ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
1999年 第19卷 第4期 Vol.19 No.4 1999
新型多功能烟气净化装置的开发
高 翔 骆仲泱 周劲松 陈亚非 刘治国 林永明 倪明江 岑可法
摘要 余热回收、除尘、脱硫多功能烟气净化装置是一种可同时解决中小型锅炉热效率低下和环境污染问题的新装置.在对多功能烟气净化装置基本原理和特点进行介绍的基础上，利用3000m3/h试验系统对装置的阻力、除尘、传热和脱硫特性进行了研究.试验发现，多功能烟气净化装置的阻力损失为618—794Pa，对于平均粒径0.0639mm的电厂灰分离效率可达82%～92%，传热效果是普通空预器的1.5—2.2倍，可提高锅炉效率4%，与炉内喷钙相结合系统脱硫效率可达75%.
关键词 余热回收；除尘；脱硫；工业锅炉；多功能烟气净化装置.
Development of a new type multi-function flue gas cleaner
GAO Xiang,LUO Zhongyang,ZHOU Jinsong,CHEN Yafei,LIU Zhiguo,LIN Yongming,NI
Mingjiang,CEN Kefa
(Institute of Thermal Power Engineering, Zhejiang University,Hangzhou 310027)
Abstract Waste-heat recovery,dust removal and desulphurization multi-function flue gas cleaner is a new type equipment.Which is all to replace the small-and mid-industrial boilers with low thermal efficiency and high air pollution.Based on foundation principle and
characteristics introduction of multi-function flue gas cleaner,experimental researches on
pressure drop,dust removal,heat transfer and desulfurization were performed in 3000m3/h
scale experimental system.The results are as follows:the pressure drop of multi-function flue gas cleaner is 618—794Pa,dusting efficiency for 0.0639mm particle size can reach to 82%—92%,heat transfer cofficiency is 1.5—2.2 times of conventional air preheater and boiler
thermal efficiency can increase 4.8%,desulphurization efficiency is 75%.The results indicate that the multi-function flue gas cleaner can satisfy the needs of energy saving and
environment protection for industrial boiler.
Keywords Waste-heat recovery,dust removal,desulphurization,industrial boiler,multi-
function flue gas cleaner.
目前，全国共有中小型工业锅炉40多万台，其中2/3是小锅炉，热效率平均比发达国家低10%～20%［1］.目前我国工业锅炉耗煤已达到近3.0亿t，占我国原煤总产量的1/4左右.资料显示［2］，工业锅炉的排烟热损失可达10%—25%.采用余热回收装置，提高余热回收效率，将具有显著的节能效果.若中小型工业锅炉总体平均热效率提高1%，每年可减少煤耗460万t以上，节约资金10亿元以上.而且，中小型锅炉和炉窑每年在燃烧
过程中排放大量SO2和粉尘，其总量已超出了电站锅炉的排放量.以1996年排放资料统计［3］，工业锅炉和炉窑所排放的烟尘已占到每年总排放量的44%，SO2占到每年总排放量的52%.与电站锅炉相比，工业锅炉数量多，分布广，并且处在人口稠密的地区，烟囱处于低空排放.因此中小型锅炉排放的SO2和粉尘对周围环境，特别是城市环境的污染更为严重，造成的危害及损失也更大.由此可见，在中国有效地控制SO2的排放
量，尤其中小型锅炉的排放量已到了刻不容缓的地步.
为此，浙江大学热能工程研究所开发了一种适用于中小型工业锅炉节能和环保需要的余热回收、除尘、脱硫多功能烟气净化装置. 1 余热回收、除尘、脱硫多功能烟气净化装置的特点
多功能烟气净化系统的工艺过程由炉内喷钙脱硫系统、旋风式余热回收、除尘及活化增湿脱硫装置和脱硫灰渣的处理系统组成.
