锅炉烟尘高效处理管理论文

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摘要：本文在10t半沸腾锅炉原两级消烟除尘方案的基础上，通过对锅炉和除尘装置现在运行状况和测试数据的分析，重点运用除尘净化系统的理论及原理，提出对燃煤进行筛分，对粉状煤进行造粒，提高炉膛温度等从源头控制污染的方案。

关键词：半沸腾锅炉除尘净化烟尘达标排放

10t半沸腾锅炉（型号为WGC-10/13-11）是七十年代初由我国自行设计、制造的燃煤锅炉。其燃烧部分的主要特点是：燃煤在炉排上部的一定空间内形成沸腾燃烧，由于炉排的倾斜，落入炉排的炽热碳粒不断抛向炉前，与新投入的燃料混合燃烧。燃尽的灰渣粘结成块，沉积于炉排上，由炉排带入炉后灰坑。由于10t半沸腾锅炉的特殊燃烧方式，使其具有着火条件好、煤种适应性广、锅炉出力较快等优点。但是，该锅炉特殊的燃烧方式所造成的飞灰污染问题也一直得不到妥善解决，制约了该锅炉的应用，目前国内仅东风公司尚在使用。

东风汽车公司现有10t半沸腾锅炉17台，占全公司工业锅炉总数的21.2%。其烟气排放量为4.9244亿立方米/年，占全公司燃烧废气总量的11.9%，综合94年到97年的监测数据；烟气排放中的黑度和粉尘浓度达标率为17.6%。超标烟气量为4.058亿立方米/年，约占全公司超标烟气量的95%。因此，国家环保总局将东风公司10t半沸腾锅炉消烟除尘改造列为2000年前限期治理项目。

经过多年的探索和实践，根据10t半沸腾锅炉飞灰严重污染的现状，我们采取两级净化的治理方案：即一级除尘应用多管旋风除尘器，二级除尘应用文丘里水膜麻石除尘器。但是，从实际运行的效果上来看，锅炉烟气仍不能达标排放。

为此，我们从半沸腾锅炉的燃烧状况和现有两级净化除尘装置的运行状态来分析锅炉烟气超标排放的原因，进而制定半沸腾锅炉的消烟除尘深化治理方案。

一、10t半沸腾锅炉烟尘超标的原因分析

1、燃煤燃烧不充分是造成烟气中黑度和粉尘浓度超标排放的固有原因

从公司能源监测部门的测试数据：原煤的固定碳为41.18%,而飞灰中的含碳量高达39.81%,烟气中粉尘浓度为2926毫克/立方米,黑度为V级，测试的热效率仅为56.83%。上述数据说明，锅炉燃烧并不处于正常运行数值。

那么，是什么原因造成烟气中粉尘浓度和黑度过大，热效率过低呢？依据燃料燃烧的理论，燃煤燃尽的三个条件为：其一有足够高的炉温；其二是适量的空气，并使空气与燃料很好地接触与混合；其三是保证燃烧需要的时间和空间。

但由于半沸腾锅炉特殊的燃烧方式，从实际运行情况来看：第一，燃煤中粉状煤所占比例过大，经估算粒径小于2mm的粉状煤，约占原煤的50%—60%。该粉状煤进入炉膛后还未混入沸腾层进行燃烧（也就是说无燃烧所需要的时间，空气也未与粉状煤很好地混合）就被引风机作为飞灰抽走。第二，沸腾层温度偏低，使碳和氧的反应速度缓慢。一般沸腾层的最佳温度在860～890℃，而目前沸腾层的温度只有824℃。因此，燃煤中粉状煤过多，沸腾层温度偏低，造成燃烧不充分，从而使烟气中粉尘浓度和黑度过大，热效率低。

