除尘器

通风除尘中混风降温的优化与节能

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2018-12-04 14:17:10

摘要:在通风除尘工程中,混风降温作为常用的技术措施广泛运用于高温烟气的治理。但在此类系统的方案设计中,往往偏重于混风温度控制而忽略工程的节能性、经济性;另外,在某些复杂工况下,工程设计中缺少必要的烟气露点温度计算方法和湿度控制策略,从而影响了工程效果。本文结合工程实例,分析了通风除尘工程中混风降温的方案、控制优化,及其与节能的关系,并进一步探讨了目前存在的问题与相应的计算方法和解决方案。

关键词:混风降温;节能;方案和控制优化;烟气露点温度计算;

通风除尘中混风降温的优化与节能1

除排放速率大外,冶金业尤其是其冶炼车间的废气还有高温的特点,因此在通风除尘工程中形成并大量运用的治理技术手段有:混风降温、水冷烟道,汽化冷却烟道,蒸发冷却塔,自然冷却器,强制冷却器等。在二次除尘系统中,混风降温的运用尤为普遍。本文将围绕节能与减排的目标,结合工程实例介绍对混风降温的想法与体会,同时也试图对一些目前存在的问题,寻求理论上的计算方法和实践中的解决手段。

1混风降温——节能与减排的“悖论”

节能与减排作为环保的两大目标一直相提并论,然而,要达到减少粉尘排放目的的工程项目,却需要多耗能:要减少外逸粉尘以提高粉尘补给率,意味着较高的通风量;要满足日益严格的排放浓度要求,对目前广为采用的滤式除尘装置而言,往往需要更高的风机全压。对高温烟气采取混风降温时,该矛盾尤为凸显,因为高温,往往意味着烧穿滤袋的隐患,直接影响“减排”的目标;而要降温混入大量常温风量,则意味着更大的能耗,又与“节能”的宗旨相悖。

在采取混风降温时,某些做法入为地凸显了这一矛盾,如为避免使用高温滤料,在没有认真进行技术、经济分析的前提下就草率采用混风降温、常温滤料的技术方案。实际上,如仅仅为了降低烟气温度就混入大量常温空气,不仅增加了运行费用,对工程的一次投资影响也很大Ⅲ,考虑到除尘系统风量增加所引起的风管、除尘器、风机等材料、设备的增加,这样做实际既不节能也不经济。至于“减排”,如考虑到增加的能耗折合到标准煤及因之增加的温室气体排放量,实质上是在以高能耗为代价控制粉尘排放的同时增加了温室气体的排放量,并非完全达到了减排的目的。

通风除尘中混风降温的优化与节能2

2混风降温的运用与优化

2.1混风降温方案的权衡

长期以来,通风除尘工程师采用混风降温措施治理高温烟气,往往受限于居高不下的高温滤料价格,不得不依靠大量混风降温从而选用常温滤料。随着技术进步和大规模生产国产化率的提高,价格能够为国内业主接受的耐高温滤料已日益增多,工程技术入员应密切注意这方面的发展趋势,采用高温滤料,减少系统风量以降低装机容量和管路建设等的规模,实现工程项目技术性与经济性的最优化。文献介绍了常用滤料的物理化学特性及经济指标,但其价格指标反映的是国外的市场情况,国内的具体价格需因时因地而异,可在项目方案设计时向各地制造商咨询。

当增加风量不再成为混风降温的理由后,对于风量的选定,要重点考虑粉尘捕集率、排放浓度方面的要求:这首先应依靠事先对现场气流组织的详尽考虑以及对除尘罩、除尘器等的优化设计来保证,而不应一味倚赖于风量、风压的提高。国外工程公司多已普遍采取CFD等计算机模拟手段来实现,并取得事半功倍的效果,国内工程公司则还有改进的余地。

2.2混风降温的自动控制

作为一种直接冷却形式,混风降温有其合理性和适用范围。当现场允许并同时存在高温与常温除尘点时,在设计大型通风除尘系统时有意识地将高温与常温烟气混合搭配,以降低除尘器入口含尘气体温度,这是混风降温的典型运用场合。例如,可掺入转炉二次排烟含尘空气来降低精炼除尘高温烟气。

