冲天炉烟气净化与余热利用系统的设计和应用.pdf

烟 气 污 染 治 理 冲天炉烟气净化与余热利用系统的设计和应用 何 雁 李 韧 王照汉 刘 方 徐向彤 姚得强 方晓平 孙 联 孙顺利 王继成 机械工业第四设计研究院, 河南 洛阳 471039 摘要 结合云南某公司 10 t h 冷风冲天炉烟气除尘脱硫和烟气余热利用的工程实例, 介绍和分析了冲天炉烟气净化 与余热利用系统工程设计中应注意的问题。 关键词 冲天炉 除尘脱硫 余热利用 工程实例 0 概述 0. 1 项目背景 云南某公司的 2 台10 t h 冷风冲天炉, 因原配套 的除尘系统设计风量偏小, 部分烟气直接外溢 ; 在冒 火和打炉的高温工况下除尘系统停止运行,烟气直接 经冲天炉将军帽超标排放 。 由于该公司位于昆明世博园附近, 公司厂界外又 为住宅小区,冲天炉烟尘超标排放与周围环境极不协 调,公司决定对其进行彻底治理。 0. 2 治理目标 实现包括打炉期在内的全过程烟尘控制 ,冲天炉 加料口处的烟气捕集率达到 90～ 95。系统排放 口的 烟 尘 排 放 浓 度 50 mg m 3 , SO2排 放 浓 度 450 mg m 3 ,黑度1林格曼级。 1 设计计算 、 主要设备选择及系统自动控制 1. 1 冲天炉的生产特征 2 台 10 t h冲天炉交替连续工作, 工作周期一般 为7 d 特殊情况 8～ 10 d , 每天分 2 班运行 ,每班熔 炼时间7 ～ 9 h, 年运行约 320 d, 约合5 120 h。 1. 2 基本设计参数 1. 2. 1 气象参数 与该项目设计有关的气象参数主要是大气压力 所在地大气压力冬夏季的平均值为 80. 98 kPa 。 1. 2. 2 烟气量 烟气量为冲天炉的炉气量和加料口进风量之和。 炉气量 为冲天炉鼓风量的1. 1 倍,即 L1 180 1. 1 198 m 3 min 11 880 m3 h 20 ℃ 加料口进风量 保证加料口 尺寸为 3. 2 m 1. 6 m 烟气不外溢时最小进风速度为1. 2 m s的风量 Lm 3. 2 1. 6 1. 2 3 600 22 120 m 3 h 20 ℃ 净化系统的烟气量 LyL1Lm11 880 22 12034 000 m 3 h 20 ℃; 当地大气压力下 1. 2. 3 烟气温度 经实测和查阅有关资料, 不冒明火情况下加料口 处烟气温度 100～ 250 ℃; 轻微冒火时火焰呈浅蓝色, 烟气温度 250～ 450 ℃; 中度冒火时火焰呈微红色 ,烟 气温度450～ 650 ℃; 打炉时火焰呈白炽色, 烟气温度 在650 ℃以上 。实测的最高烟气温度为860 ℃。 为安全起见 ,工程设计加料口处烟气初始最高温 度取950 ℃。 1. 2. 4 烟尘特性与初始浓度 烟尘成分主要有 SiO2、金属氧化物、 焦炭粉末 、 石 灰石等 。当用劣质焦炭时 , 烟尘中 SiO2含量很高, 其 粒径细密度小; 当焦炭的焦油含量较高和废钢表面有 油脂时,烟气中还含有油烟。 经试验该公司冲天炉烟尘可以燃烧 ,这一特性是 内地冲天炉烟尘所没有的 ,这可能与高原气候条件下 冲天炉缺氧熔炼 ,冲天炉采用低质量土焦和废钢原料 中含有较多油脂等诸多因素有关。 烟尘浓度的变化范围为1 000 ～ 10 000 mg m 3 , 主 要在2 000～ 6 000 mg m 3 之间 。经测试烟尘平均浓度 为3 613 mg m 3 , 年烟尘排放量约490 t 。 1. 2. 5 烟气有害气体主要成分 经 实 测 冲 天 炉 烟 气 中 SO2排 放 浓 度 为 716 mg m 3 , 低于国家排放标准的要求。 1. 3 主要设备设计和选择 1. 3. 1 初级除尘器 该公司冲天炉烟尘可以燃烧,而在冲天炉的整个 冶炼周期内都会产生明火颗粒 ,为防止明火颗粒物进 入布袋除尘器引燃粉尘而烧毁布袋除尘器,应在布袋 除尘器前设置高效初级除尘器去除明火颗粒物。 37 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 经多方面比较, 选择低阻高效双筒旋风除尘器为 初级除尘器。明火颗粒物主要为焦炭粒子 , 它硬度 大,外形棱角分明, 将对旋风除尘器的内壁产生一定 的磨啄 ,特别是在高温工况下, 器壁的磨损可能会更 快些 。在旋风除尘器的内壁设耐温耐磨陶瓷防护层 衬里, 陶瓷层衬里不仅耐磨耐高温, 而且在急热急冷 工况下不脱落 , 确保旋风除尘器使用寿命达到 4 年 以上 。 去除颗粒物后, 烟气对后续强制水冷烟气冷却器 冷却管的磨损减弱 ,因此 ,设置低阻高效旋风除尘器 还可延长强制水冷烟气冷却器的使用寿命。 