多功能除尘装置电伴热系统损坏原因分析及优化改造

史涛涛,何光虎

(青海云天化国际化肥有限公司, 青海西宁 811600)

1 概况

青海云天化国际化肥有限公司年产20万t多功能磷肥装置于2013年5月建成并投产。近年来,由于环保排放不能满足新的要求,在2018年7月启动除尘装置改造项目用于粉尘治理。2018年10月除尘装置建成投用开始试运行,其间故障频发,无法满足设计要求而暂时停用。2019年5月对袋式除尘器内件、气力输灰系统及仓泵进料阀进行了二次改造,同时对输灰管、仓泵、储气罐、灰斗进行保温,并采用电伴热进行温度维持,使物料维持温度在设计值(70 ℃)。伴热带采用MI矿物绝缘电伴热带。改造后除尘装置于2019年6月投用,投运初期电伴热系统运行正常,满足使用要求。但随着气力输灰管线及仓泵进料阀频繁卡堵,输灰系统经常被物料堵塞,每次清理及检修时拆除保温,并对管壁、仓壁进行敲击,造成电伴热管多处损坏断裂,电伴热系统处于瘫痪状态无法投运。MI矿物绝缘电伴热带损坏情况见图1。

图1 MI矿物绝缘电伴热带损坏情况

2 电伴热损坏原因分析

2.1 设计与选型

MI矿物绝缘电伴热带以金属作为外护套,填充线芯及高温矿物绝缘材料。MI矿物绝缘电伴热带具有耐高温(最高维持温度可高达500 ℃)、防水、防爆、机械强度高等优点,但其缺点是由于金属作为外护套,剪切及封口比较麻烦,伴热带一旦断裂无法进行修复或中间续接,且矿物绝缘填充料对弯曲半径有严格要求,不适合现场灰斗锥形体缠绕使用,多次弯曲变形后将降低其安全可靠性。

2.2 安装及施工

现场灰斗、仓泵属于不规则形体,安装前未采取金属网固定支架,直接采取缠绕形式。这导致伴热带出现重叠、交叉、局部弯折角度过大,造成局部过热。由于伴热带采用金属外护套,电源接入点未采用专用封口接线盒,而采用普通接线盒导致电源接头处腐蚀,局部发热烧毁。

2.3 后期检维护清理

从伴热带多处断裂情况来看,断裂多为硬物砸断(见图2)。由于除尘系统仓泵进料阀故障及气力管线输灰能力不足不能及时送走物料,导致下料不畅。每次停车检修清理需拆除管道连接处进行人工清理,在清理时局部拆除仓泵及灰斗外保温层进行敲击或隔着外保温层进行敲击,电伴热带被砸断、砸伤。外保温层局部拆除后,保温层防水性能被破坏,保温材料进水使得电伴热带长时间在低温或潮湿状态下以较大功率输出,造成维持温度衰减,加上物料返潮具有腐蚀性更加剧了伴热带被砸部位以及接线盒与伴热带封口处发生短路的概率。

图2 MI矿物绝缘电伴热带断裂

3 电伴热系统优化改造

3.1 选型计算条件确认

电伴热系统选型计算必须对相关工艺参数及条件进行收集及整理,具体如下:

(1) 收集被伴热体的外形尺寸及材质,如管线的直径、长度,罐体的形状尺寸等。

(2) 当地的最高环境温度及最低环境温度。

(3) 被伴热体需要维持的温度。

(4) 保温材料的品种及厚度。

(5) 现场安装环境,如防爆、腐蚀等。

该电伴热系统管道材质为Q235,其他计算参数见表1。

表1 电伴热计算参数

3.2 热损计算

多功能除尘装置包含2个灰斗、2个仓泵、1条输灰管及1个空气储罐。单位热损计算参照输灰管规格进行[1-2]。根据GB/T 19518.2-2017 《爆炸性气体环境用电气设备 电阻式伴热器 第2部分:设计、安装和维护指南》,理论热损Q1的计算式为:

(1)

实际热损Q2的计算式为:

Q2=Q1×C1×C2

(2)

式中:E为安全系数(直径≤150 mm的管道E取1.5;直径>150～320 mm的管道E取1.4;直径≥320 mm的管道E取1.3);K为保温材料的导热系数,W/(m·K);Δt为介质维持温度与最低计算气温的温差,K;D为管道外径,mm;δ为保温材料的厚度,mm;C1为管道材料修正系数(不锈钢取0.9,碳钢取1);C2为环境条件修正系数,取1.2。

根据以上计算公式可得单位输灰管道的实际热损失为52 W/m。电伴热带长度根据灰斗、仓泵、空气储罐面积及表面圈层缠绕间距确定,并且考虑10%的余量。电伴热计算书见表2。

表2 电伴热计算书

表3 沥水前后炉渣含水质量分数

3.3 伴热带选型

3.3.1 恒功率伴热带

电伴热带除上述MI矿物绝缘电伴热带外,目前主流的还有恒功率伴热带及自限温电伴热带2种。恒功率电伴热带采用合金加热丝,输出功率恒定,不会随外界环境、保温材料、介质而变化。恒功率电伴热带结构见图3:2根相互平行的镀镍铜绞线包覆在氟化物绝热层中,作为电源母线,并且在内绝热层外缠绕镍铬合金电热丝,每隔一段固定距离即将电热丝进行焊接,形成一个连续的并联电阻,当电源铜母线通电以后,各并联电阻随之发热,即形成一个连续发热的电热带,可任意剪切,单位长度热量恒定。恒功率电伴热带在安装缠绕时不能交叉重叠,以免局部高温。并联恒功率电伴热带适用于温度要求高和防爆区域的大型罐体和管道。

