引言烧结烟气脱硫和脱硝的方法有很多，主要可分为干法、湿法、半干法。活性焦吸附法作为干法的一种，采用活性炭或焦吸附二氧化硫，将其转化为硫酸，同时在催化剂作用下利用氨气将一氧化氮还原成氮气，可以同时进行脱硫和脱硝。该方式效率高，但投资和运行费用也较高。活性焦脱硫脱硝技术应用较晚[1-3]。再生塔是此工艺系统的核心设备之一，用于活性焦的再生循环利用，吸附有害物质达到饱和状态的活性焦在再生塔中被加热，释放有害物质，回收二氧化硫，并降温到110 ℃以下，再送入吸附塔中循环利用。活性焦在再生塔中处于高温、无氧状态，出再生塔后与氧气接触，需要保证温度低于110 ℃，否则活性焦易着火，严重时甚至可能烧毁再生塔[4-6]。1烧结烟气活性焦脱硫脱硝再生塔出料超温问题及原因分析迁安某钢厂烧结机机头烟气活性焦一体化干法脱硫脱硝工程配置了1套活性焦干法脱硫系统，利用活性焦吸附烟气中的二氧化硫等有害物质。吸附二氧化硫的活性焦通过加热再生，释放富集的二氧化硫，实现资源化利用，再生后的活性焦循环使用。其中，再生塔用于加热脱附二氧化硫气体，恢复活性焦的吸附性能。该套再生塔采用双塔连体结构，单塔截面内径为2 240 mm×2 900 mm，高度约34 m，活性焦再生量为19 000 kg/h。再生塔结构如图1所示。该再生塔主要由进料壳体、分料壳体、预热段换热器、加热段换热器、一级冷却段换热器、二级冷却段换热器、3段连接壳体及烟箱等组成，在现场安装、拼接、组焊成一体后投入使用。预热段换热器、加热段换热器、一级冷却段换热器和二级冷却段换热器均采用列管式，其中加热段换热管材质采用S30408，其余三段换热器材质采用20G钢渗铝。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.F001图1再生塔结构换热器壳体为钢结构件，每段换热器壳体内装有由738支Φ108 mm×4换热管组成的管束。活性焦在管内依靠重力作用从上往下流动，烟气在管外流动。在连接壳体及进料、分料、出料壳体等位置设置测温、测压孔，用于监测塔内活性焦温度及氮气压力，同时设置人孔，便于检修时对活性焦进行清堵；在连接壳体处，设置再生气抽气口，用于回收高浓度二氧化硫混合气体；在分料壳体、出料壳体处，设置氮气入口，用于设备运行时充入氮气，作为活性焦的载气，隔离活性焦与空气，并作为应急吹扫气体。在实际运营过程中，活性焦物料循环未满负荷运行时发生出料超温现象，甚至出现红焦，严重影响设备的使用安全。现场操作界面各数据显示，预热段、加热段、一冷段内部的活性焦温度正常，与设计值符合度较好；二冷段内部活性焦温度已超过120 ℃，出现报警，不得不采取紧急临时关闭加热段热风炉的措施；二冷段冷却风机功率已升到最大，但冷却风出口温度不到50 ℃，与设计值150 ℃相差巨大。经过初步分析，按照可能性降序的顺序，再生塔出料超温问题的原因如下：(1)二冷段换热器结构问题，导致换热效果差。(2)物料循环不均匀，导致二冷段各换热管内活性焦流速不均，部分换热管内流速过大，未能把管内活性焦冷却。(3)出料壳体内的氮气通道堵塞，未能通入均匀的氮气，导致活性焦换热性能差。(4)出料壳体、长轴卸料阀（尤其是其轴封处）、星形卸料阀的密封状况差，甚至漏风，导致进入一定的空气，活性焦氧化反应放热。(5)二冷段进风风箱堵塞，风机鼓风管路堵塞。2烧结烟气活性焦脱硫脱硝再生塔出料超温原因验证2.1氮气通道堵塞、出料壳体等密封状况差、二冷段进风风箱堵塞的可能性为了找到再生塔出料超温的原因，根据上述分析的5项可能性，按照难易程度首先进行3、4、5项的排查。