帶托盤噴淋塔的輔助除塵性能研究

梁晏萱，成 丹（.華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶4083；.重慶遠(yuǎn)達(dá)催化劑制造有限公司，重慶40）

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帶托盤噴淋塔的輔助除塵性能研究

梁晏萱1，成 丹2
（1.華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶402283；2.重慶遠(yuǎn)達(dá)催化劑制造有限公司，重慶401122）

摘 要：采用網(wǎng)格布點(diǎn)進(jìn)行采樣，對(duì)某電廠600 MW燃煤機(jī)組脫硫裝置前后的煙塵顆粒物使用稱重法測(cè)試，獲得了煙塵顆粒物的質(zhì)量濃度及其變化趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)帶托盤噴淋塔前后煙塵顆粒物的分析，研究了吸收塔的除塵機(jī)理，找出了影響煙氣脫硫（FGD）除塵性能的主要因素，為煙氣脫硫工程設(shè)計(jì)、火電機(jī)組除塵改造提供參考。

關(guān)鍵詞：石灰石－石膏濕法煙氣脫硫；帶托盤噴淋塔；輔助除塵性能；影響因素

目前，火電廠發(fā)電量仍然占我國(guó)電力需求的80%以上。煤炭燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體顆粒物，火電廠一般采用電除塵器去除這些顆粒物?？梢哉f，電除塵器是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)我國(guó)煙塵治理的主要手段。通常，電除塵器可以去除超過99%的煙塵，而剩余的煙塵將通過煙氣脫硫裝置，最后進(jìn)入煙囪排入大氣。2014年7月1日正式實(shí)施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223 －2011），對(duì)火電機(jī)組煙塵排放提出了更高要求。

煙氣脫硫裝置安裝在鍋爐電除塵器后，主要作用是脫除煙氣中的SO2、SO3等，其中，石灰石－石膏濕法脫硫應(yīng)用最為廣泛，而噴淋塔是濕法脫硫中主要采取的吸收塔技術(shù)［1］。脫硫噴淋塔由于采用漿液霧化洗滌的方式進(jìn)行氣液兩相接觸，不但具有良好的脫硫效果，而且可以去除大部分煙氣中的固體顆粒物［2］，但吸收塔本身也有部分漿液顆粒逃逸進(jìn)入煙氣排放。因此，脫硫吸收塔的除塵過程是洗滌煙氣中的粉塵、漿液逃逸進(jìn)入煙氣這兩種作用的綜合。上述研究表明，濕法脫硫裝置有助于凈化煙氣中的細(xì)顆粒物，但凈化效果、作用機(jī)制等方面還有待更廣泛和深入的研究。現(xiàn)針對(duì)具體的燃煤電廠脫硫噴淋塔進(jìn)行顆粒物的采樣和分析，以研究脫硫系統(tǒng)對(duì)煙氣中顆粒物的凈化效果，為今后利用脫硫系統(tǒng)脫除煙氣中的細(xì)顆粒提供技術(shù)參考。

1 研究對(duì)象及除塵機(jī)理分析

1.1帶托盤噴淋塔的基本結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為某電廠1臺(tái)600 MW亞臨界自然循環(huán)燃煤鍋爐。該鍋爐尾部煙道已裝有2臺(tái)雙室四電場(chǎng)靜電除塵裝置。煙氣脫硫系統(tǒng)采用石灰石－石膏濕法脫硫技術(shù)，吸收塔為帶托盤噴淋塔，并安裝了氣－氣換熱器裝置。脫硫系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，入爐煤工業(yè)與元素分析見表2，灰分分析見表3。

表1　濕法脫硫系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2帶托盤噴淋塔的除塵機(jī)理

噴淋塔是塔器中出現(xiàn)最早的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。在逆流噴淋塔中，煙氣從噴淋區(qū)下部進(jìn)入吸收塔，并向上運(yùn)動(dòng)。煙氣依次通過托盤層、噴淋層、除霧器。

1.2.1托盤層的除塵機(jī)理

托盤安裝于吸收塔下部，由于托盤內(nèi)存在一定的漿液量，煙氣穿越托盤時(shí)，氣液擾動(dòng)劇烈，托盤呈現(xiàn)出類似于“沸騰”的狀態(tài)。漿液對(duì)煙塵的洗滌捕集作用非常明顯。

