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      斯列普活化爐尾氣余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

      2022-06-08 04:10:48楊光明
      煤炭加工與綜合利用 2022年3期
      關(guān)鍵詞:焚燒爐余熱尾氣

      楊光明

      (國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司洗選中心,寧夏 石嘴山 753000)

      在煤基活性炭的生產(chǎn)過程中,活化工段是活性炭生產(chǎn)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)[1]。采用的主要設(shè)備是斯列普活化爐。由于其具有產(chǎn)能較大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)品吸附指標高、能同時生產(chǎn)不同技術(shù)指標活性炭、爐子使用壽命長等特點,而被國內(nèi)煤質(zhì)活性炭企業(yè)廣泛采用[2]。活化工藝以水蒸汽為主要活化介質(zhì),與炭化料進行的不完全氧化反應(yīng)。在此過程中會產(chǎn)生大量的尾氣,排放的尾氣溫度在250~350 ℃范圍內(nèi),尾氣主要成分為水蒸汽,還含有一定量的CO、H2、CH4等可燃氣體及少量含S、N的氫化物[3-5]。這些氣體在常溫下達不到連續(xù)燃燒,直接排空卻造成資源浪費和環(huán)境污染[6]。近年來,多數(shù)企業(yè)將排空至煙道內(nèi)的部分尾氣根據(jù)文丘里原理吸入活化爐蓄熱室,并隨水蒸汽一起進入活化室,為物料活化提供反應(yīng)介質(zhì)[7-9]。但此種方法使得爐壓升高、活化工藝不容易控制。為解決斯列普活化爐尾氣中低品質(zhì)可燃氣體回收綜合利用,實現(xiàn)自供活化介質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和潔凈生產(chǎn)的效果,設(shè)計的尾氣回收裝置主要通過使可燃氣體充分燃燒放熱、余熱梯次換熱等技術(shù)的集成應(yīng)用,實現(xiàn)了尾氣余熱的高效利用。通過尾氣在線檢測與自動配風(fēng)系統(tǒng)形成閉鎖控制,使可燃物經(jīng)焚燒爐充分燃燒,熱量得到充分利用。

      1 活化爐排放尾氣檢測

      以兩臺588斯列普活化爐為例,尾氣成分進行取樣檢測,檢測時活化爐運行條件如下。

      1.1 設(shè)備條件

      兩臺588斯列普活化爐,主要生產(chǎn)φ1.5~180 mm和φ1.5~160 mm柱狀活性炭。生產(chǎn)φ1.5~160 mm活性炭單臺產(chǎn)量為10 t/d,得率44%;生產(chǎn)φ1.5~180 mm活性炭單臺產(chǎn)量為8.5 t/d,得率37%。煙氣排放量約18 500 m3/h。

      1.2 活化工藝條件

      外供蒸汽為燃煤蒸汽鍋爐,壓力0.2~0.3 MPa,單臺活化爐蒸汽用量2.8~3.3 t/h,蒸汽溫度138 ℃,活化爐爐壓60~80 Pa,蓄熱室頂部溫度1 056 ℃,排氣半爐排煙溫度450 ℃,煙囪在以上工藝條件下產(chǎn)生的負壓為152~250 Pa。

      1.3 活化爐配風(fēng)

      兩臺活化爐共用3臺鼓風(fēng)機,風(fēng)機型號8-19-5A,單臺風(fēng)機流量3 166 m3/h,風(fēng)壓5 323 Pa,配用電機功率7.5 kW。

      在上述活化工藝運行條件下,活化爐切換至10~15 min內(nèi),于煙囪12 m處平臺采樣。取樣檢測結(jié)果如表1所示。

      表1 活化爐尾氣組分監(jiān)測結(jié)果(干態(tài))

