對噴流除塵在噴霧冷卻系統中的應用

魏 南，鄭明剛，葛雙好

（山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101）

0 引言

通常情況下，由焚化爐、熔融爐或還原爐排放的高溫煙氣需要進行冷卻處理[1]。冷卻處理就是將高溫煙氣的溫度調整到適當的值，作為后續過程中鍋爐的熱源；或者將高溫煙氣降到等于或小于集塵器允許的溫度極限，經集塵器除塵后排放到大氣環境中。焚化爐或熔融爐排放的高溫煙氣被導入冷卻塔，在冷卻塔內，通過洗滌器和冷水霧化將高溫煙氣冷卻除塵。國內外常用的高溫煙氣冷卻方式是直接冷卻，就是將霧化的水與高溫煙氣直接接觸，使細小的液滴在高溫煙氣中迅速汽化，將煙氣中的顯熱變成水蒸氣的潛熱，達到降溫的目的[2]。

然而，在冷卻塔中通過冷卻水噴霧使高溫煙氣降溫會產生附著物。這些附著物粘附在冷卻塔內壁上將引起危害。我們的目標是將高溫煙氣冷卻到期望溫度的同時，有效的抑制附著物在冷卻塔內壁的粘附[3]。

1 高溫煙氣處理工藝流程及設備簡介

1.1 工藝流程

高溫煙氣處理工藝流程如圖1 所示。轉底爐是高溫煙氣的氣源。轉底爐排出高溫煙氣后，經煙道導入冷卻塔的底部。在冷卻塔中，高溫煙氣經過對噴流除塵和冷卻水噴霧冷卻。這兩種方式使高溫煙氣中的固體粉塵被分離沉淀和收集，易揮發/熔融組分凝固。冷卻后的煙氣經煙道導入布袋除塵器，在除塵器中，煙氣攜帶的凝固的易揮發/熔融組分被分離和收集。經過上述處理的煙氣經煙道，由煙囪排入大氣[4]。

圖1 高溫煙氣處理工藝流程圖Fig.1 The technological process of high-temperature flue gas treatment

1.2 設備

（1）噴霧冷卻系統。噴霧冷卻系統的基本原理就是往高溫煙氣中噴入用空氣霧化的細小液滴（平均直徑為50～70μm），當被霧化的液滴與高溫煙氣混合后，使液滴在一定空間內瞬間完全蒸發，從而達到煙氣冷卻的目的[5]。

噴霧冷卻系統由雙流體噴槍、泵站部分和控制部分組成。雙流體噴槍是冷卻水霧化的關鍵設備，如圖2 所示。

圖2 雙流體噴槍Fig.2 Two-fluid lance

泵站部分由供水管路、供氣管路和排放管路組成。供水管路根據系統需要向噴槍供水。供氣管路根據噴槍的工況要求提供一定壓力的壓縮氮氣。供水管路和供氣管路都設有備用管路，當正常工作的管路出現故障時，系統會自動切換至備用管路，保證系統正常運行。當系統停止工作時，排放管路用來排空管路中的殘留水[6]。

控制部分由PLC、觸摸屏、溫度檢測單元和壓力開關等組成。當高溫煙氣量不穩定時，除了根據冷卻塔出口設定的溫度調節水量外，還需要根據冶煉的鼓風量和冷卻塔的入口溫度進行前饋控制。噴霧冷卻系統如圖3 所示。

（2）布袋除塵器可以去除粉塵等顆粒物。經過冷卻處理的高溫煙氣從布袋除塵器的下部進入，由下向上流動，當含塵煙氣經過濾袋時，粉塵等顆粒物被過濾，并附著在濾布上。隨著粉塵在濾布表面的積聚，除塵器的效率和阻力都相應的增加，當濾布兩側的壓力差很大時，會把已經附著在濾布上的細小粉塵擠壓過去，降低除塵效率。因此，要定期對濾布進行清灰。布袋除塵器結構簡單、維護方便、除塵效率高，特別是對小于2μm 的煙塵的捕集是其他除塵器不能相比的；處理煙氣量的范圍廣；對粉塵特性不敏感，不受粉塵比電阻的影響。

