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干熄焦循环气体重力除尘器工作原理与设计 李倩婧 北京柯林柯尔科技发展有限公司， 北京 100015 摘要 重力除尘器广泛应用于焦化厂干熄焦循环气体的处理。针对干熄焦循环气体高温及高浓度的特殊性质， 重力除 尘器具有极大的优越性。重力除尘器的合理设计选型至关重要。重点介绍了干熄焦循环气体重力除尘器设计要点及 注意事项。 关键词 干熄焦; 重力除尘器; 原理; 设计 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409022 DESIGN POINTS AND NOTES OF THE CDQ CYCLE GAS GＲAVITY PＲECIPITATOＲ Li Qianjing Beijing Clean Air Technology Innovation Co． ， Ltd，Beijing 100015，China AbstractGravity precipitators were widely used in the CDQ cycle gas processing． According to the characteristics of the CDQ cycle gas temperature and high concentration，the gravity precipitator had great advantages． Design and type selection were critical for the rational design of gravity precipitator． Design points and notes of the CDQ cycle gas gravity precipitator were introduced． Keywordscoke dry quenching;gravity precipitator;principle;design 收稿日期 2013 －10 －11 干熄焦是相对湿熄焦而言， 以冷惰性气体 通常 为氮气 冷却炽热红焦炭的一种熄焦方式。吸收了 红焦热量的惰性气体作为二次能源， 在热交换设备 通常是余热锅炉 中给出热量而重新变冷， 冷的惰 性气体再去冷却红焦。余热锅炉产生的蒸汽用于发 电。干熄焦在节能、 环保和改善焦炭质量方面优于湿 熄焦。 对规模为100 万 t/a 的焦化厂， 采用干熄焦技术， 每年可以减少 8 万 ～10 万 t 动力煤燃烧对大气的污 染。相当于少向大气排放 144 ～ 180 t 烟尘， 1 280 ～ 1 600 t SO2， 减排10 万 ～17. 5 万t CO2， 节水45 万t， 发 电 95 ～105106kW h。 由于干熄焦循环气体温度高 达850 ℃以上， 含尘浓度 30 ～60 g/m3， 且粉尘琢磨性 极强， 所以只有选用重力除尘器进行除尘， 这是其他除 尘器不可及的。 1干熄焦工艺与粉尘控制 1. 1干熄焦工艺流程 干熄焦工艺流程如图 1 所示。 1焦炉; 2导焦车; 3焦罐; 4横移台车; 5走行车; 6横移牵引 装置; 7提升机; 8装入装置; 9预存室; 10冷却室; 11排出装 置; 12皮带机; 13重力除尘器; 14余热锅炉; 15水除氧器; 16旋风除尘器; 17循环风机 图 1干熄焦工艺流程与设备 Fig．1Flows and equipments of coke dry quenching process 从炭化室推出的 950 ～1 050 ℃红焦经导焦栅落 入运载车上的焦罐内。运载车由电机车牵引至提升 机井架底部 或牵引至横移牵引装置处， 再横移至提 升机井架底部 ， 由提升机将焦罐提升并平移至干熄 炉炉顶， 通过装入装置将焦炭装入干熄炉。炉中焦炭 与惰性气体直接进行热交换， 冷却至 200 ～ 250 ℃以 89 环境工程 Environmental Engineering 下。