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        集成清掃技術(shù)在硫磺輸送系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

        2018-12-27 01:24:26謝華昆
        石油與天然氣化工 2018年6期
        關(guān)鍵詞:霧氣硫磺皮帶

        謝華昆

        中國石化達州天然氣凈化有限公司天然氣凈化廠

        普光天然氣凈化廠以普光氣田高含硫天然氣為原料,硫磺產(chǎn)量高達240×104t/a,采用濕法成型工藝,是國內(nèi)最大的硫磺生產(chǎn)基地,其硫磺生產(chǎn)、儲運規(guī)模均屬世界級規(guī)模。硫磺輸送系統(tǒng)采用傳統(tǒng)槽式皮帶輸送機,承擔(dān)著產(chǎn)品硫磺的轉(zhuǎn)運工作,該系統(tǒng)由8座轉(zhuǎn)運站、21臺皮帶輸送機、噴淋抑塵裝置、氣吹清掃裝置和水浴式除塵器等組成[1]。固體硫磺顆粒在輸送過程中因摔落、撞擊、碾壓等破碎產(chǎn)生粉塵,當(dāng)粉塵的質(zhì)量濃度達到35 g/m3時,遇火源將發(fā)生爆炸,爆炸沖擊波使散落、沉積的粉塵形成新的混合物系,可發(fā)生連環(huán)性爆炸[2]。硫磺粉塵爆炸能量大,破壞力極強,爆炸燃燒后產(chǎn)生的SO2對人身危害很大。目前,現(xiàn)場采用聚氨酯刮刀、高壓風(fēng)刀等清掃器對回程物料進行清理時,在下料區(qū)域易形成較多的落地硫磺和粉塵,造成現(xiàn)場環(huán)境污染,加快設(shè)備腐蝕,產(chǎn)生的硫化亞鐵易自燃,導(dǎo)致硫磺著火等事故發(fā)生,存在諸多不安全因素。

        由于硫磺粉塵具有易燃、易爆、遇水易加速設(shè)備腐蝕的特殊性,相對傳統(tǒng)煤炭、鐵礦石等皮帶機輸送系統(tǒng),需要更為嚴格的安全防控措施。為了有效地進行落地硫磺收集和硫磺粉塵治理,改善生產(chǎn)環(huán)境,提高輸送系統(tǒng)運行的安全性,減緩現(xiàn)場設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速率,降低硫磺著火和爆炸的風(fēng)險,保障員工人身安全,確保硫磺儲運系統(tǒng)安全高效運行,有必要對現(xiàn)有的皮帶輸送機清掃技術(shù)進行優(yōu)化和改進研究。

        1 硫磺輸送系統(tǒng)清掃器技術(shù)現(xiàn)狀

        1.1 聚氨酯清掃器技術(shù)

        聚氨酯皮帶清掃器是用聚氨酯復(fù)合材料制成,安裝在皮帶輸送機驅(qū)動滾筒的下方,與皮帶呈垂直方向,起到清掃回程物料的作用。其刮刀刀面平整、直線度好,具有低摩擦性、高耐磨性、高強度等特性,刮料效果穩(wěn)定[3]。

        在使用過程中,因硫磺顆粒含有少許水分,形成酸性物質(zhì),對其腐蝕較為嚴重,造成刮刀刀面磨損不平,無法對殘留在皮帶上的細小顆粒和濕黏物料起到徹底清理的效果,現(xiàn)場落地硫磺較多。

        1.2 氣吹清掃器技術(shù)

        氣吹清掃器技術(shù)是在皮帶輸送機頭部卸料處設(shè)置氣吹清掃器,利用壓縮空氣由0.8 mm孔徑的氣嘴噴出形成風(fēng)刀,將黏附在回程皮帶上的細粉硫磺吹掃至料斗,經(jīng)過溜管進入下游皮帶。其主要存在以下問題:

        (1)采用壓縮空氣吹掃皮帶,將細粉硫磺吹起再次形成粉塵,增加了吹掃點的粉塵濃度。尤其是細粉硫磺在皮帶停運期間形成干粉,在皮帶啟動瞬間,壓縮空氣將干粉全部吹起,形成高濃度的粉塵云。

