李談教

上海泓濟(jì)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?（上海 200433）

改革開放以來，國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為人民帶來了豐富的物質(zhì)供給，但由于前期生產(chǎn)不太重視環(huán)境保護(hù)，給生態(tài)環(huán)境帶來了很大的破壞，以致威脅民眾健康：固體垃圾亂堆放，污水、廢液、廢氣亂排放，全國范圍內(nèi)嚴(yán)重的霧霾天氣等。

近幾年，為了實(shí)現(xiàn)國人對(duì)美好生活的向往，徹底解決這些污染問題，全國各地從上到下都非常重視對(duì)環(huán)境的治理和對(duì)生態(tài)的修復(fù)。在這場(chǎng)改善生態(tài)的戰(zhàn)斗中，涌現(xiàn)了一批環(huán)境治理新技術(shù)、新工藝，如：處理有機(jī)廢氣的RTO（蓄熱式熱力氧化爐）技術(shù)[1]，有機(jī)廢液焚燒處理技術(shù)，固體廢料回轉(zhuǎn)窯焚燒處理技術(shù)等[2~4]。在通過焚燒的方式來處理有機(jī)廢液或固體廢料時(shí)，大部分系統(tǒng)都包含蒸發(fā)急冷塔。蒸發(fā)急冷塔在危廢焚燒中應(yīng)用廣泛，又處于關(guān)鍵工藝路徑上，一旦腐蝕穿透，將嚴(yán)重影響整個(gè)焚燒系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本研究重點(diǎn)對(duì)其濕壁腐蝕問題進(jìn)行分析。

1 蒸發(fā)急冷塔在危廢焚燒系統(tǒng)中的作用

在危廢焚燒系統(tǒng)中，蒸發(fā)急冷塔的主要作用是利用噴霧冷卻技術(shù)[5]對(duì)焚燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)行急冷，在極短的時(shí)間（通常要求是1 s）內(nèi)將高溫?zé)煔獾臏囟冉抵?00℃附近，避開二噁英的再生溫度區(qū)域（250~400℃），最大程度地降低焚燒產(chǎn)生的煙氣中二噁英的量，以減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)和二次污染。這也是危廢焚燒系統(tǒng)中去除二噁英的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，如何確保蒸發(fā)急冷塔的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)關(guān)鍵問題。

2 蒸發(fā)急冷塔出現(xiàn)濕壁腐蝕的因素分析

蒸發(fā)急冷塔是一個(gè)圓塔狀設(shè)備，主要通過布置在其上部的多支雙流體霧化噴槍將霧化后的水與高溫?zé)煔獬浞只旌?，利用水的瞬間氣化帶走高溫?zé)煔獾拇罅繜崃浚瑏韺?shí)現(xiàn)對(duì)焚燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)行瞬間降溫，對(duì)水的霧化主要通過壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)。蒸發(fā)急冷塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)急冷塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖1可以看出，影響蒸發(fā)急冷塔濕壁的主要因素有：噴槍及其布置位置、冷卻水量、壓縮空氣、蒸發(fā)急冷塔尺寸、高溫?zé)煔獾取?/p>

（1）噴槍及其布置位置。一般雙流體噴槍由兩部分組成：噴槍主體和噴頭。噴槍主體一般是套管結(jié)構(gòu)，可使2種流體分開通過，端部帶有螺紋，與噴頭連接用。噴頭是多孔帶螺紋結(jié)構(gòu)，可使2種流體按一定比例同時(shí)通過。這2種流體以不同壓力同時(shí)互不干擾地進(jìn)入噴槍，在噴頭處相遇，通過撞擊形成細(xì)小顆粒。由于噴頭處與蒸發(fā)急冷塔內(nèi)壓差較大，霧化后的顆粒以超音速進(jìn)入蒸發(fā)急冷塔內(nèi)冷卻高溫?zé)煔?。如果噴頭上的孔由于磨損或腐蝕而變大，那么在原霧化條件不變的情況下，實(shí)際的霧化顆粒會(huì)變大，霧化效果變差，混合后的煙氣流場(chǎng)和溫度分布場(chǎng)在蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部會(huì)發(fā)生偏移。

噴槍布置的位置直接決定霧化顆粒是否有大面積的重疊區(qū)域。如有，則重疊區(qū)域的霧化顆粒會(huì)變大，蒸發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，可能出現(xiàn)蒸發(fā)急冷塔濕底現(xiàn)象。如無，則需要看霧化顆粒對(duì)蒸發(fā)急冷塔內(nèi)徑是否全覆蓋，如果不是，則會(huì)出現(xiàn)部分高溫?zé)煔鉄o法瞬時(shí)冷卻的工況，導(dǎo)致更多的二噁英生成。

