石灰炉CO2净化新技术的开发与应用(发表).doc

石灰炉CO2气体净化新技术的开发应用马明中 刘钢湘 邵宝义中铝河南分公司 河南郑州 450041摘要：本文通过分析中铝河南分公司氧化铝厂石灰炉CO2气体净化系统存在的问题和CO2气体性质、粉尘性质、布袋滤料等技术要点和收尘器、喷淋塔结构，提出了以布袋收尘器和全蒸发喷淋塔为核心工艺的净化系统，所述技术在国内尚属首例，具有较好的应用价值。关键词：布袋收尘器 全蒸发喷淋塔 CO2气体1 前言中铝河南分公司氧化铝厂现有3台444m和1台556m竖式活性石灰炉，煅烧石灰石生产拜尔法系统配钙所需的石灰和烧结法碳分所需的CO2气体。由于石灰炉尾气中含有较多以CaO、SiO2、Fe2O3等有害成份的粉尘，所以为保证碳分产品的质量，石灰炉尾气必须经过净化，使其中的CO2气浓度、含尘量分别达到36%38%和小于20mg/Nm3等相应的技术指标要求。原净化系统采用旋风收尘器、填料式洗涤塔、湿式电收尘组成的三级净化、降温系统。随着氧化铝产量的不断提高，石灰炉尾气也相应增加，原有收尘系统压力损失大、收尘效率低等问题即逐步暴露出来，无法满足工艺要求。2 原净化系统工艺流程及运行概况分析2.1 改造前的工艺流程石灰炉产生的CO2气体，通过炉顶CO2管道经过各自的旋风收尘器去除大颗粒粉尘后，汇集到一根母管，再平均分配到4台填料式洗涤塔进一步净化并降温，然后进入对应的电收尘器去除细微颗粒及雾珠，最后通过螺杆压缩机送到碳分岗位进行碳酸化分解，其工艺配置及流程详如图-1、图-2所示。2.2 原收尘系统的运行状况2.2.1 收尘净化设备概况原CO2气体净化系统有旋风收尘器、填料式洗涤塔、湿式电收尘器各4台，各设备的详细情况及技术参数见表-1：收尘系统设备性能一览表 表-1序号设备名称设备型号规格主要设计性能参数数量备注1旋风收尘XCD20Q=14000m3/h，=80%，P=1200Pa4台2填料洗涤塔4.018mQ=30000m3/h，=56%，P=2500Pa耗水量：80t/h 3台3湿式电收尘器3.113mQ=12500m3/h，=97%，P=1500Pa ，耗水量：10t/h4台4旋流洗涤塔2.18.95mQ=15000m3/h，=95%，P=1200Pa ，耗水量：80t/h1台为新建6炉配套。从上表可知总设计除尘效率为：总=1-(1-80%)(1-97%)(1-56%)100%=99.7%而根据实际测定结果，净化系统总除尘效率仅为93.87，电收尘器出口含尘浓度为4062mg/Nm3。2003年上半年年测定结果见表-2。改造前净化系统测定结果统计表 表-2日期进口浓度mg/Nm3出口浓度mg/Nm3收尘效率（%）压降（Pa）出口温度（）洗涤塔电收尘1月6日9665894.002480800352月5日7475293.042784816383月7日13044096.932581815384月22日9015693.792936832425月15日12846295.172636820426月26日4564490.34297781540平均9435293.872732816.339.2由于表-2中数值为定期抽检，未测定旋风除尘器进口浓度。为准确掌握系统的全面情况，特委托河南省冶金建材行业办有色环境监测中心站对4炉的净化系统进行了测定。结果见表-3。