转化过程气体换热器的副线调节性能_温度的影响

丁　华　　转化过程气体换热器的副线调节性能———温度的影响·5·

转化过程气体换热器的副线调节性能

———温度的影响

丁　华

(南化集团设计院, 江苏南京210048)

〔摘　要〕对转化过程采用圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的气体换热器, 推导出操作气量负荷率、管壳程副线率以及换热面积富裕系数与换热器管壳程进出口温度变化值之间的定量解析关系式, 它们仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。管壳程进出口温度变化共有58种组合形式。最小换热面积富裕系数为温度变化引起换热量变化及换热器平均温差变化两部分的乘积。

〔关键词〕硫酸厂; 转化工序; 副线率; 负荷率; 换热面积富裕系数; 温度变化; 解析关系式

〔中图分类号〕T Q 051. 5, T Q111. 16　　〔文献标识码〕C 　　〔文章编号〕1002-1507(2000) 05-0005-06

1　引言

在硫酸装置转化过程的换热系统中, 每个换热器都具有加热器和冷却器的双重作用, 同时完成着加热冷气体和冷却热气体的双向任务, 换热器管壳程的热气体和冷气体互为热媒和冷却介质。要同时保证管壳程气体的工艺条件, 换热器就必须具有适当的换热面积富裕系数, 并通过足够的旁路副线来调节。可见, 对于转化过程换热系统中的气体换热器来说, 其换热面积富裕系数和旁路副线的大小是对工艺参数调节性能影响最

〔收稿日期〕2000-05-18

〔作者简介〕丁　华, 男, 南化集团设计院高级工程师,

从事硫酸工程设计。

为关键的两个参数。

对转化过程气体换热系统中常用的圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的管壳式气体换热器, 作者借助其总传热系数及压降的统计关联式〔1〕, 首先研究了操作气量对副线调节性能的影响〔2〕, 推导出操作气量负荷率、管壳程副线率与换热面积富裕系数三者之间的解析关系式, 它们仅是换热器管壳程进出口温度的函数。通过实例分析表明, 换热器副线调节的灵敏性以调节管程、温差大的流体走管程最为敏感, 而其相对压降则与副线调节方式及流体走法无关。最大操作气量负荷率及对应的最大相对压降仅是换热面积富裕系数的指数函数。

文献〔2〕讨论操作气量影响时, 各温度参数都

〔参考文献〕

〔1〕　赵增泰. 硫酸技术的新发展〔J 〕. 硫酸工业, 1999,

(2) :1-6.

〔2〕　梁海卫, 王忻江, 阎闯. 金隆工程二氧化硫鼓风机

系统的特点及运行〔J 〕.硫酸工业, 2000, (2) :26-30.

〔3〕　古成龙, 金先煜. 800kt /a 硫酸工程的实践〔J 〕.硫

酸工业, 2000,(4) :8.

〔4〕　I nthof T . Tessenderlo Chemie Acid P lant Sets the

Standard for Wo rld Class Performance 〔C 〕.V ienna :1997. 165-182.

〔5〕　王颖, 蒋进, 古成龙. 随翁福硫酸技术考察团赴美、

欧四国考察印象〔J 〕.硫酸工业, 1994,(1) :1-16.

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假定为不变的, 即换热器管壳程进出口温度均为设计值。然而, 在实际运行中, 各换热器管壳程进出口温度均为设计值往往是偶然的, 有变化有偏离则倒是必然的。因此, 所选取的换热面积富裕系数和旁路副线就需适应此温度的变化。本文将引入换热器管壳程进出口温度变化值这四个变量, 着重讨论温度变化对转化过程气体换热器副线调节性能的影响。

换热器的传热方程为:　　　　Q =KA Δt m

方式的管壳式气体换热器, 根据文献〔1〕, 有:

. 56

　　　　K =CV 0t 2

(6)

对于采用圆缺形折流板和双圆缺形管束排列

(7)

0. 56

由(3) 、(4) 式, 得:

　　　　K =C (q t ηV t , 0)

(8)

转化过程中逆流换热的气体换热器, 其两端温差之比值远小于2, 可以用算术平均温差代替对数平均温差, 则:

　Δt m 〔T 2′+T 1+ΔT 1-(t 1+Δt 1)

