锅炉水膜除尘塔除粉尘颗粒物设备创新应用

陈小勇，蒋 鑫

（汉中锌业有限责任公司，陕西汉中 710043）

1 改造背景

汉中锌业有限责任公司车间流化床锅炉水膜除尘塔采用老式的喷淋方式进行除尘，其利用锅炉循环除尘泵将循环水打进水膜除尘塔，水从顶部水管进口直接流出，通过旋流叶片将循环水均匀的散开，达到除尘效果，但因内部水流冲击较大，内部大理石板时常损坏，同时因大理石板容易附着烟气颗粒物，使得大理石板表面凹凸不平，整体散水效果较差，水膜不均匀，造成吸附颗粒物效果一直不佳，烟气颗粒物含量无法满足环保要求，为此，对水膜塔喷淋方式改造。

2 项目内容

通过查找资料，对多种类型的喷淋设施进行了试验探究，最终确定了现使用的120°螺旋广角喷嘴。确定改进方案后，在水膜除尘塔内部进行了位置安装试验，通过多次测试，采用多层十字交叉法排列，形成的雾化水膜能完全覆盖水膜塔。为确保本次设备改进能起到效果，在烟道文丘里、矮塔又增加两层喷嘴，共形成4 层雾化水膜过滤层，经雾化后的水膜能更好的吸附粉尘颗粒物，烟气经过多层水膜过滤后，锅炉尾气颗粒达到了排放标准，尾气颗粒物均值在7.54 mg/m3左右，远低于国家80 mg/m3及地方30 mg/m3的排放标准。

3 原有喷淋方式

麻石水膜除尘塔工作原理：含尘气流通过进口烟道进入水膜塔，在烟气高速运动的作用下，喷入的水被其雾化成细小的水雾，湿润烟气中的灰尘，主管体是一个圆形筒体（图1），水从除尘塔上部注入进水管进入主筒、副筒，使整个圆筒内壁形成一层水膜从上而下流动，烟气由筒体下部切向进入，在筒体内旋转上升，含尘气体在离心力的作用下始终于筒体内壁面的水膜发生摩擦，这样含尘气体被水膜湿润，烟尘颗粒物随水流到除尘器底部，从溢流水孔排出，在筒体底部封底并设有水封槽，以防止烟气从底部漏出，此设计在清理中便于进行筒体底部清理。

图1 原水膜除尘塔喷淋设施结构

4 喷嘴运行参数

4.1 液体流量

喷嘴流量因喷雾压力而异，它随喷雾压力的增大而增大。一般来说，流量和压力的关系如下，压力和流量的平方成正比，即Q12/Q22=P1/P2。

4.2 液体密度

在喷雾中，液体（除水外）密度主要影响喷嘴的流量，水膜塔循环水中含一部分盐类，粉尘颗粒，密度比水大，约为1.2 g/cm3，因理论和设计有差异，为此通过实际验证，发现在该密度下，基本对喷嘴的喷雾影响不大，只是长时间的运行或停车，螺旋喷嘴处有附着物或沉积物，将影响喷雾效果。

4.3 喷雾效果

理论覆盖范围是根据喷雾夹角和喷嘴距离计算出来的（图2），该数值是假设喷雾角度在整个喷雾距离中保持不变的前提下得出的。在实际喷雾中，有效喷雾角度因喷雾距离而异，当液体比水黏时，形成的喷雾角度相对较小，其角度取决于黏度，喷嘴流量和喷嘴压力。表1 内数值列出常用角度喷嘴在不同距离下的喷雾理论覆盖范围，实际应用中，表内的喷雾角度不适用长距离喷雾。

图2 喷雾角度和覆盖范围

表1 喷嘴理论参数

喷嘴采用螺旋实心圆锥形喷嘴P-S 系列（图3），该型喷嘴在水流的冲击作用下，将产生两层水膜，一个外层椎体水膜、一个内体椎体水膜，能充分保证水膜的形成的完整性，整体无破损，使烟气能全部和水膜接触，无死角的吸附烟气，实心锥120°，150°和170°的喷雾效果如图4 所示。

图3 喷嘴外观

图4 形成的锥形水膜

4.4 安装方式

因锅炉烟气中粉尘颗粒较大，各附件都易被粉尘附着，长时间运行，必会导致各附件积累大量积渣，造成除尘效果不佳，为此，在考虑除尘效果的同时，必须考虑其各附件清理工作，为此在选喷嘴时，喷嘴采用丝扣连接，拆卸简单，清理方便。

5 设计方案

为保证本次改造取得成果，首先从影响喷雾效果的多个因素着手进行分析。主要是：喷嘴流量、喷嘴压力、喷雾液体密度、喷雾液体黏度，以及喷嘴喷雾角度、覆盖面积、材料等多个因素综合考虑设计。

