淺析危廢焚燒急冷塔的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

戴必榮 戴尚武

（鹽城市華安化學(xué)工程有限公司，江蘇 鹽城 224001）

目前，我國危險(xiǎn)廢棄物處置技術(shù)中，以焚燒法處置技術(shù)的應(yīng)用最為普遍，該技術(shù)在處置過程中，對于危險(xiǎn)廢棄物減容減重效果顯著，適應(yīng)我國危險(xiǎn)廢棄物處置的國情，因此在近些年該技術(shù)在我國的應(yīng)用得到飛速發(fā)展。然而，在危險(xiǎn)廢棄物焚燒處置過程中也會(huì)產(chǎn)生一定量的有害物質(zhì)（如：NOx、SO2、HCl、HF、二噁英等），如果不對焚燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行凈化，將會(huì)產(chǎn)生二次污染。在這些有害物質(zhì)中，以二噁英對環(huán)境的危害最為顯著，控制煙氣中二噁英是最重要的一環(huán)，其作用過程是將煙氣在1秒內(nèi)，使其溫度從高溫（＞500℃）冷卻至低于200℃，從而避開二噁英在煙氣中再生成的溫度區(qū)間[1,2,3]，以此方法抑制二噁英的生成量。用以實(shí)現(xiàn)上述過程的設(shè)備為急冷塔。目前對于急冷塔的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行系統(tǒng)闡述的較少，筆者結(jié)合急冷塔的設(shè)計(jì)思路，以及經(jīng)歷觀察急冷塔實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，對急冷塔的設(shè)計(jì)與運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化，對急冷塔的設(shè)計(jì)提出一些淺析。

1 設(shè)計(jì)條件

來自余熱鍋爐的高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣急冷塔，急冷塔入口煙氣溫度500℃，出口煙氣溫度＜200℃。噴霧裝置由煙氣冷卻系統(tǒng)和噴槍噴嘴組成。該煙氣冷卻系統(tǒng)是設(shè)計(jì)用于將一定進(jìn)口溫度范圍和進(jìn)口流量范圍的煙氣冷卻到期望的一個(gè)出口溫度范圍內(nèi)。進(jìn)口溫度和出口溫度由熱電偶檢測，可以在最大最小條件間調(diào)節(jié)。霧化噴頭靠壓縮空氣完成雙流霧化，其結(jié)構(gòu)為雙層夾套管，急冷水走內(nèi)管，壓縮空氣走外管，急冷水與壓縮空氣在噴嘴處強(qiáng)烈混合后從霧化器噴嘴噴出，使急冷水霧化為細(xì)小的顆粒，與煙氣進(jìn)行充分接觸與換熱。煙氣的熱量使霧化水滴蒸發(fā)。流經(jīng)塔內(nèi)的煙氣直接與霧化液滴接觸，傳質(zhì)速度和傳熱速度較快，噴入的液體迅速汽化帶走大量的熱量，煙氣溫度得以迅速降溫，從面避免了二噁英類物質(zhì)的再次生成。另外由于所處環(huán)境為高溫?zé)煔?，而且煙氣中還有酸性氣體，設(shè)計(jì)噴槍材質(zhì)采用耐腐蝕耐高溫不銹鋼，并帶水夾套（或空氣）進(jìn)行保護(hù)。在急冷塔中，噴霧系統(tǒng)可以根據(jù)出口煙氣溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)噴水槍的噴水量，保證急冷塔出口溫度維持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。工作時(shí)，水箱中的水經(jīng)過過濾器過濾、水泵增壓，再由水路調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力和流量后送入噴槍；在噴槍中由于有壓縮空氣霧化，水被霧化成非常細(xì)小的顆粒，霧化顆粒在高溫?zé)煔庵醒杆僬舭l(fā)，吸收煙氣的大量熱量，使煙氣迅速降低溫度并維持在一定溫度范圍內(nèi)，當(dāng)出口煙氣溫度不在設(shè)定的工作范圍時(shí)，急冷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)供水壓力、噴水量等相關(guān)參數(shù)，從而使煙氣溫度保證在工作范圍內(nèi)，這些功能在相關(guān)程序控制器中實(shí)現(xiàn)。不會(huì)發(fā)生“過噴”和“欠噴”現(xiàn)象。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)置了水泵出口壓力過高保護(hù)、防止水泵干運(yùn)轉(zhuǎn)、過濾器在工作狀態(tài)下在線檢查清洗等若干功能。特別是當(dāng)噴槍在急冷塔內(nèi)不工作時(shí)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)措施以保證煙氣中的灰塵不會(huì)進(jìn)入噴嘴堵塞噴孔。