将出料壳体处的氮气阀门开到最大，氮气作为活性焦的换热载体，增大供氮量可以增加塔内活性焦的换热效果，同时氮气作为冷介质也有一定的冷却作用，但实际效果不明显，出料处活性焦仍超温；热风炉停机，利用链斗机排空再生塔内的活性焦至料仓临时存储，待再生塔降温后，打开出料壳体处人孔，检查氮气通道，未发现堵塞状况。检查二冷段进风风箱通道，风机鼓风管路等，未发现堵塞。空塔通入氮气，使压力保持在10 kPa左右，利用肥皂水检查出料壳体、长轴卸料阀（尤其是其轴封处）、星形卸料阀等处，未发现外部焊缝的泄露。2.2排查二冷段换热器结构问题的可能性利用Ansys软件模拟风量34 250 m3/h、20 ℃情况下，空气冲刷换热管束时的压力和流速的均匀性，流速和压力云图如图2和图3所示。虽然空气由进出口风箱处侧进、侧出，但换热管束布置得很密，起到了孔板均流的作用，未出现由于冲击作用导致的风箱远端空气流速过大问题，空气的速度在管束内沿着流动方向近乎相等，约为10 m/s，空气的压力在管束内沿着流动方向减小。空气在二冷段内与管束的换热是均匀的，未出现局部流速过小甚至出现流动死区导致局部换热管换热性能大幅下降的情况。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.F002图2流速云图10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.F003图3压力云图2.3排查物料循环不均匀的可能性装入定量的活性焦，装料高度至一冷段和二冷段换热器之间连接壳体处人孔的下沿，用水平尺将活性焦推平，开启长轴卸料器，从人孔处观察塔内活性焦的下料状态。结果显示，开启长轴卸料器后，原本水平的活性焦表面开始呈现不规律的高低不平的状态，中间落料快，四周慢，甚至有的角落沉陷出落料滞留状态；沿长轴卸料器方向，靠近电机侧落料比远离电机侧快；左塔和右塔的情况在大的趋势上规律相同。可见，活性焦在二冷段换热器内的落料存在不均匀状态，导致二冷段各换热管内活性焦流速不均，部分换热管内流速过大，在管束内的停留时间较短，当冷却风机的冷风冲刷换热管束时，未能充分冷却此部分活性焦，从而导致排料超温问题。物流循环的均匀性和速度主要与出料壳体结构和长轴卸料器有关，出料壳体结构如图4所示。进料口为矩形，尺寸为2 920 mm×2 260 mm，出料口尺寸为2 920 mm×160 mm，出料仓锥形高度为1 900 mm，出料口采用长轴卸料器控制下料速度。锥形出料仓对颗粒流动影响的主要因素是料斗的锥度，根据之前的实验数据以及现场的使用经验，一般采用倾角为60°的锥形下料斗，出料仓内的活性焦颗粒呈整体向下流动状态，不会形成死区。在实际生产中，不仅要保证再生塔内部活性焦流动不出现死区，同时要确保各处的流动均匀性一致，防止局部流速较缓出现超温及腐蚀现象，从而损坏塔体。因此，需要在出料仓内部设计导流板，均衡各处活性焦颗粒的流动速度，保证活性焦颗粒可以整体均匀下降、循环使用。导流板一般采用倒三角锥形，平行于长轴卸料器方向，由一大两小组成。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.F004图4出料壳体结构为了进一步验证活性焦颗粒在出料壳体内的流动特性，调整测温1和测温2处热电偶插入壳体深度分别为1 500 mm、1 200 mm、900 mm、600 mm和300 mm，测得左塔和右塔的温度数据，不同热电偶插入深度使左右塔测温1和测温2处的温度变化如表1所示。