湿式静电除尘器在裂解气除尘中的应用(唐复兴,已发201202期聚氯乙烯)

第1页共8页湿式静电除尘器在裂解气除尘中的应用唐复兴1（新疆天业（集团）化工研究院，新疆，石河子832000）摘要：本文主要从裂解气除尘设备的选型入手，通过对选型参数的落实，设备计算等过程，对湿式静电除尘器的选型和投用效果做了详细的论述。关键词：裂解气电除尘中图分类号：在煤裂解气的生产过程中，无论采用何种裂解方法，裂解气中均会有粉尘，这些粉尘在焦油和水汽的共同作用下，会粘结在设备和管道的内壁，堵塞通道，造成系统运行阻力增大，影响生产。本文将从一煤制裂解气除尘装置的选择和应用来展开。除尘工艺条件：运行温度在80~95℃，除尘设备压降小于5KPa，经预除尘后进口粉尘浓度1000mg/Nm3以下，裂解气流量3000Nm3/hr（不含水蒸气时），气体组成主要为氢气、一氧化碳、乙炔，焦油，硫化氢，饱和水蒸气等，出口粉尘浓度10mg/Nm3以下，设备操作弹性60%~120%。粉尘粒径分布较宽，平均粒径在40~65微米之间，且其中有约10%的粉尘粒径在5微米以下。从除尘工艺条件上可做初步判断，除尘效率要求在99%以上，且10%的粉尘在5微米以下，旋风分割粒径在10微米，一般的旋风除尘器无法达到这样的效率；由于气体含有焦油，容易堵塞滤袋微孔，含有90℃左右的饱和水蒸气，在焦油的同时作用下容易糊袋，尽管目前有不怕油和水汽的滤袋，但是仍不适用于含焦油的场合，因此，不适宜用除尘效率高的布袋除尘；采用高效的湿法除尘工艺，设备压降一般单级除尘设备压降在10Kpa左右，单级除尘效率在95%以上，至少需要两级湿法除尘，无法满足工艺上压降的要求。电除尘器压降一般在200~300Kpa，被广泛的用于除煤气除焦和除尘，除尘效率大于99%，一般允许进口含尘浓度小于50g/Nm3，考虑到裂解气虽然温度不高，但湿度大，且均为可燃易爆气体，因此，初步确定煤制裂解气除尘采用湿式静电除尘设备。湿式静电除尘器作为一种除尘效率高，压降低的除尘设备被广泛的应用于工艺气除尘，比如：钢厂高炉煤气除尘，炭黑生产，乙炔裂化气炭黑脱除等流程中。可否用于煤制裂解气的工艺气除尘，在选型和计算中需要落实以下几个参数。经与浙江大学、中国重型机械研究所上海分院的教授、专家们交流和关键数据检测，现将基本参数，设计选型和投运效果检测等叙述如下：一．基本参数1作者简介：唐复兴（1981-10），男，工程师，注册安全工程师。2004年毕业于宁夏大学化学工程与工艺专业，主要从事项目筹建和技术研发工作。第2页共8页1、粉尘的比电阻电除尘器对比电阻的要求区间为1×104Ω·cm~1×1012Ω·cm。比电阻低于1×104Ω·cm的粉尘，其导电性强，粉尘荷电后到达收尘板后会快速释放电荷，粉尘与收尘板同电性，在电场力的作用下重新返回气流，粉尘如此往复跳跃，最终有部分会被气流带出，所以除尘效果差；比电阻高于1×1012Ω·cm时，粉尘在到达收尘板时，不容易释放电荷，随着粉尘在极板上积累，形成电场，产生负电晕放电，阻碍粉尘向收尘极运动，使除尘效率下降。裂解气中的粉尘样品经过干燥后经实验室测定（60℃），原料煤粉的比电阻在1×1013Ω·cm左右，反应后残留粉尘比电阻在4×109Ω·cm以上，反应后粉尘比电阻较原料煤粉比电阻小。从图1粉尘比电阻与除尘效率的关系1中可以看出反应后残留粉尘的比电阻对应除尘效率处于高点。2、气体的温度和湿度研究表明，粉尘比电阻是两种独立的导电机理的综合，一种是通过粉尘内部的体积导电，它与粉尘的化学成分有关，体积比电阻与工作温度成反比；另一种是沿着粒子表面进行的表面导电，它与粉尘及烟气成分都有关，表面比电阻与工作温度成正比。哪一种导电机理占主导地位,主要取决于烟气温度。温度与粉尘比电阻关系如图2所示。由此可以得出在裂解气除尘温度95℃以下时，粉尘的导电主要受表面比电阻影响。烟气湿度也可以改变粉尘的比电阻，湿度越大比电阻越小，电除尘就允许在更高的电场电压下运行，电场电压的提高，可使除尘的效果显著的增强。