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炼钢焙烧高温烟气湿法净化工程设计与实践 陈盈盈 北京柯林柯尔科技发展有限公司， 北京 100015 摘要 湿法除尘有独特优点和用途。介绍了石灰窑窑尾高温烟气湿法净化的设计要点和主要设备计算方法。除尘系 统投产后运行良好。对工程设计和运行管理提供参考。 关键词 窑尾;高温烟气;湿法净化;设计 THE PURIFICATION ENGINEERING DESIGN AND PRACTICES OF STEELMAKING ROASTING HIGH TEMPERATURE FLUE GAS Chen Yingying Beijing Clean Air Techology Innovation Co． ， Ltd， Beijing 100015， China AbstractWet dusting has unique advantages and purposes．The wet purification design features and major equipment calculation s of lime kiln high temperature flue gas are introduced． Dust removal system runs well after putting it into operation． The reference for the engineering design and operational management can be provided． Keywordslime kiln;high temperature flue gas;wet purification;design 宝钢 5 号回转窑湿法净化是作为窑点火、 停窑和 预热机以后的除尘设备发生故障时窑的排烟而设置 的除尘系统。 窑内 950 ℃ 的高温烟气由预热器的辅助烟囱引 出， 进入湿式除尘器的冷却器， 在冷却器里经水冷却 后降为 300 ℃ 的烟气再进入文氏管洗涤器， 而后再经 分离器将气水分 离， 从分 离 器 出 口 的 气 体 温 度 是 78 ℃ ， 经湿式除尘器净化后的气体排入大气。泥浆 则利用泥浆泵打入浓缩池， 沉淀后的水循环使用。 1系统组成 1. 1系统特点 除尘净化系统采用的湿式除尘系统由冷却器、 文氏 管洗涤器、 分离器、 管道、 风机等组成， 如图 1 所示。其特 点是 1 该湿式除尘器系统间歇操作， 但保持随时可以 开动; 2 在文氏管洗涤器的喉部设有可调节的翻板阀， 可以通过调整挡板的角度而使除尘器的压力损失接近 所规定的值; 3 该除尘器使用特殊结构的喷嘴， 不积滞 灰尘， 并且可以使用循环水净化烟气; 4 污水进入石灰 窑公用水处理系统， 不单设污水处理装置。 1. 2湿式除尘的主要技术参数 湿式除尘的主要技术参数为 图 1窑尾高温烟气净化系统 处理风量 88 515 m3/h 标况 ; 入口烟气温度 300 ℃ ; 烟气中粉尘成分 CaO、 CaCO3; 烟气中粉尘密度 0. 7 t/m3; 人口烟气含尘浓度 5 ～ 20 g/m3 标况 ; 除尘器工作压力－ 12 500 Pa; 除尘器阻力损失 5 100 Pa; 除尘器出口烟气温度 80 ℃ ; 出口烟气含尘浓度＜ 100 mg/m3 标况 ; 设备静态漏风量＜ 1 。 2工作原理 湿式除尘系统工作原理 石灰窑排出的 300 ℃ 高 97 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 温含尘烟气首先进入蒸发冷却器， 将烟气温度降低， 较低温度的烟气高速进入可调喉口文氏管， 完成水滴 对粉尘的有效捕集。含有水滴、 粉尘的烟气在分离器 进行水气分离， 干净气体经风机由烟囱排放， 分离出 的含尘污水进人水处理系统处理。在净化过程中调 径文氏管除尘效率 ＞ 99 ， 直流复挡分离器分离水滴 效率 ＞ 97 ， 因此完全可 以满 足 环 保 排 放 标 准 的 要求。 2. 1冷却器设计 冷却器的主要作用是将冷水直接雾化喷向高温 烟气以降低烟气温度， 在冷却降温的过程中同时有凝 聚较粗尘粒的作用。因此设计要点是冷却计算。设 计中人口烟气量按 88 515 m3/h 标况 、 温度 300 ℃ 来计算。 2. 1. 1以冷却水为介质的蒸发冷却塔 烟气自冷却器的顶部或下部进入、 由底部或顶部 排出， 喷雾装置设计为顺喷， 即冷却水雾流向与气流 相同。冷却器内断面气流速度宜取 4. 0 m/s 以下。 以便烟气在塔内有足够停留的时间， 使其水雾容易达 到充分蒸发的目的。蒸发冷却器的有效高度决定于 喷嘴喷入的水滴蒸发的时间， 而蒸发时间取决于水滴 粒径的大小和烟气热容量。因此， 为降低蒸发冷却器 的高度， 必须尽可能减少水滴粒径， 使其雾粒在与高 温烟气接触的很短时间内， 吸收烟气显热后全部汽 化， 并被烟气再加热而形成为一种不饱和气体。 2. 1. 2烟气放出热量 Qg的计算 高温气体从 tg1下降到 tg2所放出的热量 Qg按式 1 计算 Qg V0 22． 4∫ tg1 tg2 CpΔt V0 22． 