石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (6): 92-97
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    谢华昆
    集成清扫技术在硫磺输送系统中的研究与应用
    谢华昆     
    中国石化达州天然气净化有限公司天然气净化厂
    摘要:普光天然气净化厂硫磺输送系统采用传统聚氨酯刮刀、高压风刀等清扫器对回程物料进行清理,在使用过程中,经常出现硫磺洒落、粉尘飞扬等情况,造成现场硫磺粉尘浓度超标,存在粉尘爆炸的安全隐患,对生产造成严重影响。通过研究一种集成清扫技术,在皮带输送机头部设置集“皮带清扫、粉尘收纳”于一体的集成清扫装置,将皮带上黏附的硫磺进行清扫,通过物料回收机构将收集箱内硫磺回收至落料管,从最前端将皮带上黏附的硫磺处理掉,有效减少硫磺粉尘污染,保证设备安全平稳运行。试验结果表明,该集成清扫装置运行效果良好,抑尘显著,粉尘质量浓度降至6.1 mg/m3,远小于未安装前25.1 g/m3的现场平均粉尘质量浓度,达到了降低现场落地硫磺和粉尘的目的。
    关键词硫磺    皮带输送机    集成清扫技术    硫磺粉尘    粉尘质量浓度    
    Research and application of integrated cleaning technology in sulfur conveying system
    Xie Huakun     
    Natural Gas Purification Plant, Sinopec Dazhou Natural Gas Purification Co., Ltd., Dazhou, Sichuan, China
    Abstract: At present, the sulfur conveying system of Puguang Natural Gas Purification Plant uses the cleaning devices such as the traditional polyurethane scraper and the high pressure wind knife to clean the return material. However, the sulfur dust and dust flying frequently occur during the process, resulting in the elevated sulfur dust concentration in the field and posing safety threat from the possible dust explosion, which would influence the normal operation and production. In this study, an integrated cleaning device was set up at the head of belt conveyer to complete the belt cleaning and dust collecting, which can clean the sulfur adhering on the belt, recover the sulfur in the collection box to the drop pipe through the material recovery mechanism, and remove the sulfur adhering on the belt from the most front end for reducing sulfur dust pollution effectively and ensuring safe and stable operation of equipment. Test results also showed that the integrated cleaning device has good operation effect which remarkably suppresses the dust. The dust mass concentration could reduce to 6.1 mg/m3, which is much smaller than the average dust mass concentrations of 25.1 g/m3 before the installation of the device. It achieves the purpose of reducing the ground sulfur and dust.

    普光天然气净化厂以普光气田高含硫天然气为原料,硫磺产量高达240×104 t/a,采用湿法成型工艺,是国内最大的硫磺生产基地,其硫磺生产、储运规模均属世界级规模。硫磺输送系统采用传统槽式皮带输送机,承担着产品硫磺的转运工作,该系统由8座转运站、21台皮带输送机、喷淋抑尘装置、气吹清扫装置和水浴式除尘器等组成[1]。固体硫磺颗粒在输送过程中因摔落、撞击、碾压等破碎产生粉尘,当粉尘的质量浓度达到35 g/m3时,遇火源将发生爆炸, 爆炸冲击波使散落、沉积的粉尘形成新的混合物系,可发生连环性爆炸[2]。硫磺粉尘爆炸能量大,破坏力极强, 爆炸燃烧后产生的SO2对人身危害很大。目前,现场采用聚氨酯刮刀、高压风刀等清扫器对回程物料进行清理时,在下料区域易形成较多的落地硫磺和粉尘,造成现场环境污染,加快设备腐蚀,产生的硫化亚铁易自燃, 导致硫磺着火等事故发生,存在诸多不安全因素。

    由于硫磺粉尘具有易燃、易爆、遇水易加速设备腐蚀的特殊性,相对传统煤炭、铁矿石等皮带机输送系统,需要更为严格的安全防控措施。为了有效地进行落地硫磺收集和硫磺粉尘治理,改善生产环境,提高输送系统运行的安全性,减缓现场设备和钢结构的腐蚀速率,降低硫磺着火和爆炸的风险,保障员工人身安全,确保硫磺储运系统安全高效运行,有必要对现有的皮带输送机清扫技术进行优化和改进研究。

    1 硫磺输送系统清扫器技术现状
    1.1 聚氨酯清扫器技术

    聚氨酯皮带清扫器是用聚氨酯复合材料制成,安装在皮带输送机驱动滚筒的下方,与皮带呈垂直方向,起到清扫回程物料的作用。其刮刀刀面平整、直线度好,具有低摩擦性、高耐磨性、高强度等特性,刮料效果稳定[3]

