基于熔渣自清理的高温烟尘粉体流化冷却塔的制作方法

1.本发明属于冶金及化工设备领域，涉及到一种含尘、含熔渣的高温气体余热回收利用、熔渣的分离回收装置，具体的说是涉及基于熔渣自清理的高温烟尘粉体流化冷却塔。


背景技术：

2.塔设备是可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的设备。塔设备经过长期发展，形成了型式繁多的结构，以满足各个方面的特殊需要。由于种类繁多，塔设备可以按单元操作分为精馏塔、吸收塔、萃取塔、反应塔、解吸塔和干燥塔等；按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按塔内结构分为板式塔和填料塔等【张婧，尹志敏，化工塔设备的分类与结构，工艺与设备，2017，43(5)：123】。
3.塔设备主要由塔体、塔体群座、工艺管口、人孔或手孔、吊耳、吊柱和塔内件组成。根据实际情况决定是否设置塔外部爬梯和平台以供操作使用。塔内件一般有塔板、丝网除沫器、填料及填料支持、填料压盖、进气分布器、喷淋装置等。通常根据塔设备不同用途，选择不同的内件结构。
4.板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，广泛应用于精馏和吸收，有些类型也用于萃取。板式塔一般由塔壳体、塔板、工艺管口、进气分布器、液体分布器、丝网除沫器等组成。塔板有泡罩、筛板、浮阀、舌型等不同形式。在板式塔的设计中，塔板设计尤为重要，塔板需要做到单位塔截面能处理气液流量大、塔板效率高、塔板压力降低、操作弹性大、结构简单，容易制造等要求。
5.填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔主要结构是由直立圆筒的塔体、用于支撑填料的支撑装置、防止填料被吹起的填料压盖、进气分布器、液体分布器、去除气液反应产生泡沫的丝网除沫器、填料、各种工艺管口组成。填料塔的填料一般以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。
6.板式塔和填料塔都是常用的精馏塔类型，各有各的特点和优势。填料塔的结构较板式塔简单，故制造维修也较为方便，但填料塔的造价通常高于板式塔。填料塔的持液量小于板式塔。板式塔容易实现侧线进料和出料，填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。对于比表面积较大的局性能填料，填料层存易堵塞，故填料塔不其直接处理有悬浮物或容易聚合的物料。
7.为了提高塔设备效率，节省塔设备的制造成本，降低塔设备高度，结合工艺参数，相关技术人员开发出了变径塔设备以满足不同的生产需要【周青生，1000mw机组超大型变径脱硫塔设计，资源节约与环保，2019，(7)：19，21】。根据生产实际，塔的变径区域可设置在塔的不同部位。韩松针对烟气脱硫系统介绍了脱硫塔的变径段位于储液段【韩松，变径结构在脱硫塔设计中的应用，中国环保产业-聚焦大气污染防治，2018，(11)：43-44】。在储液段之上通过变径设计减小烟气流通面积，之后布置进口烟气段，属于典型的“大肚塔”设计。由于等径设计时储液段液位较高的情况，选用“大肚塔”设计具有如下技术效果：
8.(1)可有效降低塔上各处的标高，对应地可节省支架及附件的钢材用量，如进、出