1. 3. 2 烟气降温设备 冲天炉烟气温度高且变化范围大, 其烟气降温设 计对净化系统的安全运行至关重要。系统的温降设 计应保证初始烟气温度最高时 ,风管的自然降温和降 温设备的强制冷却使烟气温度降低至后续设备的安 全工作温度; 同时,在烟气温度不高时, 系统应能充分 利用风管与降温设备的自然冷却和蓄热作用对烟气 进行降温 ,以节约能源和降低系统的运行费用 。 根据该冲天炉的烟气特点 ,工程采用了自行设计 的强制水冷烟气冷却器。经计算需冷却面积 500 m 2 , 为不使冷却器太高而采用两级串联安装方式。冷却 水在其内多次循环, 当冷却水被加热至下限设定温度 以上时 可调,如 35 ℃ , 用水泵将热水输送至浴室作 为职工淋浴用水 。 在最不利工况下, 即烟气初始温度最高时 约 950 ℃ ,冲天炉烟气经风管自然散热降温和强制水 冷烟气冷却器的冷却降温 ,再考虑净化系统不严密处 的掺风冷却作用 ,可保证布袋除尘器进口烟气温度小 于180 ℃,使布袋除尘器安全运行 。 1. 3. 3 布袋除尘器 布袋除尘器用于冲天炉烟气净化可保证烟尘排 放浓度 260 ℃ 时 ,第 2 台冷却泵自动开启 , 加强水与烟气间 的换热; 当 T2180 ℃时, 野风阀自动打 开,保护布袋除尘器 ; 当 T3150 ℃时, 野风阀自动 关闭 。 吸收液箱内设 pH 检测探头自动检测吸收液的 pH 值。当吸收液的 pH 11 时 或 6 min后 ,磁力泵自动停止。 布袋除尘器清灰由其自带的电控箱编程控制 ,程 序依次循环开启和关闭除尘器各室出风口的离线切 换阀 ,分室逐排脉冲喷吹布袋进行清灰工作。 旋风除尘器 、 水冷烟气冷却器和布袋除尘器周期 性排灰,除下的烟尘排至总灰斗。 循环水箱液位 2. 80 m 时, 供水阀门自动关闭停止 补水 。 1 循环水箱和 2循环水箱互为备用。当运行水 箱内的冷却水被加热至上限设定温度时 例 55 ℃,可 调 , 循环水箱上的电动阀门自动切换,使烟气冷却系 统运行备用的低温水箱 。当 2 个水箱内的冷却水都 达到上限设定温度时 ,系统自动停止运行 。 1 水箱或 2水箱内的冷却水被加热至下限设定 温度时 例 35 ℃,可调 , 控制系统向浴室电控箱发送 达到下限设定温度信号 。冷却水水温达到下限设定 温度时,管理人员才能根据需要启停热水泵。 电气控制硬件设计和自动控制程序编程中,设计 安全联锁和安全报警装置与程序。 采用 PLC 可编程序控制器 , 实现上述自动控制 的要求和自动控制步骤。 2 烟气净化及余热利用系统工艺流程和系统特点 2. 1 烟气净化及余热利用系统工艺流程 整个系统流程分为 烟气净化系统流程; 烟气水 冷却和余热利用系统流程; 电气自动控制系统流程。 其工艺流程见图 1。 2. 2 烟气净化及余热利用系统特点 1 2 台冲天炉交替工作 , 设 1 套系统对冲天炉 烟气进行净化, 通过集合筒旁风管上手动闸门的打开 与关闭切换 ,实现冲天炉与烟气净化系统的连通与切 断。闸门处最高烟气温度约 950 ℃, 手动闸门板采用 耐热铸铁板 ,闸门板密封箱用锅炉钢板制作 ,采用人 工添减平衡铁块的方式使闸门开关 。经使用验证 ,该 手动闸门操作简单可靠, 漏风量小, 满足工程使用要 求。而传统的电动水冷高温蝶阀初投资费用高,高温 工况下使用时, 还存在发生安全事故的隐患和阀板易 卡死不灵活的情况。 2 与冲天炉相连的抽风口罩和集合筒前高温风 管的内壁, 均采用特殊耐火打结材料作为防火保护 层,使用后证明其耐火性 、 耐磨性和与钢板的粘合性 良好 。而采用传统的水冷夹层抽风口罩和水冷夹层 风管在工况下使用时耐磨性差 ,一旦内层钢板被磨穿 漏水时,将发生重大安全事故 ,并且较难修复 。 3 采用水冷式烟气冷却器回收冲天炉烟气中的 余热, 即在冷却器内冷却水经多次循环 , 反复吸收烟 气废热,当水温升至设定温度后,作为员工淋浴用水。 据有关资料 ,国内目前所运行的冷风冲天炉除尘系统 大多未利用烟气余热 ,烟气余热只是简单地被冷却介 质 水或空气 从烟气里转移到环境中去了。 结合本工程开发的水冷式烟气冷却器经使用检 39 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 图 1 10 t h 冲天炉烟气净化及余热利用系统工艺流程图 验,证明其冷却效果良好。在最不利工况下 ,即在烟 气温度最高和冷却水温度最高时 实测风管始端的最 高烟气温度 T1 950 ℃,冷却器入口的最高烟气温度 T2 560 ℃,冷却循环水最高温度为 58 ℃ , 冷却器 出口的最高烟气温度 T3 167 ℃。 