      表1中A代表是生產(chǎn)氣相吸附活性炭時尾氣組分,B、C、D代表是液相吸附活性炭時的尾氣組分。由表1可知,尾氣中含有CO、H2、CH4等可燃氣體所占比例范圍為15.98%~19.95%,其中生產(chǎn)氣相吸附活性炭時尾氣中可燃組分含量較高,尾氣熱值最大為3.28×107kJ/h。

      2 活化尾氣余熱利用工藝設(shè)計

      2.1 余熱利用工藝設(shè)計

      確定斯列普活化爐尾氣余熱利用裝置工藝技術(shù)流程示于圖1。

      圖1 斯列普爐尾氣余熱利用工藝流程示意

      2.1.1 尾氣

      活化爐尾氣自蓄熱室底部煙道排出,溫度為300 ℃左右,含有CO、CH4、H2等可燃物質(zhì)。煙氣在引風(fēng)機抽力作用下,進入燃燒器。燃燒器根據(jù)在線氧含量裝置測試結(jié)果反饋的信號,通過二次配風(fēng)系統(tǒng)進行適當(dāng)配風(fēng),進入燃燒室充分燃燒。其溫度達到700~850℃。然后,進入余熱鍋爐進行熱交換后,尾氣溫度降至大約300~350 ℃。再進入鍋爐上水預(yù)熱器進行二次低溫換熱,換熱后溫度大約為160 ℃,通過引風(fēng)機經(jīng)煙囪排入大氣。

      當(dāng)余熱鍋爐發(fā)生故障或停電時,燃燒器可防止燃燒室內(nèi)高溫?zé)煔夥祷?,同時煙氣可通過事故煙道經(jīng)煙囪排出,確保安全生產(chǎn)。

      2.1.2 蒸汽

      常溫(≈20 ℃)下,軟化水進入鍋爐補水箱,鍋爐上水泵根據(jù)鍋爐水位自動調(diào)節(jié)上水量,先通過鍋爐上水預(yù)熱器換熱,溫度升至50~80 ℃,進入余熱鍋爐,產(chǎn)生160 ℃左右的飽和蒸汽,再進入過熱器二次加熱,產(chǎn)生190 ℃左右的過熱蒸汽,經(jīng)分汽缸進入活化爐參與活化反應(yīng)。

      2.2 余熱鍋爐設(shè)計

      活化尾氣余熱主要由物理顯熱和化學(xué)潛熱兩部分組成[10]。由350 ℃混合煙氣降至160 ℃混合煙氣的熱焓和混合煙氣中可燃物質(zhì)的化學(xué)能兩部分組成。單臺活化爐在標態(tài)下產(chǎn)生的煙氣流量為9 250 m3/h,最大熱流量為1.64×107kJ/h,兩臺活化爐總熱流量為3.28×107kJ/h。尾氣熱焓利用率根據(jù)以往煙道式鍋爐的經(jīng)驗值取值為58%,產(chǎn)生1 t蒸汽所需熱焓約為2.5×106kJ??紤]活性炭產(chǎn)品品種改變及操作工況波動導(dǎo)致煙氣量變化,為確保安全運行,在余熱鍋爐設(shè)計時蒸發(fā)量冗余系數(shù)取1.3,即額定產(chǎn)蒸汽量為8 t/h,鍋爐最高產(chǎn)氣量可達10.4 t/h。

      余熱鍋爐過熱器設(shè)計為中置式過熱器,均為光管管束順列布置,保證了良好的蒸汽品質(zhì),確保用汽設(shè)備的安全可靠運行。汽包內(nèi)部裝置包括分配管及汽水分離系統(tǒng)。給水分配管靠近下降管。內(nèi)部裝置還包括兩級汽水分離裝置。余熱鍋爐爐墻為框架裝配式爐墻,耐火及保溫層采用雙層結(jié)構(gòu)的柔性密封。內(nèi)層為高鋁耐火磚砌筑外層為保溫水泥澆鑄料,既耐高溫而且防磨效果很好。外包為噴砂處理及噴涂防腐油漆鋼板。鍋筒、集箱和管道的保溫均應(yīng)采用硬質(zhì)的無石棉硅酸鈣瓦,外包護板。

