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防止除尘系统结露的设计计算方法

[摘要]论述了除尘系统结露的原因及结露带来的危害,给出了除尘系统内烟气露点温度的确定方法,提出了防止除尘系统结露的设计计算方法。
  一、除尘系统的结露及其危害
  某些工艺过程中产生的含尘废气(或烟气)往往含有一定数量的水蒸汽,如果在除尘系统的设计过程中不采取相应措施,运行时一旦烟气温度低于其露点温度,除尘系统就会出现结露现象。当结露严重时灰尘粘结在一起,堵塞除尘管道和除尘器,至使除尘系统无法正常运行或根本不能运行。尤其是一些高温烟气,产生结露的可能性更大。例如,上部设排气罩的保温调质电炉烟气,当烟气通过较长管道进入除尘器时,由于烟气的自然温降,在科季运行时,除尘器内会结露,又如,水泥生料或熟料干式筒磨过程中产生的高温含尘废气,如果其除尘系统在科季运和地,也可能出现结露现象。水泥机立窑产生的烟气,虽然温度不高(一般80—120度),但含湿量大,露点温度约为45度;矿石焙烧及粉矿烧结选块过程中产生产烟气(温度一般为150度左右),其露点温度约为50度左右,设计这些烟气的除尘系统时,如不采取措旋,在寒冷的季节运行时,都可能会结露。
  当烟气中含有酸性气体成份(如三氧化硫)时,一旦结露就会有酸生成,严重腐蚀除尘系统。同时,含有酸的凝结水和灰尘中的某些成份发生反应生成的某些盐类,也具有腐蚀性。如果用袋式除尘器除尘,会在滤袋上形成密实的硬块,使滤袋失去过滤作用,甚至破坏除尘布袋,大大缩短除尘滤袋寿命,轻者也能使滤袋上的附灰和灰斗内的积灰变潮,造成滤袋清灰困难,灰斗内的积灰流动性变差,排出不畅,形成堵塞。
  有时,虽然除尘器内的温度高于露点温度,但降温到一定程度,如果除尘器的冷表面温度低于露点温度,会在冷表面上结露,发生粘灰现象,使积灰失去流动性。严重时,也会形成灰仓或灰口堵塞。设计时,也必须解决这一问题,以保证除尘系统的正常运行。
  二、烟气(含尘废气)的露点温度
  要防止除尘系统结露,就必须把烟气的温度控制在露点温度以上。因此,确定露点温度是一个关键问题。烟气中含有酸性气体成份,这些酸性气体与烟气中的水蒸汽结合形成酸蒸汽,由于酸的露点温度较高,使得烟气的露点温度比单纯只含有水蒸汽时的露点温度高许多。例如,在铜铅的冶炼过程中,含有S02为2%,SO3为0.005%时,进入除尘器的烟气温度要大于230℃,否则会结露。
  燃料燃烧或电炉冶炼产生的姻气,都含有一定数量的水蒸汽。当含硫煤燃烧时,烟气中会含有S02、SO3的成份,虽然烟气中酸性气体成份很少,但对烟气的露点温度影响却很大。因此,确定烟气的露点温度时,必须首先确定烟气中是否只含有水蒸汽,或者同时含有酸性气体成分。
  烟气的露点温度可通过实际测量确定,也可按烟气的有关成分计算。混合气体中各组成气体的分压力与其它气体的存在无关,是单独占据混合气体体积时的压力。因此,烟气中的水蒸汽既然是处于其自身的压力作用之下,则水蒸汽的饱和压力与温度之间的对应关系,也同样适应于湿空气(或烟气)中的水蒸气。
  由上述分析可知,烟气中水蒸汽分压力P1下的饱和温度就是烟气的露点温度。因此,只含有水蒸汽的烟气的露点温度可在有关水蒸汽的饱和压力和温度关系表中查出,或在湿空气的焓湿图中查得。
  (2)含有酸性气体成分的烟气的露点温度烟气中既含有水蒸汽又含有酸性气体成分时,其露点温度与水蒸汽的含量、酸性气体的种类及含量有关。含有水蒸汽和三氧化硫的烟气的露点温度按式计算,含有其它酸性气体成分的烟气,其露点温度可查阅有关资料。
  三、防止除尘系统结露的设计计算方法
  防止除尘系统结露的根本点是控制除尘系统中烟气的温降,把烟气的温度控制在露点温度以上。如果烟气的温度高出露点温度越多,则越不会结露,运行时越安全,但当采取保温和加热的措施时,所需要的投资费和运行费就越大。同时,如果用布袋除尘器除尘。又要控制最高温度,以防烧毁滤料。实践经验可知,从经济性和安全性的角度综合考虑,除尘器的烟气入口温度应比露点温度高20~40℃,这一范围的选取,应考虑粉尘的性质和所选用的除尘器的特点等。例如,对于憎水性粉尘,除尘器的烟气入口温度可取得低些,而对于亲水性粉尘,则应取得高些。从所选用的除尘器来看应考虑烟气在除尘器内分布的均匀性,除尘器的散热情况等,易结露或最怕结露的除尘器,例如布袋除尘器,其烟气入口温度应高一些。
