炭活化窯與犁刀混合器的 廢氣管線運行問題分析及改造

盛禮俊(福陸(中國)工程建設有限公司，上海 201103)

0 引言

福陸(中國)工程建設有限公司受到某公司委托，設計、施工及監(jiān)理某專用活性炭的生產加工廠項目。不同于生產普通活性炭，此專用活性炭項目對活性炭的孔隙、灰分、水分、顆粒大小等技術指標有著較高的要求，生產制造工藝相對復雜。在制造時有一系列特殊的方法，目前能生產出同類合格產品的企業(yè)較少，相較于普通的活性炭產品，此類專用活性炭產品的附加值較高。

活性炭的種類和加工方式很多。按原料的來源可以分為礦物質活性炭，木質活性炭和回收原料生產的活性炭。一般用于吸附的活性炭，主要是煤基活性炭和木質活性炭。它們的優(yōu)缺點如下。煤基活性炭的缺點是：重量一般較大；煤的灰分較大，較大的灰分也會使制成的活性炭灰分含量較高；原料煤的質量普遍不穩(wěn)定，因此會導致制成的活性炭質量波動，影響產品性能的穩(wěn)定。當然，煤基活性炭的優(yōu)點也有很多：煤的含炭量高；價格便宜。不同于煤基活性炭，木質活性炭重量輕；木質原料的自然結構可以使制成的活性炭孔隙更多，使活性炭的吸附量更大[1]。所以綜合成本和性能，采用木質活性炭為原料的產品在市場上占有的比例更高。木質活性炭的制造方法很多，有物理加工法、磷酸加工法和氯化鋅加工法等工藝方法。本項目使用優(yōu)質木屑作為活性炭的原料，采用磷酸加工法對木屑進行加工，生產活性炭。

1 項目建成運行后存在的問題

福陸(中國) 工程建設有限公司參與了某公司建造專用活性炭生產加工廠的設計與施工項目。項目落成試車后，成功生產出合格的專用活性炭。工廠在經過1 年半的運行后，發(fā)現(xiàn)了一些問題：一是炭活化窯廢氣管線上第一個彎頭及其前后的管段內壁磨損嚴重，需要定期檢測，以防管壁磨損到極限值后發(fā)生高溫廢氣泄漏的事故。由于有此內壁異常磨損的現(xiàn)象，彎頭及相應管段就需要定期更換，頻率達到了2～3 月就要更換一次的水平。這導致了活化窯產能提升困難，且定期的停車更換，極大影響了工廠的正常生產；二是炭活化窯的廢氣管線產生了炭積灰現(xiàn)象，需要隔幾個月進行清理，且在業(yè)主嘗試提升產能后，積灰現(xiàn)象越來越嚴重，清理頻率也相應增加。積的灰有的干燥松散，有的很黏稠呈濕泥狀，而黏性濕泥狀的積灰非常難以清理，極大的增加了清理強度；三是犁刀混合器的廢氣管線也產生了炭積灰現(xiàn)象，雖沒有出現(xiàn)如同炭活化窯中的濕泥狀積灰，大都是比較干燥松散的炭灰，但也需要定期清理，否則日積月累，灰塵積聚會導致管線堵塞，極可能產生影響生產安全的嚴重問題。

2 管道內壁異常磨損的原因分析及改造方案

2.1 管道內壁異常磨損的原因分析

由于業(yè)主采用了磷酸加工法對木屑進行加工，雖然項目使用了抗腐蝕性較好的316L 不銹鋼作為管道及管件的材質，但還是不足以抵抗磷酸在高溫下對管道和管件的腐蝕。且炭活化窯產生的廢氣中含有活性炭小顆粒，這也會對管道和管件的內壁產生磨損。綜上，得出是由于以上兩個主要原因造成了廢氣管線出口管口后的第一個彎頭及其前后管段的內壁異常磨損。

