炭活化窑与犁刀混合器的 废气管线运行问题分析及改造

盛礼俊(福陆(中国)工程建设有限公司，上海 201103)

0 引言

福陆(中国)工程建设有限公司受到某公司委托，设计、施工及监理某专用活性炭的生产加工厂项目。不同于生产普通活性炭，此专用活性炭项目对活性炭的孔隙、灰分、水分、颗粒大小等技术指标有着较高的要求，生产制造工艺相对复杂。在制造时有一系列特殊的方法，目前能生产出同类合格产品的企业较少，相较于普通的活性炭产品，此类专用活性炭产品的附加值较高。

活性炭的种类和加工方式很多。按原料的来源可以分为矿物质活性炭，木质活性炭和回收原料生产的活性炭。一般用于吸附的活性炭，主要是煤基活性炭和木质活性炭。它们的优缺点如下。煤基活性炭的缺点是：重量一般较大；煤的灰分较大，较大的灰分也会使制成的活性炭灰分含量较高；原料煤的质量普遍不稳定，因此会导致制成的活性炭质量波动，影响产品性能的稳定。当然，煤基活性炭的优点也有很多：煤的含炭量高；价格便宜。不同于煤基活性炭，木质活性炭重量轻；木质原料的自然结构可以使制成的活性炭孔隙更多，使活性炭的吸附量更大[1]。所以综合成本和性能，采用木质活性炭为原料的产品在市场上占有的比例更高。木质活性炭的制造方法很多，有物理加工法、磷酸加工法和氯化锌加工法等工艺方法。本项目使用优质木屑作为活性炭的原料，采用磷酸加工法对木屑进行加工，生产活性炭。

1 项目建成运行后存在的问题

福陆(中国) 工程建设有限公司参与了某公司建造专用活性炭生产加工厂的设计与施工项目。项目落成试车后，成功生产出合格的专用活性炭。工厂在经过1 年半的运行后，发现了一些问题：一是炭活化窑废气管线上第一个弯头及其前后的管段内壁磨损严重，需要定期检测，以防管壁磨损到极限值后发生高温废气泄漏的事故。由于有此内壁异常磨损的现象，弯头及相应管段就需要定期更换，频率达到了2～3 月就要更换一次的水平。这导致了活化窑产能提升困难，且定期的停车更换，极大影响了工厂的正常生产；二是炭活化窑的废气管线产生了炭积灰现象，需要隔几个月进行清理，且在业主尝试提升产能后，积灰现象越来越严重，清理频率也相应增加。积的灰有的干燥松散，有的很黏稠呈湿泥状，而黏性湿泥状的积灰非常难以清理，极大的增加了清理强度；三是犁刀混合器的废气管线也产生了炭积灰现象，虽没有出现如同炭活化窑中的湿泥状积灰，大都是比较干燥松散的炭灰，但也需要定期清理，否则日积月累，灰尘积聚会导致管线堵塞，极可能产生影响生产安全的严重问题。

2 管道内壁异常磨损的原因分析及改造方案

2.1 管道内壁异常磨损的原因分析

由于业主采用了磷酸加工法对木屑进行加工，虽然项目使用了抗腐蚀性较好的316L 不锈钢作为管道及管件的材质，但还是不足以抵抗磷酸在高温下对管道和管件的腐蚀。且炭活化窑产生的废气中含有活性炭小颗粒，这也会对管道和管件的内壁产生磨损。综上，得出是由于以上两个主要原因造成了废气管线出口管口后的第一个弯头及其前后管段的内壁异常磨损。

