旋流板塔大型設(shè)計(jì)

旋流板塔大型化的設(shè)計(jì)與研究陳昭宜謝珊李丹（湖南大學(xué)環(huán)境工程系，長(zhǎng)沙，410082）［內(nèi)容摘要］以邯鄲熱電廠大型機(jī)組煙氣脫硫?yàn)槔治隽诵靼逶诖笮驮O(shè)備中應(yīng)用的可行性與經(jīng)濟(jì)性，論述了旋流板大型化設(shè)計(jì)的原理與方法。［關(guān)鍵詞］脫硫、旋流板、大型化概述我國(guó)是一個(gè)能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主的國(guó)家。大氣污染屬煤煙型，煙氣中大量的SO2對(duì)大氣造成了嚴(yán)重的污染，致使我國(guó)酸雨逐年加重，酸雨面積不斷擴(kuò)大，其覆蓋面積已達(dá)國(guó)土面積的30%。為了控制大氣中SO2的含量應(yīng)嚴(yán)格控制產(chǎn)生SO2污染的主要來(lái)源一電站的SO2的排放。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于中小型電站的煙氣脫硫已有一些進(jìn)展，對(duì)于大型電站的煙氣處理尚處于不成熟階段。但隨著國(guó)家將逐漸取締小型電站，大中型電站的煙氣處理成為急待解決的問(wèn)題。對(duì)于電站煙氣處理，國(guó)內(nèi)采用的工藝流程之一是文丘里加旋流板，而國(guó)外多采用文丘里加噴淋等?？紤]到不同傳質(zhì)機(jī)理的脫硫組合效果更佳，筆者提出了文丘里加旋流板加噴淋的設(shè)想，該工藝在山西，廣西，海南等地的鍋爐和小型電站有成功的應(yīng)用實(shí)例。旋流板是我國(guó)自行研究成功的一種噴射型塔板，這種板型由于開(kāi)孔率較大，允許氣流高速通過(guò)，因此處理能力較大，而壓降較小，操作彈性亦較大。同時(shí)，它不僅可以脫硫，還起到氣體分布均勻的作用。工藝流程中采用旋流板，可以省去一個(gè)氣體分布均勻裝置，還可以提高脫硫除塵效率。但是應(yīng)用于大型設(shè)備的實(shí)際工藝流程中，往往因設(shè)備的放大，導(dǎo)致了嚴(yán)重失真的尷尬境地，嚴(yán)重影響了脫硫除塵效果。為了使旋流板可以不失真的應(yīng)用于大型設(shè)備，對(duì)于旋流板的設(shè)計(jì)與研究，是一個(gè)新的課題，很值得研究。現(xiàn)以邯鄲熱電廠大型機(jī)組煙氣脫硫?yàn)槔?，?jiǎn)述一下我們的研究成果。設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)條件邯鄲熱電廠#11號(hào)機(jī)組于1998年11月建成投產(chǎn)，裝機(jī)容量為200MW，鍋爐最大蒸發(fā)量為670t/h,每臺(tái)鍋爐配置了兩臺(tái)雙室器電場(chǎng)干式高壓靜電除塵器，除塵效率＞=99%，現(xiàn)進(jìn)行第二期改造工程，完成脫硫任務(wù)。煙氣經(jīng)電除塵器除塵后的性能參數(shù)：煙氣量66.5萬(wàn)m3/h煙氣溫度T=405.5KS煙塵排放濃度108.8mg/Nm3SO2排放濃度：1920mg/m3設(shè)計(jì)原則每臺(tái)靜電除塵器后設(shè)計(jì)兩套脫硫裝置并聯(lián)煙氣的空塔氣速一般為2.4-4.0m/s的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)中取3.3m/s.因?yàn)闅馑偬螅瑤б簳?huì)比較嚴(yán)重；氣速太小，塔徑將很大，不經(jīng)濟(jì)，按3.3m/s計(jì)算，塔徑也達(dá)到了5.7米。對(duì)于這種大塔徑的設(shè)備，其設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都是難以找到的。怎么辦？筆者認(rèn)為前人的成功經(jīng)驗(yàn)是可以借鑒的。如旋風(fēng)分離器的通常直徑1、2米為好，最大不要超過(guò)2米。那么塔徑2米為上限。