2-(t 2+Δt 2) 〕将(5) 式代入(9) 式得:

T 1-T 2　Δt m 〔2T 1-(t 1+t 2) 〕

2q t

ΔT 1-ΔT 2〔2ΔT 1-(Δt 1+Δt 2) 〕

2q t

(10)

在换热器设计中, 选用的实际换热面积为:　　　　A =ζA n

0. 44

(ηq t ) =

2　温度变化的影响2. 1　管程副线调节

类似于操作气量影响的分析方法〔2〕, 包括操作气量变化在内, 加上换热器管壳程进出口温度均有变化的一般情况, 管程副线调节时各参数的变化如图1所示

。

(9)

(11)

将(2) 、(8) 、(10) 、(11) 式代入(6) 式, 得:

2(T 1+ΔT 1) -(t 1+Δt 1) -(t 2+Δt 2) C t ζ〔q t -1〕

(T 1+ΔT 1) -(T 2+ΔT 2)

图1　管程副线调节示意根据物料及热量衡算:V t =V t 1+V t 2

Q =V t 2C pt (T 1+ΔT 1-T 2′)

=V t C pt 〔(T 1+ΔT 1) -(T 2+ΔT 2) 〕(2)

　　管程气量通过率和操作气量负荷率分别定义为:

V t 　　　　q t V

t 　　　　ηV t V s

V t , 0V s , 0

(3) (4) (1)

n

式中:　C t 44

2C pt V t , 00.

(12) (13)

C t 亦可由边界条件求得。当换热器管壳程气体进出口温度均为设计温度(即ΔT 1、ΔT 2、Δt 1、Δt 2均为零) 、操作气量在设计负荷下(η=1) 、换热面积无富裕(即当ζ=1时) , 则换热器副线率为零, 即q t =1, C t =(T 1-T 2) /〔T 1+T 2-(t 1+t 2) 〕,所以有:

T 1-T 20. 44

(ηq t ) T 1+T 2-(t 1+t 2)

2(T 1+ΔT 1) -(t 1+t 2) -(Δt 1+Δt 2)

×〔q t -1〕

T 1-T 2+(ΔT 1-ΔT 2)

(14)

. 56

V 0t

忽略(2) 式中由于(T 2+ΔT 2) 与T 2′的不同而引起的C pt 的微小差异, 则有:

(T 1+ΔT 1) -(T 2+ΔT 2)

T 2′=T 1+ΔT 1(5)

q t

丁　华　　转化过程气体换热器的副线调节性能———温度的影响·7·

流换热的气体换热器, 当采用管程副线调节时, 换热器操作气量负荷率、管程气量通过率以及换热面积富裕系数三者与换热器管壳程进出口温度变化值之间函数关系的解析关系式。它们仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。

因此有:

ΔT 1-ΔT 2=β(Δt 2-Δt 1)

(20)

(20) 式说明ΔT 1、ΔT 2、Δt 1、Δt 24个变量中, 仅有3个变量是独立的。

当ΔT 1、ΔT 2、Δt 1、Δt 2均不为零时, 若ΔT 1-ΔT 2=0, 即ΔT 1=ΔT 2, 则Δt 2=Δt 1, 此时则有:

　　　　ΔT 1=βΔt 2

(21)

2. 2　壳程副线调节

采用壳程副线调节, 参照文献〔2〕推导方法, 同样有:

t 2-t 10. 44

η=T 1+T 2-(t 1+t 2)

T 1+T 2+ΔT 1+ΔT 2-2(t 1+Δt 1) 　×〔q t 2-t 1+(Δt 2-Δt 1) s

(15)

(15) 式即是当采用壳程副线调节时, 换热器操作气量负荷率、壳程气量通过率以及换热面积富裕系数三者与换热器管壳程进出口温度变化值之间函数关系的解析关系式。

根据ΔT 1、ΔT 2及ΔT 1-ΔT 2的变化的符号, 管程进出口温度变化共有9类13种情况, 分别以代码N T01到N T13表示, 详见表1。同样, 对于壳程进出口温度的变化亦有9类13种, 依照Δt 2、Δt 1和Δt 2-Δt 1的变化的符号, 分别以代码NS01到NS13表示, 详见表2。