1.1 炉内喷钙脱硫系统
将石灰石喷入锅炉适当的850—1150℃温度区，一般为锅炉辐射段.石灰石分解成CaO和CO2，部分CaO与烟气中SO2反应并生成CaSO4.
炉膛内喷入石灰石后SO2的脱除率受煤种、石灰石粉特性、炉型及其空气动力学和温度特性等因素的影响，一般在20%—50%［4］.向炉膛喷射脱硫剂具体实施方法是：首先炉体壁开设一个或数个喷口［5，6］，吸收剂喷射器穿过喷口进入炉膛内.理想喷射点部位的烟气温度不太高，吸收剂传送用气可采用热空气(燃用高湿度煤的锅炉除外).由于吸收剂的传送和喷射增加了进入炉膛的空气量，为避免锅炉燃烧效率降低，吸收剂的传送和喷射用气应维持低水平.一般情况，传送或喷射空气的用量保持在燃烧空气量的5%以内，小型燃煤锅炉应在1%以下［6］.
1.2 旋风余热回收，除尘及活化增湿脱硫装置
本装置是整个系统的核心部件.固体颗粒和脱硫剂由切向进入装置.首先进入气-气余热回收段.在环形传热流道中烟气作旋转流动，预热空气作轴向流动.空气侧采用扩展表面强化传热.在流程安排上采用冷热风交叉流使之具有较高的传热温差.烟气离开余热回收段后进入除尘及喷水增湿活化段.在这一阶段内，装置将同时完成除尘和脱硫两项任务.
1.3 脱硫灰渣的处理系统
在旋风装置分离下的灰中还存在着部分可利用的钙基吸收剂，通过下部集灰，贮存和气力输送等过程，将部分脱硫生成的灰渣重新喷入反应器之前烟道，以提高钙基吸收剂利用率. 2 余热回收、除尘、脱硫装置的试验系统
多功能烟气净化装置的余热回收、除尘、脱硫系统由图1所示.
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图1 试验系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental system
一定的风量由鼓风机送入风道，并在风道入口处被分成两路.每路风的风量通过风门调节控制并由翼形测速装置测得.一路经燃油试验炉加热至一定温度，将纯SO2钢瓶气混入烟气，调节烟气中的SO2浓度作为模拟烟气.在这一路中，吸收剂CaCO加入试3
验炉中煅烧获得CaO和物料在文丘利管喉口处用螺旋给料机加入，经直管段混合均匀后进入反应器本体.另一路直接进入试验装置本体作为预热空气.模拟烟气和冷空气经余热回收除尘脱硫装置分别除尘，脱硫和预热后，经尾部除尘器除尘，由引风机排出.增湿活化水由给水泵辅送并提供液体雾化压头.
多功能烟气净化试验装置直径为540mm、高为900mm.装置最外覆盖20mm厚的保温材料.外部余热回收部分，烟气侧为切向旋转流体，空气侧为纵向流动，最外层为上行流道，内层为下行流道.烟气和空气流道互为交错.烟气流道宽度为18mm，空气上行流道为9mm，下行流道为18mm.在装置的空气侧加有纵向间断直肋片，以提高传热能力，其加肋后的扩展面积比为1.42.
试验时温度和压力分别由镍铬-镍硅热电偶和U形管测得，热电偶数据由数据采集器和PC计算机处理.在每个流道进出口各布置7个温度测点和压力测点，在外部传热流道沿径向、周向和高度方向布置23个温度测点.进出口SO2浓度由MSI-2000电脑烟气分析仪测得.实验的物料和石灰石成分分别见表1和表2.