    在使用过程中,因硫磺颗粒含有少许水分,形成酸性物质,对其腐蚀较为严重,造成刮刀刀面磨损不平,无法对残留在皮带上的细小颗粒和湿黏物料起到彻底清理的效果,现场落地硫磺较多。

    1.2 气吹清扫器技术

    气吹清扫器技术是在皮带输送机头部卸料处设置气吹清扫器,利用压缩空气由0.8 mm孔径的气嘴喷出形成风刀,将黏附在回程皮带上的细粉硫磺吹扫至料斗,经过溜管进入下游皮带。其主要存在以下问题:

    (1) 采用压缩空气吹扫皮带,将细粉硫磺吹起再次形成粉尘,增加了吹扫点的粉尘浓度。尤其是细粉硫磺在皮带停运期间形成干粉,在皮带启动瞬间,压缩空气将干粉全部吹起,形成高浓度的粉尘云。

    (2) 气吹清扫器原铝合金气嘴抗腐蚀性能差,易穿孔、断裂;目前选用ABS塑胶气嘴,但材质脆软,易受到机械外力而折断,其螺纹与笛管密封性能差,因漏气吹扫压力降低而导致吹扫不彻底;气嘴孔径为0.8 mm,易堵塞;备件消耗、维护量较大。

    2 集成清扫技术研究
    2.1 研究内容

    通过调研现有的粉体物料皮带输送机清扫技术,开展集成清扫技术在硫磺皮带输送机上的应用研究,研制出一种集“皮带复合清扫、粉尘密闭收纳、自动回收”于一体的多功能集成清扫装置,将皮带面上黏附的物料清除,并通过物料回收机构降低转运现场落地硫磺量,减少硫磺粉尘污染,实现硫磺输送系统安全平稳运行。样机安装区域硫磺粉尘质量浓度小于10 g/m3的技术指标[4-5],符合粉尘防爆、安全规范要求。

    2.2 集成清扫方案整体设计

    设计的集成清扫装置配置包括:物料清除装置、物料回收机构(集料斗、给料机或其他卸料装置)、控制箱及管道等(见图 1)。物料回收机构采用雾化抑尘系统,有效降低硫磺粉尘浓度。

    图 1     集成清扫装置模型图 Figure 1     Model diagram of the integrated cleaning device

    2.3 关键部件的研究设计
    2.3.1 物料清除装置的设计

    物料清除装置是集成清扫装置的核心部件,初步设计出的物料清除装置由密封箱体、雾气导入管和清扫器组成。清扫器由主清扫器和辅助清扫器组成。

    2.3.1.1 密封箱体

    密封箱体与皮带密封,形成一个密封区域,防止刮料时扬尘。

    2.3.1.2 雾气导入管

    将雾气发生装置中产生的雾气带入物料清除装置,使雾气充满刮扫区域,降低刮料时粉尘浓度。

    2.3.1.3 主清扫器刮刀材质优选

    对各种清扫器刮刀材质的特性进行比较,分析结果见表 1

    表 1    刮刀材质特性对比表 Table 1    Comparison of the scraper material

    经综合比较,清扫器刮刀选用陶瓷材质。

    最终设计的主清扫器由陶瓷刮刀、安装板以及安装调节机构组成,陶瓷刮片刮除皮带面黏附物料,弹性安装座具有一定的弹性,保证在不损伤皮带的情况下陶瓷刮片与皮带面贴合,有效地清除皮带黏附物料。

    2.3.1.4 辅助清扫技术设计

    由于硫磺的特性,利用液体辅助清扫方式并不可行,因此采用压缩空气吹扫方式,对皮带进行辅助清扫。表 2所列为3种吹扫方式。

    表 2    3种吹扫方式对比表 Table 2    Comparison of three purge methods

    综合比较3种吹扫方式后,根据现场情况,采用超级风刀形成均匀强劲的风帘,清除皮带上残余物料,为使其清扫物料效果良好,风刀安装与皮带呈30°夹角[6]

    其原理如下:压缩空气经进气口进入风刀高压腔,气流通过狭窄、细薄的喷嘴后在风刀长度方向形成一张均衡的气流薄片。由于腔室对高压气流的压缩比为40:1,使得气流速度损失最小,而压力最大,于是就产生一张具有强冲击力而最小剪切力的气流薄片。风刀具有噪音低(69 dB以下)、耗气量节省90%以上等优点(见图 2)。

    图 2     超级风刀原理图 Figure 2     Schematic diagram of the super wind knife

    压缩空气采用厂内原有气源,现场压力为0.6 MPa,风刀长度为1 170 mm,风刀出风口尺寸为0.4 mm,皮带机带宽1 200 mm,需耗气量约为893.6 L/min。相关计算如下。

    根据压差计算公式(见式(1)),得出风刀出口气体流速为V=31.8 m/s。

    $ V = {C_{\rm{d}}}\sqrt {2\Delta P/\rho } $ (1)