      2.3 焚燒爐設(shè)計

      焚燒爐的外墻為磚砌體,外形尺寸為7200mm×4400mm×4800mm,外襯為360 mm厚普通紅磚,用M5水泥砂漿砌筑。內(nèi)襯為240 mm厚二級高鋁磚,爐頂為240 mm厚二級高鋁異型磚,高鋁磚砌筑均采用耐火水泥砌筑。內(nèi)、外襯之間設(shè)置50 mm寬隔熱膨脹縫,采用硅酸鋁板填充;爐頂保溫層用水泥珍珠巖填充,上鋪一層硅藻土保溫磚,20~30 mm厚水泥砂漿找坡層。格子磚為一級粘土耐火磚,焚燒室與煙管連接處縫隙采用耐火可塑料密封。外側(cè)焊接鋼結(jié)構(gòu)固定架,固定架采用14號槽鋼制作,間距≤1.2 m。焚燒爐設(shè)防爆孔、觀火孔。當(dāng)燃燒室內(nèi)煙氣燃燒不穩(wěn)定或產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象時,焚燒室內(nèi)產(chǎn)生瞬間沖擊壓力,防爆門在沖擊壓力作用下打開,而且防回火裝置可防止煙氣逆向進入蓄熱室,保證了活化的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的安全性。焚燒爐包含爐壓壓力監(jiān)測裝置及爐溫監(jiān)測裝置;焚燒爐設(shè)置二次給風(fēng)裝置及二次風(fēng)的加熱裝置。

      2.4 PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

      余熱回收利用系統(tǒng)選用PLC自動控制,可實現(xiàn)各工藝參數(shù)的監(jiān)測與控制、系統(tǒng)報警、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能;同時設(shè)有現(xiàn)場操作站,操作人員可通過自動控制系統(tǒng)和手動控制共同實現(xiàn)系統(tǒng)的操作。鍋爐補水以及配風(fēng)、引風(fēng)都可以實現(xiàn)獨立的閉環(huán)控制,保障鍋爐的安全運行。

      (1)鍋爐有兩臺給水泵,分別裝變頻器,設(shè)低水位、低低水位報警及連鎖。當(dāng)發(fā)生低水位時,兩臺水泵同時啟動,水位到設(shè)定點時,一臺水泵停止,另一臺水泵繼續(xù)補充水位。

      (2)以氧體積分數(shù)(氧冗余量為3%~8%)為基準,調(diào)整鼓風(fēng)機頻率,同時兼顧活化爐運行所需的負壓值(-160~-200 Pa)。

      (3)給水系統(tǒng):給水泵由變頻控制,與鍋爐水位聯(lián)鎖。

      (4)蒸汽系統(tǒng):正常狀況下,開啟活化爐供汽閥門、鍋爐出汽閥門。鍋爐停運后,關(guān)閉鍋爐出汽閥門,打開蒸汽備用管道閥門。分汽缸定期排污,壓力保持在0.3 MPa左右。

      (5)排污系統(tǒng):鍋爐排污分為定期排污和連續(xù)排污。一般8 h定排一次,每次2~3 min。若水質(zhì)指標不達標,可適當(dāng)加強排污。連排一般處于常開狀態(tài),可視水質(zhì)狀況調(diào)節(jié)開啟度大小。

      3 活化尾氣余熱利用過程研究

      3.1 低品位高含水蒸氣尾氣的燃燒可行性及所需狀態(tài)條件

      對活化爐尾氣的等待時間間隔和在線監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)活化爐尾氣中H2、CO、CH4等可燃物質(zhì)的含量非線性恒定,是隨活化爐的換向周期呈谷峰、谷底變化。對這種低品位活化爐工業(yè)尾氣,采取兩臺活化爐換向時間相錯,以谷峰擬補谷底的辦法,同時在燃燒室內(nèi)加蓄熱塊來維持燃燒溫度,保證尾氣連續(xù)燃燒。