采用“分層法”，即把直徑5.7米的塔，以2米直徑為一單元，將5.7米的直徑分為n個(gè)單元，再按照等開(kāi)孔率，等流速，等距離的原則，使氣體流動(dòng)的降壓相等，不走短路，而達(dá)到高效除塵脫硫的目的。近似相等的原則：根據(jù)葉片長(zhǎng)度，先假設(shè)內(nèi)層旋流板盲板直徑為500mm，盲板尺寸一般為塔徑的1/4左右。內(nèi)層塔徑2000mm，該直徑是旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)的允許最大直徑，可保證較好脫硫效果，以塔徑2000mm為一單元，直徑為5700mm的塔徑，共需多少層呢？共需層數(shù)為2.85層，考慮每層旋流板要設(shè)置盲板與溢流堰，所以層數(shù)取3層即可達(dá)到要求，即除去外層塔壁后，再加設(shè)2層筒壁。隨后進(jìn)行三層塔層的設(shè)計(jì)計(jì)算。為保證煙氣的處理效率，氣流應(yīng)能在5.7米的塔內(nèi)分布均勻，不走偏流，因此必須保證通過(guò)三個(gè)塔層的旋流板的壓強(qiáng)降相等，為達(dá)到此目的在設(shè)計(jì)中應(yīng)使三層旋流板的開(kāi)孔率保持一致，并選擇相等的氣速。我們稱之為“等開(kāi)孔率原則”和“等速原則”，而氣速的大小的選擇，前文已論述，在保證夾帶液量和氣流阻力降較小的條件下，盡可能取較高氣速，使設(shè)備盡量小，取得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。為了使通過(guò)旋流板的氣體與筒壁碰撞時(shí)能盡可能的高效、等效，進(jìn)而使脫硫達(dá)到最佳效果，設(shè)計(jì)過(guò)程中取三層的葉片長(zhǎng)度近似相等，并以此來(lái)作為設(shè)計(jì)塔層尺寸的基本依據(jù)，通過(guò)多次試算求出符合要求的塔層總體尺寸，我們稱之為“近似等葉片距離原則”。以上三原則，便是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與精髓所在，正是基于以上三條原則的設(shè)計(jì)，才保證了旋流板能在大型脫硫設(shè)備中得以高效的應(yīng)用。計(jì)算結(jié)果及有關(guān)說(shuō)明按照上述三個(gè)設(shè)計(jì)原則。參考“旋流板塔”設(shè)計(jì)有關(guān)資料?，F(xiàn)將有關(guān)設(shè)計(jì)及主要結(jié)果敘述如下：選擇空塔氣速3.3m/s。由總氣量可求出總塔徑為5.7m。取內(nèi)層塔徑為2m，盲板直徑為塔徑的1/4左右，故取為0.5m，首先粗算應(yīng)分層數(shù)，根據(jù)每層塔體“葉片近似相等原則，所以共需(5.7-2)/2+1=2.85，已考慮到溢流堰和盲板的長(zhǎng)度，故取3層塔壁，由內(nèi)到外分別稱之為1、2、3層塔。首先計(jì)算第1層塔的尺寸。根據(jù)“等流速”原則和“等開(kāi)孔率”原則，所以存在各層氣量之比等于各層流通面積，也等于各層總面積之比。由此可求出第1層氣量為3.69萬(wàn)m3/h，由相關(guān)公式：1、葉片長(zhǎng)度計(jì)算公式d=10VvVr式中：d一葉片長(zhǎng)度mx七一氣相重度kg/m3v—?dú)饬縨32、 流通面積計(jì)算公式A0=A(sina—(2xmxC)；Cn(d+d)))A=n/4x(d2-d2)式中：A0—?dú)怏w流通截面積m2a—仰角。m一葉片數(shù)，塊匚一葉片厚度mm3、 開(kāi)孔率計(jì)算公式阡A;A0T式中：A0—?dú)怏w流通截面積m2A「塔截面m24、 壓降計(jì)算公式AP=exF2；(2xg)+3.6xvxF+4式中：e0—穿孔阻力系數(shù)取1.6F0一穿孔動(dòng)能因子kgo.5/mo.5s其中F0=(v0xVrv)/(3600xA0)v—溢流口液速° ' 0v=2.78xL/Af其中L一液量m3/hA一溢流口總面積cm2f按照上述公式，求出d=1927mm，考慮到要留出足夠的溢流堰寬，故按95%比例縮小，x故dx=1830mm,dm=580mm(dx代表葉片外徑，d^代表盲板直徑，下同)取仰角a=25°，塔板厚度*=5mm，求得開(kāi)孔率L=29.84%,壓降A(chǔ)P=29.59mm水柱，其他參數(shù)也均包括在允許的范圍內(nèi)。