4 采用离线清灰布袋除尘器提高清灰效果, 保 证布袋除尘器始终处于良好的工作状态 ,确保系统达 到稳定的排烟量 。 5 设计开发的喷淋吸收塔, 经使用证明其阻力 低,吸收效果尚可,实测 SO2的去除效率达 63. 3。 6 净化系统在必要处设置自动复位式防爆阀、 高温织物膨胀节和气动野风阀 ,确保系统风管和设备 的安全运行。 7 该项目为改造工程 ,车间现有电网的富裕量 很小 。采用电子软气动, 并在引风机入口设电动启动 调节阀,最大限度地减小引风机启动对车间和公司电 网的冲击 。 8 净化系统的风管上设 4 个温度传感器; 余热 利用系统的循环水箱设温度传感器和液位传感器。 在电控柜上配二次仪表, 直接显示上述传感器的温度 和液位信号,使风管系统检测点烟气温度与循环水箱 冷却水温度和液位传送到控制室。 9 净化系统和余热利用系统采用的开发设备和 选用的标准设备多 ,控制要求复杂, 有些设备的启停 应具备一定的必备条件和保护条件 ,各设备的启停还 具有先后顺序关系和一定的逻辑关系等 。编制自动 控制程序, 采用 PLC 控制器控制各设备的开启和关 闭,使整个系统的开启和关闭实现一钮式操作, 使系 统的操作简单可靠。 设计安全联锁和安全报警装置与程序,确保烟气 净化及余热利用系统稳定可靠运行 。 3 环境效益 、 社会效益和经济效益 3. 1 环境效益和社会效益 系统排放口的监测结果见表 1,其烟尘排放浓度 、 SO2排放浓度和废气排放黑度不仅大大低于国家排放 标准的要求,而且达到了合同预期的排放指标要求。 表 1 冲天炉烟气除尘系统测试结果 标况值 项目入口排放口备注 烟气温度 ℃10130 烟气流量 m3h- 1 26 45030 090 烟尘浓度 mgm- 3 3 613. 025. 4 SO2浓度 mgm- 3825 . 0266 . 0 烟气林格曼黑度 级-1 烟尘排放量 kgh- 195. 560. 76削减量485. 4 t a SO2排放量 kgh- 121. 828. 00削减量 70 . 8 t a 系 统投 入 使 用 后 , 可 使 烟 尘 排 放 量 减 少 485. 4 t a,SO2排放最减少 70. 8 t a 。同时 , 系统产生 的热水可供公司员工洗浴 ,使现有锅炉的运行负荷降 低,从而减少公司燃煤锅炉的大气污染物排放量。 由此可见,该工程的实施和投入运行 ,不仅削减 了冲天炉的烟尘和 SO2排放量, 同时减少了燃煤锅炉 的大气污染物排放量 ,改善公司所在区域的环境空气 质量 ,取得了良好的环境效益和社会效益 。 40 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 3. 2 经济效益 系统总运行电流170 A,折算电耗为 95 kWh h , 电费2 250 元 d; 吸收剂NaOH 用量 50 kg d,吸收剂费用 100 元 d; 专职操作运行管理人员 2人 ,操作运行管理 成本150 元 d; 系统使用寿命按 15 年考虑, 每年运行 320 d, 则 系统折 旧费 600 元 d; 系统 的维 修费按 100 元 d考虑; 系统折旧与运行费用合计3 200 元 d。 根据调试运行情况,在正常工况下,系统每天可生 产60 ℃热水 160 ～ 200 t 。若采用蒸汽加热生产180 t 60 ℃ 热水,进水温度按 15 ℃ 考虑则需蒸汽13. 5t ,蒸汽 成本按 200 元 t 计算 ,则需蒸汽费用2 700 元 d。 由此可知, 通过余热利用生产热水系统产生的经 济效益可使本系统的综合运行费用降低很多 。 4 几点体会和看法 4. 1 冲天炉顶部阀门设置 为防止除尘系统从将军帽处短路抽取室外空气, 有的厂在将军帽底部设水冷式电动阀门 。正常使用 时,此电动阀门关闭 , 保证除尘系统全部抽取冲天炉 烟气 ; 当除尘系统有故障停止运行时,此阀门打开 ,烟 气直接通过冲天炉将军帽排放 。但是, 此电动阀门经 数次打炉高温烟气后易损坏, 并且该阀门高温变形后 易卡死和烧坏后很难修复 。 根据经验 , 当排烟口设置在冲天炉加料口对面 时,除尘系统几乎只抽取排烟口下的炉内烟气和加料 口处的空气。因此, 没有必要在冲天炉将军帽下设置 防止空气短路进入除尘系统的阀门 。 4. 2 系统材质的确定 根据不同的烟气温度情况 ,系统的各管件和设备 应合理选用材质 , 并采取恰当的防火耐磨保护措施, 保证系统的正常运行和使用寿命。例如 手动切换闸 板采用耐热铸铁 ; 高温段风管采用耐热锅炉钢板; 排 烟罩和系统始端风管的内壁设耐火打结材料防护层; 旋风除尘器内壁设高温耐磨陶瓷防护衬里; 管件制作 板材适当加厚; 系统 SO2湿法吸收部分的设备和管材 应采用不锈钢材料等 。 