吳海州

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

焦化是高污染能源[1]加工行業(yè)，焦?fàn)t是大型工業(yè)窯爐，煙塵呈間歇性無(wú)組織排放且煙氣溫度高、含有可燃性氣體和焦油等雜質(zhì)。過(guò)去環(huán)保技術(shù)和相關(guān)法規(guī)要求較低，煙塵處理主要考慮的是裝煤和出焦過(guò)程主體污染源的治理。

煉焦過(guò)程[2]中產(chǎn)生的煙塵污染主要源自爐體內(nèi)部的持續(xù)性排放，包括裝煤、推焦和熄焦時(shí)產(chǎn)生的短暫性煙塵，以及焦炭篩分和儲(chǔ)存過(guò)程中產(chǎn)生的持續(xù)性煙塵。持續(xù)性煙塵會(huì)在晾爐、摘爐門、推焦、裝煤、熄焦等過(guò)程中產(chǎn)生，出焦時(shí)直接逸散到爐頂區(qū)域。當(dāng)安裝在地面除塵站的風(fēng)機(jī)吸力不足時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致大量煙塵泄漏。同時(shí)，爐頭正常運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)間歇性排放、逸散煙塵，對(duì)作業(yè)環(huán)境和人體健康造成不利影響。因此，焦化設(shè)備除塵凈化系統(tǒng)的應(yīng)用顯得極為迫切，是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。

1 焦?fàn)t基本情況

現(xiàn)代焦?fàn)t結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常由爐頂、煤塔、燃燒室、碳化室、儲(chǔ)能室、以及通風(fēng)管道、排氣口、排氣口、排氣閥門、排氣管網(wǎng)等部分構(gòu)成；同時(shí)，焦?fàn)t兩側(cè)有裝煤、推焦、攔焦、熄焦等機(jī)械設(shè)備輔助焦?fàn)t運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)填料送料自動(dòng)化運(yùn)行。焦?fàn)t結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 焦?fàn)t結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

現(xiàn)代焦?fàn)t根據(jù)不同的裝煤方式，主要分為頂裝焦?fàn)t和搗固焦?fàn)t兩種類型。頂裝焦?fàn)t的工藝是通過(guò)位于焦?fàn)t頂部的裝煤車將備煤工序送來(lái)的煉焦煤通過(guò)爐頂?shù)募用憾吠度霠t膛炭化室，形成一個(gè)由上往下推進(jìn)的填料柱，煤氣則從底部排出。在炭化室中，煤經(jīng)過(guò)高溫干餾形成焦炭，最終被推焦車從炭化室一側(cè)推出，并最終通過(guò)焦炭車或輸送設(shè)備收集和運(yùn)輸。另一種搗固煉焦[3]是一種從側(cè)面裝料的焦?fàn)t工藝，將備煤工序提供的配合煤按照一定的比例混合，并使用搗固機(jī)的搗固錘將其搗碎，使之形成與炭化室相似的煤餅，然后再通過(guò)裝煤底板從炭化室的側(cè)面推送至煤箱內(nèi)，以達(dá)到煉焦的目的。在持續(xù)高溫干餾過(guò)程中，煤餅會(huì)轉(zhuǎn)化為焦炭，同時(shí)釋放出大量的廢氣。這些廢氣會(huì)被下道回收工序的煤氣鼓風(fēng)機(jī)抽走，并進(jìn)行進(jìn)一步的凈化處理。焦炭在炭化室中被推出，隨后被送往熄焦車，在那里，經(jīng)過(guò)干熄焦裝置的處理，以達(dá)到干熄焦的目的。最后，經(jīng)過(guò)篩選的焦炭將按照不同的等級(jí)進(jìn)行儲(chǔ)存[4]，以備將來(lái)使用。

通過(guò)炭化室的干餾，大量的廢棄物從地面排放，然后通過(guò)上升管和集氣管，將其加熱至800℃以下，接著，由于高壓的氨水的噴灑，使其溫度急劇降至80℃以下。此外，廢棄物還會(huì)有少量的焦油、苯等煉焦廢棄物，這些廢棄物會(huì)由煤氣鼓風(fēng)機(jī)吸出，并運(yùn)往回收作業(yè)區(qū)，以便更好地完成后續(xù)的清潔和再利用。