冷却后的焦炭经排焦装置卸到胶带输送机上， 送 筛焦系统。 130 ℃的冷惰性气体由循环风机通过干熄炉炉 底的供气装置鼓入炉内， 与红焦炭进行热交换， 出干 熄炉的热惰性气体温度约 850 ～970 ℃。热惰性气体 夹带大量的焦粉经一次除尘器进行沉降， 气体含尘量 降到 6 g/m3以下， 进入干熄焦锅炉换热， 在这里惰性 气体温度降至 200 ℃以下。冷惰性气体由干熄焦锅 炉出来， 经二次除尘器， 含尘量下降到 1 g/m3以下， 然后由循环风机加压， 经热管式给水预热器冷却至约 130 ℃， 送入干熄炉循环使用。 干熄焦锅炉产生的蒸汽或并入厂内蒸汽管网或 送去发电。 1. 2干熄焦装置粉尘的控制 干熄焦的优点之一就是环保， 减少了原有的湿 熄焦生产工艺产生的水汽、 酚、 氰等有害成分。由 于干熄焦工艺是在密闭的干熄炉内用惰性气体将 红焦冷却， 在干熄炉内， 当焦炭运动时， 焦尘被气体 带走。被气体带走的焦尘量与干熄焦的规模有关， 一般为干熄焦量的 1. 4 ～ 2 。为了使干熄焦系 统达到设计的环保指标， 减少对环境的污染， 对其 在生产过程中产生的颗粒污染物必须进行净化， 所 以干熄焦装置专门设置了除尘系统。即干熄焦循 环气体除尘系统和干熄焦环境除尘系统 地面除尘 站 ， 来达到干熄焦装置的循环风机前的气流含尘 量不超过 0. 8 ～ 1. 0 g/m3， 干熄焦环境除尘站废气 排 放 含 尘 量 不 大 于 100 mg/m3，满 足 国 家 GB 161712012炼焦化学工业污染物排放标准 中的现有企业大气污染物排放浓度限值要求。 干熄焦循环气体除尘系统的作用， 一是将干熄炉 出来的循环气体中大颗粒焦粉利用重力除尘的原理 进行分离， 减少循环气体对锅炉炉管的冲刷磨损， 达 到保护锅炉炉管的目的; 二是将锅炉出来的循环气体 中的小颗粒焦粉利用离心除尘的原理进行分离， 达到 保护气体循环风机的目的。 2干熄焦循环气体除尘原理 2. 1除尘过程 在干熄炉里， 当焦炭运动时， 焦粉被循环气体带 走， 循环气体中的焦粉颗粒的粒度范围很广， 很不均 匀。下面列出在设计负荷下操作时， 干熄焦装置中含 尘循环气体的粉尘平均粒径组成见表 1。 表 1灰尘平均粒径组成 Table 1Dust composition of mean particle diameter ＞6 mm 3 ～6 mm 1. 5 ～3 mm 0. 5 ～1. 5 mm 0. 25 ～0. 5 mm ＜0. 25 mm 0. 763. 157. 248. 344. 136. 45 由于焦粉的粒度范围很广， 所以为达到循环气体 的使用要求， 干熄焦循环气体除尘系统是分两种原理 进行除尘的 一是在干熄炉与余热锅炉之间安装有重 力除尘器， 温度为 600 ～800 ℃， 属于高温区， 重力除 尘器的下部为焦尘沉降室， 沉降室的尺寸很大， 循环 气体经过沉降室时气流的运动速度大大降低， 气体停 留时间长， 在重力的作用下， 气体中悬浮的颗粒状粉 尘从气流中沉降下来。灰尘沉降的轨迹由两个分力 的几何合力所确定， 灰尘在重力的作用下， 在气体流 动到出口管前就落到沉降室底部。二是在余热锅炉 与循环风机之间安装旋风除尘器， 属低温区。 2. 2重力除尘器工作原理 当气体由进风管进入降尘室时， 由于气体流动通 道断面积突然增大， 气体流速迅速下降， 粉尘便借本 身重力作用， 逐渐沉降， 最后落入下面的灰斗中， 经输 送机械送出。 图 2 为含尘气体在水平流动时， 直径为 d 的粒子 的理想重力沉降过程。 v0水平方向的分速度; vc在重力作用下灰尘的速度; S灰粒的运动方向 图 2粉尘粒子在水平气流中的理想重力沉降 Fig．2Ideal gravity settling of dust particles in a horizontal airflow 由重力而产生的粒子沉降力 Fg可用式 1 表 示 ［1 ］ Fg π 6 d3 ρ d － ρ g g 1 式中Fg 粒子沉降力， kg m/s; d 粒子直径， m; ρd 粒子密度， kg/m3; ρg 气体密度， kg/m3; g 重力加速度， m/s2。 