    式中:V为流速,m/s;Cd为流量系数,空气流量系数为1;ΔP为压差,MPa;ρ为空气密度,kg/m3(25 ℃时空气的密度为1.185 kg/m3)。

    根据流量计算公式(见式(2)),得出风刀的耗气量为Q=893.6 L/min。

    $ Q = V \cdot S $ (2)

    式中:Q为耗气量,L/min;V为流速,m/s;S为风刀出风口截面积,m2

    综上所述,物料清除装置的最终配置确定为:密封箱体、雾气导入管、陶瓷复合刮刀清扫器和超级风刀。

    2.3.2 物料自动回收机构的设计

    结合以往经验,对常用的4种回收物料方式进行比较分析,详见表 3

    表 3    回收物料方式对比表 Table 3    Comparison of the material recovery methods

    通过比较以上4种回收方式,均不适合应用硫磺输送系统。根据现场布置的气源,借鉴刮板机的原理,设计气动活塞推动闸板往返运动方式,将物料推送至皮带机落料管,清理箱体内硫磺。

    2.3.3 雾化抑尘技术设计
    2.3.3.1 雾化抑尘方式的选择

    由于硫磺的特性,传统的水喷淋、干雾等方式对物料清除装置进行粉尘抑制处理不可行,需要采用水量小,且雾量较大的出雾方式对粉尘进行处理。

    对常用的3种雾化抑尘方式进行比较分析,具体结果见表 4

    表 4    雾化方式对比表 Table 4    Comparison of the atomization modes

    综合比较后,采用超声波雾化的形式来降低装置内的粉尘含量,具体结构见图 3

    图 3     雾化箱结构示意图 Figure 3     Schematic diagram of the fog box structure

    超声波雾化发生装置内部安装有超声波雾化发生器,将液态水分子结构打散,使水成为微细的雾滴,并利用现场压缩空气,将雾气导出,使雾气在物料清除装置内扩散,从而达到抑制粉尘的作用[7-8]

    2.3.3.2 超声波雾化相关计算

    影响超声波雾化装置雾滴颗粒大小的因素有以下两方面:

    (1) 超声波雾滴颗粒直径可由式(3)近似计算:

    $ d = 0.34{\left( {\frac{{8\pi T}}{{\rho f}}} \right)^{1/3}} $ (3)

    式中:d为雾滴颗粒直径,μm;T为液体表面张力系数,水的表面张力为72.8×10-3 N/m(20 ℃);ρ为液体密度,水的密度为1 000 kg/m3f为振荡频率,振荡频率范围为1.7~2.4 MHz。

    由式(3)可以看出,雾滴颗粒直径与频率的平方成反比,即振荡频率越高,则雾滴颗粒直径越小,反之亦然。

    f=1.7 MHz,数据带入式(3)中可得:d=2.92 μm;取f=2.4 MHz,数据带入式(3)中可得:d=2.32 μm。

    因此,可通过改变振荡频率来改变雾滴颗粒直径。

    (2) 雾滴颗粒直径也与吹动雾气的气体流速有关,具体见式(4):

    $ {V_气} = {\left[ {\frac{{4gd\left( {{\rho _液} - {\rho _{\rm{气}}}} \right)}}{{1.32{\rho _{\rm{气}}}}}} \right]^{0.5}} $ (4)

    式中:ρ为液体密度,kg/m3,水的密度为1 000 kg/m3ρ为气体密度,kg/m3, 25 ℃时空气的密度为1.185 kg/m3d为雾滴颗粒直径,μm;V为气体流速,m/s;g为重力加速度,m/s2

    d=2.92 μm带入式(4),可得V=0.27 m/s。

    当出雾口管径为51 mm时,则所需吹气流量Q为:Q=π×(0.051÷2)2×0.27=33.1 L/min

    由式(4)可得出式(5):

    $ d = \frac{{V_气^2 \times 0.32{\rho _气}}}{{4g\left( {{\rho _液} - {\rho _气}} \right)}} $ (5)

    设吹气流量为Q=20 L/min时,出雾颗粒直径为:

    $ d = \frac{{{{\left[ {\frac{{0.02 \div 60}}{{3.14 \times {{\left( {0.051 \div 2} \right)}^2}}}} \right]}^2} \times 1.32 \times 1.185}}{{4 \times 9.8 \times \left( {1000 - 1.185} \right)}} = 1.06\mu {\rm{m}} $

    根据上述计算结果,可见吹气流速越快,则气流所携带的雾滴颗粒直径越大。反之,如果需要吹出的雾气颗粒直径越小,则必须吹动雾气的气流速度越小。

    再结合式(3)和式(4),可得出式(6),即气流流速与振荡频率的关系:

    $ {V_{\rm{气}}} = {\left[ {\frac{{4g \times 0.31{{\left( {\frac{{8\pi T}}{{{\rho _液}{f^2}}}} \right)}^{1/3}}\left( {{\rho _液} - {\rho _气}} \right)}}{{1.32{\rho _q}}}} \right]^{0.5}} $ (6)

    f=1.7 MHz时:

    $ \begin{array}{l} {V_{\rm{气 }}} = \\ {\left[ {\frac{{4 \times 9.8 \times 0.34{{\left( {\frac{{8 \times 3.14 \times 0.0728}}{{1000 \times {{\left( {1.7 \times {{10}^6}} \right)}^2}}}} \right)}^{1/3}} \times \left( {1000 - 1.185} \right)}}{{1.32 \times 1.185}}} \right]^{0.5}}\\ \;\;\;\;\;\; = 0.27\;{\rm{m/s}} \end{array} $

    f=2.4 MHz时:

    $ \begin{array}{l} {V_{\rm{气}}} = \\ {\left[ {\frac{{4 \times 9.8 \times 0.34{{\left( {\frac{{8 \times 3.14 \times 0.0728}}{{1000 \times {{\left( {2.4 \times {{10}^6}} \right)}^2}}}} \right)}^{1/3}} \times \left( {1000 - 1.185} \right)}}{{1.32 \times 1.185}}} \right]^{0.5}}\\ \;\;\;\;\;\; = 0.24\;{\rm{m/s}} \end{array} $

    由式(6)的计算可以看出,振荡频率越高,需要的携液气流流速就越低,即为了不使雾滴颗粒直径过大,则携液气流流速不能过大。

    综上所述,可改变振荡频率和吹气流速大小来调节雾滴颗粒直径的大小。

    2.3.3.3 超声波雾化装置性能测试

    对超声波雾化装置性能进行测试试验,具体数据见表 5

    表 5    雾化装置性能测试表 Table 5    Performance tests of the atomizing device

    表 5可知,振荡频率最佳值为2.4 MHz,吹雾气流气量控制在30 L/min时,雾气对粉尘的捕捉效果最佳,更有利于雾气颗粒与粉尘结合,能起到较好的抑尘效果。

    3 现场应用效果测试
    3.1 测试前生产现状

    集成清扫装置根据优选结果,组合完成后,选择安装在粉尘污染较为严重的C-7A皮带输送机头部。安装前,采用直读式粉尘浓度测量仪检测其下料口处的硫磺粉尘浓度,结果见表 6

    表 6    安装前C-7A皮带输送机下料口的硫磺粉尘质量浓度统计表 Table 6    Statistics of sulfur dust concentration at the outlet of C-7A belt conveyor before installation

    3.2 样机应用测试情况

    2017年12月,试验样机现场安装后,运行期间观察集成清扫装置的使用效果,并检测了硫磺粉尘浓度,结果见表 7

    表 7    安装后C-7A皮带输送机下料口的硫磺粉尘浓度统计表 Table 7    Statistics of sulfur and dust concentration at the outlet of C-7A belt conveyor after installation

    从测试结果可以看出,集成清扫装置安装后,现场硫磺粉尘平均质量浓度由之前的25.1 g/m3降低至6.1 mg/m3,抑尘效果显著,达到了对硫磺粉尘的有效防控。

    3.3 样机应用结果

    经过3个月的现场运行,集成清扫装置在硫磺输送系统中的应用情况如下:

    (1) 清扫效果良好。该装置采用复合陶瓷刮刀和超级风刀两道清扫器技术,能够将回程皮带上黏附的物料清理干净,并通过物料自动回收机构将收集的硫磺送入下料管,杜绝了现场落地硫磺的产生。

    (2) 抑尘效果明显。该装置采用密闭收集和超声波雾化除尘技术,将生产过程中形成的硫磺粉尘加以处理,起到了降低现场粉尘浓度的作用。

    (3) 设备运行稳定。该装置采用粉尘防爆技术和316L不锈钢材质,适用于粉尘易爆场所,同时避免了硫磺、水等对设备的腐蚀。

    4 结语

    通过技术研究,研制了一种多功能硫磺皮带机集成清扫装置,经性能评价验证,达到了研究目的,满足现场使用条件,硫磺粉尘质量浓度降低至6.1 mg/m3,远小于未安装前25.1 g/m3的现场平均粉尘质量浓度。形成的多功能硫磺皮带机集成清扫装置,可以从最前端将皮带上黏附的物料处理掉,有效减少硫磺粉尘污染,实现硫磺输送系统安全平稳运行,为后续硫磺皮带机清扫装置改进提供了指导依据,对解决皮带输送机沿线粉尘污染具有重要意义。研究成果可为国内同类型装置提供借鉴参考。

    参考文献
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