（2）冷卻水量。同一型號(hào)的霧化噴槍，如果冷卻水量超過最大設(shè)定值，就會(huì)導(dǎo)致噴槍的霧化顆粒變大、霧化效果變差的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，在焚燒系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，需要均衡地多投用幾只噴槍，以減小單支噴槍的冷卻水量，改善塔內(nèi)霧化冷卻效果。

（3）壓縮空氣。壓縮空氣是作為霧化風(fēng)存在的。不同的噴頭，其霧化風(fēng)的壓力和冷卻水的壓力通常具有一定的關(guān)系。為得到較好的霧化冷卻效果，可以通過實(shí)驗(yàn)來繪制霧化風(fēng)和冷卻水的壓力曲線，運(yùn)行時(shí)須遵循該壓力曲線圖，合理調(diào)節(jié)霧化風(fēng)和冷卻水的壓力值和流量值。

（4）蒸發(fā)急冷塔尺寸。蒸發(fā)急冷塔的尺寸必須合理設(shè)計(jì)。如果蒸發(fā)急冷塔的內(nèi)徑偏小，更易出現(xiàn)掛壁濕壁現(xiàn)象；如果蒸發(fā)急冷塔的高度偏小，更易出現(xiàn)濕底現(xiàn)象。

（5）高溫?zé)煔?。由于多種因素的影響，進(jìn)入焚燒爐的物料量和熱值是變化的，二者波動(dòng)較大時(shí)，焚燒后的煙氣量也會(huì)有較大的波動(dòng)，為了維持蒸發(fā)急冷塔出口溫度，冷卻水量也會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，這時(shí)，蒸發(fā)急冷塔內(nèi)的煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，易出現(xiàn)掛壁、濕壁或濕底等現(xiàn)象。

除此之外，設(shè)計(jì)蒸發(fā)急冷塔時(shí)還需要考慮以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）高溫?zé)煔膺M(jìn)入蒸發(fā)急冷塔煙道的形狀：最好有5倍直徑的直管段煙道，以改善進(jìn)入蒸發(fā)急冷塔的高溫?zé)煔獾牧鲌?chǎng)分布，使其與霧化后的冷卻水霧充分混合，且對(duì)蒸發(fā)急冷塔不濕壁，也不濕底。

（2）蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部澆注料的選材要求：耐高溫，耐酸堿，耐沖刷。

（3）蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部澆注料的磨損情況：由于高溫?zé)煔馀c超音速霧化噴槍噴出的水霧撞擊混合，塔內(nèi)氣流擾動(dòng)，高速混合煙氣會(huì)沖刷塔內(nèi)的澆注料表面，長(zhǎng)久會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)部局部澆注料層減薄，加快該處塔殼體的腐蝕速率。

（4）蒸發(fā)急冷塔外殼保溫：鑒于蒸發(fā)急冷塔殼體溫度低于酸露點(diǎn)溫度而將對(duì)殼體產(chǎn)生酸冷凝腐蝕的情況，需對(duì)塔外殼做保溫，使外殼溫度始終高于酸露點(diǎn)腐蝕溫度。

3 蒸發(fā)急冷塔設(shè)計(jì)時(shí)的CFD數(shù)值模擬分析

影響蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕穿孔的因素眾多，且相互聯(lián)系、相互影響。為了確保蒸發(fā)急冷塔在焚燒系統(tǒng)中可長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分考慮。不僅如此，還需要對(duì)蒸發(fā)急冷塔實(shí)際工況進(jìn)行CFD模擬，視塔內(nèi)煙氣流向，分析噴霧液滴和煙氣相互作用的蒸發(fā)降溫過程，跟蹤液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)噴槍布置方案，降低塔壁積灰、腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提出的噴槍布置方案的工程預(yù)測(cè)。圖2~圖6是對(duì)國內(nèi)某企業(yè)新建的廢液焚燒爐系統(tǒng)中蒸發(fā)急冷塔的工況模擬情況（選用5支FM5A-20的霧化噴槍）。

圖2為蒸發(fā)急冷塔設(shè)計(jì)條件：高溫?zé)煔庥蓮U液焚燒爐直接進(jìn)入急冷塔，由雙流體噴槍噴出的霧化水對(duì)其進(jìn)行急冷，要求將煙氣溫度從1200℃降為200℃。

圖3為塔內(nèi)的煙氣流場(chǎng)分布。通過CFD數(shù)值分析可知，120%負(fù)荷工況下蒸發(fā)急冷塔塔內(nèi)僅有煙氣的單一氣相基礎(chǔ)流場(chǎng)。塔內(nèi)存在回流區(qū)，且回流區(qū)位于塔的上部，靠近煙氣入口側(cè)。

