吳海州

（太原重工股份有限公司，山西太原 030024）

焦化是高污染能源[1]加工行業(yè)，焦爐是大型工業(yè)窯爐，煙塵呈間歇性無組織排放且煙氣溫度高、含有可燃性氣體和焦油等雜質(zhì)。過去環(huán)保技術和相關法規(guī)要求較低，煙塵處理主要考慮的是裝煤和出焦過程主體污染源的治理。

煉焦過程[2]中產(chǎn)生的煙塵污染主要源自爐體內(nèi)部的持續(xù)性排放，包括裝煤、推焦和熄焦時產(chǎn)生的短暫性煙塵，以及焦炭篩分和儲存過程中產(chǎn)生的持續(xù)性煙塵。持續(xù)性煙塵會在晾爐、摘爐門、推焦、裝煤、熄焦等過程中產(chǎn)生，出焦時直接逸散到爐頂區(qū)域。當安裝在地面除塵站的風機吸力不足時，也會導致大量煙塵泄漏。同時，爐頭正常運轉(zhuǎn)也會間歇性排放、逸散煙塵，對作業(yè)環(huán)境和人體健康造成不利影響。因此，焦化設備除塵凈化系統(tǒng)的應用顯得極為迫切，是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。

1 焦爐基本情況

現(xiàn)代焦爐結構復雜，通常由爐頂、煤塔、燃燒室、碳化室、儲能室、以及通風管道、排氣口、排氣口、排氣閥門、排氣管網(wǎng)等部分構成；同時，焦爐兩側有裝煤、推焦、攔焦、熄焦等機械設備輔助焦爐運行，實現(xiàn)填料送料自動化運行。焦爐結構，如圖1。

圖1 焦爐結構簡圖

現(xiàn)代焦爐根據(jù)不同的裝煤方式，主要分為頂裝焦爐和搗固焦爐兩種類型。頂裝焦爐的工藝是通過位于焦爐頂部的裝煤車將備煤工序送來的煉焦煤通過爐頂?shù)募用憾吠度霠t膛炭化室，形成一個由上往下推進的填料柱，煤氣則從底部排出。在炭化室中，煤經(jīng)過高溫干餾形成焦炭，最終被推焦車從炭化室一側推出，并最終通過焦炭車或輸送設備收集和運輸。另一種搗固煉焦[3]是一種從側面裝料的焦爐工藝，將備煤工序提供的配合煤按照一定的比例混合，并使用搗固機的搗固錘將其搗碎，使之形成與炭化室相似的煤餅，然后再通過裝煤底板從炭化室的側面推送至煤箱內(nèi)，以達到煉焦的目的。在持續(xù)高溫干餾過程中，煤餅會轉(zhuǎn)化為焦炭，同時釋放出大量的廢氣。這些廢氣會被下道回收工序的煤氣鼓風機抽走，并進行進一步的凈化處理。焦炭在炭化室中被推出，隨后被送往熄焦車，在那里，經(jīng)過干熄焦裝置的處理，以達到干熄焦的目的。最后，經(jīng)過篩選的焦炭將按照不同的等級進行儲存[4]，以備將來使用。

通過炭化室的干餾，大量的廢棄物從地面排放，然后通過上升管和集氣管，將其加熱至800℃以下，接著，由于高壓的氨水的噴灑，使其溫度急劇降至80℃以下。此外，廢棄物還會有少量的焦油、苯等煉焦廢棄物，這些廢棄物會由煤氣鼓風機吸出，并運往回收作業(yè)區(qū)，以便更好地完成后續(xù)的清潔和再利用。

通過設計合理的煙塵收集系統(tǒng)，包括合適的煤氣管道和收集設備，以確保能夠有效捕集焦側煤氣中的煙塵顆粒；同時，使用高效的除塵設備，如濕式除塵器、耐高溫濾袋等，以減少煤氣中的煙塵含量，降低焦側煙塵收集的難度。

