高位沉淀池灰水加速分离系统研制

/创新型高位沉淀池灰水加速分离系统研制红河卷烟厂动力部部务综合QC小组2015.1目录前言 1小组简介 2一、选择课题 3二、设定目标及目标可行性分析 6三、提出各种方案并确定最佳方案 9四、制订对策 22五、按对策实施 23六、效果检查 27七、标准化 30八、总结和下一步打算 31前言我国是煤炭生产和消费大国，煤主要用作动力燃料和发电，煤中的碳、氢、氧、氮、硫等元素，在燃烧过程中生成SO2、NOx、CO2并产生大量粉尘，这些污染物中，SO2污染给自然环境和人体健康带来的危害极大。2014年，国家环保局对新的污染物排放标准进行了修订，并于2015年10月1日开始执行，在新的标准中，对SO2的排放提出了更高的要求，规定SO2排放浓度应低于400mg/Nm3。面对日趋严峻的环保压力，红烟动力部三台35T/h锅炉于2009年对应配备了三台脱硫除尘塔，采用的脱硫方法为湿法脱硫，其脱硫效率高达95%以上，能够达到国家标准。但随之带来了易腐蚀、结垢、堵塞等一系列问题，为保证锅炉安全运行、所产蒸汽满足生产需要，必须定期切换锅炉运行，对脱硫除尘塔进行维护保养，由此电耗、煤耗增高，随之卷烟单箱综合能耗也有所增加。为进一步降低能耗，动力部采取了一系列办法来延缓脱硫除尘塔的堵塞问题，比如：寻找最佳小球配比、调整进水量大小、引进量子聚能环等，但效果仍然不理想。针对脱硫除尘塔运行周期短的问题，动力部成立了部务综合QC小组，对此进行专项研究分析。小组简介表1QC小组概况表小组名称动力部部务综合QC小组成立时间2014年3月6日活动时间2014.3-2014.12注册编号HH2QC-14-43课题名称高位沉淀池灰水加速分离系统研制课题类型创新型小组成员姓名性别年龄接受教育时间职称组内职务组内分工王宇男40100工程师组长组织实施技术指导杨春红男47100工程师组员项目实施李应鸿男4192助理工程师组员项目实施王鹏男2856助理工程师组员项目实施闵超男2530组员项目实施制表人：李应鸿日期：2014.3.11一、选择课题我厂锅炉房循环使用的灰水，主要供锅炉冲灰和脱硫除尘塔使用，灰水在经过脱硫除尘塔时，与塔下方进入的烟气相遇，生成石膏（CaSO4•2H2O）、CaCO3并附着于塔内。图1脱硫塔内部堵塞图摄像人：王鹏日期：2014.3.12锅炉开始升炉运行时，引、送风机变频差为8-15%，随着锅炉运行时间的延长，脱硫除尘塔内沉淀物增多，引风机负荷增大，耗电量增加，锅炉运行工况变差，当引、送风机变频差增高到25%以上时，脱硫除尘塔内堵塞已相对严重，继续运行则引风机负荷过高，振动加剧、耗电大增，此时，设备安全运行已经得不到保证，因此，部门规定，当引、送风机变频差增高到25%时，必须切换锅炉供汽，对脱硫除尘塔内部进行清理和保养。小组对2013年锅炉运行周期进行统计，数据表明2013年锅炉平均运行周期为30天。图22013年锅炉运行周期图制图人：杨春红日期：2014.3.12对高位沉淀池第六池出水和第一池进水进行取样对比，发现灰水经沉淀分离后出水水质已非常清澈，为何在脱硫除尘塔内还会出现如此严重的结垢堵塞？为此小组对第六池水质进行了分析，分析得出灰水中硬度含量达到了6mmol/L，SO42-达到了0.32mmol/L，SO32-达到了0.80mmol/L，由此可以得出脱硫除尘塔内的大部分沉淀物为CaSO4。而CaSO4由灰水中的CaSO3氧化生成，如果让其在高位沉淀提前氧化分离，减少其在灰水中的含量，就可减缓脱硫除尘塔的堵塞，延长锅炉运行周期，所以，QC小组将高位沉淀池灰水加速分离系统研制作为本次小组活动的课题。图3第六池出水和第一池进水效果对比图摄像人：王鹏日期：2014.3.12二、设定目标及目标可行性分析设定目标小组对高位沉淀池第六池的灰水进行取样，测量灰水的浊度NTU，然后在取样水底部接入压缩空气进行试验，10分钟后关闭压缩空气，让其沉降1小时后再次测量灰水的浊度NTU，结果如表2所示。