2.2 管道内壁异常磨损的改造方案

一般来说，对管道材质的优化是解决管道内壁异常磨损的主要方法。对管道材质的优化方法分为两种：第一种是升级管材使用更高级的合金钢，如哈氏合金，钛合金和2205 双相不锈钢等。综合材料性能和价格，对比各个合金钢产品后，发现2205 双相不锈钢更适合该项目的要求。对于此次的含磷酸高温废气介质来说，其耐腐蚀性比316L 不锈钢强。且在耐磨损性方面也比316L 不锈钢好很多，十分适合这次废气中含有活性炭小颗粒的情况。第二种优化的方案是在管道内壁添加一层耐腐蚀的非金属材料，也就是衬里管道。使用衬里管道方案时，衬里材料的选择很多，有聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚丙烯(PP) 和聚氯乙烯(PVC-U) 等。但衬里材料对高温的耐受性较差，对废气管线最高操作温度212 ℃的工况而言，只有使用PFA(最高耐热温度可达250 ℃)才能满足设计要求[2]。且衬里管道施工时有很多特殊的要求，对于管径达到24 英寸(609.6 mm)的废气管线来说，改造时施工难度更大。而使用2205 双相不锈钢施工时和原来使用316L 不锈钢类似，不存在增加施工难度的烦恼。但改用2205 双相不锈钢后，成本会较原有材料有所提升。两种方案可以说是各有特点，业主综合成本和施工难易度之后，选择了使用2205 双相不锈钢替代316L 不锈钢的方案。

3 炭活化窑废气管线积灰原因分析及改造方案

3.1 炭活化窑废气管线积灰原因分析

废气管线里的积灰从业主反映和现场实地考察来看，有松散性积灰和黏性积灰两种。管道中积聚的松散性积灰较干燥，可以通过敲击管壁的方式定期人工清除，清除起来并不困难。一般来说，松散性积灰的形成是一个物理过程。而黏性积灰的形成不仅仅是个物理过程，同时也发生了化学反应[3]。物理过程与化学反应在废气管道中的结合，使得黏性积灰呈现出湿泥状，且清理起来十分困难，由于废气管线平时是封闭的状态，一般都是几个月定期停车清理一次，黏性积灰在管道中不断积聚，不断粘结，越积越多，在例行的定期清理时，可以看到大量粘结的活性炭积灰存积在炭活化窑废气管口出口所连接的直管和第一个弯头之间，需要花费大量的停车检修时间进行清理。同时，废气管线的积灰对管道和设备的安全运行也存在一定的威胁。

3.2 消除炭活化窑废气管线积灰现象的改造方案

一般来说，控制废气管线积灰的方法有增加烟气流速、增加管道清灰装置和改变管道走向等方法。对应此次改造项目来说，业主早先已经试验了增加烟气流速这种方法，结果表明增加烟气流速对减少松散性积灰有一定的效果，而对那些黏性的积灰并没有明显的效果。使用清灰装置清除积灰也是控制积灰的有效方法。一般是通过在管路上增加清灰装置并合理布置来达到减少积灰的目的。清灰装置有压缩空气吹灰器，声波吹灰器等。对比两种吹灰装置，声波吹灰器优点突出，可以无死角的进行清灰作业，运行安全，操作维护简单。由此，我们提出了增加声波吹灰器的方案。最后一种方案是改变管道原有走向，原先的设计方案是废气出口法兰接了一段带坡度的直管段，直管段出墙后接向上的弯头向上走，然后跨过屋顶接入洗气塔。这种设计方案的废气出口处有一段较长的水平方向直管段，由于这个直管段的存在，导致灰在直管段中沉淀、积聚的现象无法避免，控制起来也颇有难度。改进的方法是考虑取消这段直管段，把废气管口的方向由水平改成竖直向上，同时废气管线连接废气管口后直接向上，再跨过屋顶接入洗气塔。众所周知，灰很难在竖直管道上积聚，相信采用这样的设计后会大幅改善原先的积灰现象。另外，新开的废气管口可以开在进料口两边，在设备中与进料口相连通，这样也可使废气中含有的活性炭小颗粒与灰尘顺着接近竖直的废气管线直接落下，与进料口的进料汇集，同时也充分利用物料。