2 急冷塔能量平衡和物料平衡

由于采用冷熱流體直接接觸法對煙氣進(jìn)行降溫，可參考水的噴霧干燥模型[4]對急冷塔內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行衡算。典型焚燒煙氣的主要組成，見表1。

表1

計(jì)算思路如下：

（1）忽略塔體的散熱；

（2）以常溫25℃為計(jì)算基準(zhǔn)；

（3）由于霧化水采用雙流體霧化，霧化水的顆粒直徑低至20um（霧化噴嘴在工況下的平均液滴直徑為80um），在500℃工況下的液滴壽命在毫秒級別，可認(rèn)為霧化水與煙氣接觸時(shí)瞬間氣化；

（4）由于進(jìn)入塔體的煙氣中顆粒物濃度較低，忽略急冷過程中煙氣顆粒物的焓變；

（5）高溫?zé)煔鈴?00℃降溫到200℃所放出的顯熱直接轉(zhuǎn)化成霧化水從常溫（25℃）升溫至200℃所需吸收的熱量。

高溫?zé)煔鈴?00℃降溫至200℃放出熱量Q1MJ/h：

Q1=qm1（H1-H2）；

qm1為煙氣進(jìn)口流量kmol/h；

H1為煙氣進(jìn)口焓值kJ/mol（以25℃為基準(zhǔn)）；

H2為煙氣出口焓值kJ/mol（以25℃為基準(zhǔn)）；

霧化水從25℃升至200℃吸收熱量Q2MJ/h：

Q2=qm2（H2'-H1'）；

qm2為霧化水流量kmol/h；

H1'為霧化水進(jìn)口焓值kJ/mol（以25℃為基準(zhǔn)）；

H2'為霧化水出口焓值kJ/mol（以25℃為基準(zhǔn)）；

Q1=Q2

所需冷卻水量qm2

qm2=Q1/（H2'-H1'）

查得高溫?zé)煔忪手挡煌瑴囟认碌撵手等绫?。

計(jì)算所需水量為qm2=1879kg/h

出口煙氣體積流量QV2為12339Nm3/h

平均體積流量Qv3為Qv3=（Qv1+Qv2）/2=11169Nm3/h

平均工況下的體積流量Qv3'=Qv3*(273.15+200)/273.15=19348Am3/h=5.37 Am3/s。

煙氣急冷時(shí)間t=1s。

急冷有效體積V=Qv3'*t=5.37 m3。

塔體計(jì)算：

選擇急冷塔空塔流速v=3m/s；

急冷塔的急冷段高度H=vt=3m；

對應(yīng)塔體內(nèi)半徑d=（V/H/3.14 ）0.5 *2=1.4 m；

塔體材質(zhì)：304不銹鋼；

塔內(nèi)平均操作絕對壓力P總=98Kpa。

圖1 急冷塔設(shè)計(jì)示意圖

3 設(shè)計(jì)的急冷塔在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題與解決方案

在實(shí)際運(yùn)行過程中，急冷塔可以很好地將500℃的高溫?zé)煔庠?秒降至200℃以下，完成了對煙氣進(jìn)行急冷的初步目標(biāo)。但是在運(yùn)行中也出現(xiàn)一些問題：

3.1 急冷塔底部滴水

原因分析：由于設(shè)計(jì)之初未考慮到塔體散熱，導(dǎo)致噴入的水量稍大，由于煙氣溫度的降低以及塔體高度的限制，噴入的這部分霧化水來不及蒸發(fā)而直接滴落在塔底部。

