影响蒸发急冷塔湿壁腐蚀的因素分析

李谈教

上海泓济环保科技股份有限公司 （上海 200433）

改革开放以来，国家经济的快速发展为人民带来了丰富的物质供给，但由于前期生产不太重视环境保护，给生态环境带来了很大的破坏，以致威胁民众健康：固体垃圾乱堆放，污水、废液、废气乱排放，全国范围内严重的雾霾天气等。

近几年，为了实现国人对美好生活的向往，彻底解决这些污染问题，全国各地从上到下都非常重视对环境的治理和对生态的修复。在这场改善生态的战斗中，涌现了一批环境治理新技术、新工艺，如：处理有机废气的RTO（蓄热式热力氧化炉）技术[1]，有机废液焚烧处理技术，固体废料回转窑焚烧处理技术等[2~4]。在通过焚烧的方式来处理有机废液或固体废料时，大部分系统都包含蒸发急冷塔。蒸发急冷塔在危废焚烧中应用广泛，又处于关键工艺路径上，一旦腐蚀穿透，将严重影响整个焚烧系统的正常运行。本研究重点对其湿壁腐蚀问题进行分析。

1 蒸发急冷塔在危废焚烧系统中的作用

在危废焚烧系统中，蒸发急冷塔的主要作用是利用喷雾冷却技术[5]对焚烧后的高温烟气进行急冷，在极短的时间（通常要求是1 s）内将高温烟气的温度降至200℃附近，避开二噁英的再生温度区域（250~400℃），最大程度地降低焚烧产生的烟气中二噁英的量，以减轻环境负担和二次污染。这也是危废焚烧系统中去除二噁英的关键环节。因此，如何确保蒸发急冷塔的长期稳定运行是一个关键问题。

2 蒸发急冷塔出现湿壁腐蚀的因素分析

蒸发急冷塔是一个圆塔状设备，主要通过布置在其上部的多支双流体雾化喷枪将雾化后的水与高温烟气充分混合，利用水的瞬间气化带走高温烟气的大量热量，来实现对焚烧后的高温烟气进行瞬间降温，对水的雾化主要通过压缩空气来实现。蒸发急冷塔结构简图如图1所示。

图1 蒸发急冷塔结构简图

由图1可以看出，影响蒸发急冷塔湿壁的主要因素有：喷枪及其布置位置、冷却水量、压缩空气、蒸发急冷塔尺寸、高温烟气等。

（1）喷枪及其布置位置。一般双流体喷枪由两部分组成：喷枪主体和喷头。喷枪主体一般是套管结构，可使2种流体分开通过，端部带有螺纹，与喷头连接用。喷头是多孔带螺纹结构，可使2种流体按一定比例同时通过。这2种流体以不同压力同时互不干扰地进入喷枪，在喷头处相遇，通过撞击形成细小颗粒。由于喷头处与蒸发急冷塔内压差较大，雾化后的颗粒以超音速进入蒸发急冷塔内冷却高温烟气。如果喷头上的孔由于磨损或腐蚀而变大，那么在原雾化条件不变的情况下，实际的雾化颗粒会变大，雾化效果变差，混合后的烟气流场和温度分布场在蒸发急冷塔内部会发生偏移。

喷枪布置的位置直接决定雾化颗粒是否有大面积的重叠区域。如有，则重叠区域的雾化颗粒会变大，蒸发时间延长，可能出现蒸发急冷塔湿底现象。如无，则需要看雾化颗粒对蒸发急冷塔内径是否全覆盖，如果不是，则会出现部分高温烟气无法瞬时冷却的工况，导致更多的二噁英生成。

（2）冷却水量。同一型号的雾化喷枪，如果冷却水量超过最大设定值，就会导致喷枪的雾化颗粒变大、雾化效果变差的现象出现。因此，在焚烧系统正常运行时，需要均衡地多投用几只喷枪，以减小单支喷枪的冷却水量，改善塔内雾化冷却效果。

（3）压缩空气。压缩空气是作为雾化风存在的。不同的喷头，其雾化风的压力和冷却水的压力通常具有一定的关系。为得到较好的雾化冷却效果，可以通过实验来绘制雾化风和冷却水的压力曲线，运行时须遵循该压力曲线图，合理调节雾化风和冷却水的压力值和流量值。

（4）蒸发急冷塔尺寸。蒸发急冷塔的尺寸必须合理设计。如果蒸发急冷塔的内径偏小，更易出现挂壁湿壁现象；如果蒸发急冷塔的高度偏小，更易出现湿底现象。

（5）高温烟气。由于多种因素的影响，进入焚烧炉的物料量和热值是变化的，二者波动较大时，焚烧后的烟气量也会有较大的波动，为了维持蒸发急冷塔出口温度，冷却水量也会出现较大波动，这时，蒸发急冷塔内的烟气流场和温度场会发生变化，易出现挂壁、湿壁或湿底等现象。

除此之外，设计蒸发急冷塔时还需要考虑以下几点内容：

（1）高温烟气进入蒸发急冷塔烟道的形状：最好有5倍直径的直管段烟道，以改善进入蒸发急冷塔的高温烟气的流场分布，使其与雾化后的冷却水雾充分混合，且对蒸发急冷塔不湿壁，也不湿底。