2、原有除尘系统的存在设备运行问题

10t半沸腾锅炉多管旋风除尘器文丘里洗涤器旋风水膜除尘器引风机

图1：10t半沸腾锅炉除尘系统示意图

原有除尘系统由两级除尘器组成，通过测试分析，我们认为除尘设备参数择不合理，除尘效率低是造成烟气中黑度和粉尘浓度超标排放的重要原因。下面我们分别对两级净化装置（除尘器）进行分析：

①多管旋风除尘器

多管旋风除尘器是将若干个铸造而成的单体小型旋风子组装在箱体内，烟气从箱体入口处切向旋入均布的旋风子内，净化后的烟气从顶部输出，去除的粉尘在下部灰斗中存放，定时排出。

10t半沸腾锅炉所选用的多管旋除尘器的处理风量为28800—33600立方米/小时，内部共有48个旋风子。

测试结果为：除尘效率：95.48%;阻力损失：495.49Pa。

比较上述数据与多管旋风除尘器的运行技术参数，除尘效率达到最佳值。但阻力损失为495.49Pa，与最佳值900-1200Pa有一定差距。当然，从除尘要求上来看，在保证除尘效率的前提下，阻力损失越小越好。

但是，在此也须分析造成阻力损失较小的原因。旋风除尘器的阻力损失与其结构型式和运行条件等有关，理论上计算是困难的。根据经验公式：

式中△P为阻力损失

ξ为压损系数，

ρ为气体密度，

VT为进口气流速度

阻力损失与进口气流速度的平方成正比，而进口气流速度与进口截面积和进口风量有关（风量=截面积×风速），当进口截面积为定值时，进口气流速度与进口风量有关。通过反算，当阻力损失减少二分之一时，进口气流速度则减少0.414倍，进口风量也减少0.414倍。也就是说，原设计30000立方米/小时的除尘器，实际处理风量是只有17580立方米/小时，未达到满负荷正常运行。

这说明除尘系统存在较为严重的漏风现象，可能是除尘系统的管道或者是设备连接处出现泄漏。

②麻石文丘里水膜除尘器

麻石文丘里水膜麻石除尘器由两部分组成，其一为文丘里洗涤器，它的结构由直管、收缩管和喉管组成，含尘气体在管径变化和水雾的作用下，润湿→碰撞→凝聚，粉尘随水流排出。其二为旋风水膜除尘器，经文丘里洗涤器净化后的烟气再次从筒体下部切向导入，旋转上升，靠离心作用甩向器壁的粉尘为水膜所粘附，沿器壁向下排走，再次净化后的空气从中间流出。上述二部分均由耐腐蚀的麻石材料制成。

10t半沸腾锅炉所选用的文丘里水膜麻石除尘器的处理风量为32000—38000立方米/小时。文丘里洗涤器的入口尺寸为900×600（mm）,喉管尺寸为450×400（mm），旋风水膜除尘器的入口尺寸为1000×440（mm），主筒直径为Φ1200（mm），副筒直径为Φ800mm，高度为11.8m。

经过对现运行的文丘里水膜麻石除尘器测试，发现其除尘效率和阻力损失与技术参数最佳值相差甚远，列表如下：

表1：除尘系统阻力测试值与理论值对比表除尘效率（%）阻力（Pa）

总计文丘里洗涤器旋风除尘器

测试值59.28254.5199.85154.66

理论值97.501300.00510.00790.00

下面分别从除尘器的两部分，以阻力损失入手，分析除尘效率低的原因：

2.1文丘里洗涤器部分：

从理论上进行分析

文丘里管的压力损失经验公式为：

或

式中：△P-------压力损失Pa

ρC------球形离子的单位密度Kg/m3

Ar-------喉管横断面积m2

VT-------喉管气速m/s

QL-------气体流量m3/s

QG-------液体流量m3/s

上式表明，压力损失（△P）与喉管气速（VT）的平方成正比例关系，与液气比（QL/QG）成一定的正比例关系。当压力损失的测试值（99.85Pa）小于技术参数中的最佳值（510Pa）时，喉管气速和液气比均必然小于理论最佳值。

