浅析空心圆盘桨叶干燥机运行过程中出现的问题及处理措施

刘玉潭

(恒力石化(大连)炼化有限公司,辽宁大连 116300)

恒力石化(大连)炼化有限公司(简称恒力炼化)煤制氢气化车间一共设有6台四喷嘴气化炉,采用5开1备的运行方式,每天消耗原料煤16 000 t,能产生2 000 t(湿基)左右废渣。其中,1 200 t为粗渣,经破渣机破碎后被锁斗收集,排入捞渣机;另外800 t为细灰,被激冷水洗涤后形成气化黑水进入闪蒸系统,经高压、低压及真空三级闪蒸、絮凝沉降后送至真空过滤机进行脱水。经过真空过滤机脱水后的细灰一般含水质量分数在45%～60%,可燃物质量分数在18%左右。目前,恒力炼化这部分细灰的主要处理方式是使用翻斗车运送至厂外填埋。而在运输过程中,由于细灰含水量大,极易造成灰渣溢出车斗,造成环境污染[1]。因此,若有一种设备可以蒸发细灰中水分,使干燥后的细灰送入电厂锅炉掺烧,不仅可以减少环境污染,而且可以回收细灰中的残碳。

恒力炼化真空过滤装置一共设有6台空心圆盘桨叶干燥机,其中4台换热面积为320 m2的空心圆盘桨叶干燥机(简称小干燥机)为中建五洲工程装备有限公司生产,2台换热面积为420 m2的空心圆盘桨叶干燥机(简称大干燥机)为天华化工机械及自动化研究设计院有限公司生产。6台空心圆盘桨叶干燥机全部运行,每天可处理约500 t细灰,处理后的细灰被送至电厂锅炉进行掺烧,运送至厂外的细灰大大减少,细灰中的残碳得以回收,环境也得到改善。

1 空心圆盘桨叶干燥机概况

1.1 结构及主要参数

空心圆盘桨叶干燥机主要由机身、空心热轴、传动系统、旋转接头、壳体、刮刀和抄板等组成(见图1)。

图1 干燥机结构

空心圆盘和转动的空心热轴组成的转子是圆盘桨叶干燥机的核心结构,干燥机共有58片圆盘,每片圆盘边缘安装12片抄板(也称推料板),抄板与圆盘呈45°夹角安装,圆盘转动时,抄板能逐渐将物料推向出料一端。每片圆盘与圆盘之间都安装1根斜边长度为550 mm、厚度为14 mm的钝型刮刀,可刮掉夹在圆盘之间的物料,防止物料架桥,确保换热面的更新。干燥机壳体采用蜂窝夹套结构,低压蒸汽通过转子圆盘和壳体夹套间接加热物料,达到干燥的目的。

干燥机主要参数见表1。

表1 干燥机主要参数

1.2 工艺流程

从上游真空过滤机来的细灰(水分质量分数为45%～60%)通过螺旋输送机经干燥机进料口进入干燥机,饱和蒸汽通过干燥机空心热轴、空心叶片和夹套将热量传递给物料,物料中的湿基受热蒸发,同时物料被干燥(水分质量分数为15%～20%),干燥的物料在抄板的推动下,逐渐向出料口运动,最后从出料口出干燥机,进入下道工序[2]。

低压蒸汽通过调节阀调整到所需的压力后进入干燥机夹套和空心热轴内加热物料,换热后的蒸汽通过疏水阀排入凝液系统。

由于干燥尾气中夹带细粉较多,故设置尾气洗涤系统。单套尾气洗涤系统由1台洗涤塔、2台循环水泵、1台换热器、2台引风机组成。来自干燥机的尾气通过干燥机风管,从洗涤塔中部进入,尾气进入洗涤塔后,经过5层塔盘,与自上而下的洗涤水相向而行,尾气中的灰尘被洗涤水去除。残存的不凝气经过洗涤塔顶部的除沫器后排出洗涤塔。洗涤塔底部设有排放阀,当液位超过90%时,阀门打开,排出多余的凝结水与洗涤出的细灰。当液位达到80%时,排放阀关闭[3]。

每台洗涤塔设置2台并联的引风机用来抽吸洗涤后的尾气,引风机入口设置积液器,积液器底部设有排放阀定期排放收集的凝结水,防止凝结水带入风机。

每台洗涤塔设置2台循环水泵,泵入口设置在洗涤塔侧面底部,泵出口设置在洗涤塔第二层塔盘上方。循环水泵出口设置循环水冷却器,1开1备,将洗涤水冷却至50 ℃以下进入洗涤塔,洗涤尾气的同时,也将尾气中的湿分凝结。干燥机工艺流程见图2。

