鍋爐煙塵高效處理管理論文

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摘要：本文在10t半沸騰鍋爐原兩級消煙除塵方案的基礎上，通過對鍋爐和除塵裝置現在運行狀況和測試數據的分析，重點運用除塵凈化系統的理論及原理，提出對燃煤進行篩分，對粉狀煤進行造粒，提高爐膛溫度等從源頭控制污染的方案。

關鍵詞：半沸騰鍋爐除塵凈化煙塵達標排放

10t半沸騰鍋爐（型號為WGC-10/13-11）是七十年代初由我國自行設計、制造的燃煤鍋爐。其燃燒部分的主要特點是：燃煤在爐排上部的一定空間內形成沸騰燃燒，由于爐排的傾斜，落入爐排的熾熱碳粒不斷拋向爐前，與新投入的燃料混合燃燒。燃盡的灰渣粘結成塊，沉積于爐排上，由爐排帶入爐后灰坑。由于10t半沸騰鍋爐的特殊燃燒方式，使其具有著火條件好、煤種適應性廣、鍋爐出力較快等優點。但是，該鍋爐特殊的燃燒方式所造成的飛灰污染問題也一直得不到妥善解決，制約了該鍋爐的應用，目前國內僅東風公司尚在使用。

東風汽車公司現有10t半沸騰鍋爐17臺，占全公司工業鍋爐總數的21.2%。其煙氣排放量為4.9244億立方米/年，占全公司燃燒廢氣總量的11.9%，綜合94年到97年的監測數據；煙氣排放中的黑度和粉塵濃度達標率為17.6%。超標煙氣量為4.058億立方米/年，約占全公司超標煙氣量的95%。因此，國家環保總局將東風公司10t半沸騰鍋爐消煙除塵改造列為2000年前限期治理項目。

經過多年的探索和實踐，根據10t半沸騰鍋爐飛灰嚴重污染的現狀，我們采取兩級凈化的治理方案：即一級除塵應用多管旋風除塵器，二級除塵應用文丘里水膜麻石除塵器。但是，從實際運行的效果上來看，鍋爐煙氣仍不能達標排放。

為此，我們從半沸騰鍋爐的燃燒狀況和現有兩級凈化除塵裝置的運行狀態來分析鍋爐煙氣超標排放的原因，進而制定半沸騰鍋爐的消煙除塵深化治理方案。

一、10t半沸騰鍋爐煙塵超標的原因分析

1、燃煤燃燒不充分是造成煙氣中黑度和粉塵濃度超標排放的固有原因

從公司能源監測部門的測試數據：原煤的固定碳為41.18%,而飛灰中的含碳量高達39.81%,煙氣中粉塵濃度為2926毫克/立方米,黑度為V級，測試的熱效率僅為56.83%。上述數據說明，鍋爐燃燒并不處于正常運行數值。

那么，是什么原因造成煙氣中粉塵濃度和黑度過大，熱效率過低呢？依據燃料燃燒的理論，燃煤燃盡的三個條件為：其一有足夠高的爐溫；其二是適量的空氣，并使空氣與燃料很好地接觸與混合；其三是保證燃燒需要的時間和空間。

但由于半沸騰鍋爐特殊的燃燒方式，從實際運行情況來看：第一，燃煤中粉狀煤所占比例過大，經估算粒徑小于2mm的粉狀煤，約占原煤的50%—60%。該粉狀煤進入爐膛后還未混入沸騰層進行燃燒（也就是說無燃燒所需要的時間，空氣也未與粉狀煤很好地混合）就被引風機作為飛灰抽走。第二，沸騰層溫度偏低，使碳和氧的反應速度緩慢。一般沸騰層的最佳溫度在860～890℃，而目前沸騰層的溫度只有824℃。因此，燃煤中粉狀煤過多，沸騰層溫度偏低，造成燃燒不充分，從而使煙氣中粉塵濃度和黑度過大，熱效率低。

