影響蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕的因素分析

李談教

上海泓濟環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?（上海 200433）

改革開放以來，國家經(jīng)濟的快速發(fā)展為人民帶來了豐富的物質供給，但由于前期生產(chǎn)不太重視環(huán)境保護，給生態(tài)環(huán)境帶來了很大的破壞，以致威脅民眾健康：固體垃圾亂堆放，污水、廢液、廢氣亂排放，全國范圍內(nèi)嚴重的霧霾天氣等。

近幾年，為了實現(xiàn)國人對美好生活的向往，徹底解決這些污染問題，全國各地從上到下都非常重視對環(huán)境的治理和對生態(tài)的修復。在這場改善生態(tài)的戰(zhàn)斗中，涌現(xiàn)了一批環(huán)境治理新技術、新工藝，如：處理有機廢氣的RTO（蓄熱式熱力氧化爐）技術[1]，有機廢液焚燒處理技術，固體廢料回轉窯焚燒處理技術等[2~4]。在通過焚燒的方式來處理有機廢液或固體廢料時，大部分系統(tǒng)都包含蒸發(fā)急冷塔。蒸發(fā)急冷塔在危廢焚燒中應用廣泛，又處于關鍵工藝路徑上，一旦腐蝕穿透，將嚴重影響整個焚燒系統(tǒng)的正常運行。本研究重點對其濕壁腐蝕問題進行分析。

1 蒸發(fā)急冷塔在危廢焚燒系統(tǒng)中的作用

在危廢焚燒系統(tǒng)中，蒸發(fā)急冷塔的主要作用是利用噴霧冷卻技術[5]對焚燒后的高溫煙氣進行急冷，在極短的時間（通常要求是1 s）內(nèi)將高溫煙氣的溫度降至200℃附近，避開二噁英的再生溫度區(qū)域（250~400℃），最大程度地降低焚燒產(chǎn)生的煙氣中二噁英的量，以減輕環(huán)境負擔和二次污染。這也是危廢焚燒系統(tǒng)中去除二噁英的關鍵環(huán)節(jié)。因此，如何確保蒸發(fā)急冷塔的長期穩(wěn)定運行是一個關鍵問題。

2 蒸發(fā)急冷塔出現(xiàn)濕壁腐蝕的因素分析

蒸發(fā)急冷塔是一個圓塔狀設備，主要通過布置在其上部的多支雙流體霧化噴槍將霧化后的水與高溫煙氣充分混合，利用水的瞬間氣化帶走高溫煙氣的大量熱量，來實現(xiàn)對焚燒后的高溫煙氣進行瞬間降溫，對水的霧化主要通過壓縮空氣來實現(xiàn)。蒸發(fā)急冷塔結構簡圖如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)急冷塔結構簡圖

由圖1可以看出，影響蒸發(fā)急冷塔濕壁的主要因素有：噴槍及其布置位置、冷卻水量、壓縮空氣、蒸發(fā)急冷塔尺寸、高溫煙氣等。

（1）噴槍及其布置位置。一般雙流體噴槍由兩部分組成：噴槍主體和噴頭。噴槍主體一般是套管結構，可使2種流體分開通過，端部帶有螺紋，與噴頭連接用。噴頭是多孔帶螺紋結構，可使2種流體按一定比例同時通過。這2種流體以不同壓力同時互不干擾地進入噴槍，在噴頭處相遇，通過撞擊形成細小顆粒。由于噴頭處與蒸發(fā)急冷塔內(nèi)壓差較大，霧化后的顆粒以超音速進入蒸發(fā)急冷塔內(nèi)冷卻高溫煙氣。如果噴頭上的孔由于磨損或腐蝕而變大，那么在原霧化條件不變的情況下，實際的霧化顆粒會變大，霧化效果變差，混合后的煙氣流場和溫度分布場在蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部會發(fā)生偏移。

噴槍布置的位置直接決定霧化顆粒是否有大面積的重疊區(qū)域。如有，則重疊區(qū)域的霧化顆粒會變大，蒸發(fā)時間延長，可能出現(xiàn)蒸發(fā)急冷塔濕底現(xiàn)象。如無，則需要看霧化顆粒對蒸發(fā)急冷塔內(nèi)徑是否全覆蓋，如果不是，則會出現(xiàn)部分高溫煙氣無法瞬時冷卻的工況，導致更多的二噁英生成。