2.2 管道內壁異常磨損的改造方案

一般來說，對管道材質的優(yōu)化是解決管道內壁異常磨損的主要方法。對管道材質的優(yōu)化方法分為兩種：第一種是升級管材使用更高級的合金鋼，如哈氏合金，鈦合金和2205 雙相不銹鋼等。綜合材料性能和價格，對比各個合金鋼產品后，發(fā)現(xiàn)2205 雙相不銹鋼更適合該項目的要求。對于此次的含磷酸高溫廢氣介質來說，其耐腐蝕性比316L 不銹鋼強。且在耐磨損性方面也比316L 不銹鋼好很多，十分適合這次廢氣中含有活性炭小顆粒的情況。第二種優(yōu)化的方案是在管道內壁添加一層耐腐蝕的非金屬材料，也就是襯里管道。使用襯里管道方案時，襯里材料的選擇很多，有聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚丙烯(PP) 和聚氯乙烯(PVC-U) 等。但襯里材料對高溫的耐受性較差，對廢氣管線最高操作溫度212 ℃的工況而言，只有使用PFA(最高耐熱溫度可達250 ℃)才能滿足設計要求[2]。且襯里管道施工時有很多特殊的要求，對于管徑達到24 英寸(609.6 mm)的廢氣管線來說，改造時施工難度更大。而使用2205 雙相不銹鋼施工時和原來使用316L 不銹鋼類似，不存在增加施工難度的煩惱。但改用2205 雙相不銹鋼后，成本會較原有材料有所提升。兩種方案可以說是各有特點，業(yè)主綜合成本和施工難易度之后，選擇了使用2205 雙相不銹鋼替代316L 不銹鋼的方案。

3 炭活化窯廢氣管線積灰原因分析及改造方案

3.1 炭活化窯廢氣管線積灰原因分析

廢氣管線里的積灰從業(yè)主反映和現(xiàn)場實地考察來看，有松散性積灰和黏性積灰兩種。管道中積聚的松散性積灰較干燥，可以通過敲擊管壁的方式定期人工清除，清除起來并不困難。一般來說，松散性積灰的形成是一個物理過程。而黏性積灰的形成不僅僅是個物理過程，同時也發(fā)生了化學反應[3]。物理過程與化學反應在廢氣管道中的結合，使得黏性積灰呈現(xiàn)出濕泥狀，且清理起來十分困難，由于廢氣管線平時是封閉的狀態(tài)，一般都是幾個月定期停車清理一次，黏性積灰在管道中不斷積聚，不斷粘結，越積越多，在例行的定期清理時，可以看到大量粘結的活性炭積灰存積在炭活化窯廢氣管口出口所連接的直管和第一個彎頭之間，需要花費大量的停車檢修時間進行清理。同時，廢氣管線的積灰對管道和設備的安全運行也存在一定的威脅。

3.2 消除炭活化窯廢氣管線積灰現(xiàn)象的改造方案

一般來說，控制廢氣管線積灰的方法有增加煙氣流速、增加管道清灰裝置和改變管道走向等方法。對應此次改造項目來說，業(yè)主早先已經試驗了增加煙氣流速這種方法，結果表明增加煙氣流速對減少松散性積灰有一定的效果，而對那些黏性的積灰并沒有明顯的效果。使用清灰裝置清除積灰也是控制積灰的有效方法。一般是通過在管路上增加清灰裝置并合理布置來達到減少積灰的目的。清灰裝置有壓縮空氣吹灰器，聲波吹灰器等。對比兩種吹灰裝置，聲波吹灰器優(yōu)點突出，可以無死角的進行清灰作業(yè)，運行安全，操作維護簡單。由此，我們提出了增加聲波吹灰器的方案。最后一種方案是改變管道原有走向，原先的設計方案是廢氣出口法蘭接了一段帶坡度的直管段，直管段出墻后接向上的彎頭向上走，然后跨過屋頂接入洗氣塔。這種設計方案的廢氣出口處有一段較長的水平方向直管段，由于這個直管段的存在，導致灰在直管段中沉淀、積聚的現(xiàn)象無法避免，控制起來也頗有難度。改進的方法是考慮取消這段直管段，把廢氣管口的方向由水平改成豎直向上，同時廢氣管線連接廢氣管口后直接向上，再跨過屋頂接入洗氣塔。眾所周知，灰很難在豎直管道上積聚，相信采用這樣的設計后會大幅改善原先的積灰現(xiàn)象。另外，新開的廢氣管口可以開在進料口兩邊，在設備中與進料口相連通，這樣也可使廢氣中含有的活性炭小顆粒與灰塵順著接近豎直的廢氣管線直接落下，與進料口的進料匯集，同時也充分利用物料。