      3.2 氧含量在線監(jiān)測和配風(fēng)控制

      通過對尾氣組分及含量的監(jiān)測知,其氫氣含量在8%以上。由于H2熱焓較高,煙氣在有明火的狀態(tài)下,能夠迅速燃燒。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗,當(dāng)排空尾氣中氧含量在3%~6%之間時,一是能夠保證尾氣得到充分穩(wěn)定的燃燒;二是根據(jù)活化尾氣的工況條件,保證鍋爐的效率最高。通過氧含量在線監(jiān)測,當(dāng)氧含量低于3%時,利用自動配風(fēng)系統(tǒng),啟動風(fēng)機,空氣經(jīng)過預(yù)埋在燃燒室內(nèi)的預(yù)熱器預(yù)熱后,輸送至焚燒室補充氧氣;當(dāng)氧含量高于6%時,減少給風(fēng)量。因此,通過配風(fēng)方式的調(diào)節(jié),使余熱鍋爐排出尾氣中氧含量在3%~6%范圍內(nèi)保持一個動態(tài)平衡,可確保尾氣充分燃燒。

      3.3 余熱利用系統(tǒng)在突發(fā)生產(chǎn)事故狀態(tài)下運行的安全性研究

      對于大型活化爐及活化爐的余熱利用系統(tǒng),防止余熱利用系統(tǒng)的高溫?zé)煔饣鼗鹗沁\行過程中最大的安全隱患,特別是在突然停電的狀態(tài)下。在焚燒爐前安裝單向閥和防火快關(guān)閥,并在UPS不間斷電源的驅(qū)動和PLC的控制下,在短時間內(nèi)通過PLC自動關(guān)閉余熱系統(tǒng),將斯列普活化爐煙氣切換至地下煙道排放。

      4 結(jié)果與討論

      (1)斯列普活化爐尾氣回收利用系統(tǒng)建設(shè)完成后,已連續(xù)運行6個月,表2為系統(tǒng)運行一周所統(tǒng)計的數(shù)據(jù),煙氣經(jīng)過焚燒后平均溫度為855 ℃,高于設(shè)計時煙氣溫度,排煙溫度為142 ℃低于設(shè)計時排煙溫度,說明該系統(tǒng)煙氣熱焓利用率高,能量得到充分利用。

      (2)蒸汽平均產(chǎn)量達6.78 t/h,壓力為0.39 MPa,滿足兩臺活化爐6 t/h和不小于0.3 MPa的活化水蒸氣技術(shù)指標的需求。

      表2 斯列普活化爐尾氣余熱利用系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

      (3)該系統(tǒng)不僅有效利用活化尾氣中的余熱,減少煤炭消耗,同時SO2、NOx等有害氣體的排放量比現(xiàn)行寧夏地方標準《煤基活性炭工業(yè)大氣污染物排放標準》分別低361mg/m3,159 mg/m3(見表3)。進一步降低了對環(huán)境的污染。經(jīng)計算,年減少SO2排放量183.7t,節(jié)約標煤約6 150 t。

      表3 余熱鍋爐尾氣檢測結(jié)論報告

      5 結(jié) 論

      斯列普活化爐排放高含水蒸氣的尾氣回收技術(shù)在保證活化系統(tǒng)穩(wěn)定運狀態(tài)下,將含有的硫化氫、一氧化碳、氮氧化物等有害污染物經(jīng)過焚燒和余熱梯次換熱后,既能充分利用活化尾氣中的余熱,還可以大幅減少活化爐尾氣中的有害污染物。對降低煤質(zhì)活性炭行業(yè)的能耗水平,實現(xiàn)全行業(yè)節(jié)能減排、降耗、提效具有十分重要的意義。同時對炭素行業(yè)、碳化硅行業(yè)節(jié)能減排也具有參考價值。

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