电石炉净化除尘灰作炭材烘干燃料的工艺设计研究

2018-03-07冯召海李欢张佳

聚氯乙烯 2018年9期

冯召海,李欢，张佳

(新疆中泰矿冶有限公司，新疆乌鲁木齐 831500)

为了保护环境，一般都要求对电石炉尾气进行除尘和回收利用。电石炉尾气通过多级降温除尘后，收集的固体粉尘通过链式刮板机输送到卸灰罐。该固体粉尘一般称之为净化除尘灰(以下简称净化灰)，外观呈深黑色，其温度在200 ℃左右，10 μm以下粒径成分约占80%，含有焦油及较高含量的挥发性成分，另外，还含有少量的电石粉末、硫及磷，故其接触空气后易燃，存在一定的安全隐患。目前主要的处理方式为填埋，卡车运输时常烧坏车辆，倾倒时粉尘极易飘散，严重污染空气。此外，其灰分中含有较多的氧化钙、氧化镁，任意堆放或填埋对环境及地下水易造成严重的污染[1]。

统计结果表明：净化灰占电石产量的5%～7%。新疆中泰矿冶有限公司在新疆阜康市西沟路口建有120万t/a电石生产线，副产净化灰7万t/a左右。如何有效处理这类净化灰，成为生产厂家和环保工作者急需解决的问题[2]。

新疆中泰矿冶有限公司与相关科研院所合作，对净化灰的化学成分和理化性质进行了详细的分析与研究。结果表明：净化灰具有碳含量低、挥发分含量高、燃点低的特点，含有的氧化物等成分具有助燃作用。电石生产企业一般使用焦炭或兰炭末作为炭材烘干燃料，焦炭、兰炭末碳含量高，但挥发分含量低、燃点高。故此，根据新疆中泰矿冶有限公司的实际情况，结合净化灰和焦炭、兰炭末的特点，用其部分取代烘干用的焦炭、兰炭末作为炭材烘干用的燃料。全程采用氮气密闭管道输送，防止净化灰的自燃和污染。通过该方法，不仅解决了净化灰的安全和环保问题，同时还节省了燃料，实现了净化灰的循环利用，具有明显的环保效益和经济效益[3]。新疆中泰矿冶有限公司经过半年的反复试验和实践，目前整套系统运行平稳，各项参数达到当初的设计要求。现将净化灰的处理工艺总结如下。

1 净化灰的理化性质分析

净化灰的组成受原料成分及电石炉生产工艺的影响有一定的变化。收集一定时间段内的净化灰，并进行均化处理，然后测试净化灰的碳含量和细度等，并对焚烧后的净化灰进行成分分析，结果见表1和表2。

表1 净化灰的理化性质Table 1 Physicochemical properties of purified ash

表2 净化灰焚烧后的化学成分Table 2 Chemicals generated after purified ash is burned %

从表1可以看出:净化灰挥发分含量较高，发热量只有兰炭末的1/3左右，同时其粒径小，加之挥发分中含有焦油等，很容易黏附在容器壁上，给卸料和管道输送带来一定的困难。

根据前期试验，若将净化灰单独作为烘干炭材的燃料进行焚烧，则因其热值低，导致烟气温度低，甚至有熄灭的危险；同时，焚烧后的灰分因氧化物含量高，易黏结在焚烧炉的器壁上，难以清除，严重影响焚烧炉的安全。将净化灰部分取代兰炭末作为烘干电石生产用炭材的燃料，则可以克服上述不足。

2 净化灰用于炭烘干工艺

净化灰部分取代焦炭、兰炭用作炭材烘干燃料，工艺流程简图见图1。

图1 净化灰用于炭材烘干燃料的工艺流程

按照图1工艺流程，净化灰部分取代兰炭末作为烘干电石生产用炭材的燃料，其工艺主要分为5部分：净化灰收集系统、净化灰管道输送系统、净化灰存储系统、净化灰焚烧系统、焚烧灰分回收系统。其中收集系统、管道输送系统和存储系统均在氮气的保护下运行，以防止净化灰自燃。下面分别详细描述各工艺流程系统。

2.1 净化灰收集系统

目前，密闭电石炉气中的粉尘一般通过重力除尘、旋风冷却除尘和布袋收尘后，得到的净化灰通过链式刮板机输送收集到卸灰罐。因净化灰易自燃，不能直接与空气接触，一般通入氮气保护。当卸灰罐中净化灰积累到一定量后，通过卸灰阀进行卸灰，一般采用板车拉运填埋。图2为净化灰收集系统的工艺流程图。

图2 净化灰收集系统工艺流程

在不大幅度改变上述净化灰回收工艺的基础上，在卸灰罐的锥底部分加装4个流化板，并通过管道与氮气罐相连。所用氮气罐的最高压力为0.8 MPa,工作压力为0.6 MPa。卸灰时，具一定压力的氮气通过流化板，防止净化灰黏附在卸灰罐内壁上影响卸灰。流化板下部安装自动卸灰阀，该卸灰阀与卸灰罐中料位器相连，当达到一定料位或人为控制时，会自动打开进行卸料。同时，在原有卸灰罐流化板上部约10 cm处的侧面开1个斜位卸灰管，当卸料出现问题时，可以从旁路进行卸灰，不至于影响卸灰作业。