本次集塵除塵裝置設計針對的焦爐為2×60孔搗固焦爐，炭化室高度4.2 m，焦側設置集塵罩、U 形導煙管、集塵干管、袋式除塵器等。

1.1 技術指標

本次設計的設備預計達到的技術指標為：出焦煙塵捕集率≥95%、煙氣凈化效率≥99%。通過使用采樣器在煙氣排放口處采集樣品，并通過重量測定來確定煙塵的質(zhì)量。將得到的出焦煙塵質(zhì)量與煤氣中煙塵總量進行比較，計算捕集率；通過化學分析法，采集煙氣樣品，并對其中污染物的濃度進行化學分析。通過測定進入凈化設備前后污染物的濃度變化，計算凈化效率。

1.2 設計依據(jù)

主要設計標準為：《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）、《焦化安全規(guī)程》（GB 12710—2008）、《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》（GB 16171—2012）。

1.3 工藝流程

在沒有氧氣的情況下，焦煤通過高溫干餾，將溫度提高到大約1 000℃，這樣就會發(fā)生熱分解和結焦作用，從而產(chǎn)生焦炭和焦爐煤氣。按照焦爐的生產(chǎn)計劃，焦炭會被推到一側，然后通過攔焦車的導焦柵推出，最后被送到熄焦車上，進行熄焦處理。然而，這個過程中會產(chǎn)生大量的高溫、持續(xù)性的含塵煙氣，包括摘門、尾焦、清門和清框，以及焦炭落入熄焦車中所產(chǎn)生的煙塵。

當攔焦車按照系統(tǒng)設定到達某個預備推焦的焦爐時，會與推焦車同時到達。當焦爐抵達預先設定的位置時，導焦柵會自動朝著焦爐的方向運作。首先，導焦柵會朝著焦爐的方向偏離預先設定的范圍，然后取門機會自動朝著焦爐的方向運作，直到完成取門任務為止。接著，導焦柵會朝著焦爐的方向運作，直到焦爐的方向完全閉合。當火焰被引燃，刮板機就會啟動，把焦炭從火焰引燃器上抽取，熄焦車就會啟動，而清潔設備也隨之啟動，把焦炭從火焰引燃器上抽取，然后將焦炭放回火焰引燃器上。當焦爐的焦柵被安裝回原來的位置并且被牢牢地固定住之后，就可以開始下一爐的焦化操作了。然而，焦爐的運輸過程中，總會有一股強烈的陣風，尤其是在焦側爐門以及焦柵周圍。在整個焦化生產(chǎn)過程中，除塵是必不可少的，從備煤粉碎機室的清潔到裝煤、出焦、篩焦等各個環(huán)節(jié)，都需要進行有效地除塵處理。除塵系統(tǒng)主要是針對推焦時產(chǎn)生的高溫煙氣進行除塵。主要設備有出焦除塵風機、袋式脈沖除塵器和煙囪等輸送裝置。煙塵的除塵工藝流程圖，如圖2。

圖2 集塵除塵工藝流程圖

2 集塵裝置設計

2.1 輔助除塵設備

通過設置皮帶提升小車、固定接口翻板閥、旋風分離器等輔助除塵設備，與除塵器、過濾器、風機等設備配合使用，可將出焦時產(chǎn)生的大量煙塵收集到集塵干管中，然后再將其送到地面除塵站進行處理，以實現(xiàn)提高除塵效率的目標。

2.1.1 皮帶提升小車

皮帶小車是一種緊湊的設備，用于支撐攔焦車。這種設備通常安裝在一條由膠帶包裹的集塵管路中，并與導焦車的主要防護裝置相互配合。在導焦車移動的過程中，這些設備也會自然地移動。此刻，氣體轉(zhuǎn)移密封裝置可以有效地把由集塵罩捕獲的灰塵通過皮帶機提升至空調(diào)系統(tǒng)的出風口，進而進行排放。

使用密封皮帶提升小車可以大大改善交通狀況，其中一個顯著的優(yōu)勢就是可以與攔焦車實現(xiàn)完美地同步運行，而且不需要任何額外地連接操作。此外，無論攔焦車位置如何，吸氣罩都能夠與地面站牢固地連接起來。但是，這種方式也存在一些不足之處。由于小車需要頻繁行駛，并面臨著高溫和惡劣的工作環(huán)境，這將導致小車的磨損和腐蝕加劇，同時也會使皮帶老化加速，使用壽命縮短。因此，需要及時更換皮帶來保證其正常運轉(zhuǎn)。