通风除尘中混风降温的优化与节能3

图1所示为某炼钢厂除尘系统。在此系统中,脱硫搅拌站、LF精炼除尘、RH精炼除尘等工艺过程产生的高温烟气温度均在150℃以上,非常温滤料可以处理,但通过混入二次烟气、扒渣站烟气等低温烟气,在正常工况下烟气入口温度在60~75℃的范围内,常温滤料足以胜任。具体的混风过程,依据各阀门的启闭、由各工艺PLC进行控制:如当铁水倒罐作业时,控制铁水倒罐的工艺PLC即打开铁水倒罐站屋顶罩阀门,同样,如LF炉在冶炼,则打开LF排烟罩阀门,以此类推。这样根据工艺过程,可以事先设定不同温度、不同烟气量的组合。除尘器入口温度基于预计工况组合的计算结果,在除尘系统方案设计时,会同冶炼工艺通盘考虑,各正常工况的组合均已考虑在内,一般不会出现只开高温作业工位阀门或高温作业工位处于多数导致主管混合烟气温度过高的问题。但当生产调整,如果多数乃至全部常温烟气排烟阀关闭,除尘器入口温度将可能升高至常温滤料无法处理的水平(对涤纶滤料而言,该温度为130℃),对这种情况,目前大多采取的对策是启动混风阀(图1中位于除尘器入口处XS01),通过掺入厂房外大气来保证稀释高温烟气。

实际上,在该情形下可优先考虑打开常温工位的通风蝶阀进行混风降温,哪怕此时该工位并不处于作业状态:相对混入厂房外大气降温而言,混入常温工位的空气,至少起到了强化厂房通风,降低岗位粉尘浓度与改善冶炼厂房强辐射热作业环境的作用;混风阀的设置位置决定了当其开启时在管网系统中重新分布的静压将对正在作业的工位形成更大的影响,如果开启混风阀,正在作业的除尘罩口将形成更大的静压波动,导致烟气外溢,从而影响除尘效果。

当然,仅靠打开常温烟气阀门实现除尘器入口温度控制也是不够的:大型通风除尘系统管路长达几十米为常有之事,如当另一端的除尘器入口温度即将超标时方打开常温烟气阀门,往往不能及时将烟气温度控制在期望范围内;另外,当管网主管中已蓄满高温烟气时,在刚进入管网的常温烟气还未与其充分混合之前,高温烟气已大量涌入除尘器。因此,常温烟气阀门的开启应充分考虑除尘器烟气入口温度(图1中BD01)的变化趋势提前开启,如温度继续上升,在临近控制温度时,应开启稀释阀有效降低入口温度,确保设备安全。

3混风降温的局限性分析

混风降温的目的在于将不同温度的烟气混合到一定温度,然而在特定情形下,因除尘系统内各混入烟气参数的多变、复杂,可能引起控制的失调,发生滤袋烧穿、糊袋等问题。这其中尤其应当注意的是烟气湿度问题。

在高温烟气除尘系统中,喷雾蒸发冷却的方式以其特有的技术、经济优势正愈来愈受重视,但如将之与混风降温在同一除尘系统中使用,极易产生滤袋结露、阻力高等弊端,这在参考文献已有详细的实践和定性的分析。本文将通过定量的理论计算,希望能对该类除尘系统的方案设计与过程控制进行一定程度的补充、修正。

由于该类烟气的露点计算目前缺乏相应的理论公式或经验、半经验公式,本文以理想气体公式及湿空气的经验公式对之进行计算。考虑到此类通风除尘系统的工作压力及混风降温工艺中系统的气体大多为空气,这样的近似有其合理之处,但计算的偏差程度,有待实践数据验证。

通风除尘中混风降温的优化与节能4

3.1实例设计参数

以某C0NSTEEL电炉除尘系统为例工程设计参数如下:电炉一次排烟烟气量为120000Nm3/h,预热废钢后进入除尘系统的温度为1000℃,此除尘系统考虑以干式蒸发冷却塔将烟气冷却至300℃后,与常温含尘空气混合到100℃进入除尘器。

当地气象条件为:夏季通风计算温度33℃,夏季空调室外计算温度35.8℃,夏季空调室外计算湿球温度28.2℃,夏季平均大气压力100.1kPa。

经计算,当蒸发冷却塔的蒸发水量为46072kg/h时,可将电炉一次烟气温度降至300℃。

3.2混风风量计算

根据热量平衡原则,即高温烟气Q放热与常温含尘空气Q吸热相等计算混风风量,首先计算Q放热

通风除尘中混风降温的优化与节能5

高温烟气由两部分组成:电炉一次烟气与经蒸发冷却塔喷入的水蒸气,电炉一次烟气的平均定压摩尔比热计算可按下式计算:

通风除尘中混风降温的优化与节能6

式中:`CP为混合气体在某温度的平均定压摩尔比热;yi为其中某气体的摩尔百分比,可参考文献;Cpi为该气体在该温度的定压摩尔比热;水蒸气的平均定压摩尔比热可在相关手册直接查出。

由式(1)和式(2)可计算出:Q放热=52733436kJ/h。

由式(3)可计算出混风风量:

通风除尘中混风降温的优化与节能7

式中:空气的平均定压摩尔比热则可查相关手册直接得出。

计算得:Va=604000Nm3/h。

通常在混风降温除尘系统中,均遵循上述方法进行计算和高温席温风量搭配,确定除尘工艺方案。但在与本例类似的除尘系统中,仅仅进行上述计算是不够的。除了除尘器入口烟气混合温度外,还应计算另一同样重要的温度:混合烟气露点温度。

3.3混合烟气露点温度计算

1)计算本除尘系统总风量中所含水分Wz(kg/h)

除已知蒸发冷却塔带入系统的水蒸气46072kg/h外,混入含尘空气所带入的水分不能忽略。根据当地夏季空调室外计算温度35.8℃,夏季空调室外计算湿球温度28.2℃,查焓湿图,含湿量w=21.46g/kg干。

空气的相对分子质量为28.97kg/kmol,混入系统的含尘空气质量Ma为:

通风除尘中混风降温的优化与节能8

计算得:Ma=781155kg/h。

按含湿量的物理定义:

通风除尘中混风降温的优化与节能9

经计算可得:W=16411kg/h,Wz=62483kg/h。

2)计算混合烟气的含湿量

电炉一次烟气的平均摩尔质量为:

通风除尘中混风降温的优化与节能10

式中:M为混合气体的平均摩尔质量;yi为其中某气体的摩尔百分比;Mi为该气体的摩尔质量。根据电炉一次烟气的摩尔百分比,计算出其平均摩尔质量为M=31.4kg/kmol。

电炉一次烟气的质量流量为Mg=120000/22.4×31.4=168214kg/h。

另外,混入空气质量流量为Ma=604000/22.4×28.97=781155kg/h。

按空气含湿量定义计算最终混合烟气含湿量d:

通风除尘中混风降温的优化与节能11

计算得:d=0.070kg/kg干。

3)计算混合烟气的露点温度

计算含湿量时所对应的除尘器中(按平均负压-2kPa考虑)水蒸汽饱和分压Pw计算如下:

通风除尘中混风降温的优化与节能12

计算得:Pw=9.924kPa。

烟气的露点温度的计算公式如下:

通风除尘中混风降温的优化与节能13

计算得:td=45.5℃。

根据计算结果,露点温度高于当地夏季室外温度10℃,如除尘器不设保温或伴热,受当地气候影响出现结露从而导致运行阻力大、糊袋等现象的可能性很大。针对这种状况,文献提出取消混风降温,分设两个除尘系统的解决方案是可取的,这从工程实践的角度,证实了混风降温在运用上的局限性。

上述计算说明,对蒸发冷却塔的喷水量控制,仅以温度为被控量是不够的,应将除尘器入口湿度纳入控制变量。实际上,在某国外喷雾系统设备供应商的产品手册中,就将干式除尘系统的冷却喷雾水量的控制定义为“由布袋除尘器所能处理的最大湿度而定”,这点应引起国内工程师的足够重视。

4结语

混风降温的运用应注意方案的合理与节能,不应只考虑降温的需要,导致通风除尘系统的经济性和节能性降低,在较复杂工况的混风降温除尘系统中,应进行系统的烟气露点温度核算,尤其是对于使用了干式蒸发冷却塔的通风除尘系统,应将烟气湿度纳入系统的控制变量中。

(本文作者:闵海,赫氏工程咨询(上海)有限公司,《建筑热能通风空调》2009年6月第28卷第3期)

有关更多通风除尘中混风降温的优化与节能的信息,请联系广州新瑞环保的工程师13322814846。