4 Cptg1 － Cptg2 1 式中 Qg 烟气放出热量， kJ/h; V0 标准状态下气体的体积流量， m3/h; Cp 从 0 ～ t ℃ 气体的平均定至摩尔热容， kJ/ kmol ℃ ; tg1 高温烟气入口温度，℃ ; tg2 高温烟气出口温度，℃ 。 2. 1. 3有效容积 V 计算 在喷嘴喷出的水滴全部蒸发的情况下。蒸发冷 却器的有效容积 V 可以按式 2 、 式 3 计算 Qg sVΔtm 2 式中 Qg 高温烟气放出热量， kJ/h; s 蒸发冷却器热容系数， kJ/ m3h ℃ 。当 雾化性能良好时， 可取 672 ～ 838 kJ/ m3 h ℃ ; V 蒸发冷却器的有效容积， m3; Δt m 水滴和高温烟气的对数平均温度差，℃。 Δt m Δt 1 － Δt2 ln Δt 1 Δt 2 3 式中 Δt1 入口处烟气与水滴的温差，℃ ; Δt 2 出口处烟气与水滴的温差，℃ 。 2. 1. 4喷水量 W 计算 蒸发冷 却 器 的 喷 水 量 W kg/h ， 可 按 式 4 计算 W Qg r cw 100 － tw cv tg2－ 100 4 式中 r 在 100 ℃ 时水的汽化潜热为 2257 kJ/kg; cw 水的质量比热容为 4. 18 kJ/ kg ℃ ; cv 在 100 ℃ 对水蒸气的比热容为 2. 14 kJ/ kg ℃ ; tW 喷雾水温度，℃ ; tg2 高温烟气出口温度，℃ 。 根据计算， 得冷却器外形尺寸为 4 020 mm 9 100 mm。冷却水用石灰厂已有浊循环水， 耗水量 为 20 t/h。 2． 2文氏管设计 文丘里洗涤器的形式很多， 由于烟气量较大， 此 次设计中采用手动可调矩形文氏管。依据工程具体 情况对调径文氏管做了改进即把手动齿轮调节改为 双向丝杠调节， 从而使文氏管喉口在长时间使用后依 旧可调， 而且可将喉口截面积进行细微准确的调节， 以 平 衡 系 统 阻 力。 根 据 计 算 喉 口 尺 寸 确 定 为 1 400 mm 500 mm。文氏里洗涤器用水量为150 t/h， 水压 0. 4 MPa。 2. 2. 1文氏管压力损失 估算文氏管的压力损失是一个比较复杂的问题， 其计算公式为式 5 ΔP v2 tρtS 0． 133 t L0． 78 g 1． 16 5 式中 ΔP 文氏管的压力损失， Pa; vt 喉管处的气体流速， m/s; St 喉管的截面积， m2; ρ 气体的密度， kg/m3; Lg 喉管长度， m。 08 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 2. 2. 2文氏管除尘效率 对 5 μm 以下的粒尘， 其除尘效率可按式 6 经 验公式估算。 η 1 － 9226ΔP －1． 43 100 6 式中 η 除尘效率， ; ΔP 文氏管压力损失， Pa。 2． 3分离器设计 设计中分离器采用复挡分离器的结构形式。如 图 2 所示。 图 2复挡分离器 复挡分离器的除液滴机理与旋风除尘器相同， 其 构造是有多层同心圆挡板， 工作原理是含有液滴的气 体切内进入分离器后， 分为几部分在挡板间的通道内 旋转， 在离心力的作用下， 液滴甩向挡板并形成液膜 顺着侧壁流下， 液膜同时将液滴捕集下来。增加了挡 板即增大的接触面积同时控制气流在分离器内只旋 转 3 /4 圈就排出系统， 而液滴及液雾被捕集效率大大 提高， 故比单一旋风分离器压降小、 效果好。 具体其外形尺寸 4 020 mm 8 855 mm， 内设三 层挡板， 进出口尺寸为进口 1 620 mm 920 mm， 出口 为 1 820 mm， 进排气流速分别为 25 m/s 和 20 m/s。 根据液滴在旋转流场内的运动方程， 且假设只考 虑气体阻力， 阻力系数 CD 24 /ReD， 就可得到液滴向 外移动的径向速度为式 7 v1 ρ1d 2 1v 2 gt 18μgR dR dt 7 设 气 流切向速度 vgt服 从 强 制 涡 规 律， 即 有 vgt 2πωR，代入上式整理后而得式 8 dR R 2． 193ω 2d2 1ρ1 μg dt 8 设考虑某一挡隔板通道， 该通道的外壁半径为 R0， 内壁半径为 Ri， Rx为液滴的初始位置。对上式从 Rx积分 到 R0， 且取 Δt 2πR0N μgt ω vgt 2πR0则可得式 9 Rx R0exp－ 2． 193 Nvgt 2πR 0 d2 1ρ1 μ [] g 9 所以粒级效率可以表示为式 10 ηi R0－ Rx R0－ Ri R0 R0－ R [ i 1 － exp － 0． 349 Nvgtd2 1ρ1 R0μ ] g 10 式中 vgt 气体在通道内的切向速度， m/s; d1 液滴直径， m; ρ1 液滴密度， kg/m 3; μg 气体的动力黏度， Pa s; N 气体在该通道内的旋转圈数， 取决于挡 板长度。 根据试验， 复挡捕沫器压降不超过一个气体进口速度 压头， 表示为式 11 ΔP ρgv 2 gt 2 11 2． 4污水处理 窑尾高温烟气净化的污水不单独处理， 而是进入 石灰焙烧污水处理系统。 石灰焙烧污水主要来源是原料洗涤， 原石通过洗 石机、 振动筛和螺旋分级机等设备的洗涤分级过程， 把其中夹杂的泥沙洗到废水中。用水量按1∶ 1比例， 即 1 t 原石用 1 t 水。设计规模为 180 t/h， 水洗后污 水含泥沙浓度 3. 5 。