        (2)氣吹清掃器原鋁合金氣嘴抗腐蝕性能差,易穿孔、斷裂;目前選用ABS塑膠氣嘴,但材質(zhì)脆軟,易受到機械外力而折斷,其螺紋與笛管密封性能差,因漏氣吹掃壓力降低而導(dǎo)致吹掃不徹底;氣嘴孔徑為0.8 mm,易堵塞;備件消耗、維護量較大。

        2 集成清掃技術(shù)研究

        2.1 研究內(nèi)容

        通過調(diào)研現(xiàn)有的粉體物料皮帶輸送機清掃技術(shù),開展集成清掃技術(shù)在硫磺皮帶輸送機上的應(yīng)用研究,研制出一種集“皮帶復(fù)合清掃、粉塵密閉收納、自動回收”于一體的多功能集成清掃裝置,將皮帶面上黏附的物料清除,并通過物料回收機構(gòu)降低轉(zhuǎn)運現(xiàn)場落地硫磺量,減少硫磺粉塵污染,實現(xiàn)硫磺輸送系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行。樣機安裝區(qū)域硫磺粉塵質(zhì)量濃度小于10 g/m3的技術(shù)指標(biāo)[4-5],符合粉塵防爆、安全規(guī)范要求。

        2.2 集成清掃方案整體設(shè)計

        設(shè)計的集成清掃裝置配置包括:物料清除裝置、物料回收機構(gòu)(集料斗、給料機或其他卸料裝置)、控制箱及管道等(見圖1)。物料回收機構(gòu)采用霧化抑塵系統(tǒng),有效降低硫磺粉塵濃度。

        2.3 關(guān)鍵部件的研究設(shè)計

        2.3.1 物料清除裝置的設(shè)計

        物料清除裝置是集成清掃裝置的核心部件,初步設(shè)計出的物料清除裝置由密封箱體、霧氣導(dǎo)入管和清掃器組成。清掃器由主清掃器和輔助清掃器組成。

        2.3.1.1 密封箱體

        密封箱體與皮帶密封,形成一個密封區(qū)域,防止刮料時揚塵。

        2.3.1.2 霧氣導(dǎo)入管

        將霧氣發(fā)生裝置中產(chǎn)生的霧氣帶入物料清除裝置,使霧氣充滿刮掃區(qū)域,降低刮料時粉塵濃度。

        2.3.1.3 主清掃器刮刀材質(zhì)優(yōu)選

        對各種清掃器刮刀材質(zhì)的特性進行比較,分析結(jié)果見表1。

        表1 刮刀材質(zhì)特性對比表Table 1 Comparison of the scraper material

        經(jīng)綜合比較,清掃器刮刀選用陶瓷材質(zhì)。

        最終設(shè)計的主清掃器由陶瓷刮刀、安裝板以及安裝調(diào)節(jié)機構(gòu)組成,陶瓷刮片刮除皮帶面黏附物料,彈性安裝座具有一定的彈性,保證在不損傷皮帶的情況下陶瓷刮片與皮帶面貼合,有效地清除皮帶黏附物料。

        2.3.1.4 輔助清掃技術(shù)設(shè)計

        由于硫磺的特性,利用液體輔助清掃方式并不可行,因此采用壓縮空氣吹掃方式,對皮帶進行輔助清掃。表2所列為3種吹掃方式。

        表23種吹掃方式對比表Table 2 Comparison of three purge methods

        綜合比較3種吹掃方式后,根據(jù)現(xiàn)場情況,采用超級風(fēng)刀形成均勻強勁的風(fēng)簾,清除皮帶上殘余物料,為使其清掃物料效果良好,風(fēng)刀安裝與皮帶呈30°夾角[6]。

        其原理如下:壓縮空氣經(jīng)進氣口進入風(fēng)刀高壓腔,氣流通過狹窄、細薄的噴嘴后在風(fēng)刀長度方向形成一張均衡的氣流薄片。由于腔室對高壓氣流的壓縮比為40∶1,使得氣流速度損失最小,而壓力最大,于是就產(chǎn)生一張具有強沖擊力而最小剪切力的氣流薄片。風(fēng)刀具有噪音低(69 dB以下)、耗氣量節(jié)省90%以上等優(yōu)點(見圖2)。

        壓縮空氣采用廠內(nèi)原有氣源,現(xiàn)場壓力為0.6 MPa,風(fēng)刀長度為1170 mm,風(fēng)刀出風(fēng)口尺寸為0.4 mm,皮帶機帶寬1200 mm,需耗氣量約為893.6 L/min。相關(guān)計算如下。

