本实用新型属于环保设备领域，具体涉及一种紧凑型急冷塔，可用于烟气净化系统。
背景技术：
在众多燃烧和焚烧设备中，燃料中所含的氯，尤其是有机氯，会部分转化为二噁英和呋喃前体。在烟道中存在富余氧气、未燃尽碳和过渡金属催化剂的条件下，部分含氯前体会生成二噁英和呋喃，造成严重的健康和环境危害。这一转化过程是反应动力学控制的，在200-600℃温度区间内最为显著。
鉴于烟道中温度场的连续性，为有效抑制二噁英和呋喃类物质的生成，必须在尽可能短的停留时间内（通常的工程上限是1秒），将烟气温度从600℃迅速冷却至200℃左右。鉴于间壁式对流换热难以达到这一要求，因此，需要一种使烟气快速降温的急冷塔设备，一般使用液体作为急冷介质直接雾化喷入气流完成蒸发和混合的方式来达成这一目标。
急冷塔的工作原理如下：在气流停留时间小于1秒的条件下，保证液滴完全蒸发，最大程度地吸收蒸发热并减少液滴被夹带出急冷塔。为确保液滴充分蒸发，可以采用三个机理：
（1）机理i：对液滴进行雾化，增加单位质量冷却液的表面积；
（2）机理ii：强化气流与液滴之间的传热传质；
（3）机理iii：在不增加气流在急冷塔内停留时间的前提下，延长液滴在急冷塔内的停留时间。
在现有技术中，急冷塔的设计仅仅采用其中一种机理，例如：以加长急冷塔本体长度来提供额外的液滴蒸发时间，防止未完全蒸发的液滴被夹带进入下游的设备，如除尘设备，导致设备堵塞和腐蚀；对液滴进行雾化，增加液滴的表面积；进一步地，设计雾化射流与气流以接近正交的流体动力构型进行接触，使雾化射流与烟气之间能在较长的液滴飞行时间内保持较大的相对速度，从而强化传热传质。
目前，中国专利公开号cn109340804a中公开了一种双流体喷雾系统的急冷塔，由进气组件、冷却塔组件、喷雾组件和回路控制组件构成，烟气通过所述进气组件进入所述冷却塔组件，所述回路控制组件与所述冷却塔组件固定连接，并位于所述冷却塔组件的右侧，所述喷雾组件从所述冷却塔组件的左侧外壁贯穿至所述冷却塔组件的内壁，所述喷雾组件是由冷水罐、喷淋泵、冷水管、压缩空气喷管和喷头构成，所述冷水罐内灌装有冷水，并与所述冷却塔组件的侧壁固定连接，所述冷水罐经喷淋泵做功，将冷水通过所述冷水管喷至喷头内，同时，压缩空气喷管里的空气也喷入所述喷头内，压缩空气与冷水经过相互多次冲击雾化，被雾化的液滴与进气组件喷入的高温烟气充分换热，在短时间内迅速蒸发，带走热量，使得烟气温度在0.9s被降至200摄氏度以下。但是，上述专利公开的急冷塔，由于雾化喷头喷出的水雾延伸扩张，喷出的水雾在接触到塔体的内壁后，会导致内壁腐蚀或耐火材料脱落，严重损耗急冷塔的寿命，同时，喷雾组件仅仅设于塔体的单侧外壁，因雾化射流不对称且不能有效覆盖整个流通截面，部分高温烟气未能得到有效冷却，不利于高温烟气的急速冷却，且会导致温度场不均。
技术实现要素：
本实用新型的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种紧凑型急冷塔，通过设置拦截构件，使雾化的液滴与高温烟气进行更充分的接触，可以将烟气温度从600℃左右迅速冷却至200℃以下，有效防止二噁英合成、提高降温效率，同时，显著缩小急冷设备的体积和设备投资。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种紧凑型急冷塔，它包括塔体，该塔体自上而下依次包括入口段、主蒸发段、拦截段和出口段；入口段的上部设有烟气入口；主蒸发段设有喷雾装置和护板，喷雾装置包括喷嘴，喷嘴设于主蒸发段的内部，护板设于喷雾装置下方的主蒸发段的内壁上；拦截段设有多个拦截构件，拦截构件在拦截段的内部错列布置，拦截构件通流最小截面处的截面开通比为0.38-0.48；出口段设有烟气出口和排灰口，烟气出口设于出口段的内壁上，排灰口设于出口段的底部，出口段的内部设有用于分离烟气中的固体颗粒的挡板。