在热电偶所在水平高度的截面上，平行于长轴卸料器方向，活性焦在出料壳体越靠近中部位置，温度越高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.T001表1不同热电偶插入深度使左右塔测温1和测温2处的温度变化热电偶插入深度/mm左塔测温1左塔测温2右塔测温1右塔测温21 5001321281391341200117116125121900105104112108600989910410230091949795℃为了进一步验证活性焦在出料壳体壁面附近的流动特性，利用手持测温枪在左右塔的出料壳体外斜壁面的钢板上设置多个测温点，测得左塔和右塔的温度数据，如表2所示。出料壳体外斜壁面测温点分布如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.T002表2左右塔出料壳体外斜壁面温度统计测点位置测点1测点2测点3测点4测点5测点6左A9210712512211198左B9010612512111098左C8510312212210899左D8394118124109101右A98112127125117105右B95108125125116106右C92107127124118105右D8799121121118107℃10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.F005图5出料壳体外斜壁面测温点分布由表2可知，在出料壳体斜壁面上，远离电机侧从上到下活性焦颗粒温度呈递减状态，靠近电机侧变化不大；在左右方向，两端温度低，中间温度高，与热电偶在测温1和测温2的温度分布基本吻合。因此，推断活性焦在斜壁面上的流动沿着电机侧倾斜，运动轨迹为曲线。卸料器上沿着长轴方向安装有12块挡，调整卸料器的挡板开度，靠电机侧挡板开度调小，再次重复测量热电偶测温1和测温2以及斜壁面上A1~D6处的温度，发现温度分布发生明显变化，但仍然存在排料超温问题，可见活性焦在出料壳体内的流动复杂。3解决方案实施再生塔出料壳体内活性焦的流动非轨迹是曲线，在平行于长轴卸料器方向上发生倾斜。原因是活性焦为直径9 mm的圆柱形固体颗粒，而固体颗粒的流动比液体复杂，与颗粒的形状、大小、表面状态、密度、孔隙率等有关，加上颗粒之间的内摩擦力和黏附力以及颗粒与壁面的摩擦、重力影响等关系复杂。再生塔的垂直度允许偏差为任意3 m偏差不得大于3 mm，总直线度偏差不得大于9 mm，垂直度也会影响活性焦在出料壳体内的流动分布[7-8]。为了解决局部超温现象，让活性焦在出料壳体内均匀分布，对出料壳体的结构进行改进，在原有倒三角锥的导流板基础上，在宽度和长度方向上增加一定的导流板，出料壳体新增导流板结构如图6所示。经过改进，将出料壳体内的下料空间均匀地改进为多个格子，让活性焦在长度和宽度方向上按照限定的路线流动，从而保证出料具有一定的均匀性。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.022.F006图6出料壳体新增导流板结构出料壳体改进完成后，再次使活性焦的装料高度至一冷段和二冷段换热器之间连接壳体处人孔的下沿，用水平尺将活性焦推平，开启长轴卸料器，从人孔处观察塔内活性焦的下料状态。下料情况均匀，仅四个角落的落料稍慢。重启热风炉及物料循环，测温1和测温2处的热电偶显示，出料壳体内的活性焦温度在70 ℃左右，对排料后链斗机处的活性焦进行手持测温枪测温，显示温度为60 ℃左右，二冷段冷却风出口温度为110 ℃左右，二冷段换热器内的冷却风和活性焦之间的热交换情况明显好转。4结语再生塔是活性焦脱硫脱硝系统的核心设备之一，排料温度超温将严重影响设备安全，严重时甚至烧毁再生塔。文中验证了物料循环不均匀是导致再生塔出料超温的主要原因。对出料壳体进行改进，将出料壳体内的下料空间均匀地改进为多个格子，从而解决了再生塔出料超温问题。