口烟道标高降低，其支架高度对应降低，塔外壁附着的爬梯用钢材节省；
9.(2)便于设备选型。大多习惯于采用侧进式搅拌和矛枪式氧化曝气的组合设计，在高液位选用等径设计的情况下，选用常见型号的氧化风机时，有时不得已会选用高、低两层搅拌装置，并于高层搅拌器处布置矛枪曝气管。而选用“大肚塔”设计可将液位降低至通常液位，利于侧进式 矛枪曝气的组合设计。
10.随着近些年，脉冲悬浮搅拌和管网式氧气曝气组合工艺的成熟，为更大直径的“大肚塔”的设计提供了可能。“大肚塔”多见于高含硫烟气或高液位的工况。
11.选用变径设计，变径处的强度和稳定性设计成为结构设计的难点，同时施工过程中的变径处的焊接及防腐需严格把关。
12.陈林凤等研究了变径塔的壁面壁流效应。气相单向流作用下，对于变径段大端朝上的布局方式，变径段上方壁面壁流效应严重，总体压力波动较大，对精馏塔分离效率影响大，而变径段大端朝下的布局的方式，能够有效减少壁流，并且总体压力波动较小；液相单向流作用下，对于变径段大端朝上的布局方式，变径段下方壁面壁流效应严重，压力波动较小，而变径段大端朝下的布局的方式，能够有效减少壁流，但是总体压力波动较大。总体而言，采用变径段采用大端朝下的布局方式比大端朝上的布局方式，在减少壁流效应以及压力变化均匀性方面要好【陈林凤，冯清付，江振飞等，精馏塔变径段布局方式研究，装备制造技术，2019，(4)：135-138】。
13.上述塔体结构的改进多用于气-液反应的工艺单元，对气-固反应或热传递的换热过程，对塔径结构改进的报导鲜见。为了提高气-液换热效率，减缓换热面结垢，将流化技术和在换热过程中普遍使用的列管换热器有机结合起来形成一种新型的换热设备-流化床换热器，被加热的液体由底部管口进入,经分配系统使液体和固体颗粒均匀分布后进入管程,管内固体颗粒保持相对静止状态或流化状态,从而对换热器的管壁起洗刷和抛磨件用。即使液体在低流速下,也能以高度的湍流和稳定的传热速率连续的搅动邻近管壁的液体边界层,使沉积物及时由出口除去【段宝民译编，新型换热设备-流化床热交换器，陕西化工，1991，(5):44-45】。在换热器的顶部,从液体中分出固体颗粒,通过下降管返回底部进行再分配和循环。
14.流化床换热器具有良好的传热性能，同时温度场十分均匀【黄正胜，新型流化床换热器的研讨，四川冶金，2005，27(6):36-39】。流化床换热器的热交换过程一般由以下几个过程组成:
15.(1)固体粒子与流化介质之间的传热,包括乳化相内气体与固体粒子之间的传热和气泡与固体粒子之间的传热；
16.(2)流化床与壁面和埋入换热器中的换热管道之间的传热；
17.(3)固体粒子内部的传热以及换热管与液体介质之间的传热等。
18.流化床换热器的传热效率受许多因素的影响,如流化速度、粒子直径和重度、粒子和气体的热物性、换热管的形状、尺寸和在床内的放置方式以及布风板的设计形式等。
19.这种换热器特别适用于气-液间的换热。其综合换热系数较高,因此所需的传热面积比通常的换热器要小得多。在通常的气-液换热器中,热量必须经过气体边界层(这是一个很大的热阻)才能传给传热面,而在这种流化床换热器中,流动着的粒子可以破坏气体边界层,而直接将热量传给传热面；在燃煤的烟气中,含有较多的灰尘,通常的气-液换热器的