（2）蒸发急冷塔内部浇注料的选材要求：耐高温，耐酸碱，耐冲刷。

（3）蒸发急冷塔内部浇注料的磨损情况：由于高温烟气与超音速雾化喷枪喷出的水雾撞击混合，塔内气流扰动，高速混合烟气会冲刷塔内的浇注料表面，长久会导致塔内部局部浇注料层减薄，加快该处塔壳体的腐蚀速率。

（4）蒸发急冷塔外壳保温：鉴于蒸发急冷塔壳体温度低于酸露点温度而将对壳体产生酸冷凝腐蚀的情况，需对塔外壳做保温，使外壳温度始终高于酸露点腐蚀温度。

3 蒸发急冷塔设计时的CFD数值模拟分析

影响蒸发急冷塔湿壁腐蚀穿孔的因素众多，且相互联系、相互影响。为了确保蒸发急冷塔在焚烧系统中可长期稳定地运行，需要在设计阶段进行充分考虑。不仅如此，还需要对蒸发急冷塔实际工况进行CFD模拟，视塔内烟气流向，分析喷雾液滴和烟气相互作用的蒸发降温过程，跟踪液滴的运动轨迹，设计喷枪布置方案，降低塔壁积灰、腐蚀的风险，以实现对提出的喷枪布置方案的工程预测。图2~图6是对国内某企业新建的废液焚烧炉系统中蒸发急冷塔的工况模拟情况（选用5支FM5A-20的雾化喷枪）。

图2为蒸发急冷塔设计条件：高温烟气由废液焚烧炉直接进入急冷塔，由双流体喷枪喷出的雾化水对其进行急冷，要求将烟气温度从1200℃降为200℃。

图3为塔内的烟气流场分布。通过CFD数值分析可知，120%负荷工况下蒸发急冷塔塔内仅有烟气的单一气相基础流场。塔内存在回流区，且回流区位于塔的上部，靠近烟气入口侧。

图4为塔内烟气和喷雾温度分布情况：蒸发急冷塔基础流场处于120%负荷工况，喷雾系统处于工作状态。可以看出，由于烟气混合的作用，蒸发急冷塔内的回流区位置发生了逆转，主要位于塔主体的中下部，靠近烟气入口对侧。另外，还可以看出蒸发冷出口温度为473.9 K（200.8℃），液滴100%完全蒸发，且出口温度分布均匀。

图2 蒸发急冷塔设计条件

图3 塔内仅烟气流场分布

图4 塔内烟气和喷雾温度分布

图5 喷雾液滴轨迹跟踪

图5为喷雾液滴轨迹跟踪。在蒸发急冷塔基础流场处于120%负荷工况，喷雾系统处于工作状态时，对喷雾液滴轨迹的跟踪数值分析结果显示，在当前的雾化喷枪布置方案下，大部分液滴从塔的中央流过，并在塔的直段内完成蒸发。另外，因为雾化喷枪的间距角比较小，喷雾羽流比较集中，会导致局部蒸发速度稍慢。

图6为喷雾撞壁风险分析。在蒸发急冷塔基础流场处于120%负荷工况，喷雾系统处于工作状态时，喷雾撞壁风险的分析结果显示：（1）在当前雾化喷枪的布置方案下，塔壁上会有零星几个点因为喷雾的飞溅而产生暂时性沾湿，喷雾撞壁的极大值为0.0024 kg/m3，整体可以实现完全蒸发。（2）考虑到目前的分析是基于120%的极限工况进行的，在常规（100%）工况下，可以认为目前的喷枪布置方案是安全妥当的。（3）喷枪在长期工作后可能因为发生堵塞或者磨损，使得雾化性能变差，从而出现壁面沾湿现象，造成壁面腐蚀，为了避免这种情况，可以加强对塔体上半部分的防腐处理。

图6 喷雾撞壁风险分析

4 蒸发急冷塔湿壁腐蚀穿孔的解决方案

对于蒸发急冷塔外壁出现的湿壁腐蚀穿孔现象，需要在焚烧系统停车或大修期间对有湿壁腐蚀穿孔的区域进行修补，具体方案如下：

（1）拆掉蒸发急冷塔外保温，仔细检查塔体外壳，标记穿孔位置。

（2）测量蒸发急冷塔外壳壁厚。根据腐蚀穿孔的位置，沿着蒸发急冷塔轴向，多取不同高度的截面测量壁厚，每个截面沿着塔体径向取8～12个点测量并记录壁厚值。

（3）对测量的壁厚值进行分析，判断出蒸发急冷塔外壳腐蚀区域的大小及需要维修的区域。

（4）检测蒸发急冷塔内部浇注料，清除挂壁，并将外壳腐蚀穿孔区的浇注料敲掉。

（5）切割蒸发急冷塔外壳上的腐蚀穿孔区域，更换并焊接新的壳体钢板。

（6）给新换的壳体钢板内部焊接锚固钉，重做浇注料，然后完成烘炉。

5 结语

通过对蒸发急冷塔的用途说明，详细分析了影响蒸发急冷塔湿壁腐蚀的各个因素，并提供了出现湿壁腐蚀穿孔时的解决方案，以及设计时的CFD数值模拟结果分析。蒸发急冷塔作为一种喷雾急冷设备，可大大减少二噁英的生成。其长久稳定运行，离不开日常科学合理的运营管理和维护。伴随着废液或固废焚烧处理技术的快速发展，蒸发急冷塔将会有更加广阔的应用空间。