旋流板塔
本文由 马后炮化工论坛 转载自互联网，？ x 旋流板塔大型化的设计与研究 [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。 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=405.5K 烟尘排放浓度 108.8mg/Nm3 SO2排放浓度：1920mg/m3 2.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 式中： dx—叶片长度 m rv—气相重度 kg/m3 v—气量 m3 2、 流通面积计算公式 A0=Aa(sina-(2?m?z)?(P(dx+dm))) Aa=P/4?(dx2- dm2) 式中： A0— 气体流通截面积 m2 a — 仰角° m — 叶片数， 块 z— 叶片厚度 mm 3、 开孔率计算公式 Y= A0?AT 式中： A0— 气体流通截面积 m2 AT— 塔截面 m2 4、 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1.6 F0 — 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/h Af—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）×,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。 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）×，故用试算法可求出dm3=4.045,则d3=4.045+1.25+0.2=5.5m<5.7m,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） 2000 3920 5700 气量（万m 3/h） 3.690 10.48 15.795 叶片外端直径dx（mm） 1830 3750 5500 盲板外端直径dm（mm） 580 2400 4220 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） 126 215 260.5 液气比（l/m3） 1.5 1.5 1.5 降流装置 溢流管数目 3 3 3 每个溢流口面积（cm2） 129.15 366.80 552.83 弧型堰宽（mm） 50 50 70 堰长（mm） 220 694 735 溢流管直径（mm） 86 145 178 压降（mmH2O） 29.6 29.6 29.6
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