传热面上积灰特别严重,这又使热阻增大了,而在流化床换热器中,“流动”着的粒子可以“清洗”换热面,故它的传热效率非常高；由于这种流化床换热器内部温度十分均匀,不会造成局部过热现象,而且其换热系数非常高,故其壁面温度较低,可用普碳钢代替耐热钢制造,降低换热器的制造成本。
20.流化床换热器概括起来具有以下几个特点:
21.(1)不易产生低温腐蚀和烟灰堵塞。烟气中的灰尘不易在传热表面积聚；另外,烟气中的酸性成分,因粒子的冲刷也不易在金属表面凝结而产生腐蚀。
22.(2)传热性能高。一般的管式换热器烟气侧的换热系数只有50～60w/m2k左右,而流化床换热器烟气侧的换热系数可达300～700w/m2k。
23.(3)适应工况能力强。主要表现在烟气量和烟气温度变化两个方面,当烟气量变化时,只要烟气在床内的流速大于临界流化速度u
mf
,而小于终端速度u
t
在很宽的范围内,流化床的换热系数仍可保持在大于200w/m2k的水平。当烟气温度在450～950℃范围内变化时,总换热系数的变化幅度小于10％,是一种高效的换热器；
24.(4)对传热元件的材质要求低。传热元件的温度较低(《500℃),所以这种换热器只需用普碳钢制作。
25.(5)维护方便,维修简单,体积小重量轻,便于安装。
26.(6)这种换热器阻力较大,气流的方向受限制,烟气只能自下而上垂直通过床层。
27.对于含有熔融气化组分的高温气体来说，上述的塔设备结构的改进，以及辅助的流化床换热方案都无法克服高温气体余热回收过程中存在的熔融气化组分冷凝时的结垢、堵塞。


技术实现要素：

28.本发明设备为解决现有技术存在的问题，提供了一种结构紧凑、热交换效率高、抗粘结、熔渣自清理、运行安全稳定的富含熔融气化组分的高温含尘气体余热回收设备，可广泛适用于化工、冶金等行业生产过程中产生的高温含尘气体的余热回收利用。
29.本发明装置的技术方案包括上塔体，中部环形支座，下塔体，热态粉体仓，烟气进、出口，粉体物料喷入口，粗粉体物料出口，所述上塔体、下塔体以及热态粉体仓内腔轴向贯通，所述上塔体为上端和下端均为敞口、中部至少存在一段直径缩小10-20％小塔径段以及下部直径扩大10-20％葫芦肚状结构体，所述下塔体由外筒体及中心管组成，所述外筒体位于中心管外围，与中心管同轴。
30.所述下塔体的外筒体上端与所述中部环形支座下沿连接并密封，所述中心管、中部环形支座以及所述外筒体形成上端封闭、下端敞口的环缝空间结构。
31.所述上塔体搁置在中部环形支座上，所述上塔体的葫芦肚外弧面与所述中部环形支座的葫芦肚内弧面接合，通过弧面接触、固定并密封。
32.所述中心管下部为圆筒状、上端口为向外扩张的喇叭口状结构体，所述中心管通过喇叭口固定悬吊在中部环形支座上，所述喇叭口外弧面与所述中部环形支座喇叭口内弧面接合，通过弧面接触固定并密封。
33.所述中部环形支座的葫芦肚内弧面位于与所述中部环形支座的喇叭口内弧面的上方，两弧面之间沿周向均匀设置若干个粉体喷入口，所述粉体喷入口的粉体喷入方向指
向葫芦肚中心，所述中部环形支座通过若干根立柱支撑。
34.所述外筒体上端侧壁上切向设置进气口。
35.所述下塔体的外筒体下端口与环状鞍型料仓的外环上端口相连接，所述环状鞍型料仓内环内为热态粉体仓，所述热态粉体仓镶嵌在所述环状鞍型料仓内环内，所述热态粉体仓上端口与所述环状鞍型料仓上端口平齐，所述热态粉体仓上端口直径与所述中心管直径相当。
36.所述环状鞍型料仓的环隙状进料口对应于所述下塔体的环缝，位于所述下塔体环缝的正下方，所述环隙宽度与环缝宽度相当。