2.1.2 固定接口翻板閥

采用固定式翻板閥的設計，其基本思想為：在大型吸氣罩上安裝一個能夠自行調(diào)節(jié)的可調(diào)節(jié)的連接器，以便實現(xiàn)更加精準的連接。此外，該設備還配備了一個液壓系統(tǒng)，能夠自動激發(fā)連接器，從而使得煙霧能夠順利流經(jīng)地表。隨著時間的推移，焦煙被一個巨大的吸收器收集，與一個可調(diào)節(jié)的連接器連接起來。之后，由于地面站的風扇，這些煙霧被收集到一個專門的空間，以便被處理。這個過程需要與攔焦機一起移動，并在出焦時進行操作。

固定接口翻板閥對接方式的優(yōu)點是壽命長、維修方便、密封性較好、控制和操作比較簡單；缺點是連接方式的設備成本較高，大概是提升小車方式的2倍，使整個除塵裝置的費用提高達3個百分點左右。

2.1.3 U型管

U型管導煙技術具有多重優(yōu)勢：①U型管可以浸泡在水中，不會受到機械磨損，從而有效地減少煙塵的排放，這一點遠遠超過了皮帶提升小車和固定接口翻板閥；②水槽中的水會給U型管一個向上的浮力，彌補了U型管強度不足的問題；③運行時不需要將位置對準，操作簡單；④采用水封，密封性能好，減小煙氣的泄漏，能效高；⑤成本低，運行及維護費用低，經(jīng)濟效益高。

U 型管主要參數(shù)：斷面尺寸（長度×寬度）8 000 mm×300 mm；板厚10 mm；材質(zhì)為304不銹鋼。

U型管工作原理，如圖3。

圖3 U型管、集塵干管工作原理圖

2.2 集塵干管

集塵干管是一種用于收集煤炭燃燒和焦化過程中產(chǎn)生的灰塵的設備，通過導流管將灰塵輸送到地面除塵站，然后通過風機將灰塵排放出去。集塵干管的工作環(huán)境比較復雜，煙塵從導煙管進入到集塵干管還有一定的余溫，此種環(huán)境下對材料有一定的要求。

水封式集塵干管的設計形成了一個密封空間，將集塵干管與外界隔離，有效地防止煙塵外泄，確保全部被收集到干管內(nèi)。干管上設有200多個進塵口，作為煙塵的入口，煙塵從導煙口導出后通過這些進塵口進入集塵干管。在出焦風機吸煙時，管內(nèi)形成最大為2 kPa 的負壓，這對干管的強度提出了一定的要求。水封式集塵干管是一種復雜的結構，其長度可達200 m，其中包括水封槽、水封板和托架。

攔焦車負責將火焰排放到空間，其中包括煙塵。為了有效清潔空間，將使用一種叫做水封式的集塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在火焰排放區(qū)域的第三軌道支柱上，與火焰排放器的外部相連。這個系統(tǒng)包含了一些關鍵元素，如集塵管道、水封槽、水封板以及支撐結構。主要參數(shù)，見表1。

表1 集塵干管參數(shù)

3 除塵裝置設計

根據(jù)集塵系統(tǒng)富集的煙塵濃度以及所需的風量，對總除塵系統(tǒng)基本參數(shù)進行設置，表2。

表2 總除塵系統(tǒng)基本參數(shù)設置

3.1 除塵風機

除塵風機用于對產(chǎn)生的煙塵進行風力提升，以便其進入下一個處理單元，其基本參數(shù)，見表3。

表3 除塵風機參數(shù)

3.2 袋式除塵器

3.2.1 工作原理

從進氣口進入除塵器灰斗的煙氣，部分較重的塵粒會因為自身重力而直接落入除塵器灰斗內(nèi)，而另一部分較輕的塵粒則進入到除塵室內(nèi)。經(jīng)過精心篩選的塵粒被送入凈氣室，在那里會停留一段時間，然后被引射管引導到氣體匯集箱中，以實現(xiàn)最佳的凈化效果。位于風口處的風機會把一定量的凈化氣體積攢起來，然后通過排放口排放到大氣中。