表1　管程进出口温度变化

类别123

456789

ΔT 1+++000---ΔT 2+0-+0-+0-ΔT 1-ΔT 2

+0-++-0+--+0-代　码N T 01N T 02N T 03N T 04N T 05N T 06N T 07N T 08N T 09N T 10N T 11N T 12N T 13

3　温度变化的规律

转化过程实际运行的气体换热器, 其管壳程气体进出口温度值中, 相对于设计值, 有所变化是必然的, 而均不变则倒是偶然的。(14) 、(15) 式解析关系中引入了四个温度变化值, 它们均变成一个七参数方程, 从而使解析关系复杂化。

对于换热器来说, 温度的变化将会引起换热量的变化和换热器平均温度差的变化, 由(6) 式得:

Q 0+ΔQ

K A Δt m Δt m , 0+dt m

(16)

表2　壳程进出口温度变化

类别12

Δt 2+++

000--Δt 1+0-+0-+0Δt 2-Δt 1

+0-++-0+--代　码N S01N S02N S03N S04N S05N S06N S07N S08N S09NS10式中:Q 0=V t C pt (T 1-T 2) =V s C ps (t 2-t 1)

(17)

ΔQ =V t C pt (ΔT 1-ΔT 2)

=V s C ps (Δt 2-Δt 1)

(18)

对于管程副线调节, (16) 式中Δt m , 0、dt m 分别对应于(10) 式等式右边的第一项和第二项。

忽略由温度变化而引起C p 的微小变化, 由(17) 、(18) 式得温升比例系数:

T 1-T 2

ΔT 1-Δ

T 2

βΔt (193

45678

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　　由(19) 式可知, 温升比例系数β为大于零的常数, 故(20) 式中ΔT 1-ΔT 2与Δt 2-Δt 1的符号必须相同。根据符号一致的原则, 除去ΔT 1、ΔT 2、Δt 1、Δt 2均为零的情况(即N T07-NS 07组合) , 换热器管壳程进出口温度的变化共有58种组合形式, 其中29种产生正偏差, 29种产生负偏差。

在管程走冷气体、壳程走热气体的情况下, 最差的是NS11-NT01组合, 传热推动力Δt m 减小, 要求的换热量又增加, 在相同的温度变化量下, 若换热面积富裕系数满足此温度变化要求, 即可满足其它变化情况; 相反, 所要求的换热面积最小的是NS03-NT13组合, 此时传热推动力Δt m 增大, 所要求的换热量又减少, 若设计的操作副线满足此旁路调节要求, 亦可满足其它变化情况。

(27) 式反映的是:在一定的换热面积富裕系数下, 温度变化与最大操作气量负荷率的关系。等式右边两个分数项中, 第一个是由于温度变化引起换热量变化对操作气量负荷率的影响, 第二个项则是由于温度变化引起换热器平均温度差变化对操作气量负荷率的影响。

当最大操作气量为设计负荷时, 即η1max =时, 由(27) 式得:

T 1-T 2+dt r Δt m , 0

ζ(28) min T 1-T 2Δt m , 0+dt m (28) 式即是在设计操作气量下, 换热面积富裕系数与温度变化的关系, 反映的是对应的温度变化所需要的最小换热面积富裕系数。最小换热面积富裕系数为温度变化引起的换热量变化与换热器平均温差变化两项的乘积。根据温度变化的形式不同, 最小换热面积富裕系数可以大于1、等于1或小于1。

4　温度变化与换热面积富裕系数

根据(16) 式, 当q t =1时, 则由(10) 式可得:Δt m , 0〔T 1+T 2-(t 1+t 2) 〕(22)

2dt m 2〔ΔT 1+ΔT 2-(Δt 1+Δt 2) 〕(23)

dt m 是由于温度变化引起换热器平均温度差的变化量, 是换热推动力变化的特征值, 定义为温度差值。

相应地, 定义温变热值为由于温度变化而引起换热量变化的温度特征值, 用dt r 表示, 定义式为:

　dt r ΔT 1-ΔT 2) +β(Δt 2-Δt 1) 〕

2

由(20) 式, 得:　　　　dt r =ΔT 1-ΔT 2或　　　dt r =β(Δt 2-Δt 1)

(24) (25) (26)

