浅析危废焚烧急冷塔的设计与运行

戴必荣 戴尚武

（盐城市华安化学工程有限公司，江苏 盐城 224001）

目前，我国危险废弃物处置技术中，以焚烧法处置技术的应用最为普遍，该技术在处置过程中，对于危险废弃物减容减重效果显著，适应我国危险废弃物处置的国情，因此在近些年该技术在我国的应用得到飞速发展。然而，在危险废弃物焚烧处置过程中也会产生一定量的有害物质（如：NOx、SO2、HCl、HF、二噁英等），如果不对焚烧产生的烟气进行净化，将会产生二次污染。在这些有害物质中，以二噁英对环境的危害最为显著，控制烟气中二噁英是最重要的一环，其作用过程是将烟气在1秒内，使其温度从高温（＞500℃）冷却至低于200℃，从而避开二噁英在烟气中再生成的温度区间[1,2,3]，以此方法抑制二噁英的生成量。用以实现上述过程的设备为急冷塔。目前对于急冷塔的设计过程进行系统阐述的较少，笔者结合急冷塔的设计思路，以及经历观察急冷塔实际运行中出现的问题进行分析，对急冷塔的设计与运行条件进行优化，对急冷塔的设计提出一些浅析。

1 设计条件

来自余热锅炉的高温烟气进入烟气急冷塔，急冷塔入口烟气温度500℃，出口烟气温度＜200℃。喷雾装置由烟气冷却系统和喷枪喷嘴组成。该烟气冷却系统是设计用于将一定进口温度范围和进口流量范围的烟气冷却到期望的一个出口温度范围内。进口温度和出口温度由热电偶检测，可以在最大最小条件间调节。雾化喷头靠压缩空气完成双流雾化，其结构为双层夹套管，急冷水走内管，压缩空气走外管，急冷水与压缩空气在喷嘴处强烈混合后从雾化器喷嘴喷出，使急冷水雾化为细小的颗粒，与烟气进行充分接触与换热。烟气的热量使雾化水滴蒸发。流经塔内的烟气直接与雾化液滴接触，传质速度和传热速度较快，喷入的液体迅速汽化带走大量的热量，烟气温度得以迅速降温，从面避免了二噁英类物质的再次生成。另外由于所处环境为高温烟气，而且烟气中还有酸性气体，设计喷枪材质采用耐腐蚀耐高温不锈钢，并带水夹套（或空气）进行保护。在急冷塔中，喷雾系统可以根据出口烟气温度的变化自动调节喷水枪的喷水量，保证急冷塔出口温度维持在适当的温度范围内。工作时，水箱中的水经过过滤器过滤、水泵增压，再由水路调节系统调节压力和流量后送入喷枪；在喷枪中由于有压缩空气雾化，水被雾化成非常细小的颗粒，雾化颗粒在高温烟气中迅速蒸发，吸收烟气的大量热量，使烟气迅速降低温度并维持在一定温度范围内，当出口烟气温度不在设定的工作范围时，急冷系统会自动调节供水压力、喷水量等相关参数，从而使烟气温度保证在工作范围内，这些功能在相关程序控制器中实现。不会发生“过喷”和“欠喷”现象。除此之外，系统还设置了水泵出口压力过高保护、防止水泵干运转、过滤器在工作状态下在线检查清洗等若干功能。特别是当喷枪在急冷塔内不工作时，设计了相应措施以保证烟气中的灰尘不会进入喷嘴堵塞喷孔。

2 急冷塔能量平衡和物料平衡

由于采用冷热流体直接接触法对烟气进行降温，可参考水的喷雾干燥模型[4]对急冷塔内部系统进行衡算。典型焚烧烟气的主要组成，见表1。

表1

计算思路如下：

（1）忽略塔体的散热；

（2）以常温25℃为计算基准；

（3）由于雾化水采用双流体雾化，雾化水的颗粒直径低至20um（雾化喷嘴在工况下的平均液滴直径为80um），在500℃工况下的液滴寿命在毫秒级别，可认为雾化水与烟气接触时瞬间气化；