本实用新型可以采用现有技术中任何一种拦截构件，例如，角钢、槽钢、半管钢或拱形钢。拦截构件通过固定装置设于拦截段的内部。在拦截构件的迎风表面上，液滴飞溅达成二次雾化或迅速延展为液膜并蒸发，可以强化高温烟气与液滴之间的传热传质效率。
本实用新型提及的拦截构件通流最小截面处的截面开通比的定义为：急冷塔拦截段内某一水平截面中，允许气流通过的通流截面积与该处空截面积之比。拦截构件通流最小截面处的截面开通比一般小于0.5，是由于上下两排拦截构件的垂直投影必须有一部分重叠，才能保证拦截效果。截面开通比太大则拦截效果不好；截面开通比太小则阻力增大。在一种优选方案中，截面开通比为0.40-0.46。
现有技术中，当高温烟气由烟气入口进入急冷塔，与喷雾装置喷射的液滴接触后，会喷向急冷塔的内壁，在急冷塔的内壁形成结焦，导致相对热交换面积减少，降温速率下降，无法有效防止二噁英的合成，本实用新型在喷雾装置的下方设置护板，将急冷塔金属壳体的结构强度功能和抗腐蚀功能分开，采用可以消减应力的固定方式，解决急冷塔的内壁的结焦现象，提高降温速率，同时避免烟气、冷却介质与急冷塔塔体的内壁接触，从而避免腐蚀保证使用寿命。在一种优选方案中，护板与设置在主蒸发段的内壁上的固定架固定连接，护板与主蒸发段的内壁的距离为10-30mm。
本实用新型在出口段的内部设有用于分离烟气中的固体颗粒的挡板，在一种优选方案中，挡板固定于烟气出口周围的出口段的内壁上，上述提及的挡板与出口段的内壁构成竖直向下的烟气通道，该烟气通道在塔体底部转折向上与烟气出口连通。当冷却后的烟气与挡板接触后，在惯性的作用下可以分离出烟气中的固体颗粒，由排灰口排出，而冷却的烟气经烟气出口流出急冷塔。
高温烟气的冷却效果取决于烟气与冷却介质之间的传热传质速率。传热传质速率取决于高温烟气与雾化后的液滴之间的接触方式和相对速度，相对速度不仅与气流和雾化后的液滴的速度的绝对值有关，也与二者运动的方向和夹角有关。气流和液滴相向移动时，二者的相对速度最大，因而传热传质条件也最好，但由于气流阻力（曳力），蒸发中的液滴运动方向会逐渐与气流趋同并最终跟随气流移动。本实用新型在急冷塔的拦截段中设置拦截构件，可以对在主蒸发段未能完全蒸发的液滴直接拦截捕获在拦截构件表面，不仅增加了气液相对速度，而且将传热模式从气流与悬浮液滴之间的气液传热传质转化为被拦截液滴与拦截构件之间的传热和气液传热传质的复合传热模式，因此能强化传热传质。经计算表明，当液滴直径小于0.05mm时，即便在最保守的情况下，液滴与拦截构件之间的总传热速率也能稳定地超过悬浮液滴与气流之间的传热速率，因而有利于液滴蒸发，提高烟气的冷却效率，使高温烟气的温度迅速冷却至200℃以下。
本实用新型在塔体的主蒸发段设有喷雾装置，包括喷嘴、进水管和压缩空气进入管，进水管的进入口与塔体外的水泵连通，进水管的流出口从主蒸发段的外壁贯穿至主蒸发段的内壁，进水管和压缩空气进入管可以平行设置，喷嘴的进入口与进水管和压缩空气进入管固定连接，喷嘴的流出口位于烟气入口的下方。
在一种优选方案中，进水管和压缩空气进入管为不锈钢材质，具有耐高温，高强度的效果，以及具有良好的经济性。
液体的蒸发过程由传热传质速率控制。为了使急冷介质迅速蒸发，可以将液滴的比表面积最大化，并同时提供优良的传热传质条件。雾化是达成这一目的的有效手段。在急冷塔中，通过水泵将冷水输送至喷嘴内，同时压缩空气进入管中的空气也进入喷嘴内，压缩空气与冷水经过多次相互冲击雾化，被雾化的液滴与烟气入口喷入的高温烟气充分换热，在短时间内迅速蒸发，带走热量。
在一种优选方案中，上述提及的喷嘴为双流体喷嘴，使雾化后的液滴颗粒细小均匀，雾化水雾覆盖面积大，有利于高温烟气与雾化后的液滴充分接触，从而提高冷却效率。