表2　入爐煤工業(yè)及元素分析　%

表3　灰分分析　%

1.2.2噴淋層的除塵機(jī)理

石灰石漿液通過循環(huán)泵送至塔中布置在不同高度的噴淋層噴嘴，從噴嘴噴出的漿液霧形成分散的小液滴向下運(yùn)行，與煙氣逆流充分接觸，不僅對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行洗滌，同時(shí)氣流中的部分粉塵顆粒與液滴接觸而被捕集。

從噴淋塔的結(jié)構(gòu)來看，其除塵機(jī)理與濕法除塵設(shè)備中重力噴霧洗滌器相似。水與含塵氣流的接觸大致有水滴、水膜和氣泡3種方式。在噴淋塔內(nèi)，氣流中的粉塵主要靠液滴來捕集，捕集機(jī)理主要有重力、慣性碰撞、截留、布朗擴(kuò)散、靜電沉降、凝聚和沉降等［3］。煙氣中塵粒細(xì)微，因無外界電場(chǎng)的作用，故可忽略重力和靜電沉降，僅分析慣性碰撞、截留和布朗擴(kuò)散3種機(jī)理的作用，如圖1所示。

圖1　噴淋塔除塵機(jī)理示意圖

1）慣性碰撞。當(dāng)含較大塵粒的氣流在運(yùn)動(dòng)過程中遇到液滴時(shí)，自身的慣性作用使得其不能沿流線繞過液滴，仍保持其原方向運(yùn)行而碰撞到液滴，從而被液滴捕集（如圖1中的塵粒1所示）。對(duì)慣性捕集起決定作用的是塵粒的質(zhì)量。

2）截留。當(dāng)塵粒隨著氣流沿氣體流線直接向液滴運(yùn)行時(shí)，由于氣流流線離液滴表面的距離在d／2范圍以內(nèi)，則該塵粒與液滴接觸并被捕集（如圖1中的塵粒2所示）。對(duì)截留捕塵起作用的是塵粒的大小，而不是慣性，并且與氣流速度無關(guān)。

3）布朗擴(kuò)散。當(dāng)細(xì)微塵粒受氣流的夾帶作用圍繞液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于布朗擴(kuò)散作用而沉積在液滴上（如圖1中的塵粒3所示）。塵粒越小，布朗擴(kuò)散越強(qiáng)烈，在分析d小于2 μm的塵粒沉積時(shí)，通常要考慮這種機(jī)理。

1.3除霧器對(duì)霧滴的去除

如圖2所示，除霧器是一種物理性分離裝置，當(dāng)煙氣垂直流經(jīng)除霧器葉片，霧滴與葉片壁面不停地碰撞，失去速度的霧滴從煙氣中分離并滯留在葉片上，匯集后滴落下來。除霧器必須工作在臨界煙氣流速以下，否則會(huì)產(chǎn)生霧滴攜帶而失去效果。除霧器主要有板式除霧器、屋脊式除霧器、管式除霧器、煙道除霧器等類型。不同類型的除霧器可以適應(yīng)不同的煙氣流速，具有不同的除霧能力。目前，脫硫系統(tǒng)多采用多級(jí)除霧器布置，如“管式除霧器＋屋脊式除霧器＋平板式煙道除霧器”聯(lián)合使用，除霧效果超過99.9%，最終出口霧滴質(zhì)量濃度可降低至30 mg·Nm－3以下。

圖2　除霧器截面示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

采樣工作于2013年12月進(jìn)行，采樣點(diǎn)分別選在鍋爐電除塵器和脫硫吸收塔出口水平煙道。在測(cè)量斷面內(nèi)，按等面積原則進(jìn)行網(wǎng)格布點(diǎn)。采用平行管法等速移動(dòng)采集煙塵樣品，每點(diǎn)采樣時(shí)間長(zhǎng)于2 min，每個(gè)工況點(diǎn)采樣3次。