（4）由于进入塔体的烟气中颗粒物浓度较低，忽略急冷过程中烟气颗粒物的焓变；

（5）高温烟气从500℃降温到200℃所放出的显热直接转化成雾化水从常温（25℃）升温至200℃所需吸收的热量。

高温烟气从500℃降温至200℃放出热量Q1MJ/h：

Q1=qm1（H1-H2）；

qm1为烟气进口流量kmol/h；

H1为烟气进口焓值kJ/mol（以25℃为基准）；

H2为烟气出口焓值kJ/mol（以25℃为基准）；

雾化水从25℃升至200℃吸收热量Q2MJ/h：

Q2=qm2（H2'-H1'）；

qm2为雾化水流量kmol/h；

H1'为雾化水进口焓值kJ/mol（以25℃为基准）；

H2'为雾化水出口焓值kJ/mol（以25℃为基准）；

Q1=Q2

所需冷却水量qm2

qm2=Q1/（H2'-H1'）

查得高温烟气焓值不同温度下的焓值如表2。

计算所需水量为qm2=1879kg/h

出口烟气体积流量QV2为12339Nm3/h

平均体积流量Qv3为Qv3=（Qv1+Qv2）/2=11169Nm3/h

平均工况下的体积流量Qv3'=Qv3*(273.15+200)/273.15=19348Am3/h=5.37 Am3/s。

烟气急冷时间t=1s。

急冷有效体积V=Qv3'*t=5.37 m3。

塔体计算：

选择急冷塔空塔流速v=3m/s；

急冷塔的急冷段高度H=vt=3m；

对应塔体内半径d=（V/H/3.14 ）0.5 *2=1.4 m；

塔体材质：304不锈钢；

塔内平均操作绝对压力P总=98Kpa。

图1 急冷塔设计示意图

3 设计的急冷塔在运行中出现的问题与解决方案

在实际运行过程中，急冷塔可以很好地将500℃的高温烟气在1秒降至200℃以下，完成了对烟气进行急冷的初步目标。但是在运行中也出现一些问题：

3.1 急冷塔底部滴水

原因分析：由于设计之初未考虑到塔体散热，导致喷入的水量稍大，由于烟气温度的降低以及塔体高度的限制，喷入的这部分雾化水来不及蒸发而直接滴落在塔底部。

解决方案：清理塔底部，使用调节阀减小喷入的雾化水量为原有水量的98%，反复观察3h，急冷塔底部未出现滴水现象，烟气温度经过急冷后仍然可以降至200℃以下。急冷塔过喷产生的滴水问题得到有效解决。

3.2 塔壁的腐蚀

减小水量急冷后烟气组成，见表3。

表3

原因分析：由于进入急冷塔的烟气中HCl的含量高达1400mg/Nm3，急冷后烟气中水的体积分数高达27.7%，急冷后的HCl含量为1188mg/Nm3，经过计算露点腐蚀温度：[5]

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

其中：PH2O:平衡时水的分压，Pa；

PHCl:平衡时氯化氢的分压，Pa。

TDP=496.4 K=223℃，在急冷过程中塔体不可避免地会经过该露点腐蚀温度点。

解决方案：

方案1：降低喷入水量，降低水分分压，从理论分析来看该方法确实能够将烟气的露点腐蚀温度降低到200℃以下，但是实验结果来看该方法需要大量降低喷入的雾化水量，达不到将烟气急冷的效果。

方案2：降低烟气中HCl含量，采用0.9%的NaOH碱液替代原有的雾化水，在给烟气急冷的同时能够脱酸，将烟气中的HCl含量降低，从实际效果来看,塔体运行一个月，经过观测未发现有塔壁明显的腐蚀现象，采用该方法确实能够极大缓解塔体的露点腐蚀问题[6]。

3.3 塔体堵塔

在解决塔体腐蚀问题中发现，急冷塔在运行两个月后，突然出现急冷塔进出口压差增大的现象，拆开塔体人孔发现，塔体中上部分出现一层结晶层，经过分析该层物质主要成分为盐类物质（以NaCl、Na2SO4为主）和灰分等。

原因分析：由于喷入碱液，由于雾化碱液喷雾角度α过大，使得喷入的碱液有碰壁现象（Dc＞D），这些喷入的碱液和烟气中的酸性物质（HCl、SO2）反应生成盐，无形中增大了烟气中颗粒物的浓度，该结晶层逐渐由原来的塔壁向塔体中心生长，越结越厚，导致烟气通过该结晶层时阻力突然变大从而导致急冷塔进出口的压差增大。

解决方案：清理已经生成的结晶层，更换雾化角度较小的雾化喷嘴，经过2个月的不断观测，在实际工况下采用喷雾角度为45°的雾化喷嘴，未发现急冷塔进出口的压差变大的问题。

结束语

急冷塔是危险废弃物焚烧工艺过程中最重要的设备之一。目前，国内专门的急冷塔的设计标准，通过热量平衡先计算出用水量，再根据塔体设计原则确定塔体容积、直径与高度。急冷塔的平稳运行直接威胁着整个焚烧系统烟气排放能否达标，笔者针对设计出急冷塔在实际运行过程中出现的一些问题，分析出问题产生的原因，提出行之有效的解决方案，直至发稿时，急冷塔的运行都未再发生异常或故障。