（2）冷卻水量。同一型號的霧化噴槍，如果冷卻水量超過最大設定值，就會導致噴槍的霧化顆粒變大、霧化效果變差的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，在焚燒系統(tǒng)正常運行時，需要均衡地多投用幾只噴槍，以減小單支噴槍的冷卻水量，改善塔內(nèi)霧化冷卻效果。

（3）壓縮空氣。壓縮空氣是作為霧化風存在的。不同的噴頭，其霧化風的壓力和冷卻水的壓力通常具有一定的關系。為得到較好的霧化冷卻效果，可以通過實驗來繪制霧化風和冷卻水的壓力曲線，運行時須遵循該壓力曲線圖，合理調節(jié)霧化風和冷卻水的壓力值和流量值。

（4）蒸發(fā)急冷塔尺寸。蒸發(fā)急冷塔的尺寸必須合理設計。如果蒸發(fā)急冷塔的內(nèi)徑偏小，更易出現(xiàn)掛壁濕壁現(xiàn)象；如果蒸發(fā)急冷塔的高度偏小，更易出現(xiàn)濕底現(xiàn)象。

（5）高溫煙氣。由于多種因素的影響，進入焚燒爐的物料量和熱值是變化的，二者波動較大時，焚燒后的煙氣量也會有較大的波動，為了維持蒸發(fā)急冷塔出口溫度，冷卻水量也會出現(xiàn)較大波動，這時，蒸發(fā)急冷塔內(nèi)的煙氣流場和溫度場會發(fā)生變化，易出現(xiàn)掛壁、濕壁或濕底等現(xiàn)象。

除此之外，設計蒸發(fā)急冷塔時還需要考慮以下幾點內(nèi)容：

（1）高溫煙氣進入蒸發(fā)急冷塔煙道的形狀：最好有5倍直徑的直管段煙道，以改善進入蒸發(fā)急冷塔的高溫煙氣的流場分布，使其與霧化后的冷卻水霧充分混合，且對蒸發(fā)急冷塔不濕壁，也不濕底。

（2）蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部澆注料的選材要求：耐高溫，耐酸堿，耐沖刷。

（3）蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部澆注料的磨損情況：由于高溫煙氣與超音速霧化噴槍噴出的水霧撞擊混合，塔內(nèi)氣流擾動，高速混合煙氣會沖刷塔內(nèi)的澆注料表面，長久會導致塔內(nèi)部局部澆注料層減薄，加快該處塔殼體的腐蝕速率。

（4）蒸發(fā)急冷塔外殼保溫：鑒于蒸發(fā)急冷塔殼體溫度低于酸露點溫度而將對殼體產(chǎn)生酸冷凝腐蝕的情況，需對塔外殼做保溫，使外殼溫度始終高于酸露點腐蝕溫度。

3 蒸發(fā)急冷塔設計時的CFD數(shù)值模擬分析

影響蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕穿孔的因素眾多，且相互聯(lián)系、相互影響。為了確保蒸發(fā)急冷塔在焚燒系統(tǒng)中可長期穩(wěn)定地運行，需要在設計階段進行充分考慮。不僅如此，還需要對蒸發(fā)急冷塔實際工況進行CFD模擬，視塔內(nèi)煙氣流向，分析噴霧液滴和煙氣相互作用的蒸發(fā)降溫過程，跟蹤液滴的運動軌跡，設計噴槍布置方案，降低塔壁積灰、腐蝕的風險，以實現(xiàn)對提出的噴槍布置方案的工程預測。圖2~圖6是對國內(nèi)某企業(yè)新建的廢液焚燒爐系統(tǒng)中蒸發(fā)急冷塔的工況模擬情況（選用5支FM5A-20的霧化噴槍）。

圖2為蒸發(fā)急冷塔設計條件：高溫煙氣由廢液焚燒爐直接進入急冷塔，由雙流體噴槍噴出的霧化水對其進行急冷，要求將煙氣溫度從1200℃降為200℃。

圖3為塔內(nèi)的煙氣流場分布。通過CFD數(shù)值分析可知，120%負荷工況下蒸發(fā)急冷塔塔內(nèi)僅有煙氣的單一氣相基礎流場。塔內(nèi)存在回流區(qū)，且回流區(qū)位于塔的上部，靠近煙氣入口側。