5　实例分析

以某硫磺制酸装置的热换热器为例。热气体为转化器第二段出口气体, 温度由507℃降至447℃进转化器第三段转化; 冷气体由360℃加热升温至437℃进转化器进行第二次转化。实际的工艺配管为:热气体走管程, 冷气体走壳程且为壳程副线调节。

若由于转化器第一段催化剂活性的降低使得第一段分转化率下降, 拟通过调节转化器第三段进口温度来增大第三段的分转化率, 从而弥补前两段的所失。

设转化器第二段出口温度未变, 即换热器管程进口温度不变, 则ΔT 1=0; 转化器第四段进口温度不变, 则换热器壳程出口温度不变, 即Δt 2=0。由(20) 式得ΔT 2=βΔt 1, 其中β=(507-447) /(437-360) =0. 78。因此, 有dt r =-ΔT 2、dt m =0. 14dt r 。这是换热量变化而换热器平均温差基本不变的情况。

将以上各参数代入(28) 式, 可得到具体的关系式。图2反映的就是由于温度变化引起换热量变化而使得所需的最小换热面积富裕系数变化的, 对于温度的变化, 可引起温变差值、温变热值同时变化, 或只引起其中一个变化, 其取决于温度变化的组合形式。

由(14) 式, 或者由(15) 式及(19) 式, 当完全不需要开启副线旁路时, 即当q t =1及q s =1时, 其操作气量负荷率就是该换热器的最大操作气量负荷率。

T 1-T 2Δt m , 0+dt m 0. 44

ηmax =T 2t (27)

丁　华　　转化过程气体换热器的副线调节性能———温度的影响·9·

变化为10℃(即dt r =10℃) 时, 换热器就需要有15%的富裕换热面积; 反之, 若温度变化使温变热值为-10℃,则由于换热量的减少可得到约18%的换热面积的富裕

。

=0, 相应有Δt 1=Δt 2, 由此得到dt m =ΔT 1-Δt 1。根据(28) 式, 可以得到由于温度变化引起换热器平均温差改变而使得所需的最小换热面积富裕系数变化的曲线关系(见图4) 。当温度变化使换热器平均温差减少10℃,即dt m =-10℃时, 换热器就需要有15%的富裕的换热面积。

图2　最小换热面积富裕系数随温变热值的变化

对于实际运行的装置, 其换热面积已经确定, 此时, 温度变化将引起换热器副线率的变化。根据(15) 式, 壳程副线调节且当换热面积富裕系数为1. 2时, 不同温度变化条件下的操作气量负荷率与副线率的关系见图3。由图3可见, 温度变化对副线率的影响是很大的, 在同一操作气量下, 随着温变热值的增大, 壳程副线率减小; 随着操作气量负荷率的降低, 该副线率减小的速率也随之变小

。

图4　最小换热面积富裕系数随温变差值的变化

图2、图4分别是温度变化引起换热量变化和温度变化引起换热器平均温差变化对最小换热面积富裕系数的影响关系。若是温度变化既引起换热量的增加又引起换热器平均温差的减少, 该影响更加显著, 即使是5℃的变化(dt r =5℃和dt m =-5℃) , 也就需要约16%的富裕换热面积来承担此变化。

可见, 温度变化对换热面积富裕系数的影响是非常显著的。也就是说, 当换热面积富裕系数一定时, 温度变化对换热器副线调节性能的影响是非常显著的, 实际生产中可利用这一特性来增强换热器对工艺变化的适应性。

6　结论

对于服从K ∝V t

0. 56

指数关系的逆流换热的

转化过程气体换热器, 操作气量负荷率、管壳程气量副线率以及换热面积富裕系数与换热器管壳程进出口温度变化值之间的关系仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。管壳程进出口温度变化值4个参数中仅3个是独立的。管程和壳程进

图3　操作气量负荷率与副线率的关系若在调低第三段进口温度的同时, 转化器第

ΔT 2r

出口温度变化各有9类13种, 可有58种组合形式, 其中产生正、负偏差各占一半。

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热量变化和温度变化引起的换热器平均温度差变化这两部分的乘积, 相应用温变热值和温变差值这两个参数来表示4个温度变化量的综合特征。实例表明, 温度变化对换热面积富裕系数的影响是非常显著的, 特别是当温度变化同时引起换热量增加和换热器平均温差减少的情况, 可利用这一显著影响来增强换热器副线调节性能对工艺变化的适应性。

