CN113304610A - 一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统与工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统与工艺，出脱硫塔的富含未反应吸收剂的热态脱硫灰，被出脱硫塔烟气夹带进入除尘器，经除尘器捕集分离后成为循环灰，并排入热态循环灰气动斜槽，然后注入流态化冷却器，在其中实现流态化并快速对流冷却，冷却后的循环灰通过旋风分离器收集，再排入冷态循环灰气动斜槽，并以冷态形式再次注入脱硫塔。本发明可使循环灰在返回脱硫塔前快速实现冷却降温，与烟气产生一定的温度梯度，强制烟气与冷却后的循环灰进行热交换，烟气将热量传递给冷料，自身温度不断降低，使得饱和蒸气压也随之下降，当水蒸气分压大于蒸气压时，烟气中的水蒸气便开始在冷料表面凝结，形成液膜层，引导吸收剂发生离子型快速脱硫反应。

Description

一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统与工艺
技术领域
本发明属于烧结砖隧道窑烟气净化技术领域，特别涉及一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统与工艺。
背景技术
烧结砖隧道窑产生的饱和湿烟气携带了大量的水分，理论上可被后续的半干法脱硫工艺加以利用。但现有工艺脱硫剂在系统中多次循环后，其表面温度会随着循环次数的增加逐渐趋近于烟气温度，使得气固两相间的温度差逐渐趋近于零，气固两相间的传热过程随之弱化、阻断。烟气与循环灰接触后，自身温度不再降低，其饱和蒸气压
Figure BDA0003102160940000014
恒定大于水蒸气分压
Figure BDA0003102160940000015
导致饱和湿烟气中的水分无法在循环灰表面冷凝，烟气所含水分难以利用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统与工艺，可使循环灰在返回脱硫塔前快速实现冷却降温，与烟气产生一定的温度梯度，强制烟气与冷却后的循环灰进行热交换，烟气将热量传递给冷料，自身温度不断降低，使得饱和蒸气压
Figure BDA0003102160940000013
也随之下降，当水蒸气分压
Figure BDA0003102160940000012
大于蒸气压
Figure BDA0003102160940000011
时，烟气中的水蒸气便开始在冷料表面凝结，形成液膜层，引导吸收剂发生离子型快速脱硫反应。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，包括与脱硫塔烟气出口连接的除尘器1，除尘器1的排灰口接热态循环灰气动斜槽5，热态循环灰气动斜槽5的出口接流态化冷却器7，循环灰在流态化冷却器7中实现流态化以及冷却，流态化冷却器7的出口连接旋风分离器8，旋风分离器8的排灰口接冷态循环灰气动斜槽12，冷态循环灰气动斜槽12的出口接脱硫塔。
所述除尘器1的排灰口设置有回转式卸灰阀一3，所述旋风分离器8的排灰口设置有回转式卸灰阀二10，所述热态循环灰气动斜槽5的动力源为高压离心式鼓风机一4，所述冷态循环灰气动斜槽12的动力源为高压离心式鼓风机二11。
所述回转式卸灰阀一3和回转式卸灰阀二10均配置变频调速电机与相应的减速机，通过叶轮转数控制卸灰量的大小，卸灰量按下式计算：
Figure BDA0003102160940000022
式中：Q1为回转式卸灰阀的卸灰能力，Z为叶轮格数，F1为叶轮每格的有效截面积，L1为叶轮宽度，ρr为循环灰的堆积密度，n为叶轮的转数，
Figure BDA0003102160940000023
为充满系数。
所述回转式卸灰阀一3和回转式卸灰阀二10的叶片数量为8～16片。
