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大型高碳铬铁密闭式矿热炉烟气干法净化技术
作者:管理员    发布于:2017-10-20 14:02:35    文字:【】【】【

  大型高碳铬铁密闭式矿热炉烟气干法净化技术周志华(青海际华江源实业有限公司,青海西宁810007)本文作者以50万t/a化工冶金一体化项目可行性论证、工艺布置、项目实施为载体,以实现矿热炉烟气干法除尘净化后成为具有良好经济的化工原料为目标,进行了相应的分析、论证和实施,提出了科学合理、便于工业化应用的除尘方案,特别是倡议的新型FeAl金属间化合物非对称膜滤芯(YT)过滤,取得了可喜的科研和工业应用效果。

  基金项目:国家自然科学基金资助项目(51071178,50825102):2012-07-06;修订日期:2012-09-05通讯作者:周志华,教授级高工。电话:0731-88877391.铁合金电炉的烟气中含有大量的超细粉尘,对环境造成严重污染,密闭式大型矿热炉采用烟气干法除尘符合国家环保要求,但无法满足烟气回收净化进行化工生产的要求。为进一步加快产业结构、布局调整,促进地方经济建设,青海际华江源实业股份有限公司实施了50万t/a化工冶金一体化项目。在项目的可研型经济作为重要课题进行了研究论证,并提出了适合本项目的烟气干法净化工艺,以终实现50万吨铬铁合金冶炼尾气全部回收净化后大部分用于生产醋酸等化工产品的原料,少部分与驰放气混合后用于发电。

  1铁合金烟气除尘现状铁合金烟气除尘属于高温气体除尘技术,高温气体除尘技术是在高温条件下直接进行气固分离,实现气体净化的1项技术,它可以大程度地利用气体的物理显热、化学潜热和动力能以及有效地利用气体中的有用资源。我国清洁生产标准钢铁行业(铁合金)H470-2009要求大型矿热炉应采用密闭式炉型,并提出烟气干法除尘的要求。干法除尘技术有机械式除尘、布袋除尘、静电除尘等。机械式除尘是利用粉尘的质量力将其去除,可以轻易除去质量比较大的粉尘颗粒,但质量较小的颗粒不易除去,在铁合金电炉除尘排放中不能达标;静电除尘是含尘气体通过高压电场进行电离的过程中,使尘粒荷电,在电场力的作用下从气体中分离出来,弱点是粉尘的电阻大小直接影响捕捉效率;过滤式除尘效率可以高达99.5,细小粉尘也可以除掉,可以达到目标要求。

  Elken公司是世界的铁合金和矿热炉设备的供应商,他们虽然采用了大布袋干法除尘,但“炉气干法净化技术是1个极其不成熟的技术”,其布袋“寿命仅为3~4个月”。国内在铁合金矿热炉除尘方面主要还是袋式除尘。袋式除尘器是治理大气污染的高效除尘设备,其主要优点是不受粉尘种类、粒径大小及粉尘浓度(可高至1000g/m3)和比电阻的限制,除尘效率可达到99.5°~99.99,排放浓度<30g/m3,甚至<5g/m3,可以耐常温80~130 C、耐高温180~260C;处理风量大,占地面积小,能适应工艺负荷变化和风量变化,一次性投资低等优点。然而袋式除尘器通常只能在240C以下的温度运行,短期运行能耐受260或280C的高温,如果含尘气体温度更高时,必须采用降温措施,这样会损失大部分能量,也会使系统复杂化。例如冶金行业的有些窑炉要求净化的烟气温度很高,甚至达到1000C,这是袋式除尘所不能及的,同时还需要更换滤袋,提高了袋式除尘器的使用成本,因此寻求高效率的新型过滤器已成为当前热点。

  2大型密闭式矿热炉烟气干法净化存在的困难当前的密闭式矿热炉烟气干法净化,达到了净化气体可以入气柜的水平,但供化工生产使用还存在许多困难。在实施本项目时,结合高碳铬铁生产特点对烟气除尘的下述几个重要问题作了较为深入的论证,希望能有助于提出相关解决方案。

  2.1烟气温度炉压波动在±50Pa时,正常的烟气温度波动在180~550C,非正常时,可达到700C以上;烟气的焦油析出温度<180C时,采用“复美斯”布袋,一般耐温250C,瞬时可达300C.事实上需要把烟气送入过滤室时将温度控制在200~250C范围内,否则净化系统无法长期稳定工作。