本实用新型提供的急冷塔，因为设有拦截段，可以根据塔体内径的大小，灵活选择喷射液滴的方向，喷嘴可以竖直向下，或沿着水平方向或朝向护板喷射雾化后的液滴。也就是说，可以与高温烟气喷入方向一致，垂直向下喷入雾化后的液滴；也可以沿着水平方向喷入雾化后的液滴，与高温烟气喷入方向正交，还可以朝向护板喷射雾化后的液滴。无论采用哪一种方向喷射液滴，都可以将烟气温度从600℃左右迅速冷却至200℃以下，有效防止二噁英合成。
在一种优选方案中，上述提及的喷雾装置的数量至少为两个，且所述喷雾装置的喷嘴绕塔体的竖直轴线等角或对称分布。在急冷塔工作过程中，可以根据需要，选择其中一个喷雾装置喷射雾化后的液滴，其他喷雾装置作为备用，当工作状态的喷雾装置出现故障后才择一启动。也可以同时使用，使雾化后的液滴可以与高温烟气有更加充分的热交换，以此保证高效冷却。
在一种更优选方案中，上述提及的喷雾装置多层对称分布在塔体的外壁上。
本实用新型提供的紧凑型急冷塔，还包括流量控制装置，流量控制装置包括流量计、温度传感器和控制阀，温度传感器设于烟气出口的下方，且与控制阀电性连接；流量计与流量控制阀电性连接，且控制进水管和压缩空气进入管的流体流量。
在紧凑型急冷塔中，通过温度传感器，检测出排出烟气的温度，将数值传输给控制阀，控制阀再将执行动作传输给流量计，控制冷水和压缩空气的流量，雾化后的液滴可以与高温烟气有更加充分的热交换，以达到控制冷却效率的效果。
本实用新型的有益效果有：
本实用新型提供一种紧凑型急冷塔，通过设置拦截构件和护板，使雾化的液滴与高温烟气进行更充分的接触，避免烟气、冷却介质与急冷塔塔体的内壁接触，保证使用寿命，同时，可以对在主蒸发段未能完全蒸发的液滴直接拦截捕获在拦截构件表面，增加了气液相对速度，当液滴直径小于0.05mm时，可以将传热机理从气流与悬浮液滴之间的气液传热传质转化为被拦截液滴与拦截构件之间的传热和气液传热传质的复合传热模式，进一步强化了高温烟气与冷却介质之间的传热传质效率，可以在1秒内将烟气温度从600℃左右迅速冷却至200℃以下，有效防止二噁英合成、提高降温效率，显著缩小急冷设备的体积和设备投资。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的另一种结构示意图；
图中，1是入口段；2是主蒸发段；3是拦截段；4是出口段；5是烟气入口；6是烟气出口；7是喷嘴；8是护板；9是固定架；10是拦截构件；11是挡板；12是排灰口；13是进水管；14是压缩空气进入管；15是流量计；16是温度传感器；17是控制阀；
图3比较了不同传热模式下，热流密度随液滴直径的变化，其中带空圆圈的曲线为气流与悬浮液滴之间的传热模式，带实方块的曲线为液滴与拦截构件金属表面和气流间的复合传热模式。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步地说明：
如图1和图2所示，本实用新型，它包括塔体，该塔体自上而下依次包括入口段1、主蒸发段2、拦截段3和出口段4，入口段1的上部设有烟气入口5，主蒸发段2设有喷雾装置和护板8，喷雾装置包括喷嘴7，喷嘴7设于主蒸发段2的内部，护板8设于喷雾装置下方的主蒸发段2的内壁上，拦截段3设有多个拦截构件10，拦截构件10在拦截段3的内部错列分布，拦截构件10通流最小截面处的截面开通比为0.38-0.48；出口段4设有烟气出口6和排灰口13，烟气出口6设于出口段4的内壁上，排灰口12设于出口段4的底部，出口段4的内部设有用于分离烟气中的固体颗粒的挡板11。
