旋流板塔大型设计.doc

1、旋流板塔大型设计全国化工热工设计技术中心站年会论文集59旋流板塔大型化的设计与研究陈昭宜谢珊 李丹, 湖南大学环境工程系长沙 410082, 内容摘要 以邯郸热电厂大型机组烟气脱硫为例，分析了旋流板在大型设备中应用的可行性与经济性，论述了旋流板大型化设计的原理与方法。 关 键 词脱硫、旋流板、大型化一 . 概述我国是一个能源结构以燃煤为主的国家。大气污染属煤烟型，烟气中大量的SO对大 2 气造成了严重的污染，致使我国酸雨逐年加重，酸雨面积不断扩大，其覆盖面积已达国土面积的30%。为了控制大气中SO的含量应严格控制产生SO污染的主要来源电站的22SO的排放。目前，国内对于中小型电站的烟气脱硫已有

2、一些进展，对于大型电站的烟气 2处理尚处于不成熟阶段。但随着国家将逐渐取缔小型电站，大中型电站的烟气处理成为急待解决的问题。对于电站烟气处理，国内采用的工艺流程之一是文丘里加旋流板，而国外多采用文丘里加喷淋等。考虑到不同传质机理的脱硫组合效果更佳，笔者提出了文丘里加旋流板加喷淋的设想，该工艺在山西，广西，海南等地的锅炉和小型电站有成功的应用实例。旋流板是我国自行研究成功的一种喷射型塔板，这种板型由于开孔率较大，允许气流高速通过，因此处理能力较大，而压降较小，操作弹性亦较大。同时，它不仅可以脱硫，还起到气体分布均匀的作用。工艺流程中采用旋流板，可以省去一个气体分布均匀装置，还可以提高脱硫除尘效率

3、。但是应用于大型设备的实际工艺流程中，往往因设备的放大，导致了严重失真的尴尬境地，严重影响了脱硫除尘效果。为了使旋流板可以不失真的应用于大型设备，对于旋流板的设计与研究，是一个新的课题，很值得研究。现以邯郸热电厂大型机组烟气脱硫为例，简述一下我们的研究成果。二 . 设计条件和设计原则1. 设计条件邯郸热电厂 #11 号机组于 1998 年 11 月建成投产，装机容量为200MW，锅炉最大蒸发量为 670t/h, 每台锅炉配置了两台双室器电场干式高压静电除尘器，除尘效率 =99%，现进行第二期改造工程，完成脱硫任务。烟气经电除尘器除尘后的性能参数 :3 烟气量 66.5 万 m/h60 全国化工

4、热工设计技术中心站年会论文集烟气温度 T=405.5K S3 烟尘排放浓度 108.8mg/Nm3 SO 排放浓度 :1920mg/m 22. 设计原则每台静电除尘器后设计两套脱硫装置并联烟气的空塔气速一般为 2.4-4.0m/s 的范围内，设计中取 3.3m/s. 因为气速太大，带液会比较严重 ; 气速太小，塔径将很大，不经济，按3.3m/s 计算，塔径也达到了 5.7 米。对于这种大塔径的设备，其设计参数计算，运行经验都是难以找到的。怎么办,笔者认为前人的成功经验是可以借鉴的。如旋风分离器的通常直径1、 2 米为好，最大不要超过 2 米。那么塔径 2 米为上限。采用“分层法”，即把直径5.

5、7 米的塔，以 2 米直径为一单元，将 5.7 米的直径分为 n 个单元，再按照等开孔率，等流速，等距离的原则，使气体流动的降压相等，不走短路，而达到高效除尘脱硫的目的。近似相等的原则 : 根据叶片长度，先假设内层旋流板盲板直径为 500mm，盲板尺寸一般为塔径的 1/4 左右。内层塔径 2000mm，该直径是旋风除尘器设计的允许最大直径，可保证较好脱硫效果，以塔径 2000mm为一单元，直径为 5700mm的塔径，共需多少层呢 , 共需层数为 2.85 层，考虑每层旋流板要设置盲板与溢流堰，所以层数取 3 层即可达到要求，即除去外层塔壁后，再加设2 层筒壁。随后进行三层塔层的设计计算。为保证