污水处理系统采用投药、 混 凝、 浓缩、 沉淀、 脱水的处理方法。污水进入污水中间 槽， 由泥浆泵送人浓缩池， 浓缩池的上清水流入贮水 池用泵加压后供洗石机循环使用， 浓缩的泥浆经泥浆 泵送入高位泥浆分配槽后， 自流进入转鼓真空过滤机 进行脱水， 产生的泥饼通过皮带输送机运至泥饼堆场 以备外运。为了提高浓缩池的沉降性能， 在浓缩池内 投加高分子絮聚剂 PAM ， 其投药浓度约为 l‰， 投 药量 1 ～ 5 mg/L。 污水处理主要设备如下 浓缩池 大小为 20 m 3. 0 m 直径 周边水深 ; 转鼓真空过滤机 大小为 3. 0 m 4. 88 m 直径 表面长度 ， 过滤面积为 48 m2; 真空泵 真空度 73. 33 kPa， 抽气量为 0. 8 m3/ m2min 。 3结语 设置石灰窑高温烟气的湿法净化系统的目的， 在 于防止回转窑点火、 停窑和事故处理时高温烟气进入 袋式除尘器烧毁、 糊堵滤袋。2006 年 5 月回转窑湿 法除尘系统投产运行， 实测结果表明， 投产 5 年以来 下转第 64 页 18 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 TF 和 TM 对 As Ⅲ 的去除率分别可以达到空白样 的 90 和 80 以上。在 PO3 － 4 浓度为 10 mmol/L 时， 去除率也可分别达到 60 和 55 以上。Ti-Fe 复合 氢氧化物能够有效减轻 PO3 － 4 对吸附性能的抑制。 参考文献 ［1］Pena M，Meng X G，Korfiatis G P， et al． Adsorption mechanism of arsenic onnanocrystallinetitaniumtioxide ［J］．EnvironSci Technol，2006， 40 1257- 1262． ［2］李定龙， 朱宏飞， 关小红． 吸附法去除饮用水中砷的研究进展 ［J］． 水资源保护， 2007， 23 6 44- 47． ［3］Mohan D，Pittman Jr C U． Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents-a critical review ［J］．Journal of Hazardous Materials，2007， 142 1- 53． ［4］Zhang Y，Dou X M，Zhao B， et al． Removal of arsenic by a granular Fe-Ce oxide adsorbentFabrication conditions and perance［J］． Chemical Engineering Journal，2010， 162 164- 170． ［5］Zhang Y，Dou X M，Yang M， et al．Removal of arsenate from water by using an Fe-Ce oxide adsorbentEffects of coexistent fluoride and phosphate ［J］．Journal of Hazardous Materials， 2010， 179 208- 214． ［6］Li Z J，Deng S B，Yu G， et al． As Vand As IIIremoval from water by a Ce-Ti oxide adsorbent Behavior and mechanism［J］． Chemical Engineering Journal，2010， 161 106- 113． ［7］Pajany Y M，Hurel C，Marmier N， et al． Arsenic adsorption onto hematite and goethite［J］． Comptes Rendus Chimie， 2009， 12 876- 881． ［8］Tang Y L，Wang J M，Gao N Y． Characteristics and model studies for fluoride and arsenic adsorption on goethite［J］．Journal of Environmental Sciences， 2010，22 11 1689- 1694． ［9］MajiSK， PalA， PalT．Arsenicremovalfromreal-life groundwater by adsorption on laterite soil［J］． Journal of Hazardous Materials，2008， 151 811- 820． ［ 10］常方方， 曲久辉， 刘锐平， 等． 铁锰复合氧化物的制备及其吸附 除砷性能［J］． 环境科学学报， 2006， 26 11 1769- 1774． ［ 11］刘辉利， 梁美娜， 朱义年， 等． 氢氧化铁对砷的吸附与沉淀机理 ［J］． 环境科学学报，2009， 29 5 1011- 1020． ［ 12］梁美娜， 朱义年， 刘海玲， 等． 氢氧化铁对砷的吸附研究［J］． 水 处理技术，2006， 32 7 32- 35． ［ 13］王强， 卜锦春， 魏世强， 等． 赤铁矿对砷的吸附解吸及氧化特征 ［J］． 