表2灰水浊度对比表取样对比取样1取样2取样3取样4取样5平均试验前浊度（NTU）30.531.432.431.230.831.3试验后浊度（NTU）14.514.915.214.714.114.7制表人：李应鸿日期：2014.3.12从表中可以看出，试验后灰水的平均浊度不到试验前的一半，说明试验后的沉淀物为试验前的两倍多，这一试验结果在理论上完全可以用于高位沉淀池的灰水中，当灰水中有大量沉淀物生成并能有效沉降分离或附着在池子表面，灰水的品质将得到改善，在脱硫除尘塔内生成的沉淀附着物将大幅减少，可有效减缓脱硫除尘塔的堵塞，根据试验数据对比分析，小组一致决定本次QC课题目标为：将锅炉运行周期由原来的30天延长至60天。目标值目标值活动前60天30天图4目标设定图制图人：杨春红日期：2014.3.142、目标可行性分析CaSO3的氧化实质上是气、液和固三相反应，反应物一方是气相中的氧，另一方是CaSO3中固相的SO32-，氧通过气液膜扩散到液相，SO32-通过固液膜扩散到液相并与其中的氧反应，CaSO3氧化为CaSO4的过程用化学方程表示如下：由上面化学方程式可以看出灰水中的CaSO3可氧化生成CaSO4，这一部分反应可以通过技术手段让其提前至高位沉淀池完成，当这部分沉淀被有效分离后，灰水中的绝大部分可沉淀物已被分离，因此小组一致认为延长锅炉运行周期的目标是能够完成的。

三、提出各种方案并确定最佳方案1、方案提出方案一：采用纯氧在灰水中进行曝气。方案二：购置高压风机，利用高压送风在灰水中进行曝气。方案三：采用本厂现有的空压在灰水中进行曝气。2、方案比较表3方案对比分析表方案优点缺点结论利用纯氧在灰水中曝气纯氧的氧化效果最好，能快速达到氧化分离的效果。只能外购瓶装工业氧气，使用过程中存在较高的安全隐患，且成本太高，50kg的工业氧气瓶约400元。12元/m3，其耗量仅为风机和空压的五分之一，折合后为2.4元/m3空气。不采用购置高压风机，在灰水中曝气运行成本相比纯氧曝气较低，气源稳定性相对较强。风机采购周期长达三个月以上，高压低流量风机根据压力和流量不同，价格在3000元至10000元之间，电功率一般为15Kw以上，我厂每度电价格为0.55元，运行成本为0.14元/m3。不采用采用现有空压，在灰水中曝气我厂的空压机在不计人工费的情况下运维成本仅0.10元/m3，稳定性高，不需要增加任何设备，极为方便。相比之下氧化分离效果不如纯氧。采用制表人：王鹏日期：2014.3.223、方案优化（1）曝气末端装置选择表4曝气末端装置选择表空气源管道上安装曝气盘管道上布置气孔对比采用本市污水处理厂使用的污水曝气盘进行试验，接入压缩空气进行曝气，三天之后，灰水中的煤灰、CaSO4结晶，使曝气盘气孔堵塞严重。在DN15的管道上钻Φ6的孔，作为曝气管，接入压缩空气进行曝气，三天之后，曝气孔周围无明显堵塞。分析曝气盘上的气孔属于微孔，堵塞后较难疏通。加工简单，维修方便。结论不采用采用制表人：杨春红日期：2014.3.28图5曝气管摄影人：王鹏日期：2014.3.28（2）气管材料选择表5气管材料选择表气管材料不锈钢碳钢对比分析成本高，不锈钢材料价格约为碳钢的5倍。成本低，与灰水接触易腐蚀。结论与灰水接触部分采用不与灰水接触部分采用制表人：王鹏日期：2014.3.28（3）氧化效果的检测为了定量分析高位沉淀池CaSO3氧化为CaSO4的速度，通常采用硫酸钡比浊法，即将Bacl2加入溶液混合后生成BaSO4沉淀，溶液将变得浑浊，通过浊度分析仪检测其浊度，然后查表得出对应的硫酸根浓度，通过检测灰水中硫酸根的浓度来计算出CaSO3的氧化速率，氧化速率越高表明氧化分离效果越好。氧化速率用下式进行计算：R=(Ct-C0)/t式中Ct为反应后硫酸根浓度，mol/L；C0为初始硫酸根浓度，mol/L；t为氧化反应时间，s。