假定粒子为球形， 且符合斯托克斯定律的范围 99 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 内， 则粒子从气体中分离时受到的气体黏性阻力 F 为 F 3πμdvg 2 式中F 气体阻力， Pa; μ 气体黏度， Pa s; d 粒子直径， m; vg 粒子分离速度， m/s。 含尘气体中的粒子能否分离取决于粒子的沉降 力和气体阻力的关系， 即 Fg F。由此得出粒子分离 速度 vg vg d2 ρ d － ρ g g 18μ 3 由式 3 可以看出， 粉尘粒子的沉降速度与粒子 直径、 尘粒体积质量 ρdg 及气体介质的性质有关。 当某一种尘粒在某一种气体中 即 ρd 、 ρ g、 μ 为常数 ， 在重力作用下， 尘粒的沉降速度 vg与尘粒直径平方成 正比。所以粒径越大， 越容易分离。反之， 粒径越小， 沉降速度变得越小， 以至于没有分离的可能。 当重力除尘器内被处理的气体速度越低， 重力除 尘器的纵向浓度越大， 沉降高度越低， 就越容易捕集 细小的粉尘。 为了使气体的灰尘能够下沉， 必须保证沉降室中 的气流为层流状态。气流的平均速度不应超过 0. 6 m/s。 利用重力除尘器沉降室沉降焦尘， 这种方法效率 不高， 但能满足工程需要。 在焦尘沉降室内捕集到的主要是大颗粒灰尘， 规 格在 0. 5 ～5 mm， 这一筛级的灰尘占沉降室所捕集到 的灰尘的 70。见表 2。 表 2沉降灰尘粒径分布 Table 2The size distribution of settling dust ＞6 mm3 ～6 mm 1. 5 ～3 mm 0. 5 ～1. 5 mm 0. 25 ～0. 5 mm ＜0. 25 mm 3. 361529. 7527. 6521. 72. 52 3干熄焦重力除尘器设计 3. 1干熄焦重力除尘器设计计算 重力除尘器的具体计算步骤如下 1重力除尘器的截面积 S Q v0 4 式中S 重力除尘器截面积， m2; Q 处理气体量， m3/s; v0 重力除尘器内气流速度， m/s， 一般要求 小于 0. 6 m/s。 2重力除尘器容积 V Qt 5 式中V 重力除尘器容积， m3; Q 处理气体量， m3/s; t 气体在重力除尘器内停留时间， s， 一般 取 30 ～60 s。 3重力除尘器的高度 H vgt 6 式中h 重力除尘器的高度， m; vg 尘粒沉降速度， m/s， 对于粒径为 40 μm 的尘粒， 可取 vg0. 2 m/s; t 气体在除尘器内停留时间， s。 4重力除尘器宽度 b S/h 7 式中b 重力除尘器宽度， m; S 重力除尘器截面积， m2; h 重力除尘器高度， m。 5重力除尘器长度 L V/S 8 式中L 重力除尘器长度， m; V 重力除尘器容积， m3; S 重力除尘器截面积， m2。 3. 2干熄焦重力除尘器本体设计 干熄焦重力除尘器是通过高温膨胀节与干熄炉 和锅 炉 连 接， 由 干 熄 炉 处 理 的 热 惰 性 气 体 约 900 ℃ ， 夹带着大颗粒的焦粉， 这种气体若直接进入 锅炉， 对锅炉炉管会造成严重的冲刷和磨损， 所以干 熄焦一次除尘器选用重力除尘的原理是将热惰性气 体中大颗粒的焦粉进行分离， 达到保护锅炉炉管的 目的。 常用干熄焦重力除尘器的结构形式见图 3。 设计重力除尘器的要点 一是对重力除尘器进行 详细的技术计算， 确保除尘效果; 二是根据气体温度 和粉尘性质选用耐火材料; 三是所有仪表按高温 选择。 除尘器外壳通常由钢板焊制， 为达到耐 850 ℃以 上高温气体的目的， 在钢板内部砌筑高强耐磨、 耐急 冷急热性好的 A 型莫来石砖。设计要确定除尘器各 部位耐火砖的型号、 材质及砌筑用耐火泥料的型号、 材质。除尘器拱顶砖的灰缝应控制在 1 ～3 mm， 不超 过3 mm。除尘挡板用耐磨耐火材料砌筑而成［2 ］。