环境科学学报，2008， 28 8 1612- 1617． ［ 14］Xu Z C，Li Q，Gao S A， et al．As IIIremoval by hydrous titanium dioxide prepared from one-step hydrolysis of aqueous TiCl4 solution［J］． Water Research， 2010， 44 11 5713- 5721． ［ 15］Pena M E，Korfiatis G P，Patel M， et al． Adsorption of As Vand As IIIby nanocrystalline Titanium dioxide［J］． Water Research， 2005， 39 2327- 2337． ［ 16］Gupta S S，Bhattacharyya K G． Kinetics of adsorption of metal ions on inorganic materialsA review［J］．Advances in Colloid and Interface Science， 2011， 162 39- 58． ［ 17］Piril M，Martikainen M，Ainassaari K， et al． Removal of aqueous As IIIand As Vby hydrous titanium dioxide［J］． Journal of Colloid and Interface Science， 2011， 353 257- 262． ［ 18］张自杰， 林荣枕， 金儒霖． 排水工程［M］． 北京 中国建筑工业 出版社， 1999 538- 555． ［ 19］Manna B R，Dey S，Debnath S， et al． Removal of arsenic from ground water using crystalline hydrous ferric oxide CHFO［J］． Water Qual Res， 2003， 38 193- 210． ［ 20］Manna B R，Dasgupta M，Ghosh U C． Crystalline hydrous titanium IVoxide CHTO an arsenic IIIscavenger from natural water［J］． Water SRT-AQUA， 2004， 53 483- 495． ［ 21］Zhang G S，Liu H J，Liu R P， et al． Adsorption behavior and mechanism of arsenate at Fe-Mn binary oxide/water interface［J］． Journal of Hazardous Materials， 2009， 168 820- 825． ［ 22］Zhang G S，Qu J H，Liu R P，et al． Preparation and uation of a novel Fe-Mn binary oxide adsorbent for effective arsenite removal ［J］． Water Research， 2007， 41 1921- 1928． ［ 23］Guan X H，Dong H R，Ma J， et al． Removal of arsenic from water Effects of competing anions on As IIIremoval in KMnO4-Fe II process［J］． Water Research， 2009， 43 3891- 3899． ［ 24］Ren Z M，Zhang G S，Chen J P． Adsorptive removal of arsenic from water by an iron-zirconium binaryoxide adsorbent［J］． Journal of Colloid and Interface Science， 2011， 358 230- 237． 作者通信处李新230022合肥市安微建筑工业学院研究生处 E- maillixin2730 163． com 2012 － 03 － 01 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 81 页 湿法除尘的烟气净化系统和水循环系统运行正常， 达 到了预期目的。除尘系统排放气体含尘浓度 ＜ 30 mg/m3， 设备状况良好， 满足国家和宝钢的环保要求。 参考文献 ［1］王纯， 张殿印． 除尘设备手册［M］． 北京 化学工业出版社， 2008． ［2］胡金榜． 文丘里洗涤器除尘操作参数的优良设计与工程实践 ［J］． 环境工程， 1999， 17 5 35- 38． 作者通信处陈盈盈201900上海市宝山区铁山路 1050 号 2 号楼 412 室中冶建筑研究总院有限公司华东分院 E- mailchenyingying0924 sohu． com 2012 － 02 － 24 收稿 46 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期