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的煙塵收集系統(tǒng)，包括合適的煤氣管道和收集設(shè)備，以確保能夠有效捕集焦側(cè)煤氣中的煙塵顆粒；同時(shí)，使用高效的除塵設(shè)備，如濕式除塵器、耐高溫濾袋等，以減少煤氣中的煙塵含量，降低焦側(cè)煙塵收集的難度。

本次集塵除塵裝置設(shè)計(jì)針對(duì)的焦?fàn)t為2×60孔搗固焦?fàn)t，炭化室高度4.2 m，焦側(cè)設(shè)置集塵罩、U 形導(dǎo)煙管、集塵干管、袋式除塵器等。

1.1 技術(shù)指標(biāo)

本次設(shè)計(jì)的設(shè)備預(yù)計(jì)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：出焦煙塵捕集率≥95%、煙氣凈化效率≥99%。通過(guò)使用采樣器在煙氣排放口處采集樣品，并通過(guò)重量測(cè)定來(lái)確定煙塵的質(zhì)量。將得到的出焦煙塵質(zhì)量與煤氣中煙塵總量進(jìn)行比較，計(jì)算捕集率；通過(guò)化學(xué)分析法，采集煙氣樣品，并對(duì)其中污染物的濃度進(jìn)行化學(xué)分析。通過(guò)測(cè)定進(jìn)入凈化設(shè)備前后污染物的濃度變化，計(jì)算凈化效率。

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）、《焦化安全規(guī)程》（GB 12710—2008）、《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16171—2012）。

1.3 工藝流程

在沒(méi)有氧氣的情況下，焦煤通過(guò)高溫干餾，將溫度提高到大約1 000℃，這樣就會(huì)發(fā)生熱分解和結(jié)焦作用，從而產(chǎn)生焦炭和焦?fàn)t煤氣。按照焦?fàn)t的生產(chǎn)計(jì)劃，焦炭會(huì)被推到一側(cè)，然后通過(guò)攔焦車的導(dǎo)焦柵推出，最后被送到熄焦車上，進(jìn)行熄焦處理。然而，這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高溫、持續(xù)性的含塵煙氣，包括摘門、尾焦、清門和清框，以及焦炭落入熄焦車中所產(chǎn)生的煙塵。

當(dāng)攔焦車按照系統(tǒng)設(shè)定到達(dá)某個(gè)預(yù)備推焦的焦?fàn)t時(shí)，會(huì)與推焦車同時(shí)到達(dá)。當(dāng)焦?fàn)t抵達(dá)預(yù)先設(shè)定的位置時(shí)，導(dǎo)焦柵會(huì)自動(dòng)朝著焦?fàn)t的方向運(yùn)作。首先，導(dǎo)焦柵會(huì)朝著焦?fàn)t的方向偏離預(yù)先設(shè)定的范圍，然后取門機(jī)會(huì)自動(dòng)朝著焦?fàn)t的方向運(yùn)作，直到完成取門任務(wù)為止。接著，導(dǎo)焦柵會(huì)朝著焦?fàn)t的方向運(yùn)作，直到焦?fàn)t的方向完全閉合。當(dāng)火焰被引燃，刮板機(jī)就會(huì)啟動(dòng)，把焦炭從火焰引燃器上抽取，熄焦車就會(huì)啟動(dòng)，而清潔設(shè)備也隨之啟動(dòng)，把焦炭從火焰引燃器上抽取，然后將焦炭放回火焰引燃器上。當(dāng)焦?fàn)t的焦柵被安裝回原來(lái)的位置并且被牢牢地固定住之后，就可以開始下一爐的焦化操作了。然而，焦?fàn)t的運(yùn)輸過(guò)程中，總會(huì)有一股強(qiáng)烈的陣風(fēng)，尤其是在焦側(cè)爐門以及焦柵周圍。在整個(gè)焦化生產(chǎn)過(guò)程中，除塵是必不可少的，從備煤粉碎機(jī)室的清潔到裝煤、出焦、篩焦等各個(gè)環(huán)節(jié)，都需要進(jìn)行有效地除塵處理。除塵系統(tǒng)主要是針對(duì)推焦時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行除塵。主要設(shè)備有出焦除塵風(fēng)機(jī)、袋式脈沖除塵器和煙囪等輸送裝置。煙塵的除塵工藝流程圖，如圖2。

