拦焦车集尘除尘装置设计

吴海州

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

焦化是高污染能源[1]加工行业，焦炉是大型工业窑炉，烟尘呈间歇性无组织排放且烟气温度高、含有可燃性气体和焦油等杂质。过去环保技术和相关法规要求较低，烟尘处理主要考虑的是装煤和出焦过程主体污染源的治理。

炼焦过程[2]中产生的烟尘污染主要源自炉体内部的持续性排放，包括装煤、推焦和熄焦时产生的短暂性烟尘，以及焦炭筛分和储存过程中产生的持续性烟尘。持续性烟尘会在晾炉、摘炉门、推焦、装煤、熄焦等过程中产生，出焦时直接逸散到炉顶区域。当安装在地面除尘站的风机吸力不足时，也会导致大量烟尘泄漏。同时，炉头正常运转也会间歇性排放、逸散烟尘，对作业环境和人体健康造成不利影响。因此，焦化设备除尘净化系统的应用显得极为迫切，是企业可持续发展的必要条件。

1 焦炉基本情况

现代焦炉结构复杂，通常由炉顶、煤塔、燃烧室、碳化室、储能室、以及通风管道、排气口、排气口、排气阀门、排气管网等部分构成；同时，焦炉两侧有装煤、推焦、拦焦、熄焦等机械设备辅助焦炉运行，实现填料送料自动化运行。焦炉结构，如图1。

图1 焦炉结构简图

现代焦炉根据不同的装煤方式，主要分为顶装焦炉和捣固焦炉两种类型。顶装焦炉的工艺是通过位于焦炉顶部的装煤车将备煤工序送来的炼焦煤通过炉顶的加煤斗投入炉膛炭化室，形成一个由上往下推进的填料柱，煤气则从底部排出。在炭化室中，煤经过高温干馏形成焦炭，最终被推焦车从炭化室一侧推出，并最终通过焦炭车或输送设备收集和运输。另一种捣固炼焦[3]是一种从侧面装料的焦炉工艺，将备煤工序提供的配合煤按照一定的比例混合，并使用捣固机的捣固锤将其捣碎，使之形成与炭化室相似的煤饼，然后再通过装煤底板从炭化室的侧面推送至煤箱内，以达到炼焦的目的。在持续高温干馏过程中，煤饼会转化为焦炭，同时释放出大量的废气。这些废气会被下道回收工序的煤气鼓风机抽走，并进行进一步的净化处理。焦炭在炭化室中被推出，随后被送往熄焦车，在那里，经过干熄焦装置的处理，以达到干熄焦的目的。最后，经过筛选的焦炭将按照不同的等级进行储存[4]，以备将来使用。

通过炭化室的干馏，大量的废弃物从地面排放，然后通过上升管和集气管，将其加热至800℃以下，接着，由于高压的氨水的喷洒，使其温度急剧降至80℃以下。此外，废弃物还会有少量的焦油、苯等炼焦废弃物，这些废弃物会由煤气鼓风机吸出，并运往回收作业区，以便更好地完成后续的清洁和再利用。

通过设计合理的烟尘收集系统，包括合适的煤气管道和收集设备，以确保能够有效捕集焦侧煤气中的烟尘颗粒；同时，使用高效的除尘设备，如湿式除尘器、耐高温滤袋等，以减少煤气中的烟尘含量，降低焦侧烟尘收集的难度。

本次集尘除尘装置设计针对的焦炉为2×60孔捣固焦炉，炭化室高度4.2 m，焦侧设置集尘罩、U 形导烟管、集尘干管、袋式除尘器等。

1.1 技术指标

本次设计的设备预计达到的技术指标为：出焦烟尘捕集率≥95%、烟气净化效率≥99%。通过使用采样器在烟气排放口处采集样品，并通过重量测定来确定烟尘的质量。将得到的出焦烟尘质量与煤气中烟尘总量进行比较，计算捕集率；通过化学分析法，采集烟气样品，并对其中污染物的浓度进行化学分析。通过测定进入净化设备前后污染物的浓度变化，计算净化效率。

1.2 设计依据

主要设计标准为：《大气污染物综合排放标准》（GB 16297—1996）、《焦化安全规程》（GB 12710—2008）、《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB 16171—2012）。

1.3 工艺流程

在没有氧气的情况下，焦煤通过高温干馏，将温度提高到大约1 000℃，这样就会发生热分解和结焦作用，从而产生焦炭和焦炉煤气。按照焦炉的生产计划，焦炭会被推到一侧，然后通过拦焦车的导焦栅推出，最后被送到熄焦车上，进行熄焦处理。然而，这个过程中会产生大量的高温、持续性的含尘烟气，包括摘门、尾焦、清门和清框，以及焦炭落入熄焦车中所产生的烟尘。