然后計(jì)算第2層塔的尺寸。根據(jù)“葉片長(zhǎng)度近似相等”的原則，試取dx2=dm2+1.25,d2=d2+0.17=dm2+1.42(取第2層溢流堰與第1層相等)。由于第2層塔體是在第"1層塔體的基礎(chǔ)上建起的外型上它包括了第1層塔體，故計(jì)算中應(yīng)采用當(dāng)量直徑來(lái)進(jìn)行計(jì)算。又利用第1與第2層“開(kāi)孔率相等”，所以第2層的流通面積S汨與總面積S流2之比也是29.84%，(即為開(kāi)孔率)，S流2=n/4X(dxe2-dme2)X[Sina-2Xmx5/(nx(dxe+dj)],下標(biāo)e表示當(dāng)量尺寸，S2總=粘/4乂[("+1：42)2-22],故用試算法可求出dm2=2.34m,dx2=3.59m,d2=3.76m。然后計(jì)算第3層塔的尺寸。根據(jù)“葉片長(zhǎng)度近似相等”的原則，取d=d+1.25,d=d+0.2=d+1.25+0.2=d+1.45（考慮到第3層氣量大些，所以溢流堰寬x3m3 3x3 m3 m3度取大些）。根據(jù)“開(kāi)孔率相等原則”，與第2層的計(jì)算方法類似，同樣利用當(dāng)量直徑計(jì)算，S3總=H/4X:（dm3+1.45）2-3.762],S2流二n/4X（dxe2-dme2）X[Sina-2XmX6/（nx（dxe+d：））]，故用試算法可求出dm「4.045：則d3=4.045+1.25+0.2=5.5m<5.7m,故不符合，原第2層與第3層應(yīng)重新取值，重新計(jì)算。 3計(jì)算第2層塔的尺寸。調(diào)整dx2=dm2+1.35,d2=dx2+0.17=dm2+1.52o再根據(jù)開(kāi)孔率相等列式計(jì)算，公式同上，用試算法可得，dm2=2.40m,dx2=3.75m,d2=3.92m。再計(jì)算第3層塔的尺寸，調(diào)整取d§dm3+1.28,d3=d/1.28+0.2二dm3+1.48（考慮到第3層氣量大些，所以，溢流堰寬度取大些）。根據(jù)開(kāi)孔率相等列式計(jì)算，公式同上，用試算法可得，dm3=4.22m,dx3=5.5m,d3=5.7m，正好符合塔徑5.7m，設(shè)計(jì)合理。再計(jì)算第2層和第3層的壓降，也都等于29.59：m水柱。由于盲板到葉片外端的總寬度，在第1、2、3層分別取得是1.25m,1.35m，和1.28m,不完全相等，但相對(duì)誤差〈10%，故只能稱之為“近似葉片相等原則”。除此原則外，我們還用到了“等氣速原則”和“等開(kāi)孔率原則”，并由以上三原則，設(shè)計(jì)出了旋流板塔。查《化學(xué)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)-3》的13,14章節(jié)《旋流板塔》，可得具體的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，然后由內(nèi)向外，逐一設(shè)計(jì)三個(gè)塔層。具體設(shè)計(jì)過(guò)程此處從略，僅將計(jì)算結(jié)果列于下表，且附圖于后。旋流板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表第一層第二層第三層塔層直徑（mm）200039205700氣量（萬(wàn)m3/h）3.69010.4815.795葉片外端直徑d（mm）183037505500x盲板外端直徑d（mm）58024004220仰角（°）252525徑向角（°）18.4824.8123.9葉片數(shù)（塊）202020開(kāi)孔率（%）29.8429.8429.84罩筒高（mm）126215260.5殳氣比（l/m3）1.51.51.5降流裝置溢流管數(shù)目333每個(gè)溢流口面積（cm2）129.15366.80552.83弧型堰寬（mm）505070堰長(zhǎng)（mm）220694735溢流管直徑（mm）86145178壓降（mmHO）29.629.629.6旋流板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