改造前4石灰炉净化系统测定结果 表-3测定日期:2003年7月11日采样地点监测分析项目温度水分%CO2%O2%全压kPa工况风量m3/h标准风量m3/h含尘浓度mg/m3排放量kg/h除尘效率SO2浓度mg/m3旋风进口1434.140.01.8-0.50191001170016200190.099.48256洗涤塔进口1205.138.52.2-2.39199001260092912.0208电收尘进口415.637.72.6-4.2316700139002333.2187电收尘出口405.237.02.9-5.121960015500630.98163由表-3结果可以计算出，原净化系统总除尘效率为99.48，系统总阻力为4620kPa，漏风率为32.48%，粉尘排放浓度63mg/Nm3远高于生产系统要求的不大于20 mg/Nm3的标准。2.2.2 运行情况分析2.2.2.1收尘效率降低随着风量和粉尘总量的成倍增长，粉尘在收尘系统特别是在洗涤塔和电收尘内的停留时间缩短，由于气流速度的增大，造成大量粉尘得不到充分捕集，并且相当一部分捕集粉尘后的雾珠随风带走；其次，洗涤塔布水系统和填料层经常堵塞，影响或破坏水膜的质量或者形成，收尘效率逐步下降。2.2.2.2系统压力损失大原有净化系统采用三级收尘，以前正常运行时系统压力损失达35004000Pa。随着产量的提高，粉尘浓度和总量也大幅升高，粉尘中的钙、镁、硫在洗涤塔内部被瓷环截留形成钙镁结晶化合物以及硫单质黏附在瓷环表面，造成瓷环堵塞并极难冲洗，填料式洗涤塔，压力损失从原来的1500Pa上升到改造前3000Pa左右。2.2.2.3运行成本高原有净化系统设备较多、系统复杂，维护工作量大，年耗水、电、汽、备件以及维护等各方面的费用高。3 CO2气新净化技术的研究3.1 石灰炉炉气成分分析石灰炉炉气的性质见表-4，粉尘性质见表-5、表-6。石灰炉炉气的性质 表-4烟气温度水分烟气化学成分(按容积计)，CO2O2COSO2其他1901603.75.036401.82.50.80.10.1660.9粉尘的性质 表-5含尘浓度（g/m3）容重（g/cm3）安息角（）比电阻cm(177)粉尘的化学成分，SiO2Fe2O3CaO其他0.921.63355310115.560.9546.0047.49粉尘的粒度分布 表-6粒径，m+150150909075756363535345-4516.9515.137.267.121.576.0945.893.2 袋式除尘技术的研究袋式除尘器作为最核心的净化设备，其性能的优劣直接决定着净化效果和整个系统的运行。因此对所采用的袋式除尘器的开发研究成为项目成败与否的关键所在。袋式除尘器普遍具有运行稳定、除尘效率高、不受粉尘性质影响等优势，但在清灰方式、滤袋材质、结构形式等方面存在不足，造成设备阻力大、排放浓度高（50mg/m3），且不能适应高烟温、高浓度等特殊条件，因此其应用也受到一定的局限。而以长袋低压脉冲袋式除尘器为代表的脉冲喷吹类强力清灰除尘器刚好弥补了上述不足。因此，确定以低压脉冲袋式除尘器作为选用设备。3.2.1 滤袋滤料选用分析3.2.1.1烟气条件由表-4可知，所处理的烟气温度比较高，正常情况下，出炉气体温度小于190，通过输送管道的自然散热等，到达除尘器时的温度在120150。同时烟气中主要成分为CO2，同时还含有SO2、NO2等，所以烟气呈酸性。3.2.1.2 粉尘性质由表-5、表-6可知，石灰炉尾气中的粉尘以小于45m的微细粉尘居多，且容重较轻，亲水性强。由于净化系统要求的粉尘排放浓度较低，特别是在滤袋初始投用时就必须要到达排放要求，而原始滤袋的透气量是很高的。由于气流阻力较低，开机时的气布比会很高，部分细小流动的粉尘能够渗入并穿透滤袋，导致粉尘浓度升高。另外在净化系统开始运行时，水蒸气可能会在仍然较冷的除尘器箱体中凝结进而生成硫酸，使滤袋和笼骨受到化学侵蚀。