2、原有除塵系統的存在設備運行問題

10t半沸騰鍋爐多管旋風除塵器文丘里洗滌器旋風水膜除塵器引風機

圖1：10t半沸騰鍋爐除塵系統示意圖

原有除塵系統由兩級除塵器組成，通過測試分析，我們認為除塵設備參數擇不合理，除塵效率低是造成煙氣中黑度和粉塵濃度超標排放的重要原因。下面我們分別對兩級凈化裝置（除塵器）進行分析：

①多管旋風除塵器

多管旋風除塵器是將若干個鑄造而成的單體小型旋風子組裝在箱體內，煙氣從箱體入口處切向旋入均布的旋風子內，凈化后的煙氣從頂部輸出，去除的粉塵在下部灰斗中存放，定時排出。

10t半沸騰鍋爐所選用的多管旋除塵器的處理風量為28800—33600立方米/小時，內部共有48個旋風子。

測試結果為：除塵效率：95.48%;阻力損失：495.49Pa。

比較上述數據與多管旋風除塵器的運行技術參數，除塵效率達到最佳值。但阻力損失為495.49Pa，與最佳值900-1200Pa有一定差距。當然，從除塵要求上來看，在保證除塵效率的前提下，阻力損失越小越好。

但是，在此也須分析造成阻力損失較小的原因。旋風除塵器的阻力損失與其結構型式和運行條件等有關，理論上計算是困難的。根據經驗公式：

式中△P為阻力損失

ξ為壓損系數，

ρ為氣體密度，

VT為進口氣流速度

阻力損失與進口氣流速度的平方成正比，而進口氣流速度與進口截面積和進口風量有關（風量=截面積×風速），當進口截面積為定值時，進口氣流速度與進口風量有關。通過反算，當阻力損失減少二分之一時，進口氣流速度則減少0.414倍，進口風量也減少0.414倍。也就是說，原設計30000立方米/小時的除塵器，實際處理風量是只有17580立方米/小時，未達到滿負荷正常運行。

這說明除塵系統存在較為嚴重的漏風現象，可能是除塵系統的管道或者是設備連接處出現泄漏。

②麻石文丘里水膜除塵器

麻石文丘里水膜麻石除塵器由兩部分組成，其一為文丘里洗滌器，它的結構由直管、收縮管和喉管組成，含塵氣體在管徑變化和水霧的作用下，潤濕→碰撞→凝聚，粉塵隨水流排出。其二為旋風水膜除塵器，經文丘里洗滌器凈化后的煙氣再次從筒體下部切向導入，旋轉上升，靠離心作用甩向器壁的粉塵為水膜所粘附，沿器壁向下排走，再次凈化后的空氣從中間流出。上述二部分均由耐腐蝕的麻石材料制成。

10t半沸騰鍋爐所選用的文丘里水膜麻石除塵器的處理風量為32000—38000立方米/小時。文丘里洗滌器的入口尺寸為900×600（mm）,喉管尺寸為450×400（mm），旋風水膜除塵器的入口尺寸為1000×440（mm），主筒直徑為Φ1200（mm），副筒直徑為Φ800mm，高度為11.8m。

經過對現運行的文丘里水膜麻石除塵器測試，發現其除塵效率和阻力損失與技術參數最佳值相差甚遠，列表如下：

表1：除塵系統阻力測試值與理論值對比表除塵效率（%）阻力（Pa）

總計文丘里洗滌器旋風除塵器

測試值59.28254.5199.85154.66

理論值97.501300.00510.00790.00

下面分別從除塵器的兩部分，以阻力損失入手，分析除塵效率低的原因：

2.1文丘里洗滌器部分：

從理論上進行分析

文丘里管的壓力損失經驗公式為：

或

式中：△P-------壓力損失Pa

ρC------球形離子的單位密度Kg/m3

Ar-------喉管橫斷面積m2

VT-------喉管氣速m/s

QL-------氣體流量m3/s

QG-------液體流量m3/s

上式表明，壓力損失（△P）與喉管氣速（VT）的平方成正比例關系，與液氣比（QL/QG）成一定的正比例關系。當壓力損失的測試值（99.85Pa）小于技術參數中的最佳值（510Pa）時，喉管氣速和液氣比均必然小于理論最佳值。