  2.2烟气温度控制技术由于CO浓度较高,不易采用长距离的空冷技术,主要的手段只能是间冷。如果冷却强度过大,烟尘将吸附在间冷器上,焦油也将析出,加速烟尘吸附,行业内试过的热管技术、余热锅炉证明都是失败的。同时由于烟气温度在370C范围内波动,间冷后的温度在50C范围内波动,又无法迅速改变间冷介质的温度,故当前没有更好的控温技术。

  2.3烟尘沉淀和炉压控制烟气在流动过程中其大颗粒烟尘会发生沉淀,造成在正对烟道口的料面上粉尘富集及水平烟管内粉尘堆集,从而严重影响设备的正常运行。采用多点集灰可以改善上述问题,但放灰点多既易造成煤气泄漏,又会造成设备庞杂,布置极其困难。

  炉压过正或过负都会造成炉子密闭的实际失效。

  压力波动的调节,重要的手段是除尘风机。风机调速控压易实现,但烟气流速改变将影响过滤面积和烟尘的沉淀,同时也易造成火星(高温微颗粒)进入过滤器而破坏过滤材质。

  2.4过滤材质通用的高温布袋材质为FMS(氟美斯),其缺点主要在于耐温性,使温控变得十分困难,实际运行中,布袋泄漏是造成运行困难的主要因素;近期逐步在推行的陶瓷复膜材料,其在高温条件下良好的抗腐蚀性、耐热性和抗载荷能力,虽然解决了耐高温问题,但其室温脆性高、抗热震性能差,不能进行机加工和焊接连接,而且操作复杂、可靠性低、制备工艺较复杂、制备成本高、膜污染严重,一管开裂易造成全套过滤管失效,使运行成本提高。

  2.5放灰系统由于净化系统处于负压环境,且负压较大,这使放灰系统也处于负压环境从而带来两大难题:一是易造成放灰放不下;二是易吸入外部空气形成灰罐内的二次燃烧,细灰结拱。

  3设计与讨论针对上述存在的困难和讨论,为成功解决50万t/a化工冶金一体化项目干法烟气净化回收利用这一难题,将净化系统分为过滤系统、反吹系统、防结露系统、排灰系统、控制系统5个子系统(示意图如所列),分别进行改进设计论证。

  3.1过滤系统在5个子系统中首先研究过滤系统。通过筛选和司)合作,选择FeAl金属间化合物非对称膜滤芯(以下简称YT过滤器),可确保系统耐腐蚀、耐高温、抗热振以及能稳定过滤;FeAl金属间化合物非对称膜滤芯原是易态公司开发用于高温气体过滤的材料,通过Kirkendall效应造孔和自蔓延反应合成-烧结方法制备的Fe-Al金属间化合物多孔材料,具有优异的抗高温氧化、硫化性能及良好的抗热震性能,拥有三维连通、特殊且丰富的孔结构等特征,且成功地实现了与不锈钢的焊接,并在Fe/Al元素粉末反应合成工艺制备FeAl合金多孔材料的基础上,发展并制备了非对称FeAl合金多孔膜,采用在FeAl多孔基体表面喷涂Fe/Al微细粉末的方法,成功解决了膜层与基体间的热匹配性问题,膜层孔隙分布均匀,孔径分布窄,实现了膜层与基体良好的冶金结合,因此滤芯的安装、耐腐、耐高温、抗热震性都是其他滤材不可比拟的,膜技术的使用可使过滤精度提高1个等级。下面先对布袋过滤与YT过滤器进行分析、比较,详情如表1所列。

  布袋除尘工艺特点是内部结构简单、附属设备多,工艺路线长。在需要高温、高精度烟气过滤的工艺中存在以下方面的缺陷:1)高温适应性差,处理高温烟气需要采取降温措施;2)布袋使用寿命较短,检修周期较短,不利于生产的连续性;3)过滤精度不高且不稳定,增加了后工序处理难度;4)由于过滤温度低,所以当温度低时易产生结露和糊袋,温度过高则会造成烧袋;5)不适用于含有焦油的介质过滤;6)滤材无密闭炉烟尘净化系统672粉末冶金材料科学与工程2012年10月表1布袋过滤方案与YT过滤方案比较Table再生性,只能一次性使用。