4. 3 烟气自然冷却 温度 300 ℃ 以上的烟气主要以热辐射形式向外 界散热。当余热量太多而不能全部利用时,尽量采用 风管自然冷却方式使高温烟气降温 ,从而可大大降低 烟气冷却设备的初投资和运行费 。而对300 ℃以下 温度的烟气,因其主要以对流和传导形式散热降温, 烟气总的自然散热能力减弱, 则采用强制风冷方式或 强制水冷方式使烟气强制冷却降温 。 4. 4 烟气余热利用 对一年四季交替连续运行的冷风冲天炉 ,采取水 冷式烟气冷却器回收烟气余热 ,冷却水被加热后作为 洗浴热水加以利用 ,可产生一定的经济效益 ,达到降 污节能的双重效果。 4. 5 管道热膨胀补偿与风管固定活动支架 烟气温度高并温度变化急剧,风管和烟气冷却器冷 却管的涨缩量大,应根据系统各管部件的热膨胀不同情 况,选用合适的膨胀节。系统管道在高温工况下不仅涨 缩急剧而且强度明显降低,除适当加厚管件的板材厚度 外,还应设计合理的管道固定支架和活动支架。 4. 6 冲天炉烟气对系统的腐蚀性 有些厂反映冲天炉烟气对除尘系统管件内壁和 设备内壁的腐蚀很大, 经调研和查阅资料 ,这些厂的 冲天炉要么是隔天间断运行, 要么是采用湿法除尘 。 冲天炉一年四季连续交替运行 ,运行过程中冲天 炉烟气温度忽高忽低 ,但整个熔炼过程的大部分时段 烟气温度高于二氧化硫的露点温度 ,只有少量时段内 烟气温度低于二氧化硫露点温度。 冲天炉使用的焦炭中含硫量较低,同时由于炉料 中还有一定的石灰石 ,冶炼过程中的造渣过程可去除 部分硫,预计烟气对系统管件内壁和设备内壁的腐蚀 性不会很大 。 系统调试工作中 ,曾数次打开系统的风管检查门 和布袋除尘器净室检查门 ,直观上看风管内壁和布袋 除尘器内壁基本无腐蚀现象。经实践证明,短时间的 低温烟气对连续运转的冲天炉除尘系统的金属管件 和设备内壁不会造成太大的腐蚀。 4. 7 系统的自动控制 自动控制设计对系统的安全正常运行有着重要 的作用 。系统工艺设计与自动控制设计的“技术接 口”和配合极为重要 。系统工艺设计应准确表述其要 求的电气控制技术条件, 自动控制设计则应充分理解 工艺设计的控制要求 。要经过多次交流沟通和现场 反复调试, 逐步实现电控系统控制的准确无误, 才能 确保烟气净化及余热利用系统的稳定可靠运行。 作者通讯处 李韧 何雁 471039 河南洛阳西苑路 13 号 机械工 业第四设计研究院环保所 电话 0379 64818251 64818267 E -mail Lr. hbsscivic. com. cn hy . hbsscivic. com. cn 2006- 06-16 收稿 41 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 of biological treatment process and hydraulic design to ascertain relative key parameters in SBR process. Keywords SBR process, nitrogen removal and design REDUCTIONOFEXCESSSLUDGEPRODUCTIONBYAEROBIC -SETTLING-ANOXIC PROCESSZhong Xianbo Ye Fenxia 26 Abstract To determine whether aerobic -anaerobic cycle can be used to reduce sludge productioninbiologicalwastewater treatment, aerobic - settling -anoxic ASAprocess which is a modification of conventional activated sludge by inserting a sludge hold tank in the sludge return line between the aeration tank and the secondary clarifier was studied to investigate the reduction of excess sludge yield. It was compared that three processes with different sludge retentiontime 5. 5, 7. 6 and11 . 