吹风气回收装置烟囱内部水除尘改进小结

张花刚，张亚茹，李爱粉，潘春博

（河南能源化工集团安化公司，河南安阳 455133）

1 概 述

河南能源化工集团安化公司是以煤为原料的氮肥企业，气化系统以无烟块煤为原料，采用常压间歇式煤气发生炉（UGI型）制取生产乙二醇、合成氨所需的水煤气和半水煤气。气化系统现有煤气发生炉46台，包括6台φ3 600 mm煤气炉（7#～12#炉）、32台 φ2 800 mm煤气炉（21#～52#炉）、8台 φ2 650 mm煤气炉（13#～20#炉）。气化系统的2#吹风气回收装置于2007年投运，伴随着2012年200 kt／a煤制乙二醇装置的投产，吹风气回收装置实际回收气量明显增加，回收气量由原来的7台炉（3台φ3 600 mm炉、4台 φ2 650 mm炉）增至12台炉（4台φ3 600 mm炉、8台φ2 650 mm炉）。煤气炉来的吹风气虽经旋风除尘器除尘，但仍有部分粉尘会被带入吹风气回收装置，经燃烧炉、蒸汽过热器、省煤器后从烟囱放空，由于吹风气烟囱排放烟气带出粉尘多，导致排出的烟气呈灰黑色。2014年，结合现场实际生产情况，公司决定在吹风气回收装置烟囱内部安装管式喷淋除尘设施，改造后烟气带出物虽有所减少，但烟囱仍存在冒黑烟现象，烟气带出 “黑雨”较多。面对日益严峻的环保形势，公司经多次讨论和方案制定，决定进行大胆尝试，利用2017年4月系统大修时机会对2#吹风气回收装置烟囱内部创新性地使用 “二级折流除尘”技术并对烟囱底部排水管线进行改造，以将烟气中的粉尘除去。此项改造实施后，2#吹风气回收装置除尘效果良好，杜绝了黑烟、 “黑雨”现象，环保效益显著，现简介如下。

2 2#吹风气回收装置概况

2.1 生产原理

吹风气回收装置主要是回收煤气炉吹风阶段产生的空气煤气 ［（CO+H2）含量为8% ～12%］，其与加热后的空气混合后在燃烧炉上部与氨合成系统来的弛放气（CH4含量50%）混合燃烧，产生的热量储存在蓄热层中，燃烧后的高温烟气与软水进行热量交换，产生的蒸汽供生产系统使用，以减少尾气排放并回收热量。

2.2 工艺流程

气化系统7#～12#煤气炉（φ3 600 mm）以及13#～20#煤气炉（φ2 650 mm）吹风阶段产生的空气煤气，通过吹风气回收阀及U形水封管汇入吹风气总管后，分2路进入预混器与来自第二空气预热器的空气（250℃）混合，然后从上部进入燃烧炉内进行燃烧；弛放气来自合成工段，经气动调节阀进入止逆水封，然后经分离器分离水分后分3路进入弛放气助燃器，与第一空气预热器来的空气混合后入燃烧炉内进行燃烧；燃烧产生的热量储存在蓄热层中。空气来自鼓风机，经第一空气预热器加热后分成2路：一路进入弛放气助燃器，另一路经第二空气预热器加热后进入吹风气预混器。

吹风气回收装置烟气及水汽流程见图1（图中实线为烟气及空气走向，虚线为水汽走向）。烟气流程：燃烧后的高温烟气依次经蒸汽过热器、余热锅炉、第二空气预热器、软水加热器、第一空气预热器进行换热，温度降至160℃以下，然后经引风机送入烟囱，经管式喷淋除尘水喷淋除去烟气中的大部分粉尘后排入大气，烟囱底部的污水则经排污水封排入循环水系统。水汽流程：除氧软水经气动调节阀进入软水加热器，与烟气换热后进入余热锅炉，高温烟气（850℃）与软水（4.0 MPa、100℃）在余热锅炉内进行热交换而产生蒸汽，余热锅炉汽包内分离出来的饱和蒸汽进入蒸汽过热器，产生的过热蒸汽［2.8 MPa、（400±20）℃）］经蒸汽过热器出口集箱进入主蒸汽管网，最终送往用户。

图1 吹风气回收装置烟气及水汽流程框图

2.3 主要设备及参数

（1）燃烧炉：折流式，外形尺寸φ8 500mm×18 mm×29 025 mm；工作温度800～1 000℃。

（2）蒸汽过热器：蛇形列管式，外形尺寸2 800 mm×5 360 mm×5 480 mm，过热面积197 m2；烟气流量103 000 m3／h，进口烟温810℃；额定产汽压力3.2 MPa，名义过热蒸发量35 t／h，过热蒸汽温度420℃。