6、烟气的处理效率，气流应能在5.7 米的塔内分布均匀，不走偏流，因此必须保证通过三个塔层的旋流板的压强降相等，为达到此目的在设计中应使三层旋流板的开孔率保持一致，并选择相等的气速。我们称之为“等开孔率原则”和“等速原则”，而气速的大小的选择，前文已论述，在保证夹带液量和气流阻力降较小的条件下 ，尽可能取较高气速，使设备尽量小，取得最佳的经济效果。为了使通过旋流板的气体与筒壁碰撞时能尽可能的高效、等效，进而使脱硫达到最佳效果，设计过程中取三层的叶片长度近似相等，并以此来作为设计塔层尺寸的基本依据，通过多次试算求出符合要求的塔层总体尺寸，我们称之为“近似等叶片距离原则”。以上三原则，便是本设计的关键

7、与精髓所在，正是基于以上三条原则的设计，才保证了旋流板能在大型脱硫设备中得以高效的应用。三 . 计算结果及有关说明按照上述三个设计原则。参考“旋流板塔”设计有关资料。现将有关设计及主要结果叙述如下 :选择空塔气速 3.3m/s 。由总气量可求出总塔径为 5.7m。取内层塔径为 2m，盲板直径为塔径的 1/4 左右，故取为 0.5m，首先粗算应分层数，根据每层塔体“叶片近似相等原则，所以共需(5.7-2)/2+1=2.85,已考虑到溢流堰和盲板的长度，故取 3 层塔壁，由内到外分别称之为1、2、3 层塔。首先计算第 1 层塔的尺寸。根据“等流速”原则和“等开孔率”原则，所以存在各层气量之比等于各

8、层流通面积，也等于各层总面积之比。由此可求出第1 层气量为 3.693 万 m/h，由相关公式 :1、 叶片长度计算公式全国化工热工设计技术中心站年会论文集61d=10?v?r xv式中 :d叶片长度 m x3r 气相重度 kg/m v3 v 气量 m2、 流通面积计算公式A=A(sin,(2m ，,),(,(d+d) 0axm22A=,/4 ，(d d) axm式中 :2 A 气体流通截面积m0, 仰角?m 叶片数，块, 叶片厚度 mm3、 开孔率计算公式= A,A0T式中 :2 A 气体流通截面积m02A 塔截面 m T4、 压降计算公式2P=， F,(2 ，g)+3.6 ，v，F+4 0

9、00式中 : 穿孔阻力系数取 1.6 00.50.5F 穿孔动能因子 kg/ms 0其中 F =(v ，?r)/(3600， A) 00v0v 溢流口液速v=2.78 ， L/A f3 其中 L 液量 m/h2A溢流口总面积 cm f按照上述公式，求出d=1927mm,考虑到要留出足够的溢流堰宽，故按95%比例缩小， x故 d=1830mm,d=580mm(d代表叶片外径， d 代表盲板直径，下同 ) 取仰角=25?，塔板 xmxm厚度 =5mm，求得开孔率=29.84%,压降p=29.59mm水柱，其他参数也均包括在允许的范围内。然后计算第 2 层塔的尺寸。根据“叶片长度近似相等”的原则，试

10、取d=d+1.25 ， x2m2d= d+0.17= d+1.42( 取第 2 层溢流堰与第 1 层相等 ) 。由于第 2 层塔体是在第 1 层塔体 2x2m2的基础上建起的，外型上它包括了第1 层塔体，故计算中应采用当量直径来进行计算。又利用第1 与第 2 层“开孔率相等”，所以第2 层的流通面积 S 与总面积S之比也流 1 流 222 是 29.84%，( 即为开孔率 ) ，S/4 (d - d) Sin - 2m /( (d+ 流2=xemexe22d),下标 e 表示当量尺寸， S=/4 (d+1.42)-2, 故用试算法可求出d=2.34m, me2 总 m2m2d=3.59m, d

11、=3.76m。 x2262 全国化工热工设计技术中心站年会论文集然后计算第 3 层塔的尺寸。根据“叶片长度近似相等”的原则，取 d=d+1.25,d=d+0.2= d+1.25+0.2= d+1.45( 考虑到第 3 层气量大些，所以溢流堰宽 x3m33x3m3m3度取大些 ) 。根据“开孔率相等原则”，与第2 层的计算方法类似，同样利用当量直径计2222 算， S=/4 (d+1.45)- 3.76,S= /4 (d - d) Sin -2m /( 3总 m32流 xeme(d+ d)，故用试算法可求出d=4.045, 则 d=4.045+1.25+0.2=5.5m5.7m, 故不符合， x

12、emem33原第 2 层与第 3 层应重新取值，重新计算。计算第 2 层塔的尺寸。调整d= d+1.35,d= d+0.17= d+1.52。再根据开孔率相x2m22x2m2等列式计算，公式同上，用试算法可得，d=2.40m, d=3.75m,d=3.92m。m2x22再计算第 3 层塔的尺寸，调整取d= d+1.28, d= d+1.28+0.2= d+1.48(考虑到x3m33m3m3第 3 层气量大些，所以，溢流堰宽度取大些) 。根据开孔率相等列式计算，公式同上，用试算法可得，d=4.22m,d=5.5m,d=5.7m, 正好符合塔径 5.7m，设计合理。再计算第2 层 m3x33和第