37.所述环状鞍型料仓的鞍形面的倾角大于粉尘的休止角，两个鞍底部连接出料管和卸灰阀。
38.所述葫芦肚的倾斜角度大于粉体物料的休止角。
39.所述环状鞍型料仓内环壁上沿周向均匀设置若干个粉体喷入口，所述粉体喷入口的粉体喷入方向指向中心管下端口中心，所述上塔体的小塔径段沿周向均匀设置若干个粉体喷入口，所述粉体喷入口的粉体喷入方向水平或倾斜向下。
40.进一步的，为了解决高温气体余热回收过程中所含熔融气化组分的冷凝导致的熔渣粘附问题，本发明创造性的在流化床冷却塔内设置中心管，并巧妙地构成气体流动的环缝结构。该结构的设置具有抗粘结、熔渣自清理功能。高温气体从变径流化床冷却塔的进气口切向进入塔内环缝后，在离心力的作用下进一步除尘，同时对中心管加热，使中心管温度在熔融气化组分的熔点甚至沸点温度以上。中心管为耐热钢或导热性能好的陶瓷材料，外侧与进入的高温气体长期接触，温度接近甚至达到高温气体温度，内侧与流态化的粉体物料接触降温，部分粉体物料受内壁高温加热成为熔融态，粘附在内壁上；另外高温气体中的熔融组分受粉体物料的冷却，降低沸点温度以下，冷凝成雾滴被粉体物料吸附，并在与中心管内壁接触、碰撞时也有可能粘附在壁面。随着壁面粘附面增加，粘附层增厚，热阻增加，中心管内壁面温度增加，当温度高于熔渣组分的沸点时，熔渣层熔融脱落。
41.进一步的，为了解决背景技术中存在的变径塔强度和稳定性问题，本发明在塔体结构的中部设置中部环形支座，将塔体分为上、下两个独立的部分，增强了塔体的稳定性。
42.更进一步的，通过设计特殊结构的中部环形支座，中心管直接放置在中心管支座上，下端自由下垂。当中心管磨损需要更换时，直接从变径流化床冷却塔的顶部吊出，更换的中心管直接从变径流化床冷却塔的顶部吊入落位即可；上塔体整体固定搁置在中部环形支座上，上塔体的葫芦肚外弧面与中部环形支座的葫芦肚内弧面接合，通过弧面接触、固定并密封，当上塔体需要维护或更换时，可进行快速吊装更换，或移出生产现场维修。
43.更进一步的，本发明巧妙地将冷却塔结构设计成变径的葫芦状，并设置至少1个葫芦颈，如此结构对气-固混合物的流化混合具有如下的技术效果：
44.a，通过内径的变化可以实现气-固混合物经历多次的密相区、稀相区、密相区、稀相区，有利于生物质的充分流化，增加流化床内气流的湍动效果，强化气-固混合。
45.b，通过内径的变化彻底杜绝了流化床运行过程中存在的边壁效应和沟流。
46.c，粉体物料分级效率高。塔径的变化会引起气相流速发生相应的变化，在内径缩小区域，气相流速大，较小粒径的粉体物料被带入上一个内径扩大区域，较大粒径的粉体物料下落到下一个内径扩大区域。由于塔内由下往上温度逐渐降低，气相流速由下往上逐步
降低，落到下一个区域的较大粒径的粉体物料在经过内径缩小区域时，受较大气相流速的流化作用，被拦截在该区域进一步与气-固混合物接触，粘附熔融雾滴，粒径进一步增加，当粒径大于临界沉降粒径时，越过小塔径段进入热态粉体仓。
47.本发明塔内部为空腔结构，结构简单；气体进口区域设置成环缝结构，结构紧凑；塔内无任何坚固件，维护方便。
附图说明
48.图1为本发明冷却塔结构示意图(主视图)。
49.图2为a-a剖面图。
50.图3为b-b剖视图。
51.图4为中部环形支座2主视图。
52.图5为中部环形支座2俯视图。
53.图6为环状鞍型料仓6主视图。
54.图7为环状鞍型料仓6俯视图。
