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SO2对大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SO2的含量应严格控制产生SO2污染的主要来源—电站的SO2的排放。目前，国内对于中小型电站的烟气脱硫已有一些进展，对于大型电站的烟气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。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：烟气量66.5万m3/h烟气温度TS=405.5K60全国化工热工设计技术中心站年会论文集烟尘排放浓度108.8mg/Nm3SO2排放浓度：1920mg/m32.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5.7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3.69万m3/h，由相关公式：1、叶片长度计算公式dx=10√v√rv全国化工热工设计技术中心站年会论文集61式中：dx—叶片长度mrv—气相重度kg/m3v—气量m32、流通面积计算公式A0=Aa(sin(2m)((dx+dm)))Aa=/4(dx2dm2)式中：A0—气体流通截面积m2—仰角°m—叶片数，块—叶片厚度mm3、开孔率计算公式=A0AT式中：A0—气体流通截面积m2AT—塔截面m24、压降计算公式ΔP=ε0F02（2g）+3.6vF0+4式中：ε0—穿孔阻力系数取1.6F0—穿孔动能因子kg0.5/m0.5s其中F0=(v0√rv)/(3600A0)v—溢流口液速v=2.78L/Af其中L—液量m3/hAf—溢流口总面积cm2按照上述公式，求出dx=1927mm,考虑到要留出足够的溢流堰宽，故按95%比例缩小，故dx=1830mm,dm=580mm(dx代表叶片外径，dm代表盲板直径，下同)取仰角α=25°，塔板厚度δ=5mm，求得开孔率ε=29.84%,压降Δp=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，试取dx2=dm2+1.25，d2=dx2+0.17=dm2+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流1与总面积S流2之比也是29.84%，（即为开孔率），S流2=П/4×（dxe2-dme2）×[Sinα-2×m×δ/(П×(dxe+dme))],下标e表示当量尺寸，S2总=П/4×[（dm2+1.42）2-22],故用试算法可求出dm2=2.34m,dx2=3.59m,d2=3.76m。62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dx3=dm3+1.25,d3=dx3+0.2=dm3+1.25+0.2=dm3+1.45(考虑到第3层气量大些，所以溢流堰宽度取大些)。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算，S3总=П/4×[（dm3+1.45）2-3.762],S2流=П/4×（dxe2-dme2）×[Sinα-2×m×δ/(П×(dxe+dme))]，故用试算法可求出dm3=4.045,则d3=4.045+1.25+0.2=5.5m5.7m,故不符合，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dx2=dm2+1.35,d2=dx2+0.17=dm2+1.52。再根据开孔率相等列式计算，公式同上，用试算法可得，dm2=2.40m,dx2=3.75m,d2=3.92m。再计算第3层塔的尺寸，调整取dx3=dm3+1.28,d3=dm3+1.28+0.2=dm3+1.48(考虑到第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，dm3=4.22m,dx3=5.5m,d3=5.7m,正好符合塔径5.7m，设计合理。再计算第2层和第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）200039205700气量（万m3/h）3.69010.4815.795叶片外端直径dx（mm）183037505500盲板外端直径dm（mm）58024004220仰角(°)252525径向角(°)18.4824.8123.9叶片数（块）202020开孔率（%）29.8429.8429.84罩筒高（mm）126215260.5液气比（l/m3）1.51.51.5降流装置溢流管数目333每个溢流口面积（cm2）129.15366.80552.83弧型堰宽（mm）505070堰长（mm）220694735溢流管直径（mm）86145178压降（mmH2O）29.629.629.6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d0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证了旋流板塔在大型处理设备中应用的可行性，还没有经过时间的检验，其操作的可行性和稳定性还有待进一步的考证。由于笔者的水平有限，因此在设计中可能存在的欠妥之处，希