所述热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的槽体由2～3mm钢板压制成矩形断面的段节，两端是由扁铁制作的法兰，在进料口处的透气层下部设置一段钢丝网或2mm钢板制成的多孔板，所述热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的槽体斜度为11～18％，槽内物料断面厚度为50～80mm，高压离心式鼓风机一4和高压离心式鼓风机二11的风压为4.5～6.0kPa。
所述热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的输送能力按下式计算：
Q2＝0.9×3600F1ωγ
式中：Q2为输送能力，F2为槽内物料断层面积，ω为物料在槽内的流动速度，γ为物料容重；
所述热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的耗气量按下式计算：
Figure BDA0003102160940000021
式中：V为耗气量，a为单位面积透气层的耗气量，B为斜槽宽度，L2为斜槽长度。
所述流态化冷却器7为扁矩形或圆形截面的稀相输送床，其循环灰入口在下部，出口在上部，床层孔隙度在0.98以上，底部设置有离心式鼓风机6，气体入口处的流速＜15m/s，离心式鼓风机6将空气送入流态化冷却器7，使其中的循环灰流态化并快速对流冷却，在冷却器上设置一段或两段渐扩段，以提高气-固之间的传热系数。
所述流态化冷却器7的床层直径Dt由下式确定：
Figure BDA0003102160940000031
式中：U为流化床操作线速，Q3为进入床层中的流体流量；
流态化冷却器7的床高Hf由下式确定：
Figure BDA0003102160940000032
式中：ρs为操作条件下固体颗粒密度，ε为操作条件下床层孔隙度，Ws为固体颗粒进料量，t为冷却时间。
所述流态化冷却器7的气体入口处设置流体分布器，所述流体分布器采用直线栅条形式，气体由两条板之间的缝隙流出；栅条上表面为双斜面，其倾角大于物料休止角。
本发明还提供了基于所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统的工艺，出脱硫塔的富含未反应吸收剂的热态脱硫灰，被出脱硫塔烟气夹带进入除尘器1，经除尘器1捕集分离后成为循环灰，并排入热态循环灰气动斜槽5，然后输送并注入流态化冷却器7，在流态化冷却器7中实现流态化并快速对流冷却降至室温，与烟气产生30～60℃的温度差，冷却后的循环灰通过旋风分离器8收集，再排入冷态循环灰气动斜槽12，输送并以冷态形式再次注入脱硫塔。
现有干法或半干法脱硫系统均没有类似针对脱硫循环灰的流态化冷却及输送系统，本发明的实用效果为：
1)可使循环灰在返回脱硫塔前快速实现冷却降温，与烟气产生30～60℃的温度差，强制烟气与冷却后的循环灰进行热交换，使烟气饱和蒸气压
Figure BDA0003102160940000033
伴随自身温度下降，实现含湿烟气中水分在循环灰表面的快速冷凝。
2)可充分利用烟气本身所含水分，取消传统工艺中的有组织喷淋增湿环节，降低运行成本。
3)可通过高比表面积的循环灰持有大量水分，降低烟气湿度，消除传统技术排烟时产生的白雾。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为本发明流态化冷却器的结构示意图，其中(a)为圆截面，(b)为扁矩形截面。
图3为本发明直线栅条型流体分布器示意图，其中(a)为圆截面，(b) 为扁矩形截面。
图4为不同循环灰量下脱硫灰温度随循环时间的变化关系。
图5为设置渐扩段流态化冷却器与无渐扩段流态化冷却器湍动能分布的数值模拟云图。
具体实施方式
下面结合图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明为一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，包括与脱硫塔烟气出口连接的除尘器1，除尘器1的排灰口接热态循环灰气动斜槽 5，其排灰口可设置闸板阀一2以及回转式卸灰阀一3，闸板阀一2用于检修时阻断料流，回转式卸灰阀一3用于工艺过程中控制下料。
