魏 南，鄭明剛，葛雙好

（山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101）

0 引言

通常情況下，由焚化爐、熔融爐或還原爐排放的高溫煙氣需要進行冷卻處理[1]。冷卻處理就是將高溫煙氣的溫度調整到適當的值，作為后續(xù)過程中鍋爐的熱源；或者將高溫煙氣降到等于或小于集塵器允許的溫度極限，經集塵器除塵后排放到大氣環(huán)境中。焚化爐或熔融爐排放的高溫煙氣被導入冷卻塔，在冷卻塔內，通過洗滌器和冷水霧化將高溫煙氣冷卻除塵。國內外常用的高溫煙氣冷卻方式是直接冷卻，就是將霧化的水與高溫煙氣直接接觸，使細小的液滴在高溫煙氣中迅速汽化，將煙氣中的顯熱變成水蒸氣的潛熱，達到降溫的目的[2]。

然而，在冷卻塔中通過冷卻水噴霧使高溫煙氣降溫會產生附著物。這些附著物粘附在冷卻塔內壁上將引起危害。我們的目標是將高溫煙氣冷卻到期望溫度的同時，有效的抑制附著物在冷卻塔內壁的粘附[3]。

1 高溫煙氣處理工藝流程及設備簡介

1.1 工藝流程

高溫煙氣處理工藝流程如圖1 所示。轉底爐是高溫煙氣的氣源。轉底爐排出高溫煙氣后，經煙道導入冷卻塔的底部。在冷卻塔中，高溫煙氣經過對噴流除塵和冷卻水噴霧冷卻。這兩種方式使高溫煙氣中的固體粉塵被分離沉淀和收集，易揮發(fā)/熔融組分凝固。冷卻后的煙氣經煙道導入布袋除塵器，在除塵器中，煙氣攜帶的凝固的易揮發(fā)/熔融組分被分離和收集。經過上述處理的煙氣經煙道，由煙囪排入大氣[4]。

圖1 高溫煙氣處理工藝流程圖Fig.1 The technological process of high-temperature flue gas treatment

1.2 設備

（1）噴霧冷卻系統(tǒng)。噴霧冷卻系統(tǒng)的基本原理就是往高溫煙氣中噴入用空氣霧化的細小液滴（平均直徑為50～70μm），當被霧化的液滴與高溫煙氣混合后，使液滴在一定空間內瞬間完全蒸發(fā)，從而達到煙氣冷卻的目的[5]。

噴霧冷卻系統(tǒng)由雙流體噴槍、泵站部分和控制部分組成。雙流體噴槍是冷卻水霧化的關鍵設備，如圖2 所示。

圖2 雙流體噴槍Fig.2 Two-fluid lance

泵站部分由供水管路、供氣管路和排放管路組成。供水管路根據系統(tǒng)需要向噴槍供水。供氣管路根據噴槍的工況要求提供一定壓力的壓縮氮氣。供水管路和供氣管路都設有備用管路，當正常工作的管路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換至備用管路，保證系統(tǒng)正常運行。當系統(tǒng)停止工作時，排放管路用來排空管路中的殘留水[6]。

控制部分由PLC、觸摸屏、溫度檢測單元和壓力開關等組成。當高溫煙氣量不穩(wěn)定時，除了根據冷卻塔出口設定的溫度調節(jié)水量外，還需要根據冶煉的鼓風量和冷卻塔的入口溫度進行前饋控制。噴霧冷卻系統(tǒng)如圖3 所示。

（2）布袋除塵器可以去除粉塵等顆粒物。經過冷卻處理的高溫煙氣從布袋除塵器的下部進入，由下向上流動，當含塵煙氣經過濾袋時，粉塵等顆粒物被過濾，并附著在濾布上。隨著粉塵在濾布表面的積聚，除塵器的效率和阻力都相應的增加，當濾布兩側的壓力差很大時，會把已經附著在濾布上的細小粉塵擠壓過去，降低除塵效率。因此，要定期對濾布進行清灰。布袋除塵器結構簡單、維護方便、除塵效率高，特別是對小于2μm 的煙塵的捕集是其他除塵器不能相比的；處理煙氣量的范圍廣；對粉塵特性不敏感，不受粉塵比電阻的影響。

圖3 噴霧冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.3 Spray cooling system diagram

2 冷卻塔內高溫煙氣的對噴流除塵和噴霧降溫

2.1 冷卻塔內的高溫煙氣的對噴流除塵

對噴流除塵技術利用煙氣中的粉塵在撞擊區(qū)內來回振蕩、相互碰撞并團聚的機理進行除塵[7]。兩股煙氣相向流動，由四個支路入口進入，從而增加了粉塵在撞擊區(qū)的停留時間，有利于粉塵之間的相互碰撞和團聚[8]，如圖4 所示。

在煙道內采用阻尼器技術，使各支路入口的高溫煙氣流速、流量相等。在中間相互碰撞后，使粉塵在撞擊區(qū)內來回振蕩，形成高濃度區(qū)，從而在中心區(qū)相互碰撞團聚。而含塵煙氣在撞擊面上的碰撞使得氣流的軸向速度逐漸消失，引起高溫煙氣水平動能的消耗，改變流向，在冷卻塔中形成了無旋流和渦流的向上均勻氣流[9]。最后，一部分團聚后的較重粉塵由于重力作用而沉降下來，由冷卻塔底部的排出口排出，剩下較輕的粉塵則被上升氣流帶走[10]。

圖4 冷卻塔入口截面圖Fig.4 Inlet section of cooling tower

2.2 冷卻塔內的高溫煙氣的噴霧降溫

雙流體噴槍安裝在冷卻塔高溫煙氣入口的上部0.5m處，噴射方向與向上的煙氣氣流流向相同。雙流體噴槍霧化效果非常好，霧化液滴的索特平均直徑（SMD）可以達到50～70μm，蒸發(fā)迅速。高溫煙氣夾帶細小的霧化液滴向上流動，延長了霧化液滴冷卻高溫煙氣的有效時間，使高溫煙氣快速的冷卻。煙氣中易揮發(fā)/熔融組分的溫度被迅速降到等于或低于氣化點或熔點，從而液化或凝固，然后隨煙氣從冷卻塔頂部的出口排出。有效阻止了易揮發(fā)/熔融組分在冷卻塔內壁上的粘附。

3 冷卻塔內煙氣溫度分布

在實驗中，轉底爐排出的高溫煙氣為29301Nm3/h，溫度為287℃，含塵量為11.4g/Nm3。向高溫煙氣中噴射25℃的水和壓縮空氣，水量為1.38m3/h，氣量為426Nm3/h。高溫廢氣被冷卻到190℃從冷卻塔頂部的出口排出。冷卻塔內煙氣的溫度分布如圖5 所示。

冷卻塔內部的中心區(qū)域是低溫區(qū)160～180℃，內壁的附近區(qū)域是200℃或更高。在該溫度范圍內，高溫煙氣中的易揮發(fā)/熔融組分被有效的冷卻液化或凝固，從而被排出。冷卻塔內壁附近的較高溫度區(qū)域有效的阻止了易揮發(fā)/熔融組分粘附在冷卻塔內壁，效果良好。

4 結論

圖5 冷卻塔內部截面溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution of the cooling tower internal section

在高溫煙氣處理過程中，通過運用對噴流技術和噴霧冷卻技術，在保證高溫煙氣迅速冷卻的同時，有效防止了易揮發(fā)/熔融組分在冷卻塔內壁的粘附。實驗結果與實際工況基本吻合，達到了預期目標。

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