心力的作用下液滴向外壁靠近而變成了沿器壁旋轉的薄層液滴帶，因焦爐煤氣經水洗后所含有的焦油大部分以氣溶膠狀態(tài)存在，而焦油液滴的布朗運動非常劇烈。小粒徑的液滴擴散明顯，由于大粒徑的焦油液滴與焦爐煤氣的密度相差較大，液滴的分離與沉降效果較好。在液滴與器壁的碰撞過程中，液滴附著力大于焦爐煤氣對其的曳引力，故而焦爐煤氣中的焦油液滴在分離器內部的旋轉過程中碰到器壁后便被器壁收集，液滴碰撞后產生反彈的較少。在重力的作用下壁面收集的液滴緩慢的沿著器壁滑入旋風分離器的下部錐部內，最終被收集器收集。較少部分焦油液滴被帶入內旋流，轉而向上運動，隨即進入中心部分從上部的排氣管排出。

評價旋風分離器分離性能的重要指標之一為分級效率，指某指定粒徑液滴的分離效率，通常與入口氣體中含有的液滴濃度無關。隨著液滴粒徑的增大焦油液滴的分級效率也會增大，對于粒徑小于4 μm以下焦油液滴一般認為其分離效果不理想，而大于6 μm則具有良好的分離效果［3］。

通過活塞機多年來的解體檢修，拆卸的活塞機部件可看到大量焦油等雜質，尤其是吸氣閥、排氣閥、端蓋等處的焦油等雜質積存較多，表明進口雜質顆粒遠遠6 μm以上，因此根據(jù)相關技術文獻選用旋風分離器會取得較好的分離性能，且過濾罐定期采用蒸汽吹掃，通過加熱促使吸附的焦油雜質軟化成液態(tài)流到過濾罐底部外排，流出的液態(tài)為焦油。在選用旋風分離器后，其分離效率將遠高于過濾罐的形式。

3.2 應用探討

旋風分離器是工業(yè)上應用廣泛的離心分離設備之一，為了提高分離效率和減小壓強降，對標準型旋風分離器加以改進，設計出了一些新的結構型式。以下僅對標準型旋風分離器進行探討，其結構型式下部為圓錐形，上部為圓筒形，如圖4所示。分離器各部分尺寸均與上部的圓筒直徑成比例關系，見圖4中標注。

圖4 標準型旋風分離器

對于旋風分離器，含塵顆粒尺寸增大、含塵濃度高等情況有利于氣體的凈化，生產實踐中，降低氣體的溫度、適當提高入口氣體速度有利于提高分離器的分離效率，但過高的入口氣體速度會產生渦流、增大壓強降，較為適宜的進口氣體速度是限制在10～25 m/s，對于標準型的旋風分離器，壓強降一般為500～2 000 Pa。工業(yè)生產中常采用多個旋風分離器，形成分離器組用于處理大流量的氣體分離操作。

3#加壓站活塞式壓縮機額定流量為420 m3/min，運行模式為開一備三，運行中活塞機進出口管道間的回流閥頻繁開啟，故活塞機最大外送量為7 m3/s。式（1）為單套分離器處理量的計算公式，式（2）為生產所需分離器的數(shù)量。

以標準型分離器為例，設定旋風分離器入口氣體流速為20 m/s，探討現(xiàn)有工藝對不同規(guī)格的分離器及分離器組的生產需求，根據(jù)式1 和式2 計算見表1。

表1 現(xiàn)有工藝對分離器的需求

也可在每套旋風分離器后設置金屬絲網型式的過濾裝置，用于過濾焦爐煤氣中殘存的微小顆粒，滿足活塞機良好工況下的正常運行，實現(xiàn)活塞機長周期穩(wěn)定運行的目的。

結合現(xiàn)有工藝布置，3 套過濾罐原有前后蝶閥和盲板閥可利舊使用，在原址將過濾罐改造為旋風分離器，其改造形式為分離器組并聯(lián)運行。生產中活塞機運行模式為開一備三，活塞機額定流量為420 m3/min，結合表1 的計算，故旋風分離器選用分離器直徑為900 mm 的形式，分離器數(shù)量為3 套。根據(jù)流量和流速，阻損大約1 500 Pa 左右。改造后焦爐煤氣活塞機加壓工藝見圖5。

圖5 改造后焦爐煤氣活塞機加壓工藝圖

考慮焦油等雜質的物理特性，在旋風分離器下部錐體部分外側增加伴熱裝置，保持被收集在內壁上的焦油的液態(tài)狀態(tài)，提高其流動性，便于焦油夾帶雜質等滑入旋風分離器下部錐體內，錐體內積存的焦油及雜質通過管道進入焦化工序或進入收集池內，收集池內積存一定量后使用罐車將收集的焦油及雜質送往焦化工序做進一步的處理。

活塞機加壓后輸送至安鋼冷軋廠的焦爐煤氣管線長達15.5 km，產生的冷凝液極易積存管網形成阻力增大，影響煤氣輸送；采用旋風分離器可在分離焦油等雜質的同時可有效分離煤氣中含有的水分，減少外送管網冷凝液外排的大量人力物力消耗。

4 結論

采用旋風分離器替代現(xiàn)有過濾罐凈化焦爐煤氣，是工藝改進的一種較好的方式，具有如下優(yōu)點：

（1）提高焦爐煤氣凈化效果，焦爐煤氣含有的焦油及雜質具有良好的分離效果。

（2）在旋風分離器中分離煤氣中的冷凝液，大幅減少外部焦爐煤氣管網抽水作業(yè)的人力物力消耗。

（3）減少氣閥、濾芯、密封部件等備件消耗及檢修次數(shù)，延長活塞機運行周期。