热态循环灰气动斜槽5的动力源为高压离心式鼓风机一4，使斜槽中的粉体物料保持流态化，向倾斜的低端缓慢流动，在正常输送时，料层断面自下而上分为固定层、气化层、流动层和静化层，固定层通常是不流动的，故在斜槽停止工作时，透气层上通常存有10～20mm厚的料层。
热态循环灰气动斜槽5的出口接流态化冷却器7，循环灰在流态化冷却器7 中实现流态化以及冷却，流态化冷却器7可使循环灰在返回脱硫塔前快速冷却降至室温，与烟气产生30～60℃的温度差，流态化冷却器7的出口连接旋风分离器8。
旋风分离器8的排灰口接冷态循环灰气动斜槽12，其排灰口可设置闸板阀二9以及回转式卸灰阀二10，闸板阀二9用于检修时阻断料流，回转式卸灰阀二10用于工艺过程中控制下料。
冷态循环灰气动斜槽12的动力源为高压离心式鼓风机二11，其结构和原理可参考热态循环灰气动斜槽5。
冷态循环灰气动斜槽12的出口接脱硫塔，将冷态的循环灰送回。
本发明中，回转式卸灰阀一3和回转式卸灰阀二10结构可一致，均配置变频调速电机与相应的减速机，通过叶轮转数控制卸灰量的大小，卸灰量按下式计算：
Figure BDA0003102160940000051
式中：Q1为回转式卸灰阀的卸灰能力，kg/h；Z为叶轮格数，F1为叶轮每格的有效截面积，m2；L1为叶轮宽度，m；ρr为循环灰的堆积密度，n为叶轮的转数，r/min；
Figure BDA0003102160940000052
为充满系数，取0.7～0.8。回转式卸灰阀一3和回转式卸灰阀二10 的叶片数量为8～16片，以保证下料的连续性、均匀性和运转时的锁风效果。
物料通过回转式卸灰阀一3和回转式卸灰阀二10机壳上部的进料口进入卸灰阀后，落入转动中叶轮开口向上的V形槽中，随着叶轮转动，V形槽开口向下并正对卸料口，此时物料依靠重力落入出料溜管，通常由减速电机传动，有直联和链轮传动两种方式。
本发明中，热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12结构可一致，其槽体由2～3mm钢板压制成矩形断面的段节，两端是由扁铁制作的法兰，为保证气密性，用厚度3～5mm的工业毛毡制成垫条，安装时置于连接法兰之间；在进料口处的透气层下部设置一段钢丝网或2mm钢板制成的多孔板，用以承受物料的冲击力，帆布透气层采用棉质21支纱5×5白色帆布三层缝合制成，多孔板透气层采用陶瓷或水泥多孔板。热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的槽体斜度为11～18％，槽内物料断面厚度为50～80mm，高压离心式鼓风机一4和高压离心式鼓风机二11的风压为4.5～6.0kPa。
热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的输送能力按下式计算：
Q2＝0.9×3600F1ωγ
式中：Q2为输送能力，t/h；F2为槽内物料断层面积，m2；ω为物料在槽内的流动速度，m/s；γ为物料容重，t/m3。
热态循环灰气动斜槽5和冷态循环灰气动斜槽12的耗气量按下式计算：
Figure BDA0003102160940000061
式中：V为耗气量，m3/h；a为单位面积透气层的耗气量，m3/(m2·min)；B为斜槽宽度，mm；L2为斜槽长度，mm。
参考图2中(a)和(b)所示，本发明中，流态化冷却器7为扁矩形或圆形截面的稀相输送床，以使物料进入反应器后能迅速充满整个截面，其循环灰入口在下部，出口在上部，床层孔隙度在0.98以上，底部设置有离心式鼓风机 6，气体入口处的流速＜15m/s，离心式鼓风机6将空气送入流态化冷却器7，使其中的循环灰流态化并快速对流冷却。
参考图2中(a)和(b)所示，本发明中，在流态化冷却器7上设置一段或两段渐扩段，以提高气-固之间的传热系数，渐扩角度可根据工业现场实际工况进行选择。