5hin the sludge hold tank, by which the excesssludge wasreduced by 33. 24, 22. 99 and 13. 80, respectively. These results suggested that it might be ideal to apply ASA process with 6～ 7 h sludge retention time to reduce the excess sludge yield. Keywords activated sludge process, excess sludge reduction and aerobic -settling -anoxic ASA process ANEXPERIMENTAL STUDY ONTREATMENT OF MONOSODIUM GLUTAMATE WASTEWATER BY HYDROLYTIC ACIDIFICATION -SBR PROCESSYan Jin 29 Abstract It is described an experimental study on monosodium glutamate wastewater treatment by hydrolytic acidification-SBR process. The experimental results show that CODCrand NH3-N removal rates of the wastewater are over 92, the time of hydrolytic acidification stage andSBR are 8 h and 6 h, respectively, and the water temperature is 20～ 25 ℃. These results demonstrate that hydrolysis and acidification as pretreatment means can enhance efficiently the biodegradability of monosodium glutamate wastewater and the CODCrand NH3-N removal rates of the whole technology . Keywords hydrolytic acidification, SBR and monosodium glutamate wastewater STUDY ONDECONTAMINATION OF SUSPENDED SEDIMENT IN WATER BY HYDROPHYTES Guo Changcheng Wang Guoxiang Yu Guohua 31 Abstract Based on special urban environmental problem, ecological physical mode of decontamination for water with sediment is built with Cyperus alternifolius, Gladiolus hybridus, Vallisneria spiralis, Ceratophyllum demersum, Hydrilla verticillata and Vallisneria spiralis of a wetland. The result indicates that the plant ecosystem of the wetland has different decomtamination effect on the water body with different amount of suspended sediment;and the wetland plants with the best decomtamination effect are Ceratophyllum demersum, Hydrilla verticillata, Vallisneria spiralis, Gladiolus hybridus and Cyperus alternifolius. The sediments with different particle size sediment have different results when they pass through the hydrophytes ecosystem. Keywords