（4）空压流量的选择空压流速取8m/s（d≤50mm，v≤8米/秒）,每根曝气管上钻3个Φ6的孔，经计算每根曝气管空压流量合计为0.038m3/min。分别选择2、3、4、5、6根曝气管均匀分布于第一池内，插入深度为1m，进行1h的氧化试验，此试验仅变化了空压流量的大小，其对氧化速率的影响如图6。表6曝气管数与氧化速率关系对比表曝气管数（根）23456Ct（mmol/L）反应后浓度0.410.430.500.460.43C0（mmol/L）初始浓度0.320.320.320.320.32R(mmol·L-1·s-1*10-5）氧化速率2.53543制表人：闵超日期：2014.3.29图6空压流量与氧化速率关系图制图人：闵超日期：2014.3.29当空压流量在0.076m3/min至0.152m3/min范围时，氧化速率随空压流量呈正比关系增长。当空压流量继续增大时氧化速率反而下降。因此选定最佳空压流量为0.152m3/min，对应每池4根曝气管。需要说明的是，据实验观察，当空压流量在0.076m3/min至0.152m3/min范围时，气泡对反应溶液的搅动较小，气泡呈分散状态，大小均匀，呈现出有秩序的安静鼓泡现象。如果继续增大空气流量，气液出现无定向搅动，部分气泡凝聚成大气泡，呈现出湍流鼓泡现象。（5）曝气管最佳孔数的选择为使氧化速率达到最佳，在确定每池最佳空压流量为0.152m3/min后需要在每根曝气管上钻不同的孔数进行曝气试验。如果孔数过少，那么曝气与灰水的接触点就少，将会影响氧化效果，如果孔数过多，那么孔径就会过小，易造成曝气孔的堵塞，影响氧化效果。为此小组在每根曝气管上钻2、3、4、5个曝气孔来进行试验，并记录气孔完全堵塞所需时间。表7曝气孔数与氧化速率的关系对比表曝气孔数（个）2345曝气孔Φ（mm）7654.5Ct（mmol/L）反应后浓度0.380.450.500.41C0（mmol/L）初始浓度0.320.320.320.32R(mmol·L-1·s-1*10-5）氧化速率1.73.552.5堵塞时间（天）6542制表人：闵超日期：2014.3.29图7曝气孔数与氧化速率关系图制图人：闵超日期：2014.3.29从表7、图7以看出当每根曝气管曝气孔数为4个，曝气孔直径为5mm时其氧化速率最佳。（6）曝气管插入水面深度选择为弄清曝气管插入水面的深度对氧化速率的影响，小组在确定最佳空压流量和每根曝气管最佳孔数后选定每根曝气管钻4个Φ5的孔，每池插入4根曝气管后在第一池进行试验。如果插入深度小于1m，那么曝气将很快逸出水面，影响氧化效果，由于高位沉淀池结构为倒四棱锥型，如果插入深度过深会使曝气相对集中，分布不均，影响氧化效果。因此小组选择插入深度分别为1m、1.5m、2m进行试验，其对氧化速率的影响如表8、图8示。表8曝气管深度与氧化速率的关系对比表曝气管深度（m）11.52Ct（mmol/L）反应后浓度0.500.5360.482C0（mmol/L）初始浓度0.320.320.32R(mmol·L-1·s-1*10-5）氧化速率564.5制表人：闵超日期：2014.3.30图8曝气管深度与氧化速率关系图制图人：闵超日期：2014.3.30从表8、图8可以看出，曝气管插入深度为1.5m时氧化速率最佳，故把曝气管插入水面1.5m作为最佳插入深度。（7）PH值的选择通过控制清水池加入碱液量的多少可调整灰水中的PH值。灰水PH对氧化反应的影响为随着PH值增加，亚硫酸钙氧化速率降低。但是如果灰水PH值过低将严重影响脱硫效果，为了保证SO2折算排放值低于国家环保局规定的400mg/Nm3且亚硫酸钙的氧化速率相对较高，必须通过实验确定灰水的最佳PH值。按上述确定的最佳空压量和曝气孔数以及曝气管插入深度进行实验，其数据如表9、图9所示。