表1 试验物料
Table 1 Test materials
参 数
电厂粉煤灰平均粒径dp ,mm 真实密度ρp ,kg/m3堆积密度ρb ，kg/m30.[1**********].5
表2 灰石灰的成分
Table 2 Component of limestone
项目
CaCO 3SiO 2MgCO 3Fe 2O 3Al2O3Others
质量分数，%89.905.961.010.431.691.01
3 试验结果及分析
3.1 装置的阻力特性
本装置的烟气侧阻力特性，主要包括不同的颗粒浓度和烟速条件下，阻力的变化曲线.从图2可见，在风速为20m/s时，随固体颗粒浓度变化，本装置烟气侧阻力损失处于618—794Pa的范围内.在本试验工况下，随着固体颗粒浓度增加，压力损失下降.其原因主要是固体颗粒对气流脉动起到阻尼作用，减小了气流湍流引起的能量耗散，从而使阻力损失降低.文献［7］的试验研究发现当颗粒浓度超1kg/m3后，阻力损失将随气流中固体颗粒浓度的提高而增加.图3是在固体浓度为20g/m3时，阻力损失随进口风速的变化曲线，由图可见，阻力损失随风速的提高而增加.根据风速和固体颗粒浓度影响的
研究结果，可关联出与固体颗粒浓度和进口风速有关的装置阻力特性经验公式.
图2 固体颗粒浓度对阻力特性的影响
Fig.2 Effect of particle concentration on pressure characteristic
图3 进口风速对阻力特性的影响
Fig.3 Effect of inlet gas velocity on pressure characteristic
f=805.3(1+Ci/Cc)-0.17Re -0.54i
(1)
适用范围：固体颗粒浓度Ci =0—50g/m3,Rei=42000—65000.
式中，f和Rei根据装置内部分离器入口参数确定；Ci 为入口固体颗粒浓度(g/m3);Cc 是参照固体颗粒浓度，在本式中取Cc =20g/m3；试验数据与回归计算式比较，结果表明最大误差小于±6.0%，两者相符得较好.说明系统的阻力损失适中，可适合工业应用的需要.
3.2 装置的除尘特性
本装置的内部分离器可看作旋风分离器.一般认为，旋风分离器内流体流速和固体颗粒浓度将会对分离器产生显著影响.图4、5分别显示了固体颗粒浓度和内部分离器入口风速对总体分离效率的影响.结果表明，在试验范围内分离器效率η随入口风速和固体颗粒浓度的增加而提高.当入口风速为13.1m/s时，颗粒浓度从12g／m3增至56g／m3，内部分离器的分离效率从82%提高到92%，但随着固体颗粒浓度的提高，浓度变化对分
离效率的影响作用减弱.
图4 固体颗粒浓度对分离效率的影响
Fig.4 Effect of particle concentration on separation efficiency
图5 入口风速对分离效率的影响
Fig.5 Effect of inlet gas velocity on separation efficiency
Smolik ［8］曾根据旋风分离器的试验结果关联出从某一固体颗粒浓度下的分离效率预测另一固体颗粒浓度下的分离效率的经验公式：
m 1-η2(C2)=［1-η1(C1)](C1／C2)
(2)
式中，m表示分离效率对固体浓度的敏感系数.式(2)虽可用较简便方法计算出不同颗粒浓度下的分离效率，但不同装置分离效率对固体颗粒浓度对敏感性会有所差异.从图4可发现本装置分离效率对浓度变化的敏感性系数为m＝0.36.计算结果与试验值具有较好的一致性.
3.3 装置的传热特性
装置内烟侧和空气侧的传热系数直接影响到装置总体的传热性能.总传热系数K按文献［9］中的公式计算.