另一种可能，粉尘与冷凝水结合在滤袋基层和内层，形成局部板结导致糊袋。最终选定MX涤纶纤维滤料为过滤介质。它经过出厂前的微定性和S-CHPS处理，可保证纤维在酸碱性环境下正常工作。针刺成毡后，再经热定型处理。同时该滤料可在120150、甚至更高的环境下正常稳定的工作，酸性、水分对该滤料的性能影响较小。3.2.2 除尘器结构设计除尘器性能的好坏，除与滤袋的选择有关外，还与气流分布、清灰效果、制造安装水平高低等有关。由净化工艺设计确定系统的处理风量为45000m3/h，除尘器过滤面积为784m2，过滤风速为0.96m/min。滤袋规格为1306000mm，布置20排，每排16条滤袋。针对除尘器设计要求和运行状况，在以下几方面对除尘器进行了改进和提高。3.2.2.1 气流均布在除尘器进风口处的中箱体内设置分布导流挡板固定于其两侧壁，挡板上下两端与上花板和下部灰斗壁均留有缝隙，在导流挡板上设有一列多排的折翅型导风口，折翅与挡板成钝角具有挡尘功能，见图-4。这种结构进风均匀，从而延长滤袋寿命，其分布导流挡板使含尘气体气流方向与滤袋清灰抖落方向一致，还能够有效降低气流流速，既可挡尘又导风，粗大颗粒受撞击失去惯性而落入灰斗，同时又减低了除尘器阻力，可适宜较高的过滤风速，提高除尘效率。3.2.2.2 喷吹装置配备了“双薄膜片快速脉冲阀”，该阀是直通淹没式结构，启闭迅速，阻力小，因而与其它脉冲阀相比在相同的耗气量下，能以较低的喷吹压力获得更强的清灰能力。3.2.2.3 袋口通过不锈钢弹性涨圈嵌入花板的袋孔内，二者有公差配合，密封性好。在滤袋袋口与内衬不锈钢圈的粘接处，采用了德国高耐问耐酸碱胶胶合；同时袋口采用斜口缝制，袋身采用热熔技术。这些措施有效地保证了滤袋与除尘器结合的严密性和寿命，消除了粉尘渗漏现象的发生。3.2.2.4 为适应系统的高负压运行，除尘器采取了加厚壁板和槽钢加固定型等措施；除尘器外壳整体保温，避免和减少结露现象发生。3.3 全蒸发喷雾降温和旋流洗涤技术经过净化处理后的炉气首先进入空压站，最终由空压机送至碳分工序。而空压机的进气温度要求不大于35。为了满足温度的需要，在袋式除尘器后段须设置冷却降温设施。根据系统工艺设计，将原有净化系统中的湿式电收尘器改造为喷淋冷却塔。考虑到炉气出冷却塔后到达空压站之间还有约150m的距离，通过管道的自然散热，假设到达空压站的烟气温度为30，根据最保守的计算，从节约冷却塔改造投资和减少水量消耗方面考虑，从冷却塔排出的炉气温度只需要达到40左右即可满足生产工艺要求。考虑到烟气中水分含量不大于15%的要求，直接全部采用水喷淋洗涤方式降温，耗水量太大。同时由于洗涤水要循环使用，连续使用会使水温持续升高，现有沉淀循环水池容量太小，单纯依靠水池表面散热，无法满足降温的需要。所以采用先期全蒸发雾化降温技术，使烟气温度降到55左右，在实行喷淋洗涤降温的方式达到设计要求。将原有3.1m13m电收尘器改造为旋流冷却塔，是利用风洞截面的变化，改变气流的方向和速度，在工作段使烟气高速旋转，并与注入工作段的吸收液反复旋切，在壁面上形成紊流边界层，增强了气、液和固体烟尘三相间的质量和能量的交换，延长了物理和化学的反应历程与时间，充分中和吸收烟气中有机物、SO2和吸附烟尘，特别是对细微尘粒的吸附更加有效。烟气从塔底部进入塔内工作段，与水充分接触，烟气中有害物质由于降温、凝聚等作用使单个气溶胶质量增大，依靠离心力的作用被捕集下来，同水一起沿壁面溜入灰斗排除。净化后的烟气经除雾器脱水后从塔顶处排出。4.改造效果检查4.1 改造后，其工艺配置简图和流程见图-5、图-6。