圖4為塔內(nèi)煙氣和噴霧溫度分布情況：蒸發(fā)急冷塔基礎流場處于120%負荷工況，噴霧系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。可以看出，由于煙氣混合的作用，蒸發(fā)急冷塔內(nèi)的回流區(qū)位置發(fā)生了逆轉，主要位于塔主體的中下部，靠近煙氣入口對側。另外，還可以看出蒸發(fā)冷出口溫度為473.9 K（200.8℃），液滴100%完全蒸發(fā)，且出口溫度分布均勻。

圖2 蒸發(fā)急冷塔設計條件

圖3 塔內(nèi)僅煙氣流場分布

圖4 塔內(nèi)煙氣和噴霧溫度分布

圖5 噴霧液滴軌跡跟蹤

圖5為噴霧液滴軌跡跟蹤。在蒸發(fā)急冷塔基礎流場處于120%負荷工況，噴霧系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，對噴霧液滴軌跡的跟蹤數(shù)值分析結果顯示，在當前的霧化噴槍布置方案下，大部分液滴從塔的中央流過，并在塔的直段內(nèi)完成蒸發(fā)。另外，因為霧化噴槍的間距角比較小，噴霧羽流比較集中，會導致局部蒸發(fā)速度稍慢。

圖6為噴霧撞壁風險分析。在蒸發(fā)急冷塔基礎流場處于120%負荷工況，噴霧系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，噴霧撞壁風險的分析結果顯示：（1）在當前霧化噴槍的布置方案下，塔壁上會有零星幾個點因為噴霧的飛濺而產(chǎn)生暫時性沾濕，噴霧撞壁的極大值為0.0024 kg/m3，整體可以實現(xiàn)完全蒸發(fā)。（2）考慮到目前的分析是基于120%的極限工況進行的，在常規(guī)（100%）工況下，可以認為目前的噴槍布置方案是安全妥當?shù)?。?）噴槍在長期工作后可能因為發(fā)生堵塞或者磨損，使得霧化性能變差，從而出現(xiàn)壁面沾濕現(xiàn)象，造成壁面腐蝕，為了避免這種情況，可以加強對塔體上半部分的防腐處理。

圖6 噴霧撞壁風險分析

4 蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕穿孔的解決方案

對于蒸發(fā)急冷塔外壁出現(xiàn)的濕壁腐蝕穿孔現(xiàn)象，需要在焚燒系統(tǒng)停車或大修期間對有濕壁腐蝕穿孔的區(qū)域進行修補，具體方案如下：

（1）拆掉蒸發(fā)急冷塔外保溫，仔細檢查塔體外殼，標記穿孔位置。

（2）測量蒸發(fā)急冷塔外殼壁厚。根據(jù)腐蝕穿孔的位置，沿著蒸發(fā)急冷塔軸向，多取不同高度的截面測量壁厚，每個截面沿著塔體徑向取8～12個點測量并記錄壁厚值。

（3）對測量的壁厚值進行分析，判斷出蒸發(fā)急冷塔外殼腐蝕區(qū)域的大小及需要維修的區(qū)域。

（4）檢測蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部澆注料，清除掛壁，并將外殼腐蝕穿孔區(qū)的澆注料敲掉。

（5）切割蒸發(fā)急冷塔外殼上的腐蝕穿孔區(qū)域，更換并焊接新的殼體鋼板。

（6）給新?lián)Q的殼體鋼板內(nèi)部焊接錨固釘，重做澆注料，然后完成烘爐。

5 結語

通過對蒸發(fā)急冷塔的用途說明，詳細分析了影響蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕的各個因素，并提供了出現(xiàn)濕壁腐蝕穿孔時的解決方案，以及設計時的CFD數(shù)值模擬結果分析。蒸發(fā)急冷塔作為一種噴霧急冷設備，可大大減少二噁英的生成。其長久穩(wěn)定運行，離不開日?？茖W合理的運營管理和維護。伴隨著廢液或固廢焚燒處理技術的快速發(fā)展，蒸發(fā)急冷塔將會有更加廣闊的應用空間。