（3）余热锅炉：外形尺寸4 600 mm×8 050 mm×12 400 mm；烟气流量 103 000 m3／h（标态）；工作压力3.5 MPa，进口烟温810℃，进水温度100℃；名义蒸发量35 t／h，饱和蒸汽温度244.2℃；水压试验压力4.38 MPa。

（4）第一空气预热器：立式设备，外形尺寸2 450 mm×2 020 mm×7 810 mm，烟气流量102 979 m3／h（标态）；出口空气温度100℃，空气流量 44 000 m3／h。

（5）第二空气预热器：卧式设备，外形尺寸2 540 mm×2 320 mm×5 665 mm；出口空气温度250℃，空气流量30 484 m3／h。

（6）软水加热器：外形尺寸6 400 mm×3 100 mm×4 530 mm，换热面积1 150 m2，设计工作压力3.8 MPa；进水温度100℃，出水温度172℃，进水量36.75 t／h，进口烟温258.1℃，出口烟温187℃；水压试验压力5.25 MPa。

（7）烟囱：外形尺寸 DN2600／DN3600×32 000 mm；烟气流量 103 000 m3／h。

（8）鼓风机：鼓风机型号9-26 12.5D，流量46 117～58 695 m3／h，转速 1 450 r／min，全压9 130～7 993 Pa；配套电动机型号YKK355-4，功率220 kW，转速1 485 r／min。

（9）引风机：引风机型号Y4-73 22D，流量24 200～33 200 m3／h，转速 730 r／min，全压2 383～1 754 Pa；配套电动机型号 YKK450-8，功率280 kW，转速740 r／min。

3 管式喷淋除尘设施运行中存在的问题

针对2#吹风气回收装置2014年出现的烟囱带出粉尘较多、冒黑烟现象，通过在烟囱内部增设管式喷淋除尘设施，起到了一定的效果，但随着系统生产负荷的提升，2#吹风气回收装置回收气量明显增加，管式喷淋除尘设施的缺陷日益显现，已不能满足当前的环保要求和生产所需。

3.1 烟囱管式喷淋除尘装置结构存在的缺陷

烟囱管式喷淋除尘装置烟囱 ［见图2（a）］分为上、下2段：下段φ3.6 m、高11 m，变径段高度为1 m；上段φ2.6 m、高20 m。在烟囱下段φ3.6 m变径段下沿低1 m（离地面10 m）处、上段φ2.6 m变径段上沿高1 m（离地面13 m）处，分别加装有2组长2.2 m、φ57 mm的水管线，在管线两侧均匀分布有10根φ32 mm、长750 mm钻有小孔的喷水管，烟囱外装有进水阀门，喷淋水通过阀门进入喷水管，可通过阀门开度控制喷淋水量。实际运行过程中，烟囱管式喷淋除尘装置暴露出如下缺陷。

（1）由于喷淋设施进水管线为φ57 mm，进烟囱水管始端与末端距离2.2 m，且每组分布10根φ32 mm喷淋支管，受水分流的影响，喷淋管末端几乎无水喷出，喷淋水分布不均匀，烟气通过时粉尘与水无法充分接触而被除去，造成烟气携带较多粉尘，烟囱排气呈灰褐色，排气负荷较大时冒黑烟。

（2）正常生产时，如遇3台以上煤气炉吹风阶段产生的空气煤气集中在同一时段回收，由于回收负荷加大，在引风机作用下，排气压力增大造成气流上升速度加快，夹带粉尘的除尘水与外排气体一起快速上升，同时形成大量的饱和水蒸气，随着高度的变化，烟气温度逐步下降，夹带的水蒸气冷凝成冷凝水，冷凝水来不及在烟囱内部落下就被快速上升的气流带出烟囱，导致烟气携带除尘水喷出而形成 “黑雨”现象，对周边环境造成污染。

（3）烟气中的粉尘遇水沉积附着在内部喷淋管线上，长时间运行后形成结垢，堵塞喷淋口，严重时堵死喷淋口，影响除尘效果，而停车检修增加了清理劳动强度。

3.2 烟囱底部排水管线存在的缺陷

烟囱管式喷淋除尘装置在距烟囱底部500 mm处开孔，加装φ273 mm水平管线和排污阀［见图2（a）］，使喷淋洗气的水经烟囱底部排污阀排出。实际运行过程中，由于引风机的作用，烟囱底部产生微正压，造成烟囱底部液面波动，继而引起排水管线出水不均匀和排气现象，水气共排不符合环保要求。