13、3 层的压降，也都等于29.59mm水柱。由于盲板到叶片外端的总宽度，在第1、 2、 3 层分别取得是 1.25m,1.35m, 和1.28m, 不完全相等，但相对误差10%，故只能称之为“近似叶片相等原则”。除此原则外，我们还用到了“等气速原则”和“等开孔率原则”，并由以上三原则，设计出了旋流板塔。查化学工程设计手册 -3 的 13，14 章节旋流板塔，可得具体的设计计算公式，然后由内向外，逐一设计三个塔层。具体设计过程此处从略，仅将计算结果列于下表，且附图于后。旋流板设计数据表第一层第二层第三层塔层直径 (mm) 2000 3920 57003 气量 ( 万 m/h) 3.690 10.4

14、8 15.795叶片外端直径 d(mm) 1830 3750 5500 x盲板外端直径 d(mm) 580 2400 4220 m仰角 (?) 25 25 25径向角 (?) 18.48 24.81 23.9叶片数 ( 块) 20 20 20开孔率 (%) 29.84 29.84 29.84罩筒高 (mm) 126 215 260.53 液气比 (l/m) 1.5 1.5 1.5溢流管数目 3 3 3降流每个溢流口面积129.15 366.80 552.832 装置 (cm)弧型堰宽 (mm) 50 50 70堰长 (mm) 220 694 735溢流管直径 86 145 178 (mm)压降

15、 (mmHO) 29.6 29.6 29.6 2旋流板结构简图全国化工热工设计技术中心站年会论文集63四、讨论与结论由计算结果可知，完全可以达到预期的要求，从而达到了较高的脱硫效率和气体分布均匀的目的。该设计中的其他装置，还包括淋洒器和除雾器，以及副塔。简单设计过程如下 : 由于塔径很大，达到了 5.7m, 为保证塔内不存在喷淋不到的盲区，从而保证洗涤效果，须设计一组淋洒器，淋洒器的分布位置根据几何布图法来确定。本设计选择冲击式淋洒器，由于冲击式淋洒器的喷洒半径一般为 2m，故为保证安全，每个喷洒器的喷洒直径 d 可取 2.85m, 故可作塔体的内接六边形，并加上设置了中心的一个喷头，共需七

16、0个喷头，可满足要求。除雾器和副塔的作用是除去水雾，以使风机运行时不带水。除雾器采用角钢制成的折板除雾器，两角钢间水平距离取 50mm,可保证不至于发生堵塞的危险。同时由于塔径太大，为保证角钢的强度要求，故将塔截面分块，将角钢分别安装于各块中。设计流程简图如下 :该设计方案与应用于大型设备的其它方案的优缺点的比较:64 全国化工热工设计技术中心站年会论文集1) 科学性该设备与直接采用5.7m 的普通旋流板塔的直径相比较:处理效果明显优于普通旋流板塔。因为 5.7m 的普通旋流板的直径远远超过旋风分离器的允许直径 2m，并且运行中还存在着气流分布不均匀的问题，需布设一个气流分布均匀装置，同时，由

17、于叶片过长，水膜不能在叶片上均匀分布，例如，假设水膜直达到叶片的 2/3 处，外端的 1/3 部分不能与水接触，由于流道面积越来越宽，因而不能与水膜接触到的气流流量可达 1/2 强，从而严重影响了脱硫效果，直径 2.4m 的塔实践已证明了这一观点。该设备与采用多层旋流板或多层喷淋装置相比较:处理效果明显强于后者。由笔者的实践经验和理论常识可知，采用不同的传质机理组合的工艺流程，其处理效果要明显优于同种机理组合的工艺流程。设计中有关尺寸均按已有设计中的最佳尺寸或允许尺寸取值，具有科学性。2( 经济性 :该设备与采用多个2m直径的旋流板相比较 :为了达到相同的处理能力，需设置2m的旋流板塔 8 个，取流速为 3.3m/s, 这将大大增加投资费用，增加设备占地面积和运行费用，造成不必要的浪费。3( 实用性这种放大了的旋流板塔不仅用于电站脱硫工程，而且是一种大型气固液三相传质的好设备，它可应用于化工、冶金等行业，为传质工程增添了新的、大型化的设备类型。笔者所做的工作仅仅是从理论上论