图2 干燥机工艺流程

2 经济效益分析

单台大干燥机处理质量流量原设计为249.6 t/d,实际处理质量流量为150 t/d;单台小干燥机处理质量流量原设计为192 t/d,实际处理质量流量为120 t/d。6台干燥机实际总处理质量流量为780 t/d,每年按运行330 d计算,则总处理质量流量为257 400 t/a。

被干燥的细灰经测算平均热值为8 373.6 kJ,1 t标准煤热值为29 307.6 kJ,1 t细灰可折合动力煤0.29 t。故每年可节约动力煤73 542 t。动力煤按800元/t计算,则每年可节省5 883.36万元。

单台干燥机额定功率为110 kW,正常输入功率为55 kW,每年按330 d计算,则6台干燥机用电量为2 613 600 kW·h,按电单价为0.43元/(kW·h)计算,每年消耗电费1 123 848元。

为6台干燥机输送物料的螺旋输送器共16台,其中4台额定功率为7.5 kW,正常输入功率为4.8 kW,其余12台额定功率为11 kW,正常输入功率为6 kW。每年按330 d计算,则16台螺旋输送器每年消耗电量为722 304 kW·h,按电单价为0.43元/(kW·h)计算,每年消耗电费310 590.72元。

单台引风机额定功率为90 kW,单台循环水泵额定功率为30 kW,单台凝液泵额定功率为15 kW,查各电机性能曲线可得正常运行引风机功率为60 kW,循环水泵功率为20 kW,凝液泵功率为10 kW,每年按330 d计算,可计算出每年消耗电量712 800 kW·h,按电单价为0.43元/(kW·h)计算,每年消耗电费306 504元。

单台小干燥机消耗蒸汽质量流量4 t/h,单台大干燥机消耗蒸汽质量流量7.5 t/h,每年按330 d计算,可计算出6台干燥机每年消耗蒸汽质量245 520 t,蒸汽单价按83元/t计算,则每年消耗蒸汽费用2 203.7万元。

综上可得,6台干燥机平稳运行每年可节省3 505万元,更重要的是减少了翻斗车向厂外运输灰渣造成的环境污染。

3 运行期间存在问题及处理措施

3.1 干燥机入料口堵塞

干燥机原设计进口设置1台旋转给料阀,原理是采用电机作为驱动装置,阀体内装有叶轮,通过叶轮的旋转来均速、定量给料[4]。但是根据实际运行分析,旋转给料阀由于入料口狭窄,多次发生灰渣堵塞,不仅造成现场工作量加大,环境卫生难以维持,而且干燥机的进料不连续,影响干燥机效率。

经过仔细分析研究,最终决定去除旋转给料阀,改为上料设备螺旋输送机直接进料,入料口位置从干燥机本体移至上盖(见图3),且进料口增加网孔为100 mm×100 mm的篦子板,防止大型异物进入干燥机。经过改造以后,问题彻底解决,再未发生干燥机进料口堵塞现象。

图3 更改后进料口

3.2 刮刀损坏

干燥机刮刀的安装位置在圆盘与圆盘之间,作用是及时拨去附着在圆盘上的灰渣,以确保换热面的更新。当刮刀损坏后,圆盘之间堵满灰渣,换热面无法更新,不能有效将热量传递给物料,会造成干燥机效率大幅下降。经过测量,相邻圆盘上抄板之间距离只有65 mm(见图4),所以刮刀的运行空间只是一个宽度为65 mm的圆圈,由于刮刀行进空间狭小,而正常运行时干燥机内部温度变化会使刮刀轻微形变,当形变量达到刮刀与抄板相碰撞的时候,就会导致刮刀损坏。当有1片刮刀掉落,经过抄板推动向下游移动,卡在圆盘之间会使下游刮刀变形,故刮刀损害一般都是成排的。

图4 刮刀运行空间

经过研究,具体改造为:首先,将刮刀厚度由原来的14 mm更改为18 mm,较厚的刮刀能够减小因温度变化而发生的形变;其次,在安装刮刀过程中,刮刀与两侧圆盘的安装距离比应为5∶3,因为干燥机在高温运行时,转子会向出料端方向膨胀12 mm左右,故刮刀与入料端圆盘距离应比与出料端圆盘距离大,以保证在高温运行时刮刀在相邻两片圆盘的中心,减少刮刀与抄板碰撞的可能;最后,刮刀安装后应空转试机,确认刮刀与抄板没有相碰撞的情况。另外,应强调员工精心操作,确保细灰入料与蒸汽压力的稳定,防止因干燥机介质波动对温度产生较大的影响,从而导致刮刀形变。督促员工加强巡检,现场若出现异响振动应及时汇报,防止事故扩大。

