一種高效除塵脫硫一體化設(shè)備的應(yīng)用研究
鍋爐燃煤是造成大氣污染的根本原因之一, 煤中可燃性硫及硫化合物在燃燒時(shí)生成 SO2和 SO3，是形成二氧化硫和酸雨的主要來(lái)源。目前,我國(guó)鍋爐約50 多萬(wàn)臺(tái),其中:中小型鍋爐 (1～35 t/h)約占 80 %，SO2 的排放量占鍋爐燃煤排放量的 1/3。煙氣除塵脫硫則是現(xiàn)階段控制 SO2 和煙塵排放量的主要方式。
針對(duì)我國(guó)中小鍋爐較多的現(xiàn)狀，有多種濕法除塵脫硫一體化設(shè)備已經(jīng)投入使用，但幾乎都存在脫硫效率低，設(shè)備阻力大，投資運(yùn)行成本較高等缺點(diǎn)。為此，研究和開(kāi)發(fā)了一種高效除塵脫硫一體化設(shè)備。
高效除塵脫硫一體化設(shè)備研究目標(biāo)和內(nèi)容
高效除塵脫硫一體化設(shè)備應(yīng)適用于中小型鍋爐和相當(dāng)容量工業(yè)窯爐、垃圾焚燒爐的煙氣除塵、除SO2 和其他有毒有害氣體的一體化凈化裝置。要求設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝操作方便，自動(dòng)化程度高。占地面積小，噴淋洗滌液能夠做到全封閉循環(huán)，沒(méi)有廢水排放，耗水量很少。系統(tǒng)阻力小，運(yùn)行工況適應(yīng)力強(qiáng)，煙氣凈化后沒(méi)有夾霧帶水現(xiàn)象，設(shè)備材質(zhì)具有耐腐蝕性、 耐磨、耐高溫的性能，使用壽命長(zhǎng)。除塵效率能達(dá) 98%以上，煙塵濃度小于100 mg/m3，除 SO2 效率能達(dá)80 %以上。設(shè)備價(jià)格適中，不高于現(xiàn)有除塵脫硫一體化設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)格，有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 在研制過(guò)程中必須解決如下幾個(gè)內(nèi)容：
(1)除塵脫硫一體化設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
(2)設(shè)備負(fù)荷穩(wěn)定性的研究；
(3)飄塵捕集效應(yīng)的研究；
(4)煙氣脫水的研究。
工藝路線分析
中小型鍋爐煙氣是從鍋爐省煤器引出后的氣固混合物，組分一般包括 N2、O2、CO2、SO2、NOX、水蒸氣等氣體并攜帶大量細(xì)微粉塵；狀態(tài)一般為：微負(fù)壓，溫度在150 ℃～250 ℃。 濕法除塵脫硫的工藝路線多為如圖1所示的流程順序。
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在洗滌吸收設(shè)備中，首先對(duì)高溫含塵鍋爐煙氣進(jìn)行噴淋洗滌，這里是工藝過(guò)程中的核心步驟，完成對(duì)氣體的吸收和降溫，使氣 -固混合物變成氣 -液 -固三相混合物。吸收主要通過(guò)氣液混合傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，降溫主要通過(guò)氣液固混合傳熱，以噴淋液溫度的升高和水的蒸發(fā)來(lái)達(dá)到降溫目的，降溫有利于氣體的吸收。然后經(jīng)過(guò)噴淋洗滌后的氣液固三相混合物進(jìn)入氣液分離設(shè)備，完成氣液和氣固的分離操作，凈化后的煙氣經(jīng)煙囪排出，液固混合物加入吸收劑再生，并產(chǎn)生部分固體沉淀，然后進(jìn)入液固分離設(shè)備，分離后的液體用循環(huán)泵打入洗滌吸收設(shè)備。
除塵脫硫一體化設(shè)備工藝系統(tǒng)
提高脫硫效率的關(guān)鍵：一是氣液混合是否充分，二是氣體在吸收設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，即氣液接觸反應(yīng)時(shí)間。除塵效率的關(guān)鍵是氣液分離的效率。綜合除塵和脫硫的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)了如圖 2 所示的高效率除塵脫硫一體化工藝系統(tǒng)。
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如圖所示，除塵脫硫一體化設(shè)備由噴淋管道、多通道組合文丘里滌氣器、上下導(dǎo)旋籠柵、除霧器和主體外殼等構(gòu)成。導(dǎo)旋芯管采用不銹鋼材質(zhì)，其他部位可根據(jù)用戶需要采用不銹鋼或碳鋼噴涂特種涂料。該設(shè)備根據(jù)氣液傳質(zhì)理論和流體力學(xué)理論，綜合了液相噴淋洗滌、組合文丘里、離心力分離、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使氣液固三相接觸混合和分離脫水都達(dá)到比較高的效率。