图2 改造前后烟囱喷淋除尘装置结构对比

4 优化改造方案

4.1 除尘设施结构改造

4.1.1 除尘设施结构改造方案

在烟囱内部分2层安装折流式气液分离器［见图2（b）］，安装位置位于距烟囱底部9 m处和11 m处，在2层折流式气液分离器下500 mm处分别安装反冲洗管线，在第1层折流式气液分离器上750 mm处安装一层向下喷淋的装置，反冲洗水管线和喷淋水管线与一次水管线碰头（焊接），烟囱外分接进水阀门。折流式气液分离器材质为316L，外径3 000 mm、高150 mm，上部叶片间距30 mm、下部叶片间距40 mm（见图3），喷淋喷嘴采用普通白钢。

图3 折流式气液分离器叶片尺寸示意图

4.1.2 除尘设施结构改造方案分析

（1）2#吹风气回收装置设计烟气回收量为103 000 m3／h，而实际回收量为58 000～68 000 m3／h，加入折流式气液分离器后，可通过叶片上、下间距差改变气流方向和上升速度，增强气液分离效果。经计算，改造后烟囱通气面积为原通气面积的80%左右，正常生产时对整套吹风气回收装置的气体流动阻力基本无影响。

（2）折流式气液分离器的第1层可减缓气流上升速度，使气、水对流均匀、接触充分，以提高除尘效率；折流式气液分离器的第2层可对气、水进行分离，杜绝烟气带液现象；同时，2层折流式气液分离器结构可减缓烟气和饱和水蒸气混合气体上升的速度，使冷凝水在未出烟囱口之前落入烟囱内部，从而解决烟气带液的问题，避免对周边环境造成污染。

（3）在2层折流式气液分离器下部增加反冲洗喷淋设施，可及时清除气液分离器下部和喷淋管线上附着的粉尘，解决积垢问题。

4.2 烟囱底部排水管线改造

在烟囱底部原水平排水管线基础上，将管线中部呈45°抬高500 mm，再水平布置500 mm，之后向下呈45°恢复原来走向 ［见图2（b）］。

烟囱底部排水管线抬高后，排水管外部距地面1 m位置处呈 “П”型结构，使烟囱底部形成液封，达到排液不排气的目的。

4.3 折流式气液分离器除尘装置说明

烟气进入烟囱后，粉尘与喷淋水对流接触，烟气中的大部分粉尘进入水滴中，大的水滴因重力作用直接沉降到烟囱底部，而较小的液滴随烟气继续向上运动，当烟气经过折流式气液分离器时，烟气被均匀分布，与均匀分布的除尘水充分接触，经第1层折流式气液分离器除去烟气中的大部分污水和粉尘，再经第2层折流式气液分离器将烟气中剩余的少量粉尘和污水除去，除尘后的水则经烟囱底部排出，进入循环水系统利用。而且，折流式气液分离器的结构型式会使烟气流动方向急剧变化，使具有较大惯性的液滴和固体颗粒与折流板壁碰撞而从烟气中分离出来，形成液膜，在折流式气液分离器收集区汇集成流，然后在重力作用下沉降到烟囱底部，使排放的烟气不再带液，达到环保要求。另外，气液分离器下500 mm处安装的反冲洗装置，不仅能对气液分离器下部粉尘进行冲洗，防止气液分离器底部积灰堵塞，而且可有效解决内部喷淋管线积垢堵塞喷淋口的问题，并起到洗涤烟气的作用。

5 改造效果

对烟囱除尘设施结构及其底部排水管线进行改造并固化操作后，2017年4月2#吹风气除尘装置投入运行，除尘水量可根据回收气量灵活调节，烟囱排气均以水蒸气状态排放，未出现冒黑烟现象，偶尔烟气带出的水滴也由 “污水滴”变成了 “清水滴”，除尘水通过排水管线全部回收至循环水系统利用。2017年8月，2#吹风气回收装置短停，检查烟囱上、下层气液分离器，未发现积垢、堵塞现象。2#吹风气除尘装置改造前后各项运行数据的对比见表1。

表1 2#吹风气除尘装置改造前后运行数据的对比

由表1可以看出：2#吹风气除尘装置改造后，在相同回收气量下，煤气炉的吹风阻力、吹风气回收装置压力未受到影响，排放烟气粉尘含量由改造前的88～98 mg／m3降至改造后的9～25 mg／m3，除尘效果明显提升。

6 结束语

我公司在生产现场空间受限的情况下，对2#吹风气回收装置烟囱本体进行 “二级折流除尘”及排水管线改造后，烟囱粉尘排放指标完全达到环保要求，现场环境得到明显改善，解决了吹风气回收装置烟气治理难点和系统生产瓶颈问题，取得了显著的环保效益。作为一种创新性的除尘方式，下一步公司将在1#吹风气回收装置上进行烟气除尘推广改造，以消除粉尘污染对公司发展带来的影响。