圖2 集塵除塵工藝流程圖

2 集塵裝置設(shè)計(jì)

2.1 輔助除塵設(shè)備

通過(guò)設(shè)置皮帶提升小車、固定接口翻板閥、旋風(fēng)分離器等輔助除塵設(shè)備，與除塵器、過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備配合使用，可將出焦時(shí)產(chǎn)生的大量煙塵收集到集塵干管中，然后再將其送到地面除塵站進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)提高除塵效率的目標(biāo)。

2.1.1 皮帶提升小車

皮帶小車是一種緊湊的設(shè)備，用于支撐攔焦車。這種設(shè)備通常安裝在一條由膠帶包裹的集塵管路中，并與導(dǎo)焦車的主要防護(hù)裝置相互配合。在導(dǎo)焦車移動(dòng)的過(guò)程中，這些設(shè)備也會(huì)自然地移動(dòng)。此刻，氣體轉(zhuǎn)移密封裝置可以有效地把由集塵罩捕獲的灰塵通過(guò)皮帶機(jī)提升至空調(diào)系統(tǒng)的出風(fēng)口，進(jìn)而進(jìn)行排放。

使用密封皮帶提升小車可以大大改善交通狀況，其中一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)就是可以與攔焦車實(shí)現(xiàn)完美地同步運(yùn)行，而且不需要任何額外地連接操作。此外，無(wú)論攔焦車位置如何，吸氣罩都能夠與地面站牢固地連接起來(lái)。但是，這種方式也存在一些不足之處。由于小車需要頻繁行駛，并面臨著高溫和惡劣的工作環(huán)境，這將導(dǎo)致小車的磨損和腐蝕加劇，同時(shí)也會(huì)使皮帶老化加速，使用壽命縮短。因此，需要及時(shí)更換皮帶來(lái)保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.2 固定接口翻板閥

采用固定式翻板閥的設(shè)計(jì)，其基本思想為：在大型吸氣罩上安裝一個(gè)能夠自行調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)的連接器，以便實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的連接。此外，該設(shè)備還配備了一個(gè)液壓系統(tǒng)，能夠自動(dòng)激發(fā)連接器，從而使得煙霧能夠順利流經(jīng)地表。隨著時(shí)間的推移，焦煙被一個(gè)巨大的吸收器收集，與一個(gè)可調(diào)節(jié)的連接器連接起來(lái)。之后，由于地面站的風(fēng)扇，這些煙霧被收集到一個(gè)專門的空間，以便被處理。這個(gè)過(guò)程需要與攔焦機(jī)一起移動(dòng)，并在出焦時(shí)進(jìn)行操作。

固定接口翻板閥對(duì)接方式的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、維修方便、密封性較好、控制和操作比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是連接方式的設(shè)備成本較高，大概是提升小車方式的2倍，使整個(gè)除塵裝置的費(fèi)用提高達(dá)3個(gè)百分點(diǎn)左右。

2.1.3 U型管

U型管導(dǎo)煙技術(shù)具有多重優(yōu)勢(shì)：①U型管可以浸泡在水中，不會(huì)受到機(jī)械磨損，從而有效地減少煙塵的排放，這一點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了皮帶提升小車和固定接口翻板閥；②水槽中的水會(huì)給U型管一個(gè)向上的浮力，彌補(bǔ)了U型管強(qiáng)度不足的問(wèn)題；③運(yùn)行時(shí)不需要將位置對(duì)準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單；④采用水封，密封性能好，減小煙氣的泄漏，能效高；⑤成本低，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益高。