由图1和图2可知，护板8与设置在主蒸发段2的内壁上的固定架9固定连接。拦截构件10为角钢，交叉分布在拦截段3内部，可以对未雾化的悬浮液滴进行拦截，增加了气液相对速度，可以强化传热传质，同时，可以将传热机理从气流与悬浮液滴之间的气液传热传质转化为被拦截液滴与拦截构件之间的传热和气液传热传质的复合传热模式，进一步强化了高温烟气与悬浮液滴之间的传热传质效率，以提高烟气的冷却效率，使高温烟气的温度迅速冷却至200℃以下。挡板11固定于烟气出口6周围的出口段4的内壁上，挡板11与出口段4的内壁构成竖直向下的烟气通道，该烟气通道在塔体底部转折向上与烟气出口6连通。当冷却后的烟气与挡板11接触后，在惯性的作用下可以分离出烟气中的固体颗粒，由排灰口12排出急冷塔，而冷却的烟气经烟气出口6流出急冷塔。
在图1和图2中，在塔体的主蒸发段2设有2个喷雾装置，且所述喷雾装置的喷嘴绕塔体的竖直轴线对称分布。上述喷雾装置，包括喷嘴7、进水管13和压缩空气进入管14，进水管13的进入口与塔体外的水泵连通，进水管13的流出口从主蒸发段2的外壁贯穿至主蒸发段2的内壁，进水管13和压缩空气进入管14平行设置，喷嘴7的进入口与进水管13和压缩空气进入管14固定连接，喷嘴7的流出口位于烟气入口5的下方。
优选地，进水管13和压缩空气进入管14为不锈钢材质，具有耐高温，高强度的效果，以及具有良好的经济性。
进一步的，喷嘴7为双流体喷嘴，使雾化后的液滴颗粒细小均匀，雾化水雾覆盖面积大，有利于高温烟气与雾化后的液滴充分接触，从而提高冷却效率。
根据需要，可以设置多个喷雾装置，多层对称分布在塔体的外壁上。
在图1和图2中，本实用新型提供的紧凑型急冷塔，还包括流量控制装置，流量控制装置包括流量计15、温度传感器16和控制阀17，温度传感器16设于烟气出口6的下方，且与控制阀17电性连接；流量计15与流量控制阀17电性连接，且控制进水管13和压缩空气进入管14的流体流量。通过温度传感器16，检测出排出烟气的温度，将数值传输给控制阀17，控制阀17再将执行动作传输给流量计15，控制冷水和压缩空气的流量，雾化后的液滴可以与高温烟气有更加充分的热交换，以达到控制冷却效率的效果。
在图1中，喷嘴7水平方向喷入雾化后的液滴，与高温烟气喷入方向正交。在图2中，喷嘴7垂直向下喷入雾化后的液滴，与高温烟气喷入方向一致。
采用错列布置的拦截构件10，把在主蒸发段未能完全蒸发的液滴直接拦截捕获在拦截构件10的表面，将传热模式从悬浮液滴与气流之间的对流换热改变为液滴与拦截构件10固体表面和气流之间的复合传热。如图3所示，当液滴直径小于0.05mm时，这种复合传热模式即便在最差的膜态蒸发状态下，也比悬浮液滴的传热速率更快，因而能显著强化传热；与此同时，被拦截的液滴在急冷塔内的停留时间大大延长，可以降低未完全蒸发的液滴被夹带出急冷塔的概率。
本实用新型的使用过程如下：
600℃左右的高温烟气由烟气入口竖直向下喷射至塔体内，通过水泵将冷水输送至喷嘴内，同时压缩空气进入管中的空气也进入喷嘴内，压缩空气与冷水经过多次相互冲击雾化，被雾化的液滴与烟气入口喷入的高温烟气充分换热，带走热量，待被雾化的液滴与高温烟气进入急冷塔的拦截段中与拦截构件接触时，可以对未雾化的悬浮液滴进行拦截，在不增加气流停留时间的条件下延长了液滴的停留时间，同时增加了气液相对速度，进一步强化了高温烟气与悬浮液滴之间的传热传质效率，以提高烟气的冷却效率，当冷却后的烟气与挡板接触后，在惯性的作用下可以分离出烟气中的部分固体颗粒，由排灰口排出急冷塔，而冷却的烟气经烟气出口流出急冷塔，在1秒内将烟气温度从600℃左右迅速冷却至200℃以下，有效防止二噁英合成。在冷却的过程中，通过温度传感器，检测出排出烟气的温度，将数值传输给控制阀，控制阀再将执行动作传输给流量计，控制冷水和压缩空气的流量，雾化后的液滴可以与高温烟气有更加充分的热交换，以达到控制冷却效率的效果。在冷却的过程中，也可以根据需要，选择其中一个喷雾装置喷射雾化后的液滴，其他喷雾装置作为备用，当工作状态的喷雾装置出现故障后才择一启动。