采樣后的濾筒放入105℃烘箱中烤1 h，取出置于干燥器中，冷卻至室溫，用感量0.1 mg的天平稱量至恒重。采樣前后濾筒質(zhì)量之差，即為采取的煙塵顆粒物量。單次采樣煙塵質(zhì)量濃度計(jì)算公式為式中：Ci為煙塵質(zhì)量濃度，mg·Ndm－3；Δωi為煙塵采集量，mg；qi為采樣時(shí)的抽氣體積，Ndm3。

由式（1）可得

式中：g為煙塵通過速率，kg／h；Q為煙氣流量，Ndm3·h－1；C為煙塵質(zhì)量濃度，mg·Ndm－3。

采集的煙塵顆粒物樣品稱重保存后，使用掃描電鏡－能譜分析儀進(jìn)行形貌分析和元素含量檢測(cè)。

煙塵通過速率的計(jì)算公式為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1帶托盤噴淋塔對(duì)總煙塵顆粒物的脫除作用

在機(jī)組額定負(fù)荷下，電除塵器電場(chǎng)在全投、停運(yùn)1個(gè)電場(chǎng)、停運(yùn)2個(gè)電場(chǎng)的情況下，分別測(cè)試脫硫裝置除塵能力。

如前文所述，脫硫吸收塔的除塵過程是洗滌煙氣中的粉塵、漿液逃逸進(jìn)入煙氣這兩種作用的綜合。為便于表述，筆者提出一個(gè)綜合脫除效率的概念，其計(jì)算公式為

式中：η為綜合除塵效率；C1為噴淋塔入口粉塵質(zhì)量濃度；C2為噴淋塔出口粉塵質(zhì)量濃度。

由表4可以看出，帶托盤噴淋塔對(duì)于煙塵顆粒物具有一定的脫除作用，平均脫除效率約為47.6%；當(dāng)入口粉塵濃度達(dá)到265 mg·Nm－3以上時(shí)，粉塵的綜合脫除效率大幅提高，達(dá)到74.9%。

表4　帶托盤噴淋塔前后煙塵顆粒物質(zhì)量濃度與綜合脫除效率

3.2煙塵顆粒物的元素成分分析

為了確定帶托盤噴淋塔進(jìn)出口煙塵顆粒物的物質(zhì)組成，分別對(duì)進(jìn)出口煙塵抽樣進(jìn)行元素分析。

由表5可知，在脫硫噴淋塔入口煙塵的主要元素成分是O（28.85%）、Si（23.36%）、Al（18.17%）、Fe（15.02%）、S（4.62%）、Ca（4.28%），其中Si、Al、Fe合計(jì)占煙塵總量的56.55%，S與Ca合計(jì)占煙塵總量的8.9%。而脫硫噴淋塔后煙塵主要元素成分是O （31.08%）、Ca（30.75%）、S（28.96%）、Si（4.31%）、Al（1.72%）、Fe（0.58%）。噴淋塔出口煙塵中Si、Al、Fe合計(jì)占煙塵總量的6.61%，S與Ca合計(jì)占煙塵總量的59.71%；噴淋塔入口煙塵中的Si、Al、Fe分別減少了81.6%，90.5%，96.1%，而S與Ca合計(jì)增加了6.7倍。

3.3帶托盤噴淋塔的除塵效果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，帶托盤噴淋塔對(duì)煙塵具有一定的去除效果，其綜合除塵率介于28.1%～74.9%，并且隨著入口煙塵濃度的降低而逐漸下降。根據(jù)帶托盤吸收塔進(jìn)出口的煙塵顆粒物元素分析，噴淋塔入口煙塵中的主要成分（Si、Al、Fe）被去除超過90%，但同時(shí)Ca與S成分合計(jì)增加了6.7倍。脫硫噴淋嗒進(jìn)出口煙塵顆粒物化學(xué)元素變化如圖3所示。

由此可見，帶托盤噴淋塔對(duì)煙塵的作用有兩方面，一方面是托盤層和噴淋層對(duì)煙塵的捕集去除；另一方面是噴淋液滴被煙氣攜帶，并從除霧器中逃逸，從而進(jìn)入煙囪排放。噴淋液滴一般具有20%～30%的含固量，其主要成分為石灰石和石膏。