符号说明

A ———实际换热面积, m 2; A n ———理论需要的换热面积, m 2; C ———常数;

C p ———气体平均恒压比热容, J /(kg ·K ) ; dt m ———温变差值, ℃;dt r ———温变热值, ℃;

K ———总传热系数, W /(m ·K ) ; Q ———换热量, W ;

q ———(管、壳程) 气体通过率; 1-q ———副线率;

T 1、T 2———管程气体进、出口温度的设计值, ℃;

2

T 2′———管程调节时管侧出口实际温度, ℃;t 1、t 2———壳程气体进、出口温度的设计值, ℃;V ———(管、壳程) 总气量, kg /s ;

V t 1、V t 2———管程副线、换热器管侧气量, kg /s ; ΔQ ———换热量的变化量, W ;

ΔT 1、ΔT 2———管程气体进、出口温度的变化值, ℃;Δt 1、Δt 2———壳程气体进、出口温度的变化值, ℃;Δt m ———换热器平均温度差, ℃;β———温升比例系数; η———操作气量负荷率; ζ———换热面积富裕系数; 下标:“0”代表设计值;

“max ”代表最大; “min ”代表最小; “s ”代表壳程; “t ”代表管程。

〔参考文献〕

〔1〕　丁华, 汤桂华. 转化系统气体换热器总传热系数及

压降的统计关联式〔J 〕.硫酸工业, 1997, (4) :13-16.

〔2〕　丁华. 转化过程气体换热器的副线调节性能———

操作气量的影响〔J 〕.硫酸工业, 1999,(6) :15-19.

制酸系统爆炸事故分析及防范

白银有色金属公司冶炼厂硫酸车间共有5套铜冶炼烟气制酸系统, 其中1～3系统处理50m 2白银熔池熔炼炉(简称白

22

银炉) 和转炉混合烟气, 4系统处理部分上述烟气与100m 白银炉烟气的混合烟气, 5系统处理100m 白银炉烟气。1999年5月4日制粉工段用压缩空气输送粉煤时, 由于粉煤仓压力放散管堵塞未被及时发现, 粉煤仓压力由正常的≤40Pa 升至260Pa 左右, 导致大量的粉煤在高压作用下通过燃烧器喷入100m 2白银炉内, 造成“跑粉”事故〔习惯用语, 即大量粒度200目、w (C ) ≥70%、燃点210℃的粉煤被压缩空气吹入炉内〕。由于燃烧风量不变, 造成炉内缺氧, 在1250℃的高温下, 燃烧产物全部以CO 形式存在, 并且未燃烧的粉煤被烟气带入废热锅炉、电收尘器继续燃烧生成CO , 从而使烟气组分发生突变。4系统干燥塔、一级电除雾器内烟气中CO 、O 2的浓度达到CO —O 2—N 2三元混合物爆炸极限, 遇到电除雾器产生的电火花发生爆炸, 造成4系统两台并联的一级电除雾器(M 174管、PVC 制) 上下气箱粉碎性解体、部分阳极管破裂、极线报废, 干燥塔除沫器严重凹陷、脱落, 转化器一段催化剂上部烧结、下部失去活性; 5系统CO 浓度虽然也很高, 但O 2含量较低, 只是发生剧烈的放热反应造成转化器一段催化剂全部烧结, 二段催化剂上部烧结、下部失去活性, 部分管线及仪表损坏。

根据安全生产“三不放过”的原则, 在查明事故原因以后, 为了防止类似事故的发生, 采取了如下措施:a . 　粉煤仓安装压力报警和紧急放散装置。当压力≥45kPa , 声光报警; 当压力≥50kPa , 自动打开紧急放散装置并关闭送粉压缩空气阀。b . 　在电收尘器入口烟道安装CO 监测仪。当φ(CO ) ≥10%时, 声光报警, 岗位操作工打开放空阀, 烟气排空, 同时关闭电收尘器入口阀。c . 　在一级电除雾器上气箱开两个 800mm 的防爆孔。

d . 　加强车间之间、工段之间的协调、联系工作, 确保安全生产。e . 　加强职工的技术、技能教育和培训, 提高技术水平和紧急应变能力; 强化岗位人员责任感, 保证安全生产。在事故发生后一年的生产中, 又发生了几次跑粉事故, 由于制订的防范措施得力, 从而避免了类似事故的发生。