当烟气温度低于150℃左右时，其中的水分就被吸附到尘粒表面；如果烟气温度很低，而其中的水分含量又很高，则此水分能把粉尘比电阻降低到适宜于电除尘器工作的数值；当烟气温度较高时，水分的含量对比电阻的影响就不显著，因为表面导电所需的条件已不存在。由于在煤裂解气需要通过高压水淬冷，将温度冷却到95℃以下，此时裂解气中水汽已接近饱和，为了进一步增大除尘效率，防止粉尘在设备进口管道发生堵塞，在设计时，增加几处管道冲洗喷头进行清堵和预饱和，来增强除尘效率。图1粉尘比电阻与除尘效率的关系第3页共8页3、气体成分烟气成分对负电晕放电特性影响很大，烟气成分不同，在电晕放电中电荷载体的迁移不同。在电场中，电子与中性气体分子相撞形成负离子的概率很大程度上取决于烟气成分2。如：氦、氢气分子不产生负电晕，而氯、二氧化硫、三氧化硫等气体由于气体分子具有很强的负电性（得电子能力），很容易吸附自由电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难，其次是这些气体的分子量和分子直径都较大，使电子在其中的自由程缩短，不易积聚能量，因而减少了电子碰撞电离的能力。自由电子大量在这些负电性强的分子上聚集，发生火花放电，产生较强的负电晕，在电控柜电压便会降低或归零，影响除尘效果。总而言之，不同的气体对电除尘器的伏安特性和火花放电电压影响很大，除尘效率也有差别。从工艺条件上看，裂解气中氢气，氮气，一氧化碳，硫化氢等气体其负电性，均小于水蒸气；乙炔的电负性较大，但其在裂解气中含量不到10%，影响表现的并不突出。因此，在该装置中主要负电的集团为，表面被水浸润过的粉尘、焦油和水雾。4、气体压力在电除尘器运行过程中，操作电场电压，会随裂解气的操作压力波动而波动，一般呈正比关系，若单纯考虑压力对除尘的影响，则，在温度和流量一定的情况下，操作压力越高，气体放电电压越高，电场可操作电压越高，除尘效率越高。从工艺条件上，裂解气除尘系统运行压力条件类似于中低压煤气压力，经查阅在中低压条件下湿式电捕除尘效率一般均在95%以上，即当进口含尘在1000mg/Nm3时，可保证出口含尘在50mg/Nm3，由此可见，在电除尘进口需要增加预除尘装置，或采取其它方式降低入口含尘。5、粉尘浓度和粒径分布图2温度与比电阻关系曲线第4页共8页电除尘器对入口气体的含尘浓度有一定的适应范围，如果超过一定范围除尘效率会降低，甚至中止除尘过程，因为，粉尘所产生的电晕电流仅为总电晕电流的1~2%，总电流一定的情况下，由于粉尘在电场中的驱进速度远小于气体离子，当粉尘浓度增加，使气体电场中离子化的几率降低，最终导致发生电晕闭塞，使除尘效率降低。粉尘粒径对电除尘的影响，经试验证明存在以下规律：粉尘粒径在20~25微米以下时，带电粉尘向沉淀极运动的速度与粉尘颗粒半径呈正比，颗粒粒径越大，除尘效率越高；粉尘粒径在20~40微米之间时，存在电除尘效率最大值；粉尘粒径继续增大时，除尘效率会下降。裂解气粉尘仅为1000mg/Nm3，远小于电除尘的经验设计值50g/Nm3；裂解气粉尘粒度分析见图3，从图中可以看到，粉尘的粒径分布较宽，约有70%的粉尘粒径在65微米以下，约10%的粉尘粒径在5微米以下。电除尘对各种粉尘均有不同的适宜净化范围，对于裂解气粉尘有待试验后实测。二．选型计算1、湿式电除尘的基本参数选择和计算根据以上工艺条件、粉尘性质、实验测试数据和相关行业实际运行经验参数，依照《JB/T6409-1992煤气用湿式管型电除尘器》、《JB/T6409-2008煤气用湿式电除尘器》标准、《除尘工程设计手册》等选择设备基本参数如下：1）收尘板排列形式采用蜂窝管式，其管径一般为250/300mm,由于粉尘比电阻适中，选择300mm；2）进口含尘量较低，选用圆形线或星形线；图3粉尘粒度分布第5页共8页3）漏风率为零，选用湿式管型电除尘器，系列编号：SGD-有效流通面积；4）顶部雾化冲洗水，采用间歇或连续两种控制方式；5）根据图4，初步