55.图8为环状鞍型料仓6左视图。
56.图9为c-c剖视图。
57.其中：1、上塔体；1-1、气体出口；1-2、出口端塔径收缩段；1-3、大塔径段；1-4、小塔径段；1-5、葫芦肚段；1-6、葫芦肚外弧面；2、中部环形支座；2-1、葫芦肚内弧面；2-2、喇叭口内弧面；2-3、耐热混凝土；2-4、混凝土防护钢板；2-5、支撑垫；3、粉体喷入口；3-1、下层粉体喷入口；3-2、中层粉体喷入口；3-3、上层粉体喷入口；3-4、粉尘回流口；4、下塔体；4-1、外筒体；4-2、中心管；4-3、喇叭口外弧面；5、进气口；5-1、进气口短管；6、环状鞍型料仓；6-1、环隙状进料口；6-2、鞍峰；6-3、鞍型斜面；6-4、粉尘下料管；6-5、鞍底；6-6、粉尘卸灰阀；7、热态粉体仓；8、粉体下料管；9、粉体卸灰阀。
具体实施方式
58.下面结合附图对本发明装置作进一步解释说明：
59.实施例1：流化冷却塔的现场制作安装
60.流化冷却塔现场制作安装前已完成上塔体1、外筒体4-1、中心管4-2、进气口5、环状鞍型料仓6、热态粉体仓7等部件的制作，并已包装运到安装现场。现场施工工作主要是中部环形支座2及地面砼基础等，参见图1-图9，具体施工步骤如下：
61.(1)立柱基础(图中未标示出)及外筒体4-1及热态粉体仓7基础施工。在地面浇铸砼立柱基础，外筒体4-1的环形砼基础，热态粉体仓7的环形砼基础，并预埋立柱固定连接件(钢板等)；
62.(2)待砼基础养护期结束后，安装外筒体4-1并固定，安装立柱、支撑垫2-5、混凝土防护钢板2-4，再浇铸耐热混凝土2-3；
63.(3)待浇铸耐热混凝土2-3养护期结束后，加工葫芦肚内弧面2-1和喇叭口内弧面2-2；
64.(4)吊装环状鞍型料仓6进入外筒体4-1内，并搁置在外筒体4-1中部的支撑块上(图中未标示出)；
65.(5)在外筒体4-1内彻筑耐火材料，并对环状鞍型料仓6与外筒体4-1接合处采用耐火泥密封；
66.(6)吊装热态粉体仓7，并对环状鞍型料仓6的内环与热态粉体仓7上沿口接合处采用耐火泥密封；
67.(7)吊装中心管4-2及上塔体1，并定位；
68.(8)在外筒体4-1上部安装进气口5，在外筒体4-1中部环状鞍型料仓6上沿，沿周向均匀开孔安装下层粉体喷入口3-1的粉体喷入设备；
69.(9)在中部环形支座2上，在葫芦肚内弧面2-1与喇叭口内弧面2-2之间沿周向均匀开孔安装中层粉体喷入口3-2的粉体喷入设备；
70.(10)在上塔体1的小塔径段1-4沿周向均匀开孔安装上层粉体喷入口3-3处的粉体喷入设备；
71.(11)流化冷却塔表面的防腐保温处理。
72.实施例2：流化冷却塔的维护
73.设备运行过程中，易磨损部位主要有：外筒体4-1内的进气口5区域、环状鞍型料仓6的内环与热态粉体仓7上沿口接合区域、中心管4-2下端口以及上塔体1的小塔径段1-4区域，另外易损件还有粉尘卸灰阀6-6和粉体卸灰阀9。参见图1-图9，这些部位(部件)的维护措施如下：
74.(1)粉尘卸灰阀6-6和粉体卸灰阀9损坏后可将塔内物料排空后直接进行更换。
75.(2)环状鞍型料仓6的内环与热态粉体仓7上沿口接合区域的磨损控制：
①
控制粉尘卸灰阀6-6和粉体卸灰阀9排料量，增加环状鞍型料仓6及热态粉体仓7的积料量，使粉尘或粉体物料覆盖接合区域，该方式导致粉尘与粉体物料的混合；
②
采用专用的环状覆盖圈子进行覆盖，磨损后直接换。