也可以同时使用，使雾化后的液滴可以与高温烟气有更加充分的热交换，以此保证高效冷却。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种紧凑型急冷塔，其特征是它包括塔体，所述塔体自上而下依次包括入口段（1）、主蒸发段（2）、拦截段（3）和出口段（4），所述入口段（1）的上部设有烟气入口（5），所述主蒸发段（2）设有喷雾装置和护板（8），所述喷雾装置包括喷嘴（7），所述喷嘴（7）设于所述主蒸发段（2）的内部，所述护板（8）设于所述喷雾装置下方的所述主蒸发段（2）的内壁上，所述拦截段（3）设有多个拦截构件（10），所述拦截构件（10）在所述拦截段（3）的内部错列布置，所述拦截构件（10）通流最小截面处的截面开通比为0.38-0.48；所述出口段（4）设有烟气出口（6）和排灰口（12），所述烟气出口（6）设于所述出口段（4）的内壁上，所述排灰口（12）设于所述出口段（4）的底部，所述出口段（4）的内部设有用于分离烟气中的固体颗粒的挡板（11）。
2.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述拦截构件（10）通流最小截面处的截面开通比为0.40-0.46；所述拦截构件（10）为角钢、槽钢、半管钢或拱形钢。
3.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述拦截构件（10）通过固定装置设于所述拦截段（3）的内部。
4.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述护板（8）与设置在所述主蒸发段（2）的内壁上的固定架（9）固定连接；所述护板（8）与所述主蒸发段（2）的内壁的距离为10-30mm。
5.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述挡板（11）固定于所述烟气出口（6）周围的所述出口段（4）的内壁上，所述挡板（11）与所述出口段（4）的内壁构成竖直向下的烟气通道，所述烟气通道在塔体底部转折向上与所述烟气出口（6）连通。
6.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述喷嘴（7）为双流体喷嘴，所述喷嘴（7）竖直向下、沿着水平方向或朝向护板（8）喷射雾化后的液滴。
7.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述喷雾装置包括喷嘴（7）、进水管（13）和压缩空气进入管（14），所述进水管（13）的进入口与塔体外的水泵连通，所述进水管（13）的流出口从所述主蒸发段（2）的外壁贯穿至所述主蒸发段（2）的内壁，所述喷嘴（7）的进入口与所述进水管（13）和所述压缩空气进入管（14）固定连接，所述喷嘴（7）的流出口位于烟气入口（5）的下方。
8.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述喷雾装置的数量至少为两个，且所述喷雾装置的喷嘴（7）绕塔体的竖直轴线等角或对称分布。
9.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是所述喷雾装置多层对称分布在塔体的外壁上。
10.根据权利要求1所述的紧凑型急冷塔，其特征是塔体包括流量控制装置，所述流量控制装置包括流量计（15）、温度传感器（16）和控制阀（17），所述温度传感器（16）设于烟气出口（6）的下方，且与控制阀（17）电性连接；所述流量计（15）与流量控制阀（17）电性连接，且控制进水管（13）和压缩空气进入管（14）的流体流量。
技术总结