解決方案：清理塔底部，使用調(diào)節(jié)閥減小噴入的霧化水量為原有水量的98%，反復(fù)觀察3h，急冷塔底部未出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，煙氣溫度經(jīng)過急冷后仍然可以降至200℃以下。急冷塔過噴產(chǎn)生的滴水問題得到有效解決。

3.2 塔壁的腐蝕

減小水量急冷后煙氣組成，見表3。

表3

原因分析：由于進(jìn)入急冷塔的煙氣中HCl的含量高達(dá)1400mg/Nm3，急冷后煙氣中水的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)27.7%，急冷后的HCl含量為1188mg/Nm3，經(jīng)過計(jì)算露點(diǎn)腐蝕溫度：[5]

TDP(K)=1000/(3.7368 -0.159 LnPH2O-0.0326 LnPHCl+0.00269 Ln（LnPH2O*LnPHCl）)

其中：PH2O:平衡時(shí)水的分壓，Pa；

PHCl:平衡時(shí)氯化氫的分壓，Pa。

TDP=496.4 K=223℃，在急冷過程中塔體不可避免地會(huì)經(jīng)過該露點(diǎn)腐蝕溫度點(diǎn)。

解決方案：

方案1：降低噴入水量，降低水分分壓，從理論分析來看該方法確實(shí)能夠?qū)煔獾穆饵c(diǎn)腐蝕溫度降低到200℃以下，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看該方法需要大量降低噴入的霧化水量，達(dá)不到將煙氣急冷的效果。

方案2：降低煙氣中HCl含量，采用0.9%的NaOH堿液替代原有的霧化水，在給煙氣急冷的同時(shí)能夠脫酸，將煙氣中的HCl含量降低，從實(shí)際效果來看,塔體運(yùn)行一個(gè)月，經(jīng)過觀測未發(fā)現(xiàn)有塔壁明顯的腐蝕現(xiàn)象，采用該方法確實(shí)能夠極大緩解塔體的露點(diǎn)腐蝕問題[6]。

3.3 塔體堵塔

在解決塔體腐蝕問題中發(fā)現(xiàn)，急冷塔在運(yùn)行兩個(gè)月后，突然出現(xiàn)急冷塔進(jìn)出口壓差增大的現(xiàn)象，拆開塔體人孔發(fā)現(xiàn)，塔體中上部分出現(xiàn)一層結(jié)晶層，經(jīng)過分析該層物質(zhì)主要成分為鹽類物質(zhì)（以NaCl、Na2SO4為主）和灰分等。

原因分析：由于噴入堿液，由于霧化堿液噴霧角度α過大，使得噴入的堿液有碰壁現(xiàn)象（Dc＞D），這些噴入的堿液和煙氣中的酸性物質(zhì)（HCl、SO2）反應(yīng)生成鹽，無形中增大了煙氣中顆粒物的濃度，該結(jié)晶層逐漸由原來的塔壁向塔體中心生長，越結(jié)越厚，導(dǎo)致煙氣通過該結(jié)晶層時(shí)阻力突然變大從而導(dǎo)致急冷塔進(jìn)出口的壓差增大。

解決方案：清理已經(jīng)生成的結(jié)晶層，更換霧化角度較小的霧化噴嘴，經(jīng)過2個(gè)月的不斷觀測，在實(shí)際工況下采用噴霧角度為45°的霧化噴嘴，未發(fā)現(xiàn)急冷塔進(jìn)出口的壓差變大的問題。

結(jié)束語

急冷塔是危險(xiǎn)廢棄物焚燒工藝過程中最重要的設(shè)備之一。目前，國內(nèi)專門的急冷塔的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過熱量平衡先計(jì)算出用水量，再根據(jù)塔體設(shè)計(jì)原則確定塔體容積、直徑與高度。急冷塔的平穩(wěn)運(yùn)行直接威脅著整個(gè)焚燒系統(tǒng)煙氣排放能否達(dá)標(biāo)，筆者針對設(shè)計(jì)出急冷塔在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一些問題，分析出問題產(chǎn)生的原因，提出行之有效的解決方案，直至發(fā)稿時(shí)，急冷塔的運(yùn)行都未再發(fā)生異?；蚬收?。