4 影響帶托盤噴淋塔除塵效果的主要因素

根據(jù)前文分析，帶托盤噴淋塔對(duì)煙塵既有洗滌去除作用，又有增加攜帶量的影響，那么，影響其綜合除塵效果的主要因素有以下幾點(diǎn)。

1）噴淋塔設(shè)計(jì)選取的液氣比。液氣比是影響脫硫效率的重要參數(shù)，也對(duì)除塵能力有著極大影響。液氣比越大，噴淋塔對(duì)煙塵顆粒物的去除效果越好。

2）噴淋層的霧化性能。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)漿液霧化粒徑為2 200 μm時(shí)，噴淋層捕集除塵效率約74%；當(dāng)漿液霧化粒徑減小到1 400 μm時(shí)，噴淋層捕集除塵效率提高至81%。

3）噴淋塔內(nèi)煙氣流速。煙氣流速越大，噴淋層捕集煙塵顆粒能力越強(qiáng)，但是流速過大又會(huì)影響除霧器性能，導(dǎo)致霧滴的二次攜帶。合理的空塔煙氣流速應(yīng)該介于2～3.8 m·s－1。

圖3　脫硫噴淋塔進(jìn)出口煙塵顆粒物化學(xué)元素變化圖

4）除霧器性能。在煙氣流速一定的情況下，除霧器性能決定了凈煙氣中的霧滴攜帶量。由于液滴一般具有20%～30%的含固量，因此除霧器性能直接影響最終排放的煙塵質(zhì)量濃度。從國(guó)內(nèi)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，屋脊式除霧器對(duì)煙氣流速適應(yīng)范圍更廣；通過管式除霧器、屋脊式除霧器、平板式除霧器的聯(lián)合作用，可以最大程度地提高除霧器的整體性能。

5 結(jié)論

1）帶托盤噴淋塔對(duì)煙塵具有一定的去除效果，其綜合除塵率介于28.1%～74.9%。

2）帶托盤噴淋塔對(duì)煙塵顆粒物的洗滌去除效果較好，入口煙塵中的主要成分（Si、Al、Fe）去除率超過90%。

3）帶托盤噴淋塔出口煙塵顆粒物中的主要成分為石灰石和石膏，其中，Ca與S成分合計(jì)增加了6.7倍，證明除霧器性能是制約帶托盤噴淋塔（本實(shí)驗(yàn)對(duì)象）除塵性能的關(guān)鍵。

4）當(dāng)前，隨著《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223－2011）的實(shí)施，火電機(jī)組超低排放改造不斷深入，脫硫系統(tǒng)作為火電機(jī)組煙氣處理的最后一道工序，具有非常關(guān)鍵的作用。在機(jī)組新建或改造中，設(shè)計(jì)和安裝具備優(yōu)秀除霧能力的脫硫吸收塔是實(shí)現(xiàn)機(jī)組粉塵排放達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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A Study on the Auxiliary Dust-Removal Performance of the Spray Tower with a Pallet

LIANG Yan-xuan1，CHENG Dan2
（1.Chongqing Luohuang Power Generation Co.，Ltd.of CHNG，Chongqing 402283，P.R.China；2.Chongqing Yuanda Catalyst Manufacturing Co.，Ltd.，Chongqing 401122，P.R.China）

Abstract：By means of the sampling based on the grid point distribution，this article introduces the measurement of the particulate matters（before and after the sampling）of the smoke of the limestone-gypsum wet spray tower with a pallet of the 600MW coal-fired unit of a power plant as well as the mass concentration and changing trend of the particulate matters.Based on the analyses of them（before and after the sampling），it studies the dust-removal mech-anism of the absorption tower and discovers the factors influencing the dust-removal performance of the FGD，which can provide reference for relevant designs of FGD projects and dust-removal renovations of thermal power units.

Key words：limestone-gypsum wet FGD；spry tower with a pallet；auxiliary dust-removal performance；influencing fac-tor

作者簡(jiǎn)介：梁晏萱（1981－），工程師，主要從事火電廠脫硫設(shè)施運(yùn)行和維護(hù)的技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015－05－04

中圖分類號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-8032（2016）01-0051-05