当 001 环境工程 Environmental Engineering 1重力除尘器; 2气体紧急放散口; 3高温膨胀节; 4灰斗; 5水冷却套管 4 个 ; 6贮灰斗; 7格式排灰阀; 8重力除尘挡板 图 3重力除尘器及附属结构示意 Fig．3Gravity precipitator and schematic attached composition 焦粉随着循环气体撞到除尘挡板后下降到除尘器的 底部时， 底部设有灰斗， 用于收集焦粉。灰斗与 4 个 水冷套管相连， 水冷套管与贮灰斗相连。水冷管上设 有料位计， 达到预定的料位后， 水冷管下的格式排灰 阀将焦粉排出至贮灰斗。贮灰斗上部设料位计， 达到 预定的料位后， 贮灰斗下的格式排灰阀将焦粉排出至 刮板机。 由干熄炉出来的循环气体经除尘器后， 可以除去 循环气体从干熄炉带出的 1/3 以上的粗颗粒焦粉。 进入锅炉的循环气体含尘量可降至 6 g/m3以下， 所 含粉尘成分为团聚性差、 松散颗粒的焦粉。 在除尘器顶部设置气体紧急放散装置， 以备锅炉 爆管时紧急放散蒸汽。除尘器顶部根据工艺要求还 设有锅炉入口气体温度、 压力测量孔及其他备用的工 艺孔。 3. 3附属设备设计 1高温膨胀节。高温膨胀节为波纹管式结构， 内部用浇注料浇注而成。 2气体紧急放散口。除尘器顶部设置循环气体 紧急放散装置， 放散口密封采用双层水封， 如图 4 所 示。水封盖采用电动缸驱动， 设置现场和中央两种操 作方式。本装置在锅炉炉管破损时， 可放散系统内蒸 汽。另外， 本装置在温风干燥时可导入空气， 在锅炉 内部检修时可用其通风， 在锅炉降温时可作为冷却风 出口 锅炉下部检修人孔也开启 等。 图 4气体紧急放散口水封结构 Fig．4Water seal structure for emergency gas bleeding outlet 3水冷套管。重力除尘器收集的焦粉温度很 高， 为防止高温粉尘排出时损坏设备， 必须对其进行 降温处理， 故除尘器底部设计有 4 根水冷套管， 用于 冷却、 排出焦粉。水冷套管分为 3 层， 内筒和外筒通 水， 中间用来冷却焦粉。为吸收内筒和外筒的热膨胀 差， 在水冷套管下部内筒与外筒间采用填料压盖的水 封结构。热态时可能因内外套筒的移动而漏水， 则进 一步拧紧螺栓或涂加密封胶或调整填料压盖压紧量。 4均压管。为了排出贮灰斗内的空气和方便焦 粉的排出， 特在贮灰斗上设置了均压管， 如图 5 所示。 均压管为 100 无缝钢管。贮灰斗上部设料位计和 温度计， 达该料位后贮灰斗下的格式排灰阀向刮板机 排出焦粉。格式排灰阀采用电机驱动， 设置现场手动 和中央自动控制方式。 1均压管; 2重力除尘器贮灰斗; 3格式排灰阀; 4刮板输灰机 图 5重力除尘器贮灰斗均压管示意 Fig．5Schematic of equalizing pipe of gravity precipitator dust hopper 5 手动电闸。为了便于检修格式排灰阀以及后 下转第 87 页 101 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 操作空间， 因此， 随着我国天然气消费比例的大幅提 高， 国家治理大气污染尺度和力度的进一步加大， 火 电厂只有走节能降耗， 减少污染物排放量的道路， 有 效降低发电成本， 才能在电力市场竞争中占据优 势 ［11 ］。低氮燃烧技术在燃气 － 蒸汽联合循环机组中 的应用必然会成为今后火电发展改革的一个重要 趋势。 4结束语 “十二五” 期间， 随着我国天然气消费比例的翻 番， 由目前在能源消费结构中的 4提高到 8， 利用 天然气进行发电、 热电联产及采用低氮燃烧技术将会 成为电厂落实国家环保法律、 法规、 标准的重要污染 防治手段， 通过采用新能源和新的污染治理工艺， 不 断地降低污染物的排放水平， 把减排工作落到实处。 参考文献 ［1］方洪祖． 燃气轮机的技术发展趋势［J］ ． 东方电气评论， 1997， 11 3 230- 234. ［2］GB 132232011 火电厂大气污染物排放标准［ S］． ［3］于会军． 燃气蒸汽联合循环的技术探讨［J］． 企业技术发展， 2012， 31 1 105- 107. ［4］叶善佩． 