当拦焦车按照系统设定到达某个预备推焦的焦炉时，会与推焦车同时到达。当焦炉抵达预先设定的位置时，导焦栅会自动朝着焦炉的方向运作。首先，导焦栅会朝着焦炉的方向偏离预先设定的范围，然后取门机会自动朝着焦炉的方向运作，直到完成取门任务为止。接着，导焦栅会朝着焦炉的方向运作，直到焦炉的方向完全闭合。当火焰被引燃，刮板机就会启动，把焦炭从火焰引燃器上抽取，熄焦车就会启动，而清洁设备也随之启动，把焦炭从火焰引燃器上抽取，然后将焦炭放回火焰引燃器上。当焦炉的焦栅被安装回原来的位置并且被牢牢地固定住之后，就可以开始下一炉的焦化操作了。然而，焦炉的运输过程中，总会有一股强烈的阵风，尤其是在焦侧炉门以及焦栅周围。在整个焦化生产过程中，除尘是必不可少的，从备煤粉碎机室的清洁到装煤、出焦、筛焦等各个环节，都需要进行有效地除尘处理。除尘系统主要是针对推焦时产生的高温烟气进行除尘。主要设备有出焦除尘风机、袋式脉冲除尘器和烟囱等输送装置。烟尘的除尘工艺流程图，如图2。

图2 集尘除尘工艺流程图

2 集尘装置设计

2.1 辅助除尘设备

通过设置皮带提升小车、固定接口翻板阀、旋风分离器等辅助除尘设备，与除尘器、过滤器、风机等设备配合使用，可将出焦时产生的大量烟尘收集到集尘干管中，然后再将其送到地面除尘站进行处理，以实现提高除尘效率的目标。

2.1.1 皮带提升小车

皮带小车是一种紧凑的设备，用于支撑拦焦车。这种设备通常安装在一条由胶带包裹的集尘管路中，并与导焦车的主要防护装置相互配合。在导焦车移动的过程中，这些设备也会自然地移动。此刻，气体转移密封装置可以有效地把由集尘罩捕获的灰尘通过皮带机提升至空调系统的出风口，进而进行排放。

使用密封皮带提升小车可以大大改善交通状况，其中一个显著的优势就是可以与拦焦车实现完美地同步运行，而且不需要任何额外地连接操作。此外，无论拦焦车位置如何，吸气罩都能够与地面站牢固地连接起来。但是，这种方式也存在一些不足之处。由于小车需要频繁行驶，并面临着高温和恶劣的工作环境，这将导致小车的磨损和腐蚀加剧，同时也会使皮带老化加速，使用寿命缩短。因此，需要及时更换皮带来保证其正常运转。

2.1.2 固定接口翻板阀

采用固定式翻板阀的设计，其基本思想为：在大型吸气罩上安装一个能够自行调节的可调节的连接器，以便实现更加精准的连接。此外，该设备还配备了一个液压系统，能够自动激发连接器，从而使得烟雾能够顺利流经地表。随着时间的推移，焦烟被一个巨大的吸收器收集，与一个可调节的连接器连接起来。之后，由于地面站的风扇，这些烟雾被收集到一个专门的空间，以便被处理。这个过程需要与拦焦机一起移动，并在出焦时进行操作。

固定接口翻板阀对接方式的优点是寿命长、维修方便、密封性较好、控制和操作比较简单；缺点是连接方式的设备成本较高，大概是提升小车方式的2倍，使整个除尘装置的费用提高达3个百分点左右。

2.1.3 U型管

U型管导烟技术具有多重优势：①U型管可以浸泡在水中，不会受到机械磨损，从而有效地减少烟尘的排放，这一点远远超过了皮带提升小车和固定接口翻板阀；②水槽中的水会给U型管一个向上的浮力，弥补了U型管强度不足的问题；③运行时不需要将位置对准，操作简单；④采用水封，密封性能好，减小烟气的泄漏，能效高；⑤成本低，运行及维护费用低，经济效益高。

U 型管主要参数：断面尺寸（长度×宽度）8 000 mm×300 mm；板厚10 mm；材质为304不锈钢。

U型管工作原理，如图3。

图3 U型管、集尘干管工作原理图

2.2 集尘干管

集尘干管是一种用于收集煤炭燃烧和焦化过程中产生的灰尘的设备，通过导流管将灰尘输送到地面除尘站，然后通过风机将灰尘排放出去。集尘干管的工作环境比较复杂，烟尘从导烟管进入到集尘干管还有一定的余温，此种环境下对材料有一定的要求。

水封式集尘干管的设计形成了一个密封空间，将集尘干管与外界隔离，有效地防止烟尘外泄，确保全部被收集到干管内。干管上设有200多个进尘口，作为烟尘的入口，烟尘从导烟口导出后通过这些进尘口进入集尘干管。在出焦风机吸烟时，管内形成最大为2 kPa 的负压，这对干管的强度提出了一定的要求。水封式集尘干管是一种复杂的结构，其长度可达200 m，其中包括水封槽、水封板和托架。