(白银有色金属公司　张文红)

英　文　摘　要·57·

ABSTR ACTS

Application of advanced technology and reliable equipment to guarantee a lon g -term an d smooth operation of sulphuric acid plant ……………

…………………………Zhao Zeng -tai (1) The characteristics and operation of introduced SO 2blower , strong acid pum p , stainless steel con -verter , stainless steel gas -gas exchanger , fibre mist eliminators and catalyst are described . I t ' s indicat -ed that application of adv ance technology and reli -able equipment is the key to guarantee a long -term and smooth operation of sulphuric acid plant . 〔Key words 〕　Equipment ; Selection operation ; Sulphuric acid plant

Adjusting performance of bypass of gas -gas heat exchanger in conversion section —Effect of temperature ……………………DING Hua (5) Quantitative analytical relations fo r operating g as flow ratio , bypass ratio on shell and tube sides and redundance of heat exchange area versus tem -perature at inlet and outlet of heat exchanger are deduced for shell -and -tube gas heat exchanger hav -ing segmental baffles and tube bundles in dual seg -mental configuration . They are only the function of temperature at inlet and outlet of heat exchangers . There are 58types of combination of tem perature change at inlet and outlet of heat ex changers . Min -imum redundance rate of heat exchange area is the product of variation of heat flux and mean tem pera -ture difference of heat exchanger caused by temper -ature change .

〔Key words 〕　Sulphuric acid plant ; Conversion section ; Gas -g as heat exchanger ; Bypass adjust -ment ; Analy tical relation A stu dy on the fluid dynamics and m ass transfer

performance of rotatin g packed -bed usin g the concentric ring wave form disk plate ………JIAN Qi -fei , DENG Xian -he , ZHANG Ya -jun (11)

The gas pressure drop and mass transfer per -form ance in the rotating packed -bed using the con -centric ring w ave form disk plate with three differ -ent plate distance in both dry and wet bed versus operation condition has been ex perimentally mea -

sured . The results show that the gas pressure drop in the ro tating packed -bed with the concentric ring w ave form disk plate is only 20%(dry bed ) and 40%(w et bed ) of that with porous medium packed -bed and the volumetric m ass transfer coeffi -cient k L a in the ro tating packed -bed using the con -centric ring w ave form disk plate is 1. 9～2. 5times that in the rotating packed -bed with porous medi -um packed -bed .

〔Key words 〕　Rotating packed -bed ; concentric ring w ave form disk plate ; performance of mass transfer

Manufacture of waste heat boiler for a 300kt /a sulphur -burning sulphuric acid system ………

………………………………XU Wei (31) The w aste heat boiler fo r a 300kt /a sulphur -burning sulphuric acid unit , including horizontal duct forced -cirdulating w ater tube boiler installed at dow n stream of the sulphur -burner , vertical duct steam superheater connected with the outlet of the first bed of converter , and vertical duct low tem -perature superheater connected with the outlet of the fourth bed of converter , generates 3. 82MPa , 450℃steam . M aterial selection , manufacture and quality control of the w aste heat boiler are dis -cussed .

〔Key words 〕　Waste heat boiler ; S tructure ; Man -ufacture ; Sulphuric acid plant Technical retrofitting and operation of Jinlong C opper ' s waste acid and sewa ge disposal pro -cess ……………………………………………

…WANG Wei -dong , LIANG Hai -w ei (38) Jinlong Copper ' s w aste acid and sew age dis -posal system adopts w aste acid neutralizatio n by lime to produce gy psum , precipitation of Cu , As by adding sodium sulphide in tw o continuous stages , and discharge w ater neutralization by lime . It is capable of treating 280m 3/h w aste acid and 600m 3/h sew age . Qualified ratio of w aste w ater discharge is ≥95%.The leakage at inlet and out -let of press filter , deficient capacity of feeding pump of press filter , frequent breakdow n of lime feeding pump and low efficiency of press filter oc -curred in operation , and corresponding retrofitting measures were taken w ith satisfactory effect .

〔Key words 〕　Sew age disposal ; Operation ; Retrofit