从深圳前湾燃机电厂成功投产经验分析我国 9F 级联 合循环机组的发展空间［J］． 能源与环境， 2010 4 2- 4. ［5］康玉洁． 燃气 － 蒸汽联合循环发电系统的现状和展望［J］． 电 气时代， 2013 6 328. ［6］武雪芳， 王宗爽， 王晟， 等． 小型燃煤工业锅炉 NOx 形成与释放 规律模拟研究［J］． 环境工程技术学报， 2011， 1 5 365- 375. ［7］曾德勇． 华能北京热电厂锅炉烟气中氮氧化物控制技术［J］． 环境工程， 2001， 19 4 40- 41. ［8］王书肖， 于超， 郝吉明． 电厂 NOx控制政策与技术 美国的经验 及对我国的启示［ J］ ． 环境工程学报， 2011， 5 6 1213- 1220. ［9］WojichowskiDL．SNCＲSystem- Design， Installation， and Operating Experience［C］∥ Conference on Selective Catalytic Ｒeduction SCＲand Selective Non- Catalytic Ｒeduction SNCＲ for NOxControl． Washington DC 2002. ［ 10］蒋文举． 烟气脱硫脱硝技术手册［M］． 北京 化学工业出版社， 2012 408- 424. ［ 11］陆轶青， 徐特秀． 火电厂降耗低污染燃烧技术［J］． 环境工程， 2011， 29 3 103- 106. 第一作者 刘静 1984 － ， 女， 工程师， 主要从事环境影响评价工作。 jingkaiyue163． com 通讯作者 李晋生 1961 － ， 男， 工程师， 主要从事环境影响评价工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 lgskhj sina． com 上接第 101 页 续输灰设备， 在格式阀上部安装了手动闸阀， 如图 6 所示。一般设置两组排灰处理系统， 其中一个系统出 现故障， 另外一个系统可以照常处理焦灰， 而且还能 确保处理一定数量的焦灰。 1本体; 2盖板; 3闸板 图 6手动闸板结构 Fig．6Schematic structure of manual gate valve 重力除尘器的输灰装置有刮板机、 斗提机、 贮灰 仓、 加湿机等， 均为常规设备不再赘述。 4结语 随着国家对节能环保的重视， 干熄焦技术得到越 来越多的应用， 干熄焦重力除尘器的设计也得到了更 多的关注。虽然重力除尘器效率不高， 但是很适合作 为干熄焦的第一级除尘系统。因此合理的设计干熄 焦重力除尘器可以很好地改善干熄焦循环气体的运 行， 具有很好的推广前景。 参考文献 ［1］王纯，张殿印． 除尘设备手册［M］ ． 北京化学工业出版社， 2009 45- 46． ［2］徐文亮， 张欣欣， 冯妍卉， 等． 干熄焦挡板除尘器除尘性能的数 值模拟［ J］ ． 工业加热， 2005， 34 2 36- 39． ［3］郝明亮， 马承愚，乔文莉． 炼焦炉移动式消烟除尘净化技术 ［J］． 环境工程， 2006， 24 4 69- 71． ［4］陈盈盈，王海涛． 焦炉装煤车烟气净化节能技术改造［J］． 环 境工程， 2008， 26 5 38- 40． ［5］陈健，刘德均． 布袋除尘器在焦炉装煤除尘中的应用［J］． 环 境工程， 2009， 27 2 35- 37． ［6］梁勇，杨婷婷，周宇， 等． 钠 － 钙双碱法工艺在高温焦炉烟气 脱硫中的应用［J］． 环境工程， 2011， 29 3 66- 68． ［7］支月芳，刘春雷． 干熄焦除尘系统改造［J］． 河北冶金， 2012， 34 12 72- 74． 第一作者 李倩婧 1981 － ， 女， 硕士， 从事烟气除尘工艺设计工作。 liqianjing1999163． com 78 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control