图6显示了烟气侧固体颗粒浓度对传热系数的影响曲线.结果表明，含尘旋转气流具有较佳的传热性能，在本试验工况下传热系数处于120—164W/(m2℃)范围内，传热系数随着颗粒浓度的增大而提高.对于进口风速为16m/s的多相流体，传热系数在低固体颗粒截荷比时随固体颗粒浓度增加传热系数反而下降，结果再次验证了低固体浓度截荷比对传热的抑制性.固体颗粒浓度对传热性能影响作用的具体原因可详见文献
［10］.图7是空气侧传热特性曲线，传热系数处于70—90W/(m2℃)范围.考虑到空气侧具有1.42的扩展面积，故其实际传热系数，为99—128W／m2℃).烟气侧和空气侧换侧系数基本接近.说明本装置在冷热交换的设计上比较合理，不存在严重制约总体传热
系数K的“瓶颈”侧.．．．
图6 烟气侧固体颗粒浓度对传热系数的影响
Fig.6 Effect of particle concentration on heat transfer coefficient in flue gas side
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图7 空气侧传热特性曲线
Fig.7 Heat transfer characteristic curve on air side
图8 固体颗粒浓度对传热系数K的影响
Fig.8 Effect of particle concentration on heat transfer coefficient K
图8显示了总体传热系数K随固体颗粒浓度的提高而增加的情况.从图中可见，本装置在清洁受热条件下总传热系数为43—58／W/(mm2℃)，是普通空预器的2.4—4.1倍.在实际应用过程中，由于受热面在含尘气流中传热会使表面出现积灰，致使传热系数下降.在计算过程中可用热有效系数Φ考虑污染的影响.对锅炉尾部受热面(如省煤器)，Φ取值0.70—0.65.本装置采用环形流道布置，污染程度可能较普通尾部受热面要低.即使在考虑了灰污染的影响之后，仍比普通空预热器(传热系数14—18／W/(mm2℃)高
1.5—2.2倍.根据本装置余热回收段换热性能的试验结果，以4t/h的锅炉为例分析装置的节能效果(分析结果见表3).由表可见，通过本装置的余热回收段可取得明显的节能效果，锅炉节能效率可达4.8%.
表3 装置节能的效果分析
Table 3 Effect analysis of energy saving for cleaner
锅炉蒸排烟温
发量， 度，
kg/h℃
4000235余热回收段 余热回收段 余热回收段 出口烟出口空气温进温度，℃温，℃度，℃16020110排烟量， m3/h5000助燃空回收热气 锅炉节能 量， 量，m3/效率，%108J h 41704.854.8．．
3.4 装置的脱硫特性
图9、10显示了装置脱硫效率随喷水量的变化及Ca/S摩尔比变化的试验结果.由图可见，喷水量和Ca/S摩尔比的变化对脱硫效率有明显的影响作用，脱硫效率随喷水量和Ca/S摩尔比的提高而上升，但喷水量和Ca/S摩尔比大于某一值后继续增加对脱硫效率明显削弱.在实际工程应用中，由于要综合考虑其反应性能和利用率的问题，Ca/S摩尔比取值为1.5.从脱硫效果的比较可以发现，在中低温烟气脱硫系统中，加喷雾化水可有效地改善系统脱硫效果，提高钙基吸收剂的利用率.从脱硫试验结果可发现，尾部增湿活化脱硫工艺系统在Ca/S=1.5时即可达到55%的脱硫效率.如果与炉内喷钙脱硫配合，
当炉内脱硫效率为40%时，系统总脱硫效率可达75%，从而基本满足环保脱硫的需要.
图9 喷水量对脱硫效率的影响
Fig.9 Effect of water injection on desulfurization efficiency
图10 钙硫比对脱硫效率的影响
Fig.10 Effect of Ca/S molar ratio on desulfurization efficiency
4 结论
通过对多功能净化装置综合试验研究的结果发现，多功能烟气净化装置的总阻力损失为618—794Pa，分离部分对于平均粒径0.0639mm的电厂灰分离效率可达82%—
92%，余热回收部分的传热效果是普通空预器的1.5—2.2倍，可提高锅炉效率4.8%，净化装置的脱硫效率可达55%，结合炉内喷钙系统总脱硫效率可达75%.多功能烟气净化装置可满足中小型锅炉节能和环保的需要.
* 国家自然科学基金资助项目(No.292772275)
作者单位：(浙江大学热能工程研究所，杭州 310027)
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1997-11-25收到原稿
1998-08-14收到修改稿
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英文刊名：
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