5.1 喷嘴选型

因锅炉循环除尘水呈酸性，虽然通过加入碱式试剂，但循环水整体呈现弱酸性，故在考虑材料方面，必须能耐酸腐蚀，同时水膜塔筒体内，气体流速快，烟气呈旋流状，且烟气中含颗粒物较大，常规喷淋设施易被磨损，且容易积累颗粒物，长时间运行喷淋设施将会积垢，影响除尘效果，为此，综合考虑，选用博林公司的喷嘴，材料选用120°，316 L 不锈钢螺旋喷嘴，该喷嘴有散水均匀，散水角度大，耐膜、耐腐蚀，方便清理等特点。

5.2 喷嘴布局设计

车间水膜除尘塔内经2.6 m，单层高4 m，总高15.2 m，根据喷嘴理论数据结合实际情况，选用120°喷嘴，理论计算最大覆盖范围，在喷嘴下方70 cm 处，覆盖范围为243 cm，在喷嘴下方60 cm 处，覆盖范围为208 cm，考虑到水膜塔内部烟气流动迅速，为避免因烟气的快速流动，以及流体自身重力，对喷嘴形成的水膜的完整性造成影响，故选择在喷嘴下方60 cm 处，确保喷嘴能形成完整的水膜。从理论上讲，120°广角喷嘴在喷嘴下方60 cm 处的覆盖范围为208 cm，小于塔内径2.6 m。故采用十字交叉型，安装4 个喷嘴，根据实际安装位置，可计算出，此时4 个喷嘴只需191.8 cm 的圆形区域即可覆盖整个主筒。而本次制定的方案在喷嘴下方约60 cm 处，喷嘴覆盖范围为208 cm，满足设计要求。水膜塔喷嘴水膜覆盖如图5 所示，其中，4 个小圆为喷嘴水膜覆盖区域，4 个方格点为喷嘴安装位置。

水膜塔喷嘴布局如图6 所示，为保证能充分吸附粉尘颗粒物，在矮塔安装一层喷嘴喷淋系统，使粉尘颗粒物进行第一步吸附。其次在文丘里处安装一个喷嘴，此处气体流速较快，但空间狭小，安装一个单独的喷嘴，即可覆盖整个文丘里管。在高塔中安装两层，颗粒物经过四层过滤后，粉尘颗粒物基本全部被吸附。

图5 水膜塔喷嘴水膜覆盖图

图6 重新设计后的喷淋结构方式

6 后期改进

本次改进，经前期的探究实验得知，在采用新喷嘴后，喷嘴形成的水膜分布均匀，但在循环泵的加压下，喷嘴喷出来的水基本为水雾状态，若在水膜除尘塔最高层安装喷淋设施，易被引风机拉入主塔旁边的方形塔（沉降室），甚至把水雾大量的抽进引风机，易对引风机造成腐蚀。故降低喷嘴安装位置降低，一方面确保形成水膜的完整性，另一方面避免水雾进入方塔和引风机。

7 检测结果

由表2 分析，不合格有4 次，分别是11 月7 日、9日和10 日，监测位置不同（表3），开启锅炉数不同（表4），烟气颗粒物均超标。第二次在11 月10 日，开启单台锅炉，监测位置相同，开启循环水泵2 台，烟气颗粒物含量均超标。综合上述原因分析，烟气粉尘颗粒物超标和监测位置、锅炉负荷均有一定的影响，但影响不大，但当开启3 台循环水泵，循环水量保证在单台130 m3/h左右，可以满足锅炉在任何负荷区间的平稳运行。

表2 运行监测结果

表3 不同监测位置除尘效果对比

表4 不同负荷监测位置除尘效果对比

8 后期工艺优化调整

经改造过后的水膜除尘塔，尾气颗粒物含量能满足地方30 mg/m3的排放标准，但颗粒物指标有一定波动。为此继续在原有工艺基础上，进一步探究实验，调节循环水pH 值，保证循环水pH 值在7 附近，以及制定严格的清理周期，通过两个方面结合，使得现烟尘颗粒物在（4～10）mg/m3。循环水pH 对比试验数据，见上传数采仪数据见表5。经过多次调整试验后，尾气排放标准趋于稳定，满足国家及地方排放标准。主要数据见表6（时间：2018-07-11-10:10:27）。

表5 循环水pH 值除尘对比试验

表6 尾气监测数据

9 项目推广应用情况

该项目经车间试验成功后，立即投入到生产使用中，使用效果良好，达到改造目的。排出的锅炉尾气烟尘颗粒物在（4～15）mg/m3，远低于国家80 mg/m3和地方30 mg/m3的排放标准。现该项技术已推广至公司总部其他单位。

10 效益

（1）经济效益。本次改造的除尘设备在生产中不产生直接经济效益。主要是节省环保设备资金投入。

节省的设备资金投入参照特材公司（总部下设二级公司）流化床锅炉除尘改造项目计算：特材公司流化床锅炉单台改造费用约20 万元，3 台锅炉合计60 万元，车间3 台改造共投入3 万元，对比计算可节省57 万元。

（2）社会效益。尾气颗粒物达标排放，现烟尘颗粒物含量在（4～10）mg/m3，远低于国家80mg/m3及地方30mg/m3的排放标准。