煙氣在進(jìn)入高效除塵脫硫一體化設(shè)備之前的煙道中基本是處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在進(jìn)入主體設(shè)備前端的噴淋管道和多通道組合文丘里后，設(shè)備的結(jié)構(gòu)使流體由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟\(yùn)動(dòng)，因?yàn)橥牧魇且愿哳l擾動(dòng)旋渦為特征的三維運(yùn)動(dòng)，使固、液、氣三態(tài)物質(zhì)最大程度地混合，從而接近混沌狀態(tài)。這樣才能增大氣、液態(tài)物質(zhì)，即 SO2、NOx等有害氣體分子和H2O的碰撞機(jī)率，增大粉塵顆粒和水粒的撞擊、攔截以及凝聚的機(jī)率。多通道組合文丘里起到增大高頻渦旋的作用，而且阻力小，氣流沖擊著水滴在慣性和重力作用下猶如雪崩現(xiàn)象，因此在噴淋管道和組合文丘里中，微堿性洗滌液對(duì)煙氣進(jìn)行充分的洗滌。
煙氣經(jīng)過(guò)組合文丘里進(jìn)入水平噴淋管道，管道中分布著螺旋無(wú)堵塞噴咀，噴淋液體從噴咀出來(lái)后形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)面進(jìn)而分散成小液滴，布滿在實(shí)心錐形的空間內(nèi)，每個(gè)小水滴都有一個(gè)初始速度，這與氣流的方向和速度都不一樣，就形成一個(gè)相對(duì)速度，使氣流再次受到外力作用，使已經(jīng)減弱了的湍流運(yùn)動(dòng)再次加強(qiáng)，氣流在水平管道中第二次被洗滌，小液滴將氣流中顆粒和氣態(tài)物質(zhì)再次捕獲。
煙氣通過(guò)水平管道第二次洗滌后，被加速進(jìn)入凈化器主體設(shè)備中，由于煙氣從筒體切向進(jìn)入，此時(shí)煙氣開(kāi)始作圓周運(yùn)動(dòng)，由原來(lái)的湍流運(yùn)動(dòng)變?yōu)槎S的渦旋，大的固體顆粒和液滴碰到籠柵的柵葉上再次被捕獲，只有旋轉(zhuǎn)到與籠柵切線方向的縫隙位置時(shí)才能允許氣流通過(guò)。 湍流運(yùn)動(dòng)在這種結(jié)構(gòu)下變?yōu)閷恿，這樣極為有利于液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)分離出去，氣流進(jìn)入籠柵后，切向旋轉(zhuǎn)速度增大，從下筒體氣流中帶上來(lái)的水滴在這種離心力作用下，極有利于分離。SO2 氣體不斷地被吸收到固、 液小顆粒和容器壁上，被吸收后的 SO2 變成離子狀態(tài)，顯酸性，溶入液滴后就服從氣液非均一相體系的凈化規(guī)律，受到離心力、 擴(kuò)散力，攔截作用等被捕獲下來(lái)。在設(shè)備上部還設(shè)有除霧器，再次將細(xì)小霧滴和部分凝結(jié)水脫去。
綜上所述，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 參數(shù)確定的技術(shù)路線是從理論上研究清楚氣、液、固三態(tài)物質(zhì)混合相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)作用所必須遵循的流體力學(xué)規(guī)律，在設(shè)備的設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)了遵循理論規(guī)律和充分運(yùn)用這些規(guī)律，參數(shù)設(shè)計(jì)中參考多種學(xué)科已有成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取其長(zhǎng)處，完善設(shè)計(jì)，使設(shè)備性能達(dá)到預(yù)期的效果。
高效除塵脫硫一體化設(shè)備的性能指標(biāo)
(1)煙氣林格曼里度< 1 級(jí)
(2)除塵效率 > 98 % 排塵濃度 < 100 mg/m3
(3)除二氧化硫效率>80 %
(4)凈化器主體阻力< 1500 Pa
(5)液氣比 2～3 l/m3
(6)耗水量 < 0.013～0.018 l/m
(7)噴淋液PH控制范圍 7±1
3 工程實(shí)例及分析
該高效除塵脫硫一體化設(shè)備經(jīng)中試和放大后，已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)鍋爐煙氣脫硫工程，如某化工廠 4 t/h 鍋爐除塵煙氣脫硫工程、某水務(wù)有限公司兩臺(tái) 6 t/h 鍋爐煙氣除塵脫硫工程、天津某焊條有限公司 2 t/h 窯爐煙氣除塵脫硫工程等。工程中，經(jīng)過(guò)凈化后的煙氣粉塵和 SO2 濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)，且除塵脫硫效率都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。表一和表二為某水務(wù)有限公司 6 t/h 鍋爐煙氣凈化效率的測(cè)試數(shù)據(jù)，其中 SO2 濃度、 NOx濃度的測(cè)定儀器是 GA60(美國(guó))。從表中測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，除塵效率大于98 %，脫硫效率達(dá)到 90 %左右，脫氮效率大于 50 %。
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