        根據(jù)壓差計算公式(見式(1)),得出風(fēng)刀出口氣體流速為V=31.8 m/s。

        式中:V為流速,m/s;Cd為流量系數(shù),空氣流量系數(shù)為1;ΔP為壓差,MPa;ρ為空氣密度,kg/m3(25℃時空氣的密度為1.185 kg/m3)。

        根據(jù)流量計算公式(見式(2)),得出風(fēng)刀的耗氣量為Q=893.6 L/min。

        式中:Q為耗氣量,L/min;V為流速,m/s;S為風(fēng)刀出風(fēng)口截面積,m2。

        綜上所述,物料清除裝置的最終配置確定為:密封箱體、霧氣導(dǎo)入管、陶瓷復(fù)合刮刀清掃器和超級風(fēng)刀。

        2.3.2 物料自動回收機構(gòu)的設(shè)計

        結(jié)合以往經(jīng)驗,對常用的4種回收物料方式進行比較分析,詳見表3。

        表3 回收物料方式對比表Table 3 Comparison of the material recovery methods

        通過比較以上4種回收方式,均不適合應(yīng)用硫磺輸送系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場布置的氣源,借鑒刮板機的原理,設(shè)計氣動活塞推動閘板往返運動方式,將物料推送至皮帶機落料管,清理箱體內(nèi)硫磺。

        2.3.3 霧化抑塵技術(shù)設(shè)計

        2.3.3.1 霧化抑塵方式的選擇

        由于硫磺的特性,傳統(tǒng)的水噴淋、干霧等方式對物料清除裝置進行粉塵抑制處理不可行,需要采用水量小,且霧量較大的出霧方式對粉塵進行處理。

        對常用的3種霧化抑塵方式進行比較分析,具體結(jié)果見表4。

        表4 霧化方式對比表Table 4 Comparison of the atomization modes

        綜合比較后,采用超聲波霧化的形式來降低裝置內(nèi)的粉塵含量,具體結(jié)構(gòu)見圖3。

        超聲波霧化發(fā)生裝置內(nèi)部安裝有超聲波霧化發(fā)生器,將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散,使水成為微細的霧滴,并利用現(xiàn)場壓縮空氣,將霧氣導(dǎo)出,使霧氣在物料清除裝置內(nèi)擴散,從而達到抑制粉塵的作用[7-8]。

        2.3.3.2 超聲波霧化相關(guān)計算

        影響超聲波霧化裝置霧滴顆粒大小的因素有以下兩方面:

        (1)超聲波霧滴顆粒直徑可由式(3)近似計算:

        式中:d為霧滴顆粒直徑,μm;T為液體表面張力系數(shù),水的表面張力為72.8×10-3N/m(20℃);ρ為液體密度,水的密度為1000 kg/m3;f為振蕩頻率,振蕩頻率范圍為1.7~2.4 MHz。

        由式(3)可以看出,霧滴顆粒直徑與頻率的平方成反比,即振蕩頻率越高,則霧滴顆粒直徑越小,反之亦然。

        取f=1.7 MHz,數(shù)據(jù)帶入式(3)中可得:d=2.92 μm;取f=2.4 MHz,數(shù)據(jù)帶入式(3)中可得:d=2.32 μm。

        因此,可通過改變振蕩頻率來改變霧滴顆粒直徑。

        (2)霧滴顆粒直徑也與吹動霧氣的氣體流速有關(guān),具體見式(4):

        式中:ρ液為液體密度,kg/m3,水的密度為1000 kg/m3;ρ氣為氣體密度,kg/m3,25℃時空氣的密度為1.185 kg/m3;d為霧滴顆粒直徑,μm;V氣為氣體流速,m/s;g為重力加速度,m/s2。

        將d=2.92μm帶入式(4),可得V氣=0.27 m/s。

        當(dāng)出霧口管徑為51 mm時,則所需吹氣流量Q為:Q=π×(0.051÷2)2×0.27=33.1 L/min由式(4)可得出式(5):

        設(shè)吹氣流量為Q=20 L/min時,出霧顆粒直徑為:

        根據(jù)上述計算結(jié)果,可見吹氣流速越快,則氣流所攜帶的霧滴顆粒直徑越大。反之,如果需要吹出的霧氣顆粒直徑越小,則必須吹動霧氣的氣流速度越小。

        再結(jié)合式(3)和式(4),可得出式(6),即氣流流速與振蕩頻率的關(guān)系:

        當(dāng)f=1.7 MHz時:

        當(dāng)f=2.4 MHz時:

        由式(6)的計算可以看出,振蕩頻率越高,需要的攜液氣流流速就越低,即為了不使霧滴顆粒直徑過大,則攜液氣流流速不能過大。

        綜上所述,可改變振蕩頻率和吹氣流速大小來調(diào)節(jié)霧滴顆粒直徑的大小。

        2.3.3.3 超聲波霧化裝置性能測試

        對超聲波霧化裝置性能進行測試試驗,具體數(shù)據(jù)見表5。

        表5 霧化裝置性能測試表Table 5 Performance tests of the atomizing device

        從表5可知,振蕩頻率最佳值為2.4 MHz,吹霧氣流氣量控制在30 L/min時,霧氣對粉塵的捕捉效果最佳,更有利于霧氣顆粒與粉塵結(jié)合,能起到較好的抑塵效果。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用效果測試

        3.1 測試前生產(chǎn)現(xiàn)狀

        集成清掃裝置根據(jù)優(yōu)選結(jié)果,組合完成后,選擇安裝在粉塵污染較為嚴重的C-7A皮帶輸送機頭部。安裝前,采用直讀式粉塵濃度測量儀檢測其下料口處的硫磺粉塵濃度,結(jié)果見表6。

        表6 安裝前C-7A皮帶輸送機下料口的硫磺粉塵質(zhì)量濃度統(tǒng)計表Table 6 Statistics of sulfur dust concentration at the outlet of C-7A belt conveyor before installation g/m3

        3.2 樣機應(yīng)用測試情況

        2017年12月,試驗樣機現(xiàn)場安裝后,運行期間觀察集成清掃裝置的使用效果,并檢測了硫磺粉塵濃度,結(jié)果見表7。

        表7 安裝后C-7A皮帶輸送機下料口的硫磺粉塵濃度統(tǒng)計表Table 7 Statistics of sulfur and dust concentration at the outlet of C-7A belt conveyor after installation mg/m3

        從測試結(jié)果可以看出,集成清掃裝置安裝后,現(xiàn)場硫磺粉塵平均質(zhì)量濃度由之前的25.1 g/m3降低至6.1 mg/m3,抑塵效果顯著,達到了對硫磺粉塵的有效防控。

        3.3 樣機應(yīng)用結(jié)果

        經(jīng)過3個月的現(xiàn)場運行,集成清掃裝置在硫磺輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用情況如下:

        (1)清掃效果良好。該裝置采用復(fù)合陶瓷刮刀和超級風(fēng)刀兩道清掃器技術(shù),能夠?qū)⒒爻唐橡じ降奈锪锨謇砀蓛?,并通過物料自動回收機構(gòu)將收集的硫磺送入下料管,杜絕了現(xiàn)場落地硫磺的產(chǎn)生。

        (2)抑塵效果明顯。該裝置采用密閉收集和超聲波霧化除塵技術(shù),將生產(chǎn)過程中形成的硫磺粉塵加以處理,起到了降低現(xiàn)場粉塵濃度的作用。

        (3)設(shè)備運行穩(wěn)定。該裝置采用粉塵防爆技術(shù)和316L不銹鋼材質(zhì),適用于粉塵易爆場所,同時避免了硫磺、水等對設(shè)備的腐蝕。

        4 結(jié)語

        通過技術(shù)研究,研制了一種多功能硫磺皮帶機集成清掃裝置,經(jīng)性能評價驗證,達到了研究目的,滿足現(xiàn)場使用條件,硫磺粉塵質(zhì)量濃度降低至6.1 mg/m3,遠小于未安裝前25.1 g/m3的現(xiàn)場平均粉塵質(zhì)量濃度。形成的多功能硫磺皮帶機集成清掃裝置,可以從最前端將皮帶上黏附的物料處理掉,有效減少硫磺粉塵污染,實現(xiàn)硫磺輸送系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行,為后續(xù)硫磺皮帶機清掃裝置改進提供了指導(dǎo)依據(jù),對解決皮帶輸送機沿線粉塵污染具有重要意義。研究成果可為國內(nèi)同類型裝置提供借鑒參考。

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