hydrophytes, ecological-physical mode, suspended sediment, adsorption and particle size PROCESS SELECTION IN DESIGN OF FOUR SEWAGE TREATMENT PLANTS IN LICHUAN COUNTYLǜ Yongjun Chen Shuicai Liu Pingbo 33 Abstract Design of small sewage treatment plant should hold the features of safety , stability and concision. It is analysed the process selection in the design of pre -anaerobic oxidation ditch for four sewage treatment plants in Lichuan Country. Which may provide experience for relevant designs by engineers. Keywords mountain area, pre -anaerobic oxidation ditch and sewage treatment plant IN -DEPTH COGNITION ON CONVENTIONAL UNITANK PROCESS Lei Ming Li Lingyun Su Xibo et al 35 Abstract How to improve the efficiency of TP removal is the controlled target of conventional UNITANK process. On the basis of the study on operation and experience in management of UNITANK process, it was analyzed the anaerobic space, time and inlet hydro -type of UNITANK reactor, operating of the process and autocontrol. Correlated conclusions have been obtained. Keywords conventional UNITANK process, biological phosphorus removal and operating control DESIGN AND APPLICATION OF SYSTEM FOR SMOKE -GAS CLEANING AND WASTE -HEAT REUSE OF CUPOLAHe Yan Li Ren Wang Zhaohan et al 37 Abstract With an example of smoke -gas cleaning, flue gas desulfurization FGDand waste -heat reuse for a 10 t h cool-wind cupola in Yunnan Province, the problems that should be considered in engineering design for smoke -gas cleaning include FGD and heart-re -using system are introduced. Keywords cupola, smoke -gas cleaning, heat reusing and engineering example CATALYTIC EFFECT OF IRON ORES ON THE REMOVAL OF NITROGEN OXIDES IN SINTERING EXHAUST GASESBi Xuegong Liao Jiyong Xiong Wei et al 42 Abstract The introduction of additives into a mix is able to remove nitric oxide in the exhaust gases during sintering process. The catalytic 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 6, Dec . , 2006