参考图3中(a)和(b)所示，本发明中，流态化冷却器7的气体入口处设置流体分布器，以使进入流化床中心的气体沿床层断面均匀分布；在冷却器停止操作时，能支撑床中物料，防止料床塌落，流体分布器可采用直线栅条形式，气体由两条板之间的缝隙流出，缝隙面积为分布器的控制面积，可根据现场工况与经验灵活选取；栅条上表面为双斜面，其倾角大于物料休止角，防止颗粒物料在条板上的堆积。
从流态化冷却器7的结构出发，可得出其达到的效果如下：
1)流态化冷却器7入口采用的直线栅条型流体分布器，能使流体沿冷却床层断面均匀分布，减少床内轴向和径向流体或颗粒的返混，改善床内温度分布；
2)在流态化冷却器7上设置的一段或两段渐扩段，可有效改善冷却器内颗粒浓度的轴、径向分布，使气固两相产生激烈的湍动与混合，充分接触，并提高流化床中的表观传热系数，增大热、质传递速率。
流态化冷却器7的床层直径Dt由下式确定：
Figure BDA0003102160940000071
式中：U为流化床操作线速，m/s；Q3为进入床层中的流体流量，m3/s。
流态化冷却器7的床高Hf由下式确定：
Figure BDA0003102160940000072
式中：ρs为操作条件下固体颗粒密度，kg/m3；ε为操作条件下床层孔隙度， Ws为固体颗粒进料量，kg/s；t为冷却时间，s。
本发明还提供了基于所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统的工艺，出脱硫塔的富含未反应吸收剂的热态脱硫灰，被出脱硫塔烟气夹带进入除尘器1，经除尘器1捕集分离后成为循环灰，并排入热态循环灰气动斜槽5，然后输送并注入流态化冷却器7，在流态化冷却器7中实现流态化并快速对流冷却降至室温，与烟气产生30～60℃的温度差，冷却后的循环灰通过旋风分离器8收集，再排入冷态循环灰气动斜槽12，输送并以冷态形式再次注入脱硫塔，冷料与热烟气接触，使烟气中的水分快速冷凝在循环灰表面参与脱硫反应。一方面可充分利用烟气本身所含水分，取消传统工艺中的有组织喷淋增湿环节，降低运行成本；另一方面还可降低烟气湿度，消除传统技术排烟时产生的白雾。
本发明冷却效果的试验如下：
烟气温度70℃，循环灰在系统中多次循环后，当其表面温度随着循环次数的增加趋近于烟气温度时开始实验。在冷却风机频率不变(冷却风量不变)的条件下，测试三种不同循环灰量在循环过程中经流态化冷却后最终能达到的温度和冷却速度。实验结果见说明书图4：三种不同循环灰量的循环灰温度在循环一定时间后均能将至室温，但随着循环灰量的增加，冷却至室温的时间依次滞后。
本发明中流态化冷却器设置渐扩段后的湍动强化效果通过数值模拟验证如下：相同风量和入口流速的条件下，模拟冷却器中的湍动能分布云图，见说明书图5。左图为设置两段渐扩段的流态化冷却器，右图为无渐扩段的流态化冷却器，云图中颜色越接近暖色调，则湍动能强度越大，由图可知，渐扩段的加入极大提高了冷却器中的湍动能强度，且优化了湍动能的分布，湍动强化效果明显。

Claims (10)

1.一种用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，包括与脱硫塔烟气出口连接的除尘器(1)，除尘器(1)的排灰口接热态循环灰气动斜槽(5)，热态循环灰气动斜槽(5)的出口接流态化冷却器(7)，循环灰在流态化冷却器(7)中实现流态化以及冷却，流态化冷却器(7)的出口连接旋风分离器(8)，旋风分离器(8)的排灰口接冷态循环灰气动斜槽(12)，冷态循环灰气动斜槽(12)的出口接脱硫塔。
2.根据权利要求1所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述除尘器(1)的排灰口设置有回转式卸灰阀一(3)，所述旋风分离器(8)的排灰口设置有回转式卸灰阀二(10)，所述热态循环灰气动斜槽(5)的动力源为高压离心式鼓风机一(4)，所述冷态循环灰气动斜槽(12)的动力源为高压离心式鼓风机二(11)。