文丘里管的除塵效率經驗公式為：

式中：StT———慣性碰撞參數

f----經驗系數

dl----液滴直徑μm一般采用表面積平均徑

μG----氣體的粘度Pa•S

上式表明：除塵效率（η）與喉管氣速（VT）和液氣比（QL/QG）均成一定的正比例關系，同時還與液滴面徑（dl）也成一定的正比例關系。當喉管氣速和液氣比小于最佳值時，除塵效率必然大幅度下降。

其次，從實際測算的結果來看，也充分說明上述情況，列表如下：

表2：文丘里段實際測算值與理論值對比表

入口風速

（m/s）

喉管氣速

（m/s）

液氣比

（L/m3）

耗水量

（t/h）

測算值

6.13

18.39

0.068

0.8

理論值

16～22

40～120

0.7～1.01

4.3

綜上所述，喉管氣速低，造成塵粒的慣性力小，凝聚率低。液氣比較小，也就是供水量少，再加上液體霧化較差，雖然液滴直徑大，但液滴總體表面積小，塵粒與液滴的碰撞、攔截的概率小，因此除塵效率就低，凈化效果就差。

2.2旋風水膜除塵器部分

旋風水膜除塵器的結構比較簡單，其阻力損失的測試值（154.66Pa）小于技術參數中的理論最佳值（790Pa），也說明兩點；其一為入口風速太低。阻力損失是與風速成正比例關系的，阻力小，必然入口風速低，而入口風速低，塵粒所受的離心力小。其二為部分噴咀堵塞，未形成連續的水膜，塵粒的粘附作用小，塵粒的捕集概率低，含塵氣體在除塵器內近似直流，同樣造成除塵效率低。

2.3鍋爐除塵系統的設計風量過大，選用風機過大，是造成運行能耗過大的原因，對煙氣黑度和粉超標排放有一定影響。

鍋爐排煙總量是消煙除塵設計中的重要數據，一般根據排煙總量來選用合適的鍋爐引風機。如果引風機的風量選用不合適，就會造成整個凈化系統（除塵系統）不能在最佳狀況下運行。那么10t半沸騰鍋爐消煙除塵系統所選引風機是否合適呢？

目前，鍋爐實際使用的引風機風量為38000立方米/小時,但是在正常運行下測試時，卻發現實際煙氣時卻是11759立方米/小時，如果按熱態狀況下乘1.2的系數，總煙氣量也只有14100立方米/小時.在運行過程中，風機的開啟度僅為30—40%。

為此，我們測出燃煤的低位發熱值，空氣過剩系數和小時耗煤量，依據經驗公式，校核計算出煙氣總量應為24140.2立方米/小時(計算過程從略)。

上述數據表明：計算煙氣量是實測煙氣量的1.71倍。說明燃煤中的大量碳未與空氣中的氧反應，燃煤未燃盡；另外，實際引風機的風量是實測煙氣量的2.69倍，是計算煙氣量的1.57倍，明顯地說明，引風機風量過大，一方面浪費運行中的能耗，另一方面不利于整個系統在最佳工況下運行。查原設計資料，因所需風壓為3000多Pa，而我國標準風機在3000Pa以上的風量為38000立方米/小時，故只能選此類風機。

二、10t半沸騰鍋爐煙塵高效治理技術分析

通過上述對10t半沸騰鍋爐的煙氣中粉塵濃度和黑度超標排放的原因分析，在公司的治理實踐中，我們實施了以下一些高效治理技術措施：

1、提高燃煤的平均粒徑

主要從兩個方面提高燃煤的平均粒徑

一是通過公司采購供應部門，嚴把進貨關，盡量保證采購的燃煤粒徑符合技術要求。

二是通過深加工，控制煤塊粒徑，提高燃煤利用率，減少飛灰中含碳量。

根據半沸騰鍋爐的燃燒理論，燃煤粒徑在2mm到12mm時，能形成沸騰層，而最佳粒徑則在3mm到8mm之間。因此，針對目前燃煤中粉狀煤過多的現狀，首先對燃煤進行篩分，采用一般網格篩或滾筒篩均可。對3mm以上的煤塊直接進入爐膛。其次對3mm以下的粉狀煤進行造粒處理，形成3～8mm小煤粒，這樣可以延長煤粒在沸騰層的燃燒時間，使其充分氧化、燃盡，從而降低煙氣的黑度，與此同時，也提高了燃煤利用率，節約了燃料，提高了鍋爐熱效率。目前，國內有專門生產造粒機的廠家，可直接購買、安裝和使用。