圖3 噴霧冷卻系統示意圖Fig.3 Spray cooling system diagram

2 冷卻塔內高溫煙氣的對噴流除塵和噴霧降溫

2.1 冷卻塔內的高溫煙氣的對噴流除塵

對噴流除塵技術利用煙氣中的粉塵在撞擊區內來回振蕩、相互碰撞并團聚的機理進行除塵[7]。兩股煙氣相向流動，由四個支路入口進入，從而增加了粉塵在撞擊區的停留時間，有利于粉塵之間的相互碰撞和團聚[8]，如圖4 所示。

在煙道內采用阻尼器技術，使各支路入口的高溫煙氣流速、流量相等。在中間相互碰撞后，使粉塵在撞擊區內來回振蕩，形成高濃度區，從而在中心區相互碰撞團聚。而含塵煙氣在撞擊面上的碰撞使得氣流的軸向速度逐漸消失，引起高溫煙氣水平動能的消耗，改變流向，在冷卻塔中形成了無旋流和渦流的向上均勻氣流[9]。最后，一部分團聚后的較重粉塵由于重力作用而沉降下來，由冷卻塔底部的排出口排出，剩下較輕的粉塵則被上升氣流帶走[10]。

圖4 冷卻塔入口截面圖Fig.4 Inlet section of cooling tower

2.2 冷卻塔內的高溫煙氣的噴霧降溫

雙流體噴槍安裝在冷卻塔高溫煙氣入口的上部0.5m處，噴射方向與向上的煙氣氣流流向相同。雙流體噴槍霧化效果非常好，霧化液滴的索特平均直徑（SMD）可以達到50～70μm，蒸發迅速。高溫煙氣夾帶細小的霧化液滴向上流動，延長了霧化液滴冷卻高溫煙氣的有效時間，使高溫煙氣快速的冷卻。煙氣中易揮發/熔融組分的溫度被迅速降到等于或低于氣化點或熔點，從而液化或凝固，然后隨煙氣從冷卻塔頂部的出口排出。有效阻止了易揮發/熔融組分在冷卻塔內壁上的粘附。

3 冷卻塔內煙氣溫度分布

在實驗中，轉底爐排出的高溫煙氣為29301Nm3/h，溫度為287℃，含塵量為11.4g/Nm3。向高溫煙氣中噴射25℃的水和壓縮空氣，水量為1.38m3/h，氣量為426Nm3/h。高溫廢氣被冷卻到190℃從冷卻塔頂部的出口排出。冷卻塔內煙氣的溫度分布如圖5 所示。

冷卻塔內部的中心區域是低溫區160～180℃，內壁的附近區域是200℃或更高。在該溫度范圍內，高溫煙氣中的易揮發/熔融組分被有效的冷卻液化或凝固，從而被排出。冷卻塔內壁附近的較高溫度區域有效的阻止了易揮發/熔融組分粘附在冷卻塔內壁，效果良好。

4 結論

圖5 冷卻塔內部截面溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution of the cooling tower internal section

在高溫煙氣處理過程中，通過運用對噴流技術和噴霧冷卻技術，在保證高溫煙氣迅速冷卻的同時，有效防止了易揮發/熔融組分在冷卻塔內壁的粘附。實驗結果與實際工況基本吻合，達到了預期目標。

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[2] 章傾泰.黃雜銅陽極精煉煙氣的收塵[J].有色冶金設計與研究，1995，4.

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[9] Hirofumi Tsutsumi, Yutaka Miyakawa, Tadashi Yaso. TREATMENT METHOD FOR HIGH-TEMPERATURE EXHAUST GAS [P]. United States: US 2010/0107939 A1, May 6, 2010.

[10] 李雪，陳海焱，韋愛勇. 對噴流除塵技術的研究進展[J].化工機械，2008，1.