表9曝气池PH值与氧化速率的关系第一池PH456清水池PH6-77-88-9SO2折算值（mg/Nm3）450380350Ct（mmol/L）反应后浓度0.650.640.58C0（mmol/L）初始浓度0.400.400.40R(mmol·L-1·s-1*10-5）氧化速率76.55制表人：闵超日期：2014.3.30图9PH值与氧化速率关系图制图人：闵超日期：2014.3.30从实验数据可以看出，第一池灰水PH值为4时氧化速率最高，但锅炉排放的SO2折算值将超标，故不选择此PH为最佳PH。第一池灰水PH值为5时氧化速率为6.5*10-5mmol·L-1·s-1，氧化速率较高且排放的SO2折算值达到国家标准，故选第一池灰水PH值为5位最佳PH，与此对应的清水池PH设定为7-8。（8）曝气池数量选择为了使各池中亚硫酸钙充分氧化为硫酸钙且保持较高氧化速率，氧化后还能有较多时间进行沉淀分离，小组按最佳PH、最佳空压流量、曝气管最佳开孔数以及曝气管插入水面最佳深度对前4池进行实验，实验数据见表10、图10。表10曝气池数与氧化速率的关系曝气池第一池第二池第三池第四池Ct（mmol/L）反应后浓度0.640.390.250.11C0（mmol/L）初始浓度0.400.250.160.08R(mmol·L-1·s-1*10-5）氧化速率6.542.50.8制表人：闵超日期：2014.3.31图10曝气池数量与氧化速率关系图制图人：闵超日期：2014.3.30从实验数据可以看出，前三池的氧化速率远高于第四池的氧化速率，且第四池的初始硫酸根浓度已经低至0.08mmol/L，没有必要再对其进行氧化分离，故把曝气点选择在前三池。（9）压缩空气耗量计算气源来自高位沉淀池附近的Φ159空压主管，每池4根曝气管，每根管道上曝气孔4个，孔径为Φ5。曝气孔数合计：6池×4根/池×4孔/根=96个通风截面合计：96×π×2.52=1884.96mm2压缩空气流速取值：8米/秒（d≤50mm，v≤8米/秒）压缩空气流量计算：Q=1884.96×10-6×8×60=0.9048m3/min每分钟不到1立方米的压缩空气需求量，对我厂空压系统而言，其影响几乎为零。（10）压缩空气管道布置通过现场实际测量，QC小组设计了如下方案。图11高位沉淀池空压管布置图制图人：杨春红日期：2014.4.2沉淀池上口尺寸为3.9m×3.9m，深度2.4m以下为倒四棱锥形，每根曝气管曝气范围有效半径为1m，为使池内灰水曝气点均匀分布，相邻两根曝气管间距定为2m，4根曝气管在池中以2m×2m的间距进行布置。图12高位沉淀池空压弯管图制图人：杨春红日期：2014.4.2（11）方案优化图图13方案优化图制图人：王鹏日期：2014.4.3四、制订对策表11制定对策表方案对策目标措施地点完成日期负责人研制灰水加速分离系统材料准备及加工与材料统计表中的要求一致1、制作材料计划；2、按图纸要求制作曝气用的不锈钢弯管；3、加工连接氧气管的碳钢管接头和聚四氟乙烯管接头；4、加工固定曝气管所需的钢板和角钢。机修房2014.4.12以前李应鸿王鹏管道安装按图纸要求进行施工，安装完毕后接入压缩空气试验无任何泄漏。1、利用周末休息时间在Φ159管上开孔，焊接安装Φ45管并加装阀门；2、按图纸要求安装各种管道；3、对于经过人行道上的管道，在管道上方安装保护踏板。高位沉淀池现场2014.4.25以前李应鸿闵超杨春红系统调试确保CaSO3氧化速率达到最佳调整铜球阀开度，确保空压流量达到最佳，设定清水池PH值至7-8。高位沉淀池现场2014.4.28以前李应鸿王鹏制表人：李应鸿日期：2014.4.4五、按对策实施1、对策实施一：材料准备及加工（！）制作材料计划，提交厂物资科采购；（2）联系外协单位，按图纸要求制作曝气用的不锈钢弯管；（3）联系外协单位，加工连接氧气管的碳钢管接头和聚四氟乙烯管接头；（4）加工固定曝气管所需的钢板和角钢。实施情况检查：从仓库领出的材料与原计划一致，经外协单位加工的弯管和管接头符合图纸要求，固定曝气管所需的钢板、角钢、螺栓螺帽已备好。