图3 恒功率伴热带结构

3.3.2 自限温伴热带

自限温伴热带主要由高分子导电复合材料(半晶态聚合物和导电碳黑)经挤制工艺成型为扁平状电热带,经化学或物理铰链处理呈带状。自限温伴热带结构见图4。由极明显的正温度电阻系数(PTC)的效应产生其功率随温度变化而变化的结果:环境温度降低时功率输出随之增加;环境温度升高时功率输出随之减少。当伴热带周围的温度降低时,导电塑料产生微分子的收缩而使碳粒连接形成电路,电流经过这些电路,使伴热带发热;当温度升高时,导电塑料产生微分子的膨胀,碳粒渐渐分开,引起电路中断,电阻上升,伴热带自动减少功率输出。在设计的稳定温度下,自动产生目标温度敷设在管道上伴热,不论管道季节、昼夜的局部温度复杂变化,都能使管道恒温。自限温伴热带是利用 PTC 调功功能来实现的,发热元件既是电致热元件又是测温元件,也是调功执行元件。 由电伴热带的结构和原理可知,电伴热带的长度可根据所需的发热量而任意切割。伴热带的长度增加,相当于2根电源线之间的负载增加;长度减少,相当于2根电源线之间的负载减少。电伴热带的两端导线不能短接,并且在电伴热带交叉重叠时,不影响其工作性能,它可以根据温度自动地调节放热量[3-4]。

图4 自限温伴热带结构

由于多功能除尘装置伴热属于中温维持型,且灰斗、空气储罐、仓泵大多为不规则形体,从安装的便利性、经济性考虑选择自限温伴热带。

根据热损失计算结果,电伴热带在维持温度下输出功率不低于热损失。但由于自限温伴热带随周围温度变化,日常所说的额定输出功率是在其10 ℃下的输出功率,维持温度高于10 ℃,伴热带输出功率将低于额定输出功率。图5为4款美国瑞侃自限温伴热带的放热(热损失)曲线。根据热损失计算值并对照放热曲线选择伴热带规格为20KTV-2,查询其选型手册可知其额定伴热功率为64 W/m,满足使用要求。

图5 自限温伴热带放热曲线

3.4 电伴热系统安装施工及控制要求

3.4.1 输灰管

自限温伴热带平行安装,将自限温电热带沿管道长度方向平行敷设在管壁下侧表面,即按1∶1进行安装。遇到管道法兰连接处自限温电热带首端接电源接线盒,尾端接防爆尾端接线盒。在电伴热带的排线过程中,每隔 30～50 cm沿管道圆周方向扎1道玻璃压敏胶带,使电热带紧粘在管道表面;每个防爆电源接线盒用 2 道不锈钢卡箍固定在管道表面(见图6)。

图6 输灰管伴热带安装示意图

3.4.2 灰斗及仓泵

灰斗及仓泵、储气罐采用缠绕敷设,上下圈层缠绕间距为100 mm。由于除尘系统1#、2#灰斗表面垂直分布加强筋板,为使伴热带紧贴灰斗表面安装,采取在筋板等间距开孔电伴热带应紧贴灰斗及储罐表面,用铝箔胶带顺着电伴热带缠绕方向粘贴固定,增大散热面,有利于热传导。灰斗伴热带安装见图7。

图7 灰斗伴热带安装图

3.4.3 固定敲击点

鉴于前期电伴热损坏主要是由人工清理时机械敲击造成的,因此在灰斗四周、仓泵设置固定敲击点(见图8),避免物料清理敲击损坏伴热带。

图8 灰斗固定敲击点

3.4.4 温控要求

为保证除尘装置物料的维持温度,设置温度控制,在每条回路安装PT100测温探头,信号传至现场控制箱温控表(见图9),温度设定值为维持温度70 ℃,回差值为±5 K。

图9 现场温控箱

4 安装施工注意事项

电伴热带在完成前期的选型与设计后,安装也是极其重要的环节,安装的质量将直接影响电伴热后期的稳定运行及日常检维护。安装时应注意以下5点:

(1) 电伴热安装时,不允许在地面上拖拉,以免被锋锐物损坏。不允许与高温物体接触,现场施工防止电焊熔渣溅落在伴热带上。

(2) 伴热带应与被伴热管道紧贴,以提高伴热效率。在管道首端及尾端应预留0.5 m伴热带。

(3) 保温材料应干燥。潮湿的保温材料会影响伴热效率,腐蚀伴热电缆,降低其使用寿命。

(4) 外做保温层时注意钻头长度不能太长,不能超过保温层厚度,以防将电热带的绝缘层钻穿。

(5) 伴热系统施工完毕,应在管道的外保温层做出明显的保温伴热警示标志,并标注接线盒及测温元件的安装位置,避免后期运行过程中伴热带及相关附件受外力撞击损坏。

5 结语

多功能除尘装置电伴热系统优化改造后已运行0.5 a,系统运行稳定,满足使用要求,达到预期效果。通过此次改造,合理的设计选型、规范的安装施工及得当的后期维护是保证电伴热系统稳定运行的重要因素。