圖4為塔內(nèi)煙氣和噴霧溫度分布情況：蒸發(fā)急冷塔基礎(chǔ)流場(chǎng)處于120%負(fù)荷工況，噴霧系統(tǒng)處于工作狀態(tài)?？梢钥闯?，由于煙氣混合的作用，蒸發(fā)急冷塔內(nèi)的回流區(qū)位置發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，主要位于塔主體的中下部，靠近煙氣入口對(duì)側(cè)。另外，還可以看出蒸發(fā)冷出口溫度為473.9 K（200.8℃），液滴100%完全蒸發(fā)，且出口溫度分布均勻。

圖2 蒸發(fā)急冷塔設(shè)計(jì)條件

圖3 塔內(nèi)僅煙氣流場(chǎng)分布

圖4 塔內(nèi)煙氣和噴霧溫度分布

圖5 噴霧液滴軌跡跟蹤

圖5為噴霧液滴軌跡跟蹤。在蒸發(fā)急冷塔基礎(chǔ)流場(chǎng)處于120%負(fù)荷工況，噴霧系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)噴霧液滴軌跡的跟蹤數(shù)值分析結(jié)果顯示，在當(dāng)前的霧化噴槍布置方案下，大部分液滴從塔的中央流過，并在塔的直段內(nèi)完成蒸發(fā)。另外，因?yàn)殪F化噴槍的間距角比較小，噴霧羽流比較集中，會(huì)導(dǎo)致局部蒸發(fā)速度稍慢。

圖6為噴霧撞壁風(fēng)險(xiǎn)分析。在蒸發(fā)急冷塔基礎(chǔ)流場(chǎng)處于120%負(fù)荷工況，噴霧系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，噴霧撞壁風(fēng)險(xiǎn)的分析結(jié)果顯示：（1）在當(dāng)前霧化噴槍的布置方案下，塔壁上會(huì)有零星幾個(gè)點(diǎn)因?yàn)閲婌F的飛濺而產(chǎn)生暫時(shí)性沾濕，噴霧撞壁的極大值為0.0024 kg/m3，整體可以實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā)。（2）考慮到目前的分析是基于120%的極限工況進(jìn)行的，在常規(guī)（100%）工況下，可以認(rèn)為目前的噴槍布置方案是安全妥當(dāng)?shù)?。?）噴槍在長(zhǎng)期工作后可能因?yàn)榘l(fā)生堵塞或者磨損，使得霧化性能變差，從而出現(xiàn)壁面沾濕現(xiàn)象，造成壁面腐蝕，為了避免這種情況，可以加強(qiáng)對(duì)塔體上半部分的防腐處理。

圖6 噴霧撞壁風(fēng)險(xiǎn)分析

4 蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕穿孔的解決方案

對(duì)于蒸發(fā)急冷塔外壁出現(xiàn)的濕壁腐蝕穿孔現(xiàn)象，需要在焚燒系統(tǒng)停車或大修期間對(duì)有濕壁腐蝕穿孔的區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)，具體方案如下：

（1）拆掉蒸發(fā)急冷塔外保溫，仔細(xì)檢查塔體外殼，標(biāo)記穿孔位置。

（2）測(cè)量蒸發(fā)急冷塔外殼壁厚。根據(jù)腐蝕穿孔的位置，沿著蒸發(fā)急冷塔軸向，多取不同高度的截面測(cè)量壁厚，每個(gè)截面沿著塔體徑向取8～12個(gè)點(diǎn)測(cè)量并記錄壁厚值。

（3）對(duì)測(cè)量的壁厚值進(jìn)行分析，判斷出蒸發(fā)急冷塔外殼腐蝕區(qū)域的大小及需要維修的區(qū)域。

（4）檢測(cè)蒸發(fā)急冷塔內(nèi)部澆注料，清除掛壁，并將外殼腐蝕穿孔區(qū)的澆注料敲掉。

（5）切割蒸發(fā)急冷塔外殼上的腐蝕穿孔區(qū)域，更換并焊接新的殼體鋼板。

（6）給新?lián)Q的殼體鋼板內(nèi)部焊接錨固釘，重做澆注料，然后完成烘爐。

5 結(jié)語

通過對(duì)蒸發(fā)急冷塔的用途說明，詳細(xì)分析了影響蒸發(fā)急冷塔濕壁腐蝕的各個(gè)因素，并提供了出現(xiàn)濕壁腐蝕穿孔時(shí)的解決方案，以及設(shè)計(jì)時(shí)的CFD數(shù)值模擬結(jié)果分析。蒸發(fā)急冷塔作為一種噴霧急冷設(shè)備，可大大減少二噁英的生成。其長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行，離不開日常科學(xué)合理的運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)。伴隨著廢液或固廢焚燒處理技術(shù)的快速發(fā)展，蒸發(fā)急冷塔將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用空間。