2、对策实施二：管道安装（1）在Φ159空压主管上开孔，焊接安装Φ45管，加装截止阀作为高位沉淀池用气总控制阀门；（2）按图纸要求安装各种管道；（3）在经过人行道上的管道上方安装保护踏板。图14管道安装现场图摄影人：李应鸿日期：2014.4.26实施情况检查：管道安装符合图纸要求，焊缝平整光滑，通气检测，无泄漏点。3、对策实施三：系统调试调整安装在各支管上的铜球阀开度，每池空压流量达到0.152m3/min附近，设定清水池PH值至7-8，选择在前三池进行曝气。图15灰水曝气现场图摄影人：李应鸿日期：2014.4.28实施情况检查：压缩空气及灰水PH调控到位，现场操作人员已经过操作培训。4、曝气效果检查2014年4月，高位沉淀池灰水加速分离系统安装完成，投入实际运行，在实际运行过程中，小组成员随时跟踪观察，确保系统处于正常运行状态，并对氧化分离效果进行跟踪。如图16所示，增加曝气氧化系统后，使原本在脱硫塔内的沉淀物提前至了高位沉淀池完成。物质是守恒的，虽不能减少沉淀物的产生，但是通过活动有效将其进行了转移，沉淀物转移至高位沉淀池结晶后随时能对其进行清除，不用像以前一样需要停炉后才能对脱硫塔内部进行沉淀物的清理，有效地延长了脱硫除尘塔的运行周期。图16CaSO4结晶现场图摄影人：李应鸿日期：2014.5.305、循环水硬度检查小组在7月份每两天对第六池循环水进行取样分析其硬度变化情况，结果表明循环水硬度明显下降且相对稳定，平均为4784μmol/L，相比之前的6000umol/L，降幅约为20%，表明循环水品质得到有效改善，具体见下图。平均值：平均值：4784图17循环水硬度变化情况制图人：王鹏日期：2014.7.30图18循环水硬度变化图制图人：王鹏日期：2014.7.30六、效果检查在高位沉淀池引入压缩空气进行曝气之后，脱硫除尘塔内部结垢速度明显下降，下图为脱硫除尘塔运行30天时，塔内结垢的对比图，从右图可知，塔内结垢明显减少。曝气投入前曝气投入后图19脱硫除尘塔运行30天时内部结垢对比图摄影人：李应鸿1、课题目标达成检查高位沉淀池增加灰水加速分离系统之后，QC小组对锅炉运行情况进行了跟踪，锅炉连续运行时间明显增加，统计情况详见下表。表12锅炉连续运行时间统计表序号运行锅炉运行时间天数合计13#5月1日—7月1日6222#6月26日—9月1日6831#8月24日—10月27日6542#10月22日—12月29日69单台锅炉平均运行天数66制表人：闵超日期：2014.12.30图20QC活动对比图制图人：王鹏日期：2014.12.302、效益分析每次切换锅炉运行，均会产生电耗、煤耗，增加设备维护保养的人工，在加装灰水加速分离系统之后，由于锅炉连续运行时间的增加，每月平均能耗明显下降,下表为QC活动前后消耗对比。表13QC活动前后每月消耗对比表QC活动之前QC活动之后电耗（kw.h）28001250煤耗（T）52.2人力（人•天数）104制表人：王鹏日期：2014.12.30说明：QC活动之后每月消耗数据为5-12月消耗之平均值。经济效益计算：我厂所用煤炭每吨以996元计，工业用电每度以0.55元计，由于维护保养人员属于固定员工，在计算时就不再计算此部分的节约，现计算如下。每月节约资金为：（2800-1250）×0.55+（5-2.2）×996=3641.3元系统投入运行期间（5-12月）8个月共节约资金：3641.3×8=29130.4元本次QC活动共投资19837元，由此可知，在不到6个月的时间里，就可收回成本。社会效益：采用压缩空气在循环利用的锅炉灰水中进行曝气，使灰水中的CaSO4结晶转移到方便清理的高位沉淀池内，此方法在同类型的湿法脱硫系统中有借鉴作用，可以有效延长锅炉的连续运行周期，同时降低生产能耗。七、标准化1、将设计图纸存入动力部设备一机一袋技术档案中，以便跟踪维护；2、将灰水加速分离系统操作规范纳入Q/HY.CJ.HH05.001-2014《动力部锅