拦焦车负责将火焰排放到空间，其中包括烟尘。为了有效清洁空间，将使用一种叫做水封式的集尘系统。该系统安装在火焰排放区域的第三轨道支柱上，与火焰排放器的外部相连。这个系统包含了一些关键元素，如集尘管道、水封槽、水封板以及支撑结构。主要参数，见表1。

表1 集尘干管参数

3 除尘装置设计

根据集尘系统富集的烟尘浓度以及所需的风量，对总除尘系统基本参数进行设置，表2。

表2 总除尘系统基本参数设置

3.1 除尘风机

除尘风机用于对产生的烟尘进行风力提升，以便其进入下一个处理单元，其基本参数，见表3。

表3 除尘风机参数

3.2 袋式除尘器

3.2.1 工作原理

从进气口进入除尘器灰斗的烟气，部分较重的尘粒会因为自身重力而直接落入除尘器灰斗内，而另一部分较轻的尘粒则进入到除尘室内。经过精心筛选的尘粒被送入净气室，在那里会停留一段时间，然后被引射管引导到气体汇集箱中，以实现最佳的净化效果。位于风口处的风机会把一定量的净化气体积攒起来，然后通过排放口排放到大气中。

当系统发送清灰命令时，电磁脉冲阀将被激活，从此，将压缩空气从排放口喷出，经过引射管的引导，将其与排放口的二次空气混合，从而形成数倍于排放口本身的二次空气。此时，压缩空气将被放大，激活滤袋，使其受到高频振动和变形的影响，从而将其外部的尘屑和杂质带走，实现了对下一个排放口的净化。经过最后一个单元的处理，可以继续重复这一过程，直到第一个滤袋被彻底处理。

3.2.2 工作结构

该袋式收尘器的主体结构由进气风管、箱体、集灰斗、过滤室、净气室、滤袋、文丘里引射部分、净气箱、进出风管、脉冲喷吹系统、贬气箱、螺旋绞刀、分格轮、防爆泄压装置及自动控制系统等几大部分组成。并配有基础支柱、爬梯、拦杆、检修口等。

3.2.3 基本参数

袋式除尘器的基本设计参数设置，见表4。

表4 袋式除尘器参数

4 结果验证

4.1 实验前准备

确保各除尘装置，包含U 形导烟管、集尘干管、袋式除尘器等设备均已安装并连接到烟气排放口。实验采用TSI DUSTTRAK 系列烟尘采样器2 件，检查并校准采样器处于检定合格状态。同时准备用于化学分析污染物浓度的设备和试剂。

4.2 实验步骤

（1）在烟气排放口处安装采样器，确保采样器入口方向与烟气来源方向一致，能够准确采集烟气。设置采样器的采样时间和流量，此次实验每次采样时间为10 min，采样流量为10 L/min。待设备运行一段时间系统达到稳态后，开始采样，共采样10 次，得到第一组样品，对样品依次进行编号为@1.0、@1.1、@1.2，一直到@1.9。

（2）在烟气气进入除尘装置之前的位置安装另一个采样器，设置相同的采样时间和采样流量，共采样10次，得到第二组样品，并对样品依次进行编号为@2.0、@2.1、@2.2，一直到@2.9。

（3）第一组样品中@1.0～@1.4 和第二组样品中的@2.0～@2.4 进行重量法分析，用于测量样品中烟尘的质量并计算烟尘捕集率；第一组样品中@1.5～@1.9和第二组样品中@2.0～@2.9进行行化学分析，测量样品中污染物的浓度。记录进入除尘设备前和经过除尘设备后的样品浓度。实验数据，见表5、6。

表5 烟尘质量/mg

（4）由表5 数据得：焦烟尘捕集率=(煤气中烟尘总量-出焦烟尘质量)/ 煤气中烟尘总量×100%=(1554–6.06)/1554×100%=99.61%。

由表6 数据得：净化效率=(进入除尘设备前的污染物浓度-经过除尘设备后的污染物浓度)/进入除尘设备前的污染物浓度×100%=(99.8– 0.94)/99.8×100%=99.1%。

表6 烟尘污染物体积浓度/10-6

5 结论

焦炉炭化室内的煤通过高温热解，将原本的灰烬转换为焦炭，随着推焦机的运行，焦炭最终通过导焦栅进入熄焦车内。但是，由于热解，焦炭可能会受到损坏，导致焦粉、焦油、焦油残留，这些有害的废弃物会排放到大气环境，严重危害人们的健康。为了减少这部分烟气中含焦烟尘的排放，设计了新的拦焦车集尘除尘系统，采取水封式集尘干管，有效地增强了集尘系统的密封性，减小了集尘系统的机械磨损，提高了部件的使用寿命。除尘系统主要采用了脉冲喷吹袋式除尘器进行烟尘处理，通过集尘干管富集的烟尘，在除尘风机的作用下，进入袋式除尘器进行处理，对烟尘的捕集效率达到了99%以上，有效地去除了烟尘，达到了理想设计指标。