  YT过滤系统是采用新的过滤材料和多种膜过滤技术集成的过滤系统,其过滤系统的优点是:1)过滤元件具有良好的高温性能;2)使用寿命长,有利于连续生产;3)过滤精度高且稳定性好,减轻后续工序处理难度;4)采取高温过滤方式,能有效消除结露现象的发生,可同时胜任过滤器启动、停止以及正常运行的不同工况的工作;5)适用于含焦油介质的过滤;6)滤芯具有再生性能,可重复使用。

  综合上述比较,决定选择YT过滤器,且只对烟气温度下限进行关注,不限上限,使得控制变得容易。

  同时因对过滤速度限制也大幅降低,使炉压、流速的控制也方便很多,解决了大型密闭矿热炉烟气干法净化中的烟气温度、温控技术、烟尘沉淀和炉压控制难题。这样的工艺布置不仅完全符合了我国清洁生产标准钢铁行业(铁合金)H470-2009对大型矿热炉应采用密闭式炉型、烟气干法除尘的要求,而且十分有利于本项目规模化的收集净化后的烟气,利用其发展化工产业。

  3.2防结露、防焦油糊膜系统3.3放灰系统采取多级、逐级冷却排灰,用惰性气体置换易燃、易爆有毒气体,防止安全事故的发生,并采用串联阀防结露、防焦油糊膜系统工艺布置图门和正压系统等措施防止了外界空气进入。反吹系统和控制系统采用常用系统,在此不做特别说明。

  3.4五大子系统设计要点过滤系统:由FeAl滤芯组成的过滤单元,主要功能为高温、高精度煤气过滤。采用的技术方法:1)以FeAl金属间化合物非对称膜为过滤元件实现高温、高精度过滤并具有高温抗氧化、抗硫化,耐热震性、高耐磨性;2)利用气体分布器,使气流更加合理均匀充满整个原料气腔,保证粉尘能够比较均匀地附在各个滤芯表面上,有利于反吹;3)合理选择流速及采用进气腔下端锥形挡板有效防止二次扬尘;4)采取保温措施,保证过滤温度稳定。

  反吹系统:由高温储气包、脉冲阀及文氏管等组成,主要功能为实现高温气体反吹,剥离滤芯表面滤饼,同时防止结露、焦油糊膜。采用的技术方法:1)用电加热器将反吹氮气加热到需要的温度;2)利用文氏管喷射引流效能实现高效反吹。

  防结露系统:由电加热器、阀门、测温元件等组成,主要功能为保证在开、停机时,防止滤芯不出现结露及焦油糊膜现象。采用的技术方法:1)开机时利用加热气体对滤芯进行加热防止结露及焦油糊膜;2)停机时利用高温惰性气体对原气腔气体进行置换达到与外部环境气体同样的露点温度,以防止结露及焦油糊膜。

  排灰系统:由阀门、集灰罐组成,主要功能为实现高温灰尘的安全排出。采用的技术方法:1)采用多级、逐级冷却排灰;2)用惰性气体置换易燃、易爆有毒气体;3)采用串联阀门和正压系统防止外界空气进入。

  自动控制系统:由检测元件、PLC控制器、电控柜、阀门等组成,主要功能为实现在线检测、控制保障系统满足设计要求。采用的技术方法:用检测元件对温度、压力实施检测和控制,保证系统正常运行。

  4结论大型铁合金密闭式矿热炉干法除尘、净煤气回收工艺仍是一项有待于进一步研究和完善的技术。在青海际华江源实业有限公司50万t/a化工冶金一体化项目论证设计及实施中,采用YT过滤器成功解决了大型铁合金矿热炉烟气干法净化回收利用的难题,为实现铁合金产业与化工产业的成功对接创造条件。

  本项目的设计和规模化布局的实施,不仅可以实现企业的节能环保、可持续科学发展,必将在行业内产生良好的示范作用。不难看出YT过滤器是解决密闭炉干法除尘中高温烟气的重要方案,其性能显然优于高温布袋和陶瓷过滤器。

  防结露、防焦油糊膜系统和在放灰系统中采用惰性气体置换、串联阀门以及正压系统是1种更加具有创新精神的设计,我们将在项目的实施运行中给予特别关注,收集一手数据做进一步的分析和优化。

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