謝華昆

中國石化達(dá)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(dá)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(jī)，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(jī)、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(dá)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(qiáng)，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(jìn)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(jī)輸送系統(tǒng)，需要更為嚴(yán)格的安全防控措施。為了有效地進(jìn)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(jī)清掃技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)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(jī)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(qiáng)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(yán)重，造成刮刀刀面磨損不平，無法對殘留在皮帶上的細(xì)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(jī)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(xì)粉硫磺吹掃至料斗，經(jīng)過溜管進(jìn)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(xì)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(xì)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(jī)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(hù)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(jī)清掃技術(shù)，開展集成清掃技術(shù)在硫磺皮帶輸送機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)(集料斗、給料機(jī)或其他卸料裝置)、控制箱及管道等(見圖1)。物料回收機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)氣口進(jìn)入風(fēng)刀高壓腔，氣流通過狹窄、細(xì)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行處理。

對常用的3種霧化抑塵方式進(jìn)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(xì)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(kuò)散，從而達(dá)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(jìn)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(yán)重的C-7A皮帶輸送機(jī)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(jī)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(jī)應(yīng)用測試情況

2017年12月，試驗樣機(jī)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(jī)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(dá)到了對硫磺粉塵的有效防控。

3.3 樣機(jī)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(jī)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(jī)集成清掃裝置，經(jīng)性能評價驗證，達(dá)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(yuǎn)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(jī)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(jī)清掃裝置改進(jìn)提供了指導(dǎo)依據(jù)，對解決皮帶輸送機(jī)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。