柴曉琴 張乾 許蕓 孟春強 黃橋生

（1.國家能源集團科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210031；2.國電環(huán)境保護研究院有限公司，江蘇 南京 210031）

0 引言

活性焦煙氣凈化工藝具有多種污染物協(xié)同脫除、不消耗水、無廢水排放、SO2可資源化回收利用等優(yōu)點，廣泛應用于有色金屬生產、廢棄物焚燒、煉鋼生產和鐵礦石燒結行業(yè)［1-4］。中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會2020 年印發(fā)的《鋼鐵企業(yè)超低排放改造技術指南》明確將活性炭（焦）干法脫硫脫硝工藝列為廢氣處理技術路線之一，并給出了主要技術參數參考值。隨著工藝裝置的深入應用和規(guī)模增加，運行問題也時有報道［5-10］。通過設計和運維手段預防、及時發(fā)現并解決各類故障，對保障工藝裝置安全穩(wěn)定運行、促進該工藝技術在更寬領域應用具有重要意義。

本文主要結合5 000 m3/h 和50 000 m3/h 煙氣處理量試驗裝置的建設和運維經驗，總結分析了吸附塔超溫、物料黏結和設備腐蝕等問題的主要原因，從設計和運維角度提出了裝置的優(yōu)化建議。

1 工藝簡介

活性焦煙氣凈化工藝主要利用活性焦優(yōu)良的物理和化學吸附性能，將煙氣中的SO2、二噁英、重金屬和粉塵等污染物吸附脫除。若在原煙氣中噴入NH3，可進一步實現脫硝功能。活性焦煙氣凈化工藝流程如圖1 所示。煙氣中的污染物在煙氣穿過活性焦床層時被吸附脫除，吸附了污染物的活性焦利用重力作用在吸附塔內以平推流向下流動，流量由吸附塔下部的輥式給料機控制，最后通過2#輸送機輸送至再生塔進行熱再生?；钚越乖偕a生的解析氣體在過渡段排出再生塔至硫資源化利用裝置。再生后的活性焦經冷卻后，在振動篩內篩除細碎顆粒和吸附的粉塵，粒徑合格的部分（粒徑≥1.4 mm）［11］經1#輸送機輸送至吸附塔，實現循環(huán)使用。在循環(huán)使用過程中損耗的物料由補料倉進行補充。

圖1 活性焦煙氣凈化工藝流程

2 故障及分析

2.1 超溫問題及分析

超溫問題主要發(fā)生在吸附塔床層［12-15］，當入口煙氣溫度升高或者吸附塔床層內出現局部熱點時，若無及時有效的溫度控制手段，則會導致床層溫度達到臨界點，活性焦就可能發(fā)生著火或出現高溫粉化。

當入塔煙氣溫度接近或高于床層允許運行溫度時，將可能直接導致床層超溫［16］。由于煙氣污染物吸附尤其是SO2的吸附為放熱反應，反應熱也會導致床層溫度升高并可能形成局部熱點，加速活性焦自身氧化反應而引發(fā)超溫問題。圖2 為脫硫過程中不同氧體積分數下吸附塔平均溫度分布。由圖2 可以看出，床層溫度隨著煙氣中氧體積分數的升高而升高，煙氣中的O2也能夠促進活性焦氧化升溫過程。若吸附反應熱和活性焦氧化反應熱在床層內聚集而無法及時釋放，將會使活性焦床層進入“放熱—溫度升高—氧化加劇—放熱加劇”的惡性循環(huán)，當達到臨界溫度時，床層即發(fā)生著火事故［6，17-19］。

圖2 不同氧體積分數下吸附塔平均溫度分布

吸附塔內流場分布不均是導致局部熱點形成或發(fā)生熱量集聚的主要原因。在無導流措施的情況下，吸附塔進氣室內容易出現渦流以及空腔現象，導致煙氣在活性焦料層中停留的時間出現差異［20］；在進料和出料等具有傾斜壁面的區(qū)域，不合理的設備壁面傾角和表面粗糙度，對活性焦的流動有明顯阻礙作用［21］；吸附塔下料改流構件設置可影響料層的均勻流動［22］。