U 型管主要參數(shù)：斷面尺寸（長(zhǎng)度×寬度）8 000 mm×300 mm；板厚10 mm；材質(zhì)為304不銹鋼。

U型管工作原理，如圖3。

圖3 U型管、集塵干管工作原理圖

2.2 集塵干管

集塵干管是一種用于收集煤炭燃燒和焦化過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵的設(shè)備，通過(guò)導(dǎo)流管將灰塵輸送到地面除塵站，然后通過(guò)風(fēng)機(jī)將灰塵排放出去。集塵干管的工作環(huán)境比較復(fù)雜，煙塵從導(dǎo)煙管進(jìn)入到集塵干管還有一定的余溫，此種環(huán)境下對(duì)材料有一定的要求。

水封式集塵干管的設(shè)計(jì)形成了一個(gè)密封空間，將集塵干管與外界隔離，有效地防止煙塵外泄，確保全部被收集到干管內(nèi)。干管上設(shè)有200多個(gè)進(jìn)塵口，作為煙塵的入口，煙塵從導(dǎo)煙口導(dǎo)出后通過(guò)這些進(jìn)塵口進(jìn)入集塵干管。在出焦風(fēng)機(jī)吸煙時(shí)，管內(nèi)形成最大為2 kPa 的負(fù)壓，這對(duì)干管的強(qiáng)度提出了一定的要求。水封式集塵干管是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度可達(dá)200 m，其中包括水封槽、水封板和托架。

攔焦車負(fù)責(zé)將火焰排放到空間，其中包括煙塵。為了有效清潔空間，將使用一種叫做水封式的集塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在火焰排放區(qū)域的第三軌道支柱上，與火焰排放器的外部相連。這個(gè)系統(tǒng)包含了一些關(guān)鍵元素，如集塵管道、水封槽、水封板以及支撐結(jié)構(gòu)。主要參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 集塵干管參數(shù)

3 除塵裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)集塵系統(tǒng)富集的煙塵濃度以及所需的風(fēng)量，對(duì)總除塵系統(tǒng)基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，表2。

表2 總除塵系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置

3.1 除塵風(fēng)機(jī)

除塵風(fēng)機(jī)用于對(duì)產(chǎn)生的煙塵進(jìn)行風(fēng)力提升，以便其進(jìn)入下一個(gè)處理單元，其基本參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 除塵風(fēng)機(jī)參數(shù)

3.2 袋式除塵器

3.2.1 工作原理

從進(jìn)氣口進(jìn)入除塵器灰斗的煙氣，部分較重的塵粒會(huì)因?yàn)樽陨碇亓Χ苯勇淙氤龎m器灰斗內(nèi)，而另一部分較輕的塵粒則進(jìn)入到除塵室內(nèi)。經(jīng)過(guò)精心篩選的塵粒被送入凈氣室，在那里會(huì)停留一段時(shí)間，然后被引射管引導(dǎo)到氣體匯集箱中，以實(shí)現(xiàn)最佳的凈化效果。位于風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)會(huì)把一定量的凈化氣體積攢起來(lái)，然后通過(guò)排放口排放到大氣中。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送清灰命令時(shí)，電磁脈沖閥將被激活，從此，將壓縮空氣從排放口噴出，經(jīng)過(guò)引射管的引導(dǎo)，將其與排放口的二次空氣混合，從而形成數(shù)倍于排放口本身的二次空氣。此時(shí)，壓縮空氣將被放大，激活濾袋，使其受到高頻振動(dòng)和變形的影響，從而將其外部的塵屑和雜質(zhì)帶走，實(shí)現(xiàn)了對(duì)下一個(gè)排放口的凈化。經(jīng)過(guò)最后一個(gè)單元的處理，可以繼續(xù)重復(fù)這一過(guò)程，直到第一個(gè)濾袋被徹底處理。

3.2.2 工作結(jié)構(gòu)

該袋式收塵器的主體結(jié)構(gòu)由進(jìn)氣風(fēng)管、箱體、集灰斗、過(guò)濾室、凈氣室、濾袋、文丘里引射部分、凈氣箱、進(jìn)出風(fēng)管、脈沖噴吹系統(tǒng)、貶氣箱、螺旋絞刀、分格輪、防爆泄壓裝置及自動(dòng)控制系統(tǒng)等幾大部分組成。并配有基礎(chǔ)支柱、爬梯、攔桿、檢修口等。

