旋流板塔大型化的设计与研究


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=405.5K
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