对喷流除尘在喷雾冷却系统中的应用

魏 南，郑明刚，葛双好

（山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101）

0 引言

通常情况下，由焚化炉、熔融炉或还原炉排放的高温烟气需要进行冷却处理[1]。冷却处理就是将高温烟气的温度调整到适当的值，作为后续过程中锅炉的热源；或者将高温烟气降到等于或小于集尘器允许的温度极限，经集尘器除尘后排放到大气环境中。焚化炉或熔融炉排放的高温烟气被导入冷却塔，在冷却塔内，通过洗涤器和冷水雾化将高温烟气冷却除尘。国内外常用的高温烟气冷却方式是直接冷却，就是将雾化的水与高温烟气直接接触，使细小的液滴在高温烟气中迅速汽化，将烟气中的显热变成水蒸气的潜热，达到降温的目的[2]。

然而，在冷却塔中通过冷却水喷雾使高温烟气降温会产生附着物。这些附着物粘附在冷却塔内壁上将引起危害。我们的目标是将高温烟气冷却到期望温度的同时，有效的抑制附着物在冷却塔内壁的粘附[3]。

1 高温烟气处理工艺流程及设备简介

1.1 工艺流程

高温烟气处理工艺流程如图1 所示。转底炉是高温烟气的气源。转底炉排出高温烟气后，经烟道导入冷却塔的底部。在冷却塔中，高温烟气经过对喷流除尘和冷却水喷雾冷却。这两种方式使高温烟气中的固体粉尘被分离沉淀和收集，易挥发/熔融组分凝固。冷却后的烟气经烟道导入布袋除尘器，在除尘器中，烟气携带的凝固的易挥发/熔融组分被分离和收集。经过上述处理的烟气经烟道，由烟囱排入大气[4]。

图1 高温烟气处理工艺流程图Fig.1 The technological process of high-temperature flue gas treatment

1.2 设备

（1）喷雾冷却系统。喷雾冷却系统的基本原理就是往高温烟气中喷入用空气雾化的细小液滴（平均直径为50～70μm），当被雾化的液滴与高温烟气混合后，使液滴在一定空间内瞬间完全蒸发，从而达到烟气冷却的目的[5]。

喷雾冷却系统由双流体喷枪、泵站部分和控制部分组成。双流体喷枪是冷却水雾化的关键设备，如图2 所示。

图2 双流体喷枪Fig.2 Two-fluid lance

泵站部分由供水管路、供气管路和排放管路组成。供水管路根据系统需要向喷枪供水。供气管路根据喷枪的工况要求提供一定压力的压缩氮气。供水管路和供气管路都设有备用管路，当正常工作的管路出现故障时，系统会自动切换至备用管路，保证系统正常运行。当系统停止工作时，排放管路用来排空管路中的残留水[6]。

控制部分由PLC、触摸屏、温度检测单元和压力开关等组成。当高温烟气量不稳定时，除了根据冷却塔出口设定的温度调节水量外，还需要根据冶炼的鼓风量和冷却塔的入口温度进行前馈控制。喷雾冷却系统如图3 所示。

（2）布袋除尘器可以去除粉尘等颗粒物。经过冷却处理的高温烟气从布袋除尘器的下部进入，由下向上流动，当含尘烟气经过滤袋时，粉尘等颗粒物被过滤，并附着在滤布上。随着粉尘在滤布表面的积聚，除尘器的效率和阻力都相应的增加，当滤布两侧的压力差很大时，会把已经附着在滤布上的细小粉尘挤压过去，降低除尘效率。因此，要定期对滤布进行清灰。布袋除尘器结构简单、维护方便、除尘效率高，特别是对小于2μm 的烟尘的捕集是其他除尘器不能相比的；处理烟气量的范围广；对粉尘特性不敏感，不受粉尘比电阻的影响。

图3 喷雾冷却系统示意图Fig.3 Spray cooling system diagram

2 冷却塔内高温烟气的对喷流除尘和喷雾降温

2.1 冷却塔内的高温烟气的对喷流除尘

对喷流除尘技术利用烟气中的粉尘在撞击区内来回振荡、相互碰撞并团聚的机理进行除尘[7]。两股烟气相向流动，由四个支路入口进入，从而增加了粉尘在撞击区的停留时间，有利于粉尘之间的相互碰撞和团聚[8]，如图4 所示。

在烟道内采用阻尼器技术，使各支路入口的高温烟气流速、流量相等。在中间相互碰撞后，使粉尘在撞击区内来回振荡，形成高浓度区，从而在中心区相互碰撞团聚。而含尘烟气在撞击面上的碰撞使得气流的轴向速度逐渐消失，引起高温烟气水平动能的消耗，改变流向，在冷却塔中形成了无旋流和涡流的向上均匀气流[9]。最后，一部分团聚后的较重粉尘由于重力作用而沉降下来，由冷却塔底部的排出口排出，剩下较轻的粉尘则被上升气流带走[10]。

图4 冷却塔入口截面图Fig.4 Inlet section of cooling tower

2.2 冷却塔内的高温烟气的喷雾降温

双流体喷枪安装在冷却塔高温烟气入口的上部0.5m处，喷射方向与向上的烟气气流流向相同。双流体喷枪雾化效果非常好，雾化液滴的索特平均直径（SMD）可以达到50～70μm，蒸发迅速。高温烟气夹带细小的雾化液滴向上流动，延长了雾化液滴冷却高温烟气的有效时间，使高温烟气快速的冷却。烟气中易挥发/熔融组分的温度被迅速降到等于或低于气化点或熔点，从而液化或凝固，然后随烟气从冷却塔顶部的出口排出。有效阻止了易挥发/熔融组分在冷却塔内壁上的粘附。

3 冷却塔内烟气温度分布

在实验中，转底炉排出的高温烟气为29301Nm3/h，温度为287℃，含尘量为11.4g/Nm3。向高温烟气中喷射25℃的水和压缩空气，水量为1.38m3/h，气量为426Nm3/h。高温废气被冷却到190℃从冷却塔顶部的出口排出。冷却塔内烟气的温度分布如图5 所示。

冷却塔内部的中心区域是低温区160～180℃，内壁的附近区域是200℃或更高。在该温度范围内，高温烟气中的易挥发/熔融组分被有效的冷却液化或凝固，从而被排出。冷却塔内壁附近的较高温度区域有效的阻止了易挥发/熔融组分粘附在冷却塔内壁，效果良好。

4 结论

图5 冷却塔内部截面温度分布图Fig.5 Temperature distribution of the cooling tower internal section

在高温烟气处理过程中，通过运用对喷流技术和喷雾冷却技术，在保证高温烟气迅速冷却的同时，有效防止了易挥发/熔融组分在冷却塔内壁的粘附。实验结果与实际工况基本吻合，达到了预期目标。

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