  一般来说,高温高湿烟气的除尘系统易结露,在这种情况下,可采取保温措施,把除尘系统内烟气的温度控制在防止结露的最低温度以上。如果单纯靠保温不能把烟气温度控制在防止结露的最低温度以上,则还需要采取加热的措施,以提高除尘系统内的烟气温度。加热的方法主要有直接加热法(例如混入热空气)和间接加热法(例如伴管或盘管加热)。
  1、除尘系统的保温
  保温的目的是控制除尘系统内烟气的温降把温度控制在露点温度以上。除尘系统的保温主要分为两种情况,即管道保温和除尘器保温。为了简化保温的计算,做如下规定:
  (1)温度均不随时间而变化,按稳定传热计算。
  (2)异形壁和直径大于等于2m的管道壁,按平的传热公式计算。
  这样,就可把除尘系统的保温分为2类:即圆筒壁和平壁。
  常见的保温结构形式有胶化结构、填充结构、浇注结构、捆扎结构等,具体结构形式根据选用的保温材料确定。考虑到热胀冷缩、便于施工投资费用等情况,常选用毡;板保温材料,它适合采用简便的捆扎结构,外覆钢丝网、涂油玻玻布或溥纲板等作为保护壳。另外,还可选用泡沫混凝土,矿渣棉、玻璃纤维、水泥珍珠岩、水泥、蛭石等作保温材料。
  对于除尘器,为了保证不在除尘器的外壁冷表面上结露,并保证除尘器内的烟气温度高于露点温度,需要对除尘器保温。为了运行安全,应保证除尘器的出口温度比露点温度高2~5℃,前面已述,除尘器的入口温度应比露点温度高20~40℃,这样除尘器内的烟气温降就限定了,即一般为18~35℃,这就是烟气在除尘器内允许的最大温降。可根据这一温降,计算除尘器所需要的保温层厚度。
  通过对除尘器和除尘管道保温,就可控制除尘系统中每一段的温降,从而把除尘系统内的烟气温度控制在防止结露的最低温度以上。一般来说,对高温烟气的除尘系统,采取保温措施能够达到要求,但有除尘系统,仅仅靠保温仍不能解决结露问题,这时还霈采取加热的措施。
  在设计保温结构时,不要过份增加保温层的厚度,保温层过厚,不仅浪费保温材料,而且增加了外表面散热面积。为了技术上的合理,通常对不同管径的管道,分别规定了保温层的最大厚度,列于表6中。如果计算出的保温层厚度超出此值很多,则应进行加热。
  2、混入热风直接加热
  当生产工艺过程产生其它的热风时,可把这些热风的一部分混入除尘系统中,以提高被处理气体的温度。如果无其它的热风源(余热部分),则需设置产生热风的设备。一般用热风炉产生热风。也可用电加热法直接加热要处理的空气,但这种方法耗电量太大,一般不用。热风炉一般用煤气作燃料。在许多工厂中燃料的问题比较容易解决,尤其是在钢铁企业的生产过程(如炼铁、炼钢、炼焦),往往有大量的副产品煤气产生。
  根据需要,可在吸尘点排风罩处理混入热风,也可在除尘器入口处混入热风。当排风罩到除尘器入口之间的管段(保温后)内会出现结露时,应在排风罩处混入热风;当排风罩到除尘器的入口之间的管段不会结露,而在除尘器内会结露时,可在除尘器的入口处混入热风,这样可减少从排风罩到除尘器入口之间的管段由于混入热风而增加的散热损失,当这段管道较长时,这佯做是合适的,如果这段管道很短,也可从排风罩处混入热风。由于混入了热风,系统风量增大,因此除尘器的处理容量也要相应增大。
  需要注意的是,由于混入的热风水蒸汽的含量与原烟气中水蒸汽的含量可能不相同,故烟气中混入热风后,其露点温度会发生变化,即原烟气的露点温度与混入热风后烟气的露点温度是不同的。一般来说,煤气燃烧后生成物的组成成分是能够根据燃烧方程确定出来的,例如,焦炉煤气热烧后生成物的组成为:C028.6%,N269.8%,水蒸汽21.6%。即热风中水蒸汽的含量是能够确定的。如果原烟气中水蒸汽的含量确定了,则混入热风后,烟气中水蒸汽的含量也就确定了。由此可以确定混入热风后烟气的露点温度。