四、討論與結(jié)論由計(jì)算結(jié)果可知，完全可以達(dá)到預(yù)期的要求，從而達(dá)到了較高的脫硫效率和氣體分布均勻的目的。該設(shè)計(jì)中的其他裝置，還包括淋灑器和除霧器，以及副塔。簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)過(guò)程如下：由于塔徑很大，達(dá)到了5.7m,為保證塔內(nèi)不存在噴淋不到的盲區(qū)，從而保證洗滌效果，須設(shè)計(jì)一組淋灑器，淋灑器的分布位置根據(jù)幾何布圖法來(lái)確定。本設(shè)計(jì)選擇沖擊式淋灑器，由于沖擊式淋灑器的噴灑半徑一般為2m，故為保證安全，每個(gè)噴灑器的噴灑直徑d0可取2.85m,故可作塔體的內(nèi)接六邊形，并加上設(shè)置了中心的一個(gè)噴頭，共需七個(gè)噴頭，可滿足要求。除霧器和副塔的作用是除去水霧，以使風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不帶水。除霧器采用角鋼制成的折板除霧器，兩角鋼間水平距離取50mm，可保證不至于發(fā)生堵塞的危險(xiǎn)。同時(shí)由于塔徑太大，為保證角鋼的強(qiáng)度要求，故將塔截面分塊，將角鋼分別安裝于各塊中。設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)圖如下：該設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用于大型設(shè)備的其它方案的優(yōu)缺點(diǎn)的比較:1）科學(xué)性該設(shè)備與直接采用5.7m的普通旋流板塔的直徑相比較：處理效果明顯優(yōu)于普通旋流板塔。因?yàn)?.7m的普通旋流板的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)旋風(fēng)分離器的允許直徑一一2m，并且運(yùn)行中還存在著氣流分布不均勻的問(wèn)題，需布設(shè)一個(gè)氣流分布均勻裝置，同時(shí)，由于葉片過(guò)長(zhǎng)，水膜不能在葉片上均勻分布，例如，假設(shè)水膜直達(dá)到葉片的2/3處，外端的1/3部分不能與水接觸，由于流道面積越來(lái)越寬，因而不能與水膜接觸到的氣流流量可達(dá)1/2強(qiáng)，從而嚴(yán)重影響了脫硫效果，直徑2.4m的塔實(shí)踐已證明了這一觀點(diǎn)。該設(shè)備與采用多層旋流板或多層噴淋裝置相比較：處理效果明顯強(qiáng)于后者。由筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論常識(shí)可知，采用不同的傳質(zhì)機(jī)理組合的工藝流程，其處理效果要明顯優(yōu)于同種機(jī)理組合的工藝流程。設(shè)計(jì)中有關(guān)尺寸均按已有設(shè)計(jì)中的最佳尺寸或允許尺寸取值，具有科學(xué)性。經(jīng)濟(jì)性：該設(shè)備與采用多個(gè)2m直徑的旋流板相比較：為了達(dá)到相同的處理能力，需設(shè)置2m的旋流板塔8個(gè)，取流速為3.3m/s，這將大大增加投資費(fèi)用，增加設(shè)備占地面積和運(yùn)行費(fèi)用，造成不必要的浪費(fèi)。實(shí)用性這種放大了的旋流板塔不僅用于電站脫硫工程，而且是一種大型氣固液三相傳質(zhì)的好設(shè)備，它可應(yīng)用于化工、冶金等行業(yè)，為傳質(zhì)工程增添了新的、大型化的設(shè)備類型。筆者所做的工作僅僅是從