當系統(tǒng)發(fā)送清灰命令時，電磁脈沖閥將被激活，從此，將壓縮空氣從排放口噴出，經(jīng)過引射管的引導，將其與排放口的二次空氣混合，從而形成數(shù)倍于排放口本身的二次空氣。此時，壓縮空氣將被放大，激活濾袋，使其受到高頻振動和變形的影響，從而將其外部的塵屑和雜質(zhì)帶走，實現(xiàn)了對下一個排放口的凈化。經(jīng)過最后一個單元的處理，可以繼續(xù)重復這一過程，直到第一個濾袋被徹底處理。

3.2.2 工作結構

該袋式收塵器的主體結構由進氣風管、箱體、集灰斗、過濾室、凈氣室、濾袋、文丘里引射部分、凈氣箱、進出風管、脈沖噴吹系統(tǒng)、貶氣箱、螺旋絞刀、分格輪、防爆泄壓裝置及自動控制系統(tǒng)等幾大部分組成。并配有基礎支柱、爬梯、攔桿、檢修口等。

3.2.3 基本參數(shù)

袋式除塵器的基本設計參數(shù)設置，見表4。

表4 袋式除塵器參數(shù)

4 結果驗證

4.1 實驗前準備

確保各除塵裝置，包含U 形導煙管、集塵干管、袋式除塵器等設備均已安裝并連接到煙氣排放口。實驗采用TSI DUSTTRAK 系列煙塵采樣器2 件，檢查并校準采樣器處于檢定合格狀態(tài)。同時準備用于化學分析污染物濃度的設備和試劑。

4.2 實驗步驟

（1）在煙氣排放口處安裝采樣器，確保采樣器入口方向與煙氣來源方向一致，能夠準確采集煙氣。設置采樣器的采樣時間和流量，此次實驗每次采樣時間為10 min，采樣流量為10 L/min。待設備運行一段時間系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，開始采樣，共采樣10 次，得到第一組樣品，對樣品依次進行編號為@1.0、@1.1、@1.2，一直到@1.9。

（2）在煙氣氣進入除塵裝置之前的位置安裝另一個采樣器，設置相同的采樣時間和采樣流量，共采樣10次，得到第二組樣品，并對樣品依次進行編號為@2.0、@2.1、@2.2，一直到@2.9。

（3）第一組樣品中@1.0～@1.4 和第二組樣品中的@2.0～@2.4 進行重量法分析，用于測量樣品中煙塵的質(zhì)量并計算煙塵捕集率；第一組樣品中@1.5～@1.9和第二組樣品中@2.0～@2.9進行行化學分析，測量樣品中污染物的濃度。記錄進入除塵設備前和經(jīng)過除塵設備后的樣品濃度。實驗數(shù)據(jù)，見表5、6。

表5 煙塵質(zhì)量/mg

（4）由表5 數(shù)據(jù)得：焦煙塵捕集率=(煤氣中煙塵總量-出焦煙塵質(zhì)量)/ 煤氣中煙塵總量×100%=(1554–6.06)/1554×100%=99.61%。

由表6 數(shù)據(jù)得：凈化效率=(進入除塵設備前的污染物濃度-經(jīng)過除塵設備后的污染物濃度)/進入除塵設備前的污染物濃度×100%=(99.8– 0.94)/99.8×100%=99.1%。

表6 煙塵污染物體積濃度/10-6

5 結論

焦爐炭化室內(nèi)的煤通過高溫熱解，將原本的灰燼轉(zhuǎn)換為焦炭，隨著推焦機的運行，焦炭最終通過導焦柵進入熄焦車內(nèi)。但是，由于熱解，焦炭可能會受到損壞，導致焦粉、焦油、焦油殘留，這些有害的廢棄物會排放到大氣環(huán)境，嚴重危害人們的健康。為了減少這部分煙氣中含焦煙塵的排放，設計了新的攔焦車集塵除塵系統(tǒng)，采取水封式集塵干管，有效地增強了集塵系統(tǒng)的密封性，減小了集塵系統(tǒng)的機械磨損，提高了部件的使用壽命。除塵系統(tǒng)主要采用了脈沖噴吹袋式除塵器進行煙塵處理，通過集塵干管富集的煙塵，在除塵風機的作用下，進入袋式除塵器進行處理，對煙塵的捕集效率達到了99%以上，有效地去除了煙塵，達到了理想設計指標。