煙氣脫硫過程中，活性焦在吸附大量SO2和水分后含水量增加，導致流動性變差，過多的細粉會進一步惡化料層的流動狀況，甚至會引起邊角處活性焦結塊或輥式卸料器卡料，導致吸附塔活性焦局部流動受阻［9，16］，并打破原有的散熱平衡。當料層內出現流動問題發(fā)生局部結塊、堵塞等現象時，煙氣中的SO2、H2O和O2等分子仍可通過擴散進入活性焦微孔進行吸附放熱反應，但由于該區(qū)域的煙氣通流受阻，反應熱量難以及時從料層釋放［7］。床層內流動和散熱的惡化最終可能導致吸附位置熱量聚集、溫度升高，從而誘發(fā)超溫事故。另外，結塊、堵塞等問題還會導致煙氣流場出現局部渦流，增強SO2局部吸附強度，增加熱點形成風險。

2.2 物料黏結、設備腐蝕問題及分析

2.2.1 輸送機

下水平段的物料黏結和腐蝕是輸送機的主要問題。圖3 示意了吸附塔（以3 倉室為例）煙氣向輸送機泄漏的路徑：①煙氣通過路徑1，沿著活性焦下降通道向上進入1#輸送機上水平段；②煙氣通過路徑2，從吸附塔前室的輥式給料機流出后，由于倉室間存在壓差作用，一部分煙氣從中室的輥式給料機處返回吸附塔，另一部分沿著活性焦流動方向經過卸料閥后進入2#輸送機下水平段；③煙氣經后室輥式給料機后，沿路徑3 進入2#輸送機下水平段。在路徑1 中，因為煙氣所穿過的料層為再生之后的干燥活性焦，對水蒸氣和污染物均具有很強的吸附能力，煙氣穿過料層時，其中的大部分水分和污染物會被吸附脫除，并以近似于干燥凈煙氣的狀態(tài)進入1#輸送機上水平段，隨后通過除塵系統(tǒng)排出裝置，所以整個過程一般不會出現水蒸氣凝結和腐蝕現象。在路徑2 和路徑3 中，因為煙氣所穿過的料層均是從吸附塔排出的吸附飽和的活性焦，對水蒸氣和污染物無有效吸附能力，煙氣穿過料層后仍會含有和原煙氣相當的水分以及部分SO2等污染物。多數輸送機在下水平段的除塵點與活性焦進料口存在一定距離，從旋轉閥泄漏的煙氣須經過輸送機進料管和部分水平段才能進入除塵系統(tǒng)。煙氣中的水汽在流動過程中降溫冷凝，因為輸送機內部存在大量活性焦細粉，冷凝水和細粉相互作用進一步導致物料黏結和輸送機腐蝕問題，煙氣中的SO2還會加劇腐蝕過程。

圖3 吸附塔煙氣泄漏路徑

圖4 為試驗裝置中星型卸料閥出料口法蘭處水汽滲漏情況。從圖4 可以看出，煙氣中的水汽在穿過卸料閥后已經在法蘭處發(fā)生冷凝，并向外滲出產生結晶物。泄漏的煙氣除了會引起物料黏結和輸送機腐蝕問題，還會增加旋轉閥的堵料風險。

圖4 星型卸料閥出料口水汽滲漏

2.2.2 再生塔

壁面穿孔失效是再生塔出現的主要問題之一。張虎［13］在分析再生塔的多次故障后認為，因泄漏導致空氣中的氧氣進入再生塔內并和活性焦接觸發(fā)生反應釋放熱量，塔內溫度持續(xù)升高并超出塔體所能承受的溫度應力范圍，最終導致塔壁被撕裂。再生塔初始泄漏除了與制造安裝造成的氣密性不嚴有關外，還可能和解析氣強腐蝕性導致壁面穿孔有關。裝置啟停過程中或者工況不穩(wěn)定導致管道、塔壁溫度較低的情況下，解析氣中的水蒸氣可能會在低溫位置凝結形成稀酸，導致塔壁或管道腐蝕。若發(fā)生粉末黏結，黏結位置的金屬表面因腐蝕介質濃度更高還會出現加速腐蝕。對于冷卻段活性焦入口處，下部氮氣流量過小也可能引發(fā)管壁腐蝕問題：①由于冷卻段入口處水平截面較大，氮氣流速較低，無法有效阻擋解析氣向管口擴散，導致解析氣進入冷卻段腐蝕管壁；②由于冷卻段溫度較低，而解析氣中的水蒸氣體積分數在30%以上［23］，當溫度降低時，水蒸氣發(fā)生冷凝并和SO2形成稀酸，加速管道的腐蝕。