4.2 主要设备选型及设计参数4.2.1 CD型低压脉冲袋式除尘器工艺参数见表-7CD型低压脉冲袋式除尘器工艺参数表 表-7序号名称参数序号名称参数1处理风量50000m3/h7滤袋规格1306000mm2除尘效率99.9%；8滤袋规格500g/m2MX针刺毡3入口气体温度160；9除尘器阻力1500Pa4出口排放浓度15mg/Nm310脉冲阀耗气量0.24m3阀次5总过滤面积784m211脉冲阀数量20位（3淹没阀）4.2.2 旋流冷却塔旋流冷却塔工艺参数表 表-8序号名称参数序号名称参数1出口温度404洗涤用水量93 m3/h2出口气体含水量15%5阻力1500Pa3喷雾耗水量2.12m3/h4.3 监测数据分析4.3.1 袋式除尘器数据分析从表-9结果可看出，改造后的净化系统CO2炉气中粉尘的平均排放浓度为小于10mg/Nm3，总除尘效率达到99.94%以上，系统总阻力为小于2500Pa。袋式除尘器的除尘效率在仅处理13石灰炉的炉气时为99.93%，排放浓度为13.48mg/Nm3，阻力为1235Pa，达到了当初的要求，这时的除尘器过滤风速为1.03m/min，漏风率为1.25%。当其全部处理4台石灰炉的炉气时，袋式除尘器的除尘效率为99.89%，粉尘排放浓度为19.32mg/Nm3，略低于设计指标，其主要原因是由于处理风量的加大，过滤风速提高所致。这种状态下除尘器的过滤风速为1.32m/min，阻力为1470 Pa，漏风率为1.54%。4.3.2 喷淋降温系统运行分析喷淋冷却塔虽然主要是为实现降温目的而设置，在满足了烟气温度控制要求的同时，也作为二级深度净化进一步降低了粉尘浓度。从表-9中数据计算可得出，在“运行状态一”下，其除尘效率为27.9%，阻力为818Pa。在“运行状态二”下，喷淋降温系统的除尘效率为44.5%，阻力为1080Pa，塔内风速1.89m/s，烟气中尘粒获得的离心力大，加之入口浓度高，因而其除尘器效率较运行状态一要高。在两种运行状态条件下，炉气中的水分均小于10%，完全能够满足系统设计要求。表-9 改造后石灰炉净化系统测定结果统计表运行状态采样地点监测分析项目温度水分%CO2%O2%全压kPa工况风量m3/h标准风量m3/h含尘浓度mg/m3排放量kg/h除尘效率一、处理1#3#炉炉气袋式除尘器进口1324.039.51.95-1.8748430316791837258299.926袋式除尘器出口536.838.72.1-3.29395003207613.480.43冷却塔出口367.237.72.32-4.1138210332219.230.3199.946二、处理1#4#炉炉气袋式除尘器进口1254.140.22.0-1.78622504170017950748.599.89袋式除尘器出口566.538.82.2-3.25512844234519.320.818冷却塔出口397.037.32.3-4.33500394364410.40.45499.94说明：1、以上数据均为几次测定结果的平均值。5. 经济技术分析5.1改造前运行成本改造前，设备检修维护费用25万元/年；蒸汽消耗3000吨，折合17.4万元/年；耗电200万kwh/年，折合60万元/年；年耗新水8.3万吨，折合4.11万元/年；操作工人8名，人均收入2.5万元，合计20万元/年。综上所述，原收尘系统运行成本为126.51万元/年。5.2 新系统运行消耗成本分析5.2.1 备件消耗除尘器滤袋使用寿命按1.5年计算，每次全部更换费用为19.6万元，折每年费用13.1万元。其他备品备件损耗费用0.5万元。合计13.6万元。5.2.2 电耗新