經過和業(yè)主商討以上幾種改造方案后，業(yè)主考慮選擇改變管道走向的方案。隨著對此方案的落實推進，也發(fā)現(xiàn)了一些此方案存在的難點：一是在原設備上新開管口是對設備本體的重大更改，能不能在新位置上增加管口需要設備廠商的確認。在經過和設備廠商交流溝通新開管口的方案后，最后和廠商確定了新開管口的位置、角度、現(xiàn)場施工與檢測的方法。二是管線合并時選用的角度也是此方案的難點，角度既要盡量的小，接近豎直，以減輕廢氣中活性炭小顆粒對管道內壁的磨損，又要考慮避開現(xiàn)有的進料口，同時還要保證兩根管線的交匯點要在屋頂鋼梁以下。經過在三維模型中和CAD 中的模擬，最后選定了10°的最優(yōu)化角度。綜上，最后確定的改進方案是取消原有的廢氣管口，在活性炭進料口兩邊各新開管口，接廢氣管線，兩線合并后，直接穿過屋頂，連接到洗氣塔。

4 犁刀混合器廢氣管線積灰現(xiàn)象的原因分析及改造方案

4.1 犁刀混合器廢氣管線積灰原因分析

犁刀混合器位于主裝置的第三層，共設有4 臺。本項目采用了臥式犁刀混合器，在混合器筒體中部布置有一個方向向上的廢氣排放管口。4 臺設備的廢氣排放管口通過管道連接合并為一根廢氣主管，主管出裝置后連接至洗氣塔。原設計時采用設備管口接法蘭再接彎頭的方案，并且按需在多個彎頭處增設了檢查清灰孔，現(xiàn)場工人會定期進行清灰作業(yè)。由于犁刀混合器及附屬管線大都布置在裝置中，樓層高度及空間極其有限，所以管線大都采用水平安裝。綜上，究其原因是由于管線設計比較緊湊，水平管段較多，導致積灰的產生無法避免。隨著產能的不斷提升，積灰現(xiàn)象越來越嚴重，清灰作業(yè)的頻次也逐漸增加，逐步增加的清灰頻次對生產效率也產生了影響。

4.2 消除犁刀混合器廢氣管線積灰的改造方案

犁刀混合器廢氣管線的布置和工藝要求不同于炭活化窯的廢氣管線。犁刀混合器廢氣管線的上游部分是可以布置除塵設備的。目前，主流的除塵設備包括旋風分離器、靜電除塵器和袋式除塵器等。這些除塵設備基本都能實現(xiàn)97% 以上的除塵效率。當然不同設備都有各自的優(yōu)缺點。例如旋風分離器操作方便，維護簡單，一般可以捕捉收集5～10 μm 以上的粉塵，特別適合顆粒較粗的粉塵分離；靜電除塵器除塵效率高，日常維護量小，對濕度、溫度的要求低，自動化程度高，但是由于內部采用的是高壓設備，對人員以及設備的日常安全管理要求相對較高；袋式除塵器對日常操作與維護要求較靜電除塵器高，對煙氣的溫度和濕度也有一定的要求，但運行的費用一般要低于靜電除塵器[4]。經過對比設備大小，改造施工難度，以及后期運行維護成本，最后選定了采用旋風分離器作為除塵設備的方案。在每臺犁刀混合器邊加設一臺旋風分離器，并且根據現(xiàn)有設備布置，優(yōu)化了管道走向，以求旋風分離器與廢氣管口之間的管線盡可能的短，減少在旋風分離器上游管道中粉塵的積聚。

5 結語

綜上所述，炭活化窯廢氣管線的設計與選材有著諸多與普通管線不同的設計要求。管線不僅要選擇合適的材料避免腐蝕泄漏，還要選擇合適的管線走向方案和設備管口布置方案以避免炭積灰現(xiàn)象的發(fā)生。由于工廠的活性炭生產方法采用了磷酸加工法，磷酸的腐蝕性較強，在改造施工時，還要注意對焊縫的處理，要盡量使用工廠焊，減少現(xiàn)場焊，以防出現(xiàn)長時間運行后焊縫損壞，泄漏的情況發(fā)生。犁刀混合器廢氣管線的炭積灰現(xiàn)象，主要是由于裝置層高及設備周圍的空間限制，導致設計時采用了較多的水平管線，從而產生了炭積灰的現(xiàn)象。經過采用旋風分離器除塵后，炭積灰的現(xiàn)象大為改善，工人清灰的頻次大幅減少。經過這次的改造后，炭活化窯與犁刀混合器的運行恢復正常，原本存在的管道異常磨損的現(xiàn)象和炭積灰的現(xiàn)象得到解決。因此，改造工作取得了成功。