文丘里管的除尘效率经验公式为：

式中：StT———惯性碰撞参数

f----经验系数

dl----液滴直径μm一般采用表面积平均径

μG----气体的粘度Pa•S

上式表明：除尘效率（η）与喉管气速（VT）和液气比（QL/QG）均成一定的正比例关系，同时还与液滴面径（dl）也成一定的正比例关系。当喉管气速和液气比小于最佳值时，除尘效率必然大幅度下降。

其次，从实际测算的结果来看，也充分说明上述情况，列表如下：

表2：文丘里段实际测算值与理论值对比表

入口风速

（m/s）

喉管气速

（m/s）

液气比

（L/m3）

耗水量

（t/h）

测算值

6.13

18.39

0.068

0.8

理论值

16～22

40～120

0.7～1.01

4.3

综上所述，喉管气速低，造成尘粒的惯性力小，凝聚率低。液气比较小，也就是供水量少，再加上液体雾化较差，虽然液滴直径大，但液滴总体表面积小，尘粒与液滴的碰撞、拦截的概率小，因此除尘效率就低，净化效果就差。

2.2旋风水膜除尘器部分

旋风水膜除尘器的结构比较简单，其阻力损失的测试值（154.66Pa）小于技术参数中的理论最佳值（790Pa），也说明两点；其一为入口风速太低。阻力损失是与风速成正比例关系的，阻力小，必然入口风速低，而入口风速低，尘粒所受的离心力小。其二为部分喷咀堵塞，未形成连续的水膜，尘粒的粘附作用小，尘粒的捕集概率低，含尘气体在除尘器内近似直流，同样造成除尘效率低。

2.3锅炉除尘系统的设计风量过大，选用风机过大，是造成运行能耗过大的原因，对烟气黑度和粉超标排放有一定影响。

锅炉排烟总量是消烟除尘设计中的重要数据，一般根据排烟总量来选用合适的锅炉引风机。如果引风机的风量选用不合适，就会造成整个净化系统（除尘系统）不能在最佳状况下运行。那么10t半沸腾锅炉消烟除尘系统所选引风机是否合适呢？

目前，锅炉实际使用的引风机风量为38000立方米/小时,但是在正常运行下测试时，却发现实际烟气时却是11759立方米/小时，如果按热态状况下乘1.2的系数，总烟气量也只有14100立方米/小时.在运行过程中，风机的开启度仅为30—40%。

为此，我们测出燃煤的低位发热值，空气过剩系数和小时耗煤量，依据经验公式，校核计算出烟气总量应为24140.2立方米/小时(计算过程从略)。

上述数据表明：计算烟气量是实测烟气量的1.71倍。说明燃煤中的大量碳未与空气中的氧反应，燃煤未燃尽；另外，实际引风机的风量是实测烟气量的2.69倍，是计算烟气量的1.57倍，明显地说明，引风机风量过大，一方面浪费运行中的能耗，另一方面不利于整个系统在最佳工况下运行。查原设计资料，因所需风压为3000多Pa，而我国标准风机在3000Pa以上的风量为38000立方米/小时，故只能选此类风机。

二、10t半沸腾锅炉烟尘高效治理技术分析

通过上述对10t半沸腾锅炉的烟气中粉尘浓度和黑度超标排放的原因分析，在公司的治理实践中，我们实施了以下一些高效治理技术措施：

1、提高燃煤的平均粒径

主要从两个方面提高燃煤的平均粒径

一是通过公司采购供应部门，严把进货关，尽量保证采购的燃煤粒径符合技术要求。

二是通过深加工，控制煤块粒径，提高燃煤利用率，减少飞灰中含碳量。

根据半沸腾锅炉的燃烧理论，燃煤粒径在2mm到12mm时，能形成沸腾层，而最佳粒径则在3mm到8mm之间。因此，针对目前燃煤中粉状煤过多的现状，首先对燃煤进行筛分，采用一般网格筛或滚筒筛均可。对3mm以上的煤块直接进入炉膛。其次对3mm以下的粉状煤进行造粒处理，形成3～8mm小煤粒，这样可以延长煤粒在沸腾层的燃烧时间，使其充分氧化、燃尽，从而降低烟气的黑度，与此同时，也提高了燃煤利用率，节约了燃料，提高了锅炉热效率。目前，国内有专门生产造粒机的厂家，可直接购买、安装和使用。