3 優(yōu)化建議

3.1 吸附塔

可通過霧化噴水降溫、摻冷空氣和換熱冷卻［3，17-18］等手段降低煙氣入塔溫度。針對各措施的優(yōu)缺點，可在結合原煙氣條件、運維要求和投資后，采用單獨或協(xié)同方式對煙溫進行控制。

優(yōu)化塔內結構和設備選型，改善活性焦和煙氣流場分布，避免產生煙氣渦流形成高強度SO2吸附區(qū)，降低局部熱點形成風險。比如在吸附塔煙氣入口處加裝導流板，合理設置板間距和圓弧板半徑，提高氣流均勻性［20，24］；優(yōu)化壁面設計，卸料段采用非對稱兩面漸縮布置，防止活性焦顆粒間形成穩(wěn)定力鏈出現管狀流或搭橋現象；采用活性焦專用設備如長軸輥式卸料器、“Z”形鏈斗輸送機、低頻大振幅平衡式振動篩機等降低物料破碎和磨損，減少細粉產生，增加床層透氣性［11］。

優(yōu)化防火安保設計，提高運維和數據研判水平。工藝系統(tǒng)設計方面，除了保證在料層發(fā)生超溫后及時提供氮氣隔絕床層內氧氣外［25］，還可探究氮氣多點注入，在盡量不影響裝置運行的情況下，對超溫高風險區(qū)域提前進行局部保護。通過分析研判運維數據，提前改變活性焦流量適應床溫變化［14］。另外，在裝置正常停機后對料層進行充氮保護，做好設備點檢和巡檢，防止異物卡料或設備磨料，也是降低超溫風險的重要措施。

3.2 輸送機

提高設備氣密性，降低煙氣泄漏量。將氣密性作為旋轉卸料閥選擇的重要指標予以考量，卸料閥閥芯和閥體間隙最好不超過0.2 mm。增加吸附塔卸料段高度，利用料層阻力也能夠有效降低煙氣泄漏量［26］。

優(yōu)化除塵系統(tǒng)，及時將泄漏的煙氣通過除塵裝置排出，縮短其在輸送機內的流動距離。比如，在輸送機進料管處增加除塵點，將泄漏的煙氣及時引入除塵系統(tǒng)，也可同時將旋轉卸料閥卸出的活性焦中的細粉和粉塵收集排出，防止其進入輸送機。

3.3 再生塔

優(yōu)化工藝設計，減小冷卻段進口處的活性焦溫度梯度，進而降低解析氣體中水汽在管口發(fā)生冷凝的風險。采取措施防止空氣在運行過程中進入再生塔：①強化再生塔制造安裝過程的質量監(jiān)督，保證氣密性符合設計要求；②提高吸附塔運行壓力，優(yōu)先采用微正壓運行方式。針對冷卻段進料口處管道腐蝕問題，增加再生塔下部氮氣壓力［27］或流量［28］，優(yōu)化再生塔上、下部氮氣進氣流量配比，防止解析氣體向冷卻段擴散。優(yōu)化氮氣保護措施，再生塔停機后對其進行充氮保護。

4 結論

吸附塔超溫、設備腐蝕和內部物料黏結問題影響活性焦煙氣凈化裝置的安全穩(wěn)定運行，需要在實踐中不斷探索解決方案。本文結合試驗裝置的建設和運維經驗，分析了活性焦煙氣凈化裝置運行問題產生的主要原因，并從以下方面提出改進建議：

1）調節(jié)入塔煙氣溫度，優(yōu)化塔內結構和設備選型，改善煙氣和活性焦在吸附塔內的流動狀況，降低局部熱點形成風險；優(yōu)化防火安保設計和運行方式，提前采取床層超溫控制措施，通過設備點檢和巡檢等手段，及時排除塔內異物和設備故障，消除風險點。

2）提高旋轉卸料閥氣密性和吸附塔卸料段高度，減少煙氣泄漏，并在輸送機進料管處增加除塵點，防止煙氣進入輸送機造成物料黏結和腐蝕問題。

3）控制好再生塔的制造和安裝質量，優(yōu)選微正壓運行方式，防止空氣進入再生塔；降低再生塔冷卻段溫度梯度，提高再生塔下部氮氣壓力或流量，防止解析氣進入冷卻段造成腐蝕。