3.根据权利要求2所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述回转式卸灰阀一(3)和回转式卸灰阀二(10)均配置变频调速电机与相应的减速机，通过叶轮转数控制卸灰量的大小，卸灰量按下式计算：
Figure FDA0003102160930000011
式中：Q1为回转式卸灰阀的卸灰能力，Z为叶轮格数，F1为叶轮每格的有效截面积，L1为叶轮宽度，ρr为循环灰的堆积密度，n为叶轮的转数，
Figure FDA0003102160930000012
为充满系数。
4.根据权利要求3所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述回转式卸灰阀一(3)和回转式卸灰阀二(10)的叶片数量为8～16片。
5.根据权利要求2所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述热态循环灰气动斜槽(5)和冷态循环灰气动斜槽(12)的槽体由2～3mm钢板压制成矩形断面的段节，两端是由扁铁制作的法兰，在进料口处的透气层下部设置一段钢丝网或2mm钢板制成的多孔板，所述热态循环灰气动斜槽(5)和冷态循环灰气动斜槽(12)的槽体斜度为11～18％，槽内物料断面厚度为50～80mm，高压离心式鼓风机一(4)和高压离心式鼓风机二(11)的风压为4.5～6.0kPa。
6.根据权利要求1所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述热态循环灰气动斜槽(5)和冷态循环灰气动斜槽(12)的输送能力按下式计算：
Q2＝0.9×3600F1ωγ
式中：Q2为输送能力，F2为槽内物料断层面积，ω为物料在槽内的流动速度，γ为物料容重；
所述热态循环灰气动斜槽(5)和冷态循环灰气动斜槽(12)的耗气量按下式计算：
Figure FDA0003102160930000021
式中：V为耗气量，a为单位面积透气层的耗气量，B为斜槽宽度，L2为斜槽长度。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述流态化冷却器(7)为扁矩形或圆形截面的稀相输送床，其循环灰入口在下部，出口在上部，床层孔隙度在0.98以上，底部设置有离心式鼓风机(6)，气体入口处的流速＜15m/s，离心式鼓风机(6)将空气送入流态化冷却器(7)，使其中的循环灰流态化并快速对流冷却，在冷却器上设置一段或两段渐扩段，以提高气-固之间的传热系数。
8.根据权利要求7所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述流态化冷却器(7)的床层直径Dt由下式确定：
Figure FDA0003102160930000022
式中：U为流化床操作线速，Q3为进入床层中的流体流量；
流态化冷却器(7)的床高Hf由下式确定：
Figure FDA0003102160930000031
式中：ρs为操作条件下固体颗粒密度，ε为操作条件下床层孔隙度，Ws为固体颗粒进料量，t为冷却时间。
9.根据权利要求1所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统，其特征在于，所述流态化冷却器(7)的气体入口处设置流体分布器，所述流体分布器采用直线栅条形式，气体由两条板之间的缝隙流出；栅条上表面为双斜面，其倾角大于物料休止角。
10.基于权利要求1所述用于脱硫循环灰的流态化冷却、输送系统的工艺，其特征在于，出脱硫塔的富含未反应吸收剂的热态脱硫灰，被出脱硫塔烟气夹带进入除尘器(1)，经除尘器(1)捕集分离后成为循环灰，并排入热态循环灰气动斜槽(5)，然后输送并注入流态化冷却器(7)，在流态化冷却器(7)中实现流态化并快速对流冷却降至室温，与烟气产生30～60℃的温度差，冷却后的循环灰通过旋风分离器(8)收集，再排入冷态循环灰气动斜槽(12)，输送并以冷态形式再次注入脱硫塔。
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