3.2.3 基本參數(shù)

袋式除塵器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置，見(jiàn)表4。

表4 袋式除塵器參數(shù)

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

確保各除塵裝置，包含U 形導(dǎo)煙管、集塵干管、袋式除塵器等設(shè)備均已安裝并連接到煙氣排放口。實(shí)驗(yàn)采用TSI DUSTTRAK 系列煙塵采樣器2 件，檢查并校準(zhǔn)采樣器處于檢定合格狀態(tài)。同時(shí)準(zhǔn)備用于化學(xué)分析污染物濃度的設(shè)備和試劑。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在煙氣排放口處安裝采樣器，確保采樣器入口方向與煙氣來(lái)源方向一致，能夠準(zhǔn)確采集煙氣。設(shè)置采樣器的采樣時(shí)間和流量，此次實(shí)驗(yàn)每次采樣時(shí)間為10 min，采樣流量為10 L/min。待設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，開始采樣，共采樣10 次，得到第一組樣品，對(duì)樣品依次進(jìn)行編號(hào)為@1.0、@1.1、@1.2，一直到@1.9。

（2）在煙氣氣進(jìn)入除塵裝置之前的位置安裝另一個(gè)采樣器，設(shè)置相同的采樣時(shí)間和采樣流量，共采樣10次，得到第二組樣品，并對(duì)樣品依次進(jìn)行編號(hào)為@2.0、@2.1、@2.2，一直到@2.9。

（3）第一組樣品中@1.0～@1.4 和第二組樣品中的@2.0～@2.4 進(jìn)行重量法分析，用于測(cè)量樣品中煙塵的質(zhì)量并計(jì)算煙塵捕集率；第一組樣品中@1.5～@1.9和第二組樣品中@2.0～@2.9進(jìn)行行化學(xué)分析，測(cè)量樣品中污染物的濃度。記錄進(jìn)入除塵設(shè)備前和經(jīng)過(guò)除塵設(shè)備后的樣品濃度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5、6。

表5 煙塵質(zhì)量/mg

（4）由表5 數(shù)據(jù)得：焦煙塵捕集率=(煤氣中煙塵總量-出焦煙塵質(zhì)量)/ 煤氣中煙塵總量×100%=(1554–6.06)/1554×100%=99.61%。

由表6 數(shù)據(jù)得：凈化效率=(進(jìn)入除塵設(shè)備前的污染物濃度-經(jīng)過(guò)除塵設(shè)備后的污染物濃度)/進(jìn)入除塵設(shè)備前的污染物濃度×100%=(99.8– 0.94)/99.8×100%=99.1%。

表6 煙塵污染物體積濃度/10-6

5 結(jié)論

焦?fàn)t炭化室內(nèi)的煤通過(guò)高溫?zé)峤?，將原本的灰燼轉(zhuǎn)換為焦炭，隨著推焦機(jī)的運(yùn)行，焦炭最終通過(guò)導(dǎo)焦柵進(jìn)入熄焦車內(nèi)。但是，由于熱解，焦炭可能會(huì)受到損壞，導(dǎo)致焦粉、焦油、焦油殘留，這些有害的廢棄物會(huì)排放到大氣環(huán)境，嚴(yán)重危害人們的健康。為了減少這部分煙氣中含焦煙塵的排放，設(shè)計(jì)了新的攔焦車集塵除塵系統(tǒng)，采取水封式集塵干管，有效地增強(qiáng)了集塵系統(tǒng)的密封性，減小了集塵系統(tǒng)的機(jī)械磨損，提高了部件的使用壽命。除塵系統(tǒng)主要采用了脈沖噴吹袋式除塵器進(jìn)行煙塵處理，通過(guò)集塵干管富集的煙塵，在除塵風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入袋式除塵器進(jìn)行處理，對(duì)煙塵的捕集效率達(dá)到了99%以上，有效地去除了煙塵，達(dá)到了理想設(shè)計(jì)指標(biāo)。