经过和业主商讨以上几种改造方案后，业主考虑选择改变管道走向的方案。随着对此方案的落实推进，也发现了一些此方案存在的难点：一是在原设备上新开管口是对设备本体的重大更改，能不能在新位置上增加管口需要设备厂商的确认。在经过和设备厂商交流沟通新开管口的方案后，最后和厂商确定了新开管口的位置、角度、现场施工与检测的方法。二是管线合并时选用的角度也是此方案的难点，角度既要尽量的小，接近竖直，以减轻废气中活性炭小颗粒对管道内壁的磨损，又要考虑避开现有的进料口，同时还要保证两根管线的交汇点要在屋顶钢梁以下。经过在三维模型中和CAD 中的模拟，最后选定了10°的最优化角度。综上，最后确定的改进方案是取消原有的废气管口，在活性炭进料口两边各新开管口，接废气管线，两线合并后，直接穿过屋顶，连接到洗气塔。

4 犁刀混合器废气管线积灰现象的原因分析及改造方案

4.1 犁刀混合器废气管线积灰原因分析

犁刀混合器位于主装置的第三层，共设有4 台。本项目采用了卧式犁刀混合器，在混合器筒体中部布置有一个方向向上的废气排放管口。4 台设备的废气排放管口通过管道连接合并为一根废气主管，主管出装置后连接至洗气塔。原设计时采用设备管口接法兰再接弯头的方案，并且按需在多个弯头处增设了检查清灰孔，现场工人会定期进行清灰作业。由于犁刀混合器及附属管线大都布置在装置中，楼层高度及空间极其有限，所以管线大都采用水平安装。综上，究其原因是由于管线设计比较紧凑，水平管段较多，导致积灰的产生无法避免。随着产能的不断提升，积灰现象越来越严重，清灰作业的频次也逐渐增加，逐步增加的清灰频次对生产效率也产生了影响。

4.2 消除犁刀混合器废气管线积灰的改造方案

犁刀混合器废气管线的布置和工艺要求不同于炭活化窑的废气管线。犁刀混合器废气管线的上游部分是可以布置除尘设备的。目前，主流的除尘设备包括旋风分离器、静电除尘器和袋式除尘器等。这些除尘设备基本都能实现97% 以上的除尘效率。当然不同设备都有各自的优缺点。例如旋风分离器操作方便，维护简单，一般可以捕捉收集5～10 μm 以上的粉尘，特别适合颗粒较粗的粉尘分离；静电除尘器除尘效率高，日常维护量小，对湿度、温度的要求低，自动化程度高，但是由于内部采用的是高压设备，对人员以及设备的日常安全管理要求相对较高；袋式除尘器对日常操作与维护要求较静电除尘器高，对烟气的温度和湿度也有一定的要求，但运行的费用一般要低于静电除尘器[4]。经过对比设备大小，改造施工难度，以及后期运行维护成本，最后选定了采用旋风分离器作为除尘设备的方案。在每台犁刀混合器边加设一台旋风分离器，并且根据现有设备布置，优化了管道走向，以求旋风分离器与废气管口之间的管线尽可能的短，减少在旋风分离器上游管道中粉尘的积聚。

5 结语

综上所述，炭活化窑废气管线的设计与选材有着诸多与普通管线不同的设计要求。管线不仅要选择合适的材料避免腐蚀泄漏，还要选择合适的管线走向方案和设备管口布置方案以避免炭积灰现象的发生。由于工厂的活性炭生产方法采用了磷酸加工法，磷酸的腐蚀性较强，在改造施工时，还要注意对焊缝的处理，要尽量使用工厂焊，减少现场焊，以防出现长时间运行后焊缝损坏，泄漏的情况发生。犁刀混合器废气管线的炭积灰现象，主要是由于装置层高及设备周围的空间限制，导致设计时采用了较多的水平管线，从而产生了炭积灰的现象。经过采用旋风分离器除尘后，炭积灰的现象大为改善，工人清灰的频次大幅减少。经过这次的改造后，炭活化窑与犁刀混合器的运行恢复正常，原本存在的管道异常磨损的现象和炭积灰的现象得到解决。因此，改造工作取得了成功。