2、提高炉膛温度，选择合理的引风机风量，促使燃煤充分燃烧，从而减少烟气中飞灰的含碳量，确保系统正常运行

锅炉本体的改造，主要内容是采取各种措施提高炉膛（主要是沸腾层）温度，可在目前的情况下，提高到860℃---890℃，使沸腾层燃煤燃尽。十多年来，东风公司各专业厂，在提高炉温上采取了多种措施，取得一定的效果。在提高炉膛温度上尚须继续努力，如改变炉膛尺寸和结构，增加副燃带等。其次，针对各专业厂锅炉的具体情况，尽量减少燃烧室的漏风。

对于锅炉引风机，如果设备状态良好，可暂不更换，但要完善或加装风量调节器，根据燃煤耗量及烟气排放情况，随时调整；如果设备状态不好需要更换时，则应选择合适风量的风机，在计算烟气总量的基础上增加15%，即风量28000立方米/小时为宜。

3、改善供水状况，优化运行参数，提高除尘系统的除尘效率，减少外排烟气中粉尘的含量

对现有两级除尘器进行改造，其主要内容如下：

一是保证足够的供水量，提高供水压力，改善水源质量，主要是提高液气比，提高水的雾化效果，增大液滴表面积，使尘粒与液滴的碰撞、拦截的概率提高。主要措施：第一，加大进水管直径，使流量增加；第二，在进水管道前加装一台加压泵，提高供水压力；第三，在进水管道上，增加蒸汽和缩小喷水孔直径，使液滴雾化效果更好，表面积加大；第四，文丘里洗涤器的水尽可能新鲜水，减少水中杂质，避免堵塞喷水孔。

二是改造文丘里洗涤器的喉管部分，根据运行时烟气流量，调整喉管部分的截面积，从而提高喉管风速，提高尘粒的惯性力，凝聚率，使粉尘与水液较好的碰撞、凝聚，从而减少粉尘外排数量。实际实施中文丘里喉管流速调整到40（米/秒），液气比0.4左右。

三是将麻石水膜除尘器的环形喷水管改为环形溢流槽，从而在内壁上形成连续的筒形水幕。当烟气切向进入内壁时，其尘粒就能很好地与水幕发生润湿、碰撞和凝聚，从而减少粉尘外排数量。

四是改造旋风水膜除尘器的烟气入口尺寸，根据运行时烟气的实践流量，重新设计入口处的截面积。实际实施中，旋风水膜除尘器的烟气入口流速为18（米/秒），提高入口风速，从而提高尘粒的离心力，使甩向圆筒内壁的尘粒增加，减少粉尘外排的数量。

三、10t半沸腾锅炉烟尘高效治理技术的应用效果

国家环保总局将东风公司10t半沸腾锅炉烟尘污染列为2000年前限期治理项目，同时这一项目也直接影响公司2000年前工业污染源的“一控双达标”目标的完成。

在1999年至2000年为期两年的“10t半沸腾锅炉烟尘污染技术攻关”中，我们大量实施了以上的高效治理技术，取得了显著效果。10t半沸锅炉烟尘的黑度及浓度大幅度下降，达到了《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）。

同时锅炉的热效率得到提高，运行成本显著降低。

参考文献：

1、《大气污染控制工程》马广大等编著中国环境科学出版社1985年

2、《锅炉及辅助设备》王铣庆等编著

3、《除尘技术手册》张殿印、张学义等编著冶金工业出版社

4、《三废处理工程技术手册》吴忠标著化学工业出版社