确定驱进速度范围在0.02~0.14m/s，暂取0.08m/s根据暂定驱进速度计算沉淀极板总面积AS：3(1)LnS(1)ASQS(2)S，收尘板比表面积（净化1m3/s气体所需沉淀面积），m2，除尘效率（净化效率），%，（取99.5%）Q，裂解气量，m3/s，根据工艺条件计算，取2.78m3/s（水蒸气量按70%计算），粉尘驱进速度，m/s，暂取0.08m/s将数据代入公式（1），得，收尘板比表面积S=66.23m2将数据代入公式（2），得，沉淀极总面积AS=184.12m2查图5净化效率、有效驱进速度值和S值的列线图，若除尘效率大于99%，在驱进速度选为0.08m/s时，S值需大于60m2，与计算结果相符。电场风速及有效断面计算：QF（3）图4比电阻与驱进速度的关系第6页共8页F，电场有效断面积，m2，电场风速，m/s由于初次在煤裂解气工况下使用电除尘，借鉴天然气部分氧化制乙炔湿式电除尘器的电场风速取0.5m/s。代入（3）式，得电场有效断面积为5.56m2，对管式电除尘器有效断面即全部管面积之和。管式电除尘器通道数Z:2FZr(4)Z，管式电除尘器管数r，管半径，m，取150mm将数据代入（4）式，得有效管数Z约为79管。查SGD-系列湿式电除尘，可供选择的标准产品有80管和90管，考虑初次使用且试验装置负荷变动较大，放大一档，选择90管。设备具体参数见下表：图5净化效率、有效驱进速度值和S值的列线图摘自《除尘工程设计手册》第7页共8页设备型号设备直径/m配用电源/A/KV电场长度/m备注SGD-6.903.000.4~0.6/724.5\三．工艺配置从上述样品检测和选型计算过程中可以看出，单独依靠这台湿式电除尘器来除去粉尘存在一定的不确定性，首先，粉尘的分布范围较宽，部分大粒径和部分超细粒径都是造成电除尘器难以达到相应除尘效率的原因，因此，在流程布置上，在设备进口设置一台水洗预除尘器，降低粉尘浓度，在管道和管道易发生堵塞的部位设置冲洗喷头淋洗，其目的是让大颗粒的粉尘被预扑集掉，超细粉尘经水雾润湿团聚变大。基本除尘流程配置如下：四．设备投运效果湿式电除尘设备投运后，除尘效果十分明显，在几次设备管道内部检修检查中，湿式静电除尘器后管道比较干净，仅在设备管道凹处可见轻质焦油，取样管道处可见析出的针状焦油（黄褐色晶体）成分，在放空口测裂解气含尘均小于10mg/Nm3以下。投用前后烟气含尘测量结果对比见下表1：测量口位置：除尘前测量口在水预洗塔后，除尘后测量口在湿式电除尘器后，表中前后数据不存在一一对应关系。含尘浓度1含尘浓度2含尘浓度3含尘浓度4含尘浓度5含尘浓度6除尘前，mg/Nm3250300280546420380除尘后，mg/Nm39.63.16.75.34.61.9从表中数据看，湿式电除尘器投用后效果非常明显，基本上满足了工艺的要求，但工艺还存在改进的地方。单纯考虑湿式电除尘器的能力，其除尘效率波动较大，其原因分析如下：1．裂解气制气工段负荷存在波动，流量不平稳。2．由于除尘温度在80~95℃，此时仍后有焦油成份进入测量设备，使测量值偏大。含尘裂解气水预洗塔湿式电除尘器裂解气泵水处理泵水处理工艺水水处理回用水第8页共8页3．设备运行前期，冲洗喷头不能连续工作，雾化效果较差。基于以上原因，在除尘器后再布置一台冷却器和一台电捕焦油器，目前运行效果正在观察中。裂解气湿式静电除尘设备虽然在选型计算时参照了煤气用湿式管型电除尘器的设计计算方法，但从实际投运效果上看，由于两者粉尘和气体成分存在较大的差异，设备的实际运行参数略有区别，比如，裂解气除尘负载直流电压较煤气装置低。同时，在设备安全性上，由于裂解气中含有一定量的乙炔气成分，乙炔气的爆炸下限为1.5%，运行中要求气体含氧小于1%。设备冲洗雾化喷头需要根据实际放电运行情况进行现场改造，需要保证其既能良好雾化，也要保障对收尘板的冲洗效果。湿式电除尘器在煤制裂解气的一期和二期均得到了应用，根据一期的运行参数，我们对二期设备的制造参数根据运行数据