2、提高爐膛溫度，選擇合理的引風機風量，促使燃煤充分燃燒，從而減少煙氣中飛灰的含碳量，確保系統正常運行

鍋爐本體的改造，主要內容是采取各種措施提高爐膛（主要是沸騰層）溫度，可在目前的情況下，提高到860℃---890℃，使沸騰層燃煤燃盡。十多年來，東風公司各專業廠，在提高爐溫上采取了多種措施，取得一定的效果。在提高爐膛溫度上尚須繼續努力，如改變爐膛尺寸和結構，增加副燃帶等。其次，針對各專業廠鍋爐的具體情況，盡量減少燃燒室的漏風。

對于鍋爐引風機，如果設備狀態良好，可暫不更換，但要完善或加裝風量調節器，根據燃煤耗量及煙氣排放情況，隨時調整；如果設備狀態不好需要更換時，則應選擇合適風量的風機，在計算煙氣總量的基礎上增加15%，即風量28000立方米/小時為宜。

3、改善供水狀況，優化運行參數，提高除塵系統的除塵效率，減少外排煙氣中粉塵的含量

對現有兩級除塵器進行改造，其主要內容如下：

一是保證足夠的供水量，提高供水壓力，改善水源質量，主要是提高液氣比，提高水的霧化效果，增大液滴表面積，使塵粒與液滴的碰撞、攔截的概率提高。主要措施：第一，加大進水管直徑，使流量增加；第二，在進水管道前加裝一臺加壓泵，提高供水壓力；第三，在進水管道上，增加蒸汽和縮小噴水孔直徑，使液滴霧化效果更好，表面積加大；第四，文丘里洗滌器的水盡可能新鮮水，減少水中雜質，避免堵塞噴水孔。

二是改造文丘里洗滌器的喉管部分，根據運行時煙氣流量，調整喉管部分的截面積，從而提高喉管風速，提高塵粒的慣性力，凝聚率，使粉塵與水液較好的碰撞、凝聚，從而減少粉塵外排數量。實際實施中文丘里喉管流速調整到40（米/秒），液氣比0.4左右。

三是將麻石水膜除塵器的環形噴水管改為環形溢流槽，從而在內壁上形成連續的筒形水幕。當煙氣切向進入內壁時，其塵粒就能很好地與水幕發生潤濕、碰撞和凝聚，從而減少粉塵外排數量。

四是改造旋風水膜除塵器的煙氣入口尺寸，根據運行時煙氣的實踐流量，重新設計入口處的截面積。實際實施中，旋風水膜除塵器的煙氣入口流速為18（米/秒），提高入口風速，從而提高塵粒的離心力，使甩向圓筒內壁的塵粒增加，減少粉塵外排的數量。

三、10t半沸騰鍋爐煙塵高效治理技術的應用效果

國家環保總局將東風公司10t半沸騰鍋爐煙塵污染列為2000年前限期治理項目，同時這一項目也直接影響公司2000年前工業污染源的“一控雙達標”目標的完成。

在1999年至2000年為期兩年的“10t半沸騰鍋爐煙塵污染技術攻關”中，我們大量實施了以上的高效治理技術，取得了顯著效果。10t半沸鍋爐煙塵的黑度及濃度大幅度下降，達到了《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2001）。

同時鍋爐的熱效率得到提高，運行成本顯著降低。

參考文獻：

1、《大氣污染控制工程》馬廣大等編著中國環境科學出版社1985年

2、《鍋爐及輔助設備》王銑慶等編著

3、《除塵技術手冊》張殿印、張學義等編著冶金工業出版社

4、《三廢處理工程技術手冊》吳忠標著化學工業出版社