3.3 干燥机效率下降

随着干燥机运行时间增加,其出灰量会逐渐减少,效率逐渐下降。这种情况下若是按正常负荷进料,经分析产出物含水质量分数在40%以上,远高于15%～20%的指标。而且细灰在含水质量分数为40%左右的时候,黏性较大,容易成团,附着在干燥机圆盘和内壁上,致使空心轴扭矩增加,电流逐渐升高甚至超标,非常容易产生事故。

干燥机效率下降的原因是在运行期间圆盘上会逐渐附着细灰颗粒,随着运行时间增加,细灰颗粒越积越多形成垢片(见图5),较厚的垢片阻挡了热量传递,物料吸收热量少,内部水分无法蒸发,导致出料含水量高,只能逐渐减少进料量以维持运行,这个周期一般在1个月左右。

图5 干燥机清洗前

解决方法为定期对干燥机内件进行机械清洗。一般在干燥机运行30 d左右,结合现场实际情况,对干燥机泄压降温,进行机械清洗。机械清洗是利用柴油机带动增压泵,将水增压到100 MPa,利用高压水枪对圆盘上的垢片进行清除,清洗后能去除大部分垢片(见图6),增加热量传递。

图6 干燥机清洗后

5#干燥机出灰量统计折线图见图7。由图7可以看出:2022年5月9日清洗前干燥机每天出灰量逐渐下降,5月13日清洗后干燥机出灰量恢复正常水平。

图7 5#干燥机出灰统计折线图

3.4 中心热轴变形

2022年7月27日,5#干燥机结束机械清洗,开始暖机。17:00:00左右,温度升至160 ℃,现场出现规律性刮蹭声响。随着时间推移,噪声越来越大,且伴随减速机剧烈振动,中央控制室显示电流波动逐渐增大(见图8)。联系设备工程师现场检查,经百分表测量,显示中心轴跳动值为2.5 mm,远远超过规定值(0.3 mm)。综合判断,5#干燥机中心热轴已弯曲变形,无法正常运转。

图8 干燥机电流

干燥机中心热轴长度为13 m,质量为60 t,材质内部为碳钢,外表包裹2205双相钢防腐。由于干燥机中心热轴自身重且长,若平时运行不注意保护,就可能造成中心热轴弯曲变形,甚至断裂,致使干燥机寿命缩短。恒力炼化6台干燥机均出现过中心热轴变形事故,运行时间长则1.5 a,短则0.5 a。根据运行经验,总结以下3点预防措施:

(1) 避免进料过多。若干燥机进料口进料过多,无法与出料量达成平衡,干燥机内部细灰会越积越多,大量的细灰由于不能平均受热,内部水分无法蒸发,致使黏性变大,粘在圆盘与壳体上,造成中心热轴扭矩增大,电流增高。就算此时停止干燥机进料,也需要1 h以上才能将干燥机内部物料全部转出。而经常性地进料出料不平衡会造成中心热轴金属疲劳,是中心热轴弯曲变形的诱因。

(2) 避免暖机过快。每次检修清洗结束后,干燥机需要暖机达到运行温度才能进料。暖机过程应该保持升温速率恒定,避免升温速率过快。由于中心热轴受热会产生膨胀,急速的升温会导致中心热轴快速膨胀且不均匀,造成中心热轴受损。2022年7月27日5#干燥机中心热轴变形问题就是暖机过快造成的。针对干燥机暖机问题,在每台干燥机蒸汽阀组处增加DN25暖机管线,通过减小管径来降低蒸汽流量,拉长暖机时间。同时,小管径阀门易操作、精确、更换简单。技改后,未发生因暖机快造成设备损坏。

(3) 避免进入异物。螺旋输送器部件掉落或者其他异物通过干燥机进料口进入干燥机,卡在圆盘之间,阻挡刮刀的运行路径,异物与刮刀相碰瞬间,干燥机中心热轴扭矩增加,电流增高。集散控制系统(DCS)显示电流曲线呈心电图样式,由于金属在高温情况下,屈服强度会有所下降,经常如此容易造成中心热轴受损,故异物进入干燥机也是中心热轴变形的诱因。

4 结语

空心圆盘桨叶干燥机是气化装置渣水处理的一种新型设备,通过对干燥机的运行分析、技术改造,以及提高操作管理,真空过滤系统目前运行比较稳定,干燥机的运行稳定为水煤浆气化细灰处理提供了一种新方法。通过该设备干燥后的细灰被送入电厂锅炉掺烧能充分回收细灰中的残碳,减少运输车外运,有效降低对环境的污染,电厂锅炉掺烧细灰从而降低燃料煤的使用量,也给公司带来实际的成本节约。