76.(3)外筒体4-1内的进气口5区域：该区域选用耐磨损的耐火砖以减少磨损。当需要对该区域的耐火砖更换时，吊出中心管4-2腾出空间，进行人工修复。
77.(4)中心管4-2下端口磨损严重时，直接将破损的中心管4-2吊出修复或更换。
78.(5)上塔体1的小塔径段1-4区域选用耐磨损的耐火砖以减少磨损。当需要对该区域的耐火砖更换时，可直接进行人工修复。
79.实施例3：流化冷却塔的使用
80.参见图1-图9，针对转炉冶炼产生的高温、高含尘量的转炉烟气，采用本发明装置进行处理，既可回收烟气余热，还可得到高品质的含锌产品。将转炉烟气从外筒体4-1的进气口5引入塔内，受塔内环缝结构的控制，气体产生旋流进行旋风除尘，除下的粉尘进入环状鞍型料仓6内。除尘后的高温气体从中心管4-2的下端口进入中心管4-2内，同时与下层粉体喷入口3-1喷入的含锌或氧化锌的粉体物料混合流化形成气-固混合物。
81.在中心管4-2内，气-固混合物随气流上升，并进行高效换热，含锌或氧化锌的粉体物料温度升高，烟气温度降低，同时含锌或氧化锌的粉体物料与中心管4-2内壁进行热交换。
82.中心管4-2为耐热钢或导热性能好的陶瓷材料，其外侧与进入的转炉烟气长期接触，温度接近甚至达到电炉烟气温度，中心管4-2内侧与流态化的含锌或氧化锌的粉体物料接触降温，部分锌粉受内壁高温加热成为熔融态，粘附在中心管4-2内壁上；另外转炉烟气
中的锌蒸汽在喷入的含锌或氧化锌的粉体物料的冷却作用下，温度降到沸点温度以下，冷凝成锌雾滴被含锌或氧化锌的粉体物料吸附，并在与中心管4-2内壁接触、碰撞时也有可能粘附在壁面。随着壁面粘附面增加，粘附层增厚，热阻增加，中心管4-2内壁面温度增加，当温度高于锌的沸点时，粘附在内壁上的锌层熔融脱落。
83.在中心管4-2内转炉烟气与下层粉体喷入口3-1喷入的含锌或氧化锌的粉体物料换热后，烟气温度降到900℃以下。初步冷却后的转炉烟气继续上升，越过中心管4-2的上端口时，与中层粉体喷入口3-2喷入含锌或氧化锌的粉体物料混合，进入上塔体1的葫芦肚段1-5内，与此同时，从上层粉体喷入口3-3喷入较粗粒径的含锌或氧化锌的粉体物料，沉降到葫芦肚段1-5下沿，与上升的气-固混合物逆流接触，并混合。由于葫芦肚段1-5截面积突然增加，来自中心管4-2的气-固混合物的流速突然降低，产生剧烈的湍动，形成旋流，与沉降下来的较粗粒径的含锌或氧化锌的粉体物料剧烈混合，快速换热，转炉烟气温度降到400℃以下。
84.葫芦肚段1-5内，由于受中心区域沉降下来的含锌或氧化锌的粉体物料层的阻挡，同时由于葫芦肚段1-5截面积突然增加，气流向周边扩散、流动，加剧了气-固混合物在葫芦肚段1-5内进一步混合，并增加了停留时间。
85.较粗粒径的含锌或氧化锌的粉体物料与气-固混合物换热的同时，吸附部分冷凝下来的锌雾滴，粒径进一步增加，超过临界粒径后，沉降到热态粉体仓7内，并通过粉体下料管8和粉体卸灰阀9排出进入余热回收设备。
86.经过葫芦肚段1-5充分冷却后的气-固混合物温度降到200℃以下，离开葫芦肚段1-5，越过小塔径段1-4，在大塔径段1-3内进一步进行气-固间换热，烟气温度降到100-150℃，降温后的转炉烟气携带微细的含锌或氧化锌的粉体物料经出口端塔径收缩段1-2，从气体出口1-1排出进入煤气调质设施。
87.通过本装置的应用，可有效回收转炉在消纳含锌废钢时的锌资源。