通过原有卸料罐的手动旋流卸灰阀管口，在正下方连接倒锥形可密封式储灰仓，该储灰仓容积为1.5 m3,与氮气罐相连接，保证足够的氮气浓度，防止净化灰的自燃。当卸灰罐中的净化灰量达到料位器预设位置时，系统自动启动卸灰输送程序，净化灰进入储灰仓，达到一定料位后关闭卸灰罐的卸灰阀，自动启动储灰仓输送程序，输送完毕后再次卸灰，如此间歇输送。

2.2 净化灰管道输送系统

在锥形可密封式储灰仓下部连接直径100 mm的钢制输灰管道，同时连接氮气源。储灰仓内的料位计未被覆盖时，发送器处于空的状态，入口进料阀关闭并被密封，此时不消耗氮气；当储灰仓储灰量达到料位计时，系统自动启动输送程序，储灰仓入口进料阀按顺序关闭，同时电磁阀被加压密封。输送管道上泵的输送气阀门打开，气体进入输灰管道中，将净化灰从储灰仓通过管道输送到储灰罐。正常情况下，1.5 m3储灰仓里的净化灰可在30～40 s内输送完毕。

为避免净化灰在管道输送时与氧气接触发生自燃，使用氮气作为输送气源。同时，因净化灰中含有焦油，具有较强的黏性，为避免净化灰黏附在输送管道壁上，管道上每隔8 m安装1个增压器。故在输灰管道的旁边，同时建有1条氮气管道，并有接口与增压器相通，以便为增压器提供氮气。

在输灰管管道上设有压力开关，输灰时一般保持管道内压力为0.1～0.2 MPa，当检测到管道内压力下降到0.06 MPa时，此时管道已清空，关闭气体入口阀。输灰系统进入等待状态，等待下一个循环的开始。

2.3 净化灰存储系统

由管道输送过来的净化灰一般储存在锥形储灰罐中。该储灰罐容积较大，至少保持20～30 m3的有效容积，以便容纳较多的净化灰，同时加装料位器以便监测净化灰的量。在储灰罐顶端安装布袋除尘器防止净化灰的飘散，并向罐中通入一定压力的氮气，防止自燃。在储灰罐锥底加装4块流化板，并连通氮气作为气源，防止净化灰下泄时粘连内壁，影响下灰。

储灰罐下料口安装2组方向相反的自动星型下料调节器，以控制下料时间和下料量。星型下料调节器下部与混流室呈直角相连。

2.4 净化灰焚烧系统

混流室中间与星型下料调节器相连，再与罗茨风机出气口管道相连。利用罗茨风机作为净化灰输送至焚烧炉的气源。罗茨风机出气口管道出口阀一端连接混流室的左端口，另一端连接混流室的右端口，即罗茨风机出口、混流室的左端口及右端口相互连接为一条水平直线，这样罗茨风机的高压输送气源便能够最大程度地作用在混流室内的净化灰上，使净化灰高速而流畅地通过输送管被喷入沸腾焚烧炉中进行焚烧发热。调整喷管的位置和角度，使净化灰均匀地喷在焚烧炉的中心位置。

图3 净化灰焚烧系统工艺流程

净化灰部分取代兰炭末焚烧烘干炭材时的操作顺序为：首先向沸腾焚烧炉中喷入兰炭末，待炉膛温度上升到需要的温度后(一般炉膛温度为850～950 ℃)，通过中控系统再慢慢喷入净化灰，喷入量由少逐渐增加。在保持沸腾炉内温度的情况下，净化灰取代兰炭末的量可以达到50%，最大可达70%。

净化灰尽量喷入焚烧炉的中间部位，避免净化灰和焚烧后的残渣黏附在焚烧炉的内壁上。为防止对焚烧炉的结构造成影响，一般在停炉后，利用空气炮对焚烧炉的内壁进行清洗，一般1～2天进行1次空气炮清洗，炉体结构基本保持稳定。

2.5 焚烧灰分回收系统

由表2可知：经过焚烧后的净化灰灰分中含有较多的CaO、 MgO，该灰分具有较强的碱性，会降低燃料灰熔点。在1 000 ℃焚烧后，灰分温度接近熔点，经过重力下沉、冷却等过程后得到球形颗粒，粒径多在1～3 mm(见图4)。该颗粒物密度近2.2 g/cm3,不起尘，无粉尘污染，由沸腾焚烧炉炉底排出，进入一敞口方形铁制储槽，体积约1 m3,当达到一定的料位后，使用罗茨真空泵进行负压吸送，经过2级旋风除尘后进入灰渣颗粒储罐，达到一定料位后利用普通翻斗车拉运出厂再利用或是填埋。此时，灰渣颗粒已无易燃成分，性质稳定，加之呈颗粒状，基本不会生产粉尘污染。