燃煤脫硫塔除霧器出口煙氣漿液滴含量測定方法優(yōu)化

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(1.通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200;2.國家電投集團東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181)

0 引 言

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)是現(xiàn)有脫硫技術(shù)中工藝最成熟、運行最可靠、工程應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)，我國85%以上的電廠煙氣脫硫均采用該技術(shù)[1]。由于脫硫后的凈煙氣溫度低，煙氣排入大氣后溫度進一步降低，氣態(tài)水凝結(jié)成液態(tài)飽和水小液滴降落，小液滴中含有石膏漿液及固體顆粒(石膏雨)，石膏雨不僅對煙道及煙囪具有腐蝕性，對環(huán)境也會造成污染[2-5]，因此，控制石膏雨的形成是燃煤電廠急需重點解決的問題?！笆嘤辍敝械氖酀{液主要來源于脫硫吸收塔噴淋層噴嘴霧化后的細小液滴[6]，這些小液滴隨凈煙氣進入后續(xù)管道，因而必須在脫硫塔出口處安裝除霧設(shè)備。若除霧器設(shè)計不合理(除霧器除霧面積偏小、葉片間距過大、除霧器的極限流速選擇不合理等[7-8])，除霧效果無法滿足JB/T 10989—2010《濕法煙氣脫硫裝置專用設(shè)備除霧器》要求脫硫系統(tǒng)正常運行時，在除霧器第2級出口煙氣中霧滴攜帶量不能超過75 mg/m3(標況，干態(tài)，下同)，從而產(chǎn)生“石膏雨”現(xiàn)象。此外，漿液液滴中含有石膏等固體細顆粒物，占脫硫漿液含固量的20%～40%，且細顆粒物排放濃度隨脫硫凈煙氣中液滴夾帶量的增加而增加[9]。周道斌等[10]研究指出，通過漿液滴排放的顆粒物占總顆粒物排放比率的平均值為63.1%，通過脫硫系統(tǒng)漿液滴排放的顆粒物在超低排放中占比較大，為了滿足超低排放的要求，一般要求除霧器出口漿液滴含量不能超過35 mg/m3。為準確測量除霧器出口煙氣中漿液滴含量，本文研究了現(xiàn)有的漿液滴測量方法的優(yōu)缺點，以此為基礎(chǔ)，提出了一種新的漿液滴取樣測量方法，并進行對比試驗，以確定與國標法的差異，并將國標方法中的數(shù)據(jù)處理分析方法進行簡化。

1 漿液滴測量方法

漿液滴含量的測定包括現(xiàn)場采樣和實驗室分析計算2部分，GB/T 21508—2008《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測試方法》[11]中，除霧器出口煙氣漿液滴含量測定是利用安裝在除霧器出口的采樣裝置(圖1)對煙氣進行采樣，煙氣等速通過液滴捕集器，煙氣中大于一定粒徑(約3 μm)的液滴在重力和慣性力作用下附著在液滴捕集器的內(nèi)壁上，采樣結(jié)束后記錄采集的煙氣量，沖洗液滴捕集器內(nèi)部后稱重;待液滴捕集器充分干燥后再稱重，干燥前后的質(zhì)量差即為液滴中水的質(zhì)量(包括脫硫漿液滴的含水量和煙道中冷凝水滴的質(zhì)量)，但冷凝水滴中不含鎂離子，需測定液滴捕集器中的鎂離子含量，并根據(jù)脫硫塔漿液中的鎂離子含量，計算得到總液滴中脫硫漿液攜帶的水含量，根據(jù)脫硫塔漿液中固液比得到除霧器出口煙氣攜帶漿液滴的質(zhì)量濃度。國標法中，為實現(xiàn)等速煙氣采樣，將除霧器出口測量截面進行網(wǎng)格劃分，利用標準皮托管測量每個網(wǎng)格測試點的煙氣流速，得到煙道截面平均流速，以確定取樣速度。該方法屬于預(yù)測流速法，由于液滴取樣時間較長且除霧器出口煙道截面積大，煙氣流量波動大，所以預(yù)測流速方法無法真正實現(xiàn)等速測量。樊雄偉[12]利用等速煙塵采樣裝置，將國標中的液滴捕集器進行重新設(shè)計，使液滴捕集器入口截面與煙塵采樣槍入口截面相同，并將液滴捕集器接于煙塵采樣槍入口，從而實現(xiàn)漿液滴自動跟蹤煙氣流速等速采樣。

圖1 國標法液滴采樣系統(tǒng)示意Fig.1 Diagram of the standard droplet sampling system

潘光等[13]對國標取樣方法進行了修正，在煙道外煙氣捕集器后加設(shè)冷凝系統(tǒng)，并提出改進滴定液濃度的分析方法，與國標取樣分析方法相比，同一工況下凈煙氣的漿液液滴含量分別為12.87和10.16 mg/Nm3，相對誤差26.67%。可見，單獨采用國標方法測漿液滴含量，液滴捕集并不完全。此外，王琿等[14]研究表明，WFGD系統(tǒng)出口處干燥后的顆粒物中除去飛灰顆粒外，還包含約7.9%的石膏顆粒和47.5%的石灰石顆粒，其粒徑分布范圍為0.4～10 μm，且呈現(xiàn)雙峰性，峰值分別出現(xiàn)在0.9和2.5 μm處。按照漿液滴中含固體物50%估算，可得漿液滴的粒徑主要分布范圍為0.6～5.0 μm，峰值粒徑為1.13和3.15 μm，平均粒徑約為2 μm[15]。國標法測量漿液滴濃度時，只能捕集煙氣中粒徑大于3 μm的液滴，而漿液滴的平均粒徑為2 μm，說明國標液滴捕集法可能存在較大的逃逸率問題。

本文采用文獻[13]設(shè)計的液滴捕集系統(tǒng)進行漿液滴含量試驗，試驗機組為某熱電廠300 MW燃煤機組，漿液滴測量計算方法采用國標法，采樣結(jié)束后，分別測試液滴捕集器中和冷凝瓶中的漿液滴含量，2者之和為漿液滴總濃度，結(jié)果見表1，可見國標液滴捕集法對漿液滴的捕集不完全，液滴捕集器存在約50%逃逸率。

表1國標法漿液滴逃逸率
Table1Dropletescaperateofnationalstandardmethod

項目數(shù)值機組負荷/MW199液滴捕集器中鎂離子總質(zhì)量/mg0.077冷凝水中鎂離子總質(zhì)量/mg0.076 25漿液鎂離子濃度/(mg·L-1)9376%氧煙氣體積(干態(tài))/Nm3557.6液滴捕集器中鎂離子折算的漿液滴濃度/(mg·Nm-3)160.4冷凝水鎂離子折算的漿液滴濃度/(mg·Nm-3)158.9漿液滴總濃度/(mg·Nm-3)319.3逃逸率/%49.8

文獻[13]提出的改進漿液滴測量方法，雖能更準確測量漿液滴含量，但其采樣過程中采用預(yù)測流速法，無法實現(xiàn)漿液滴自動跟蹤煙氣流速等速采樣;另外漿液滴取樣時，因未進行管道保溫，除了需要沖洗稱重捕集器、冷凝管和冷凝瓶外，還需要沖洗稱重捕集器與冷凝管之間的連接管道，操作繁瑣，且易出現(xiàn)測量誤差。為此，本文提出一種新的漿液滴取樣測量方法:首先將捕集器與煙塵取樣裝置組合，實現(xiàn)漿液滴自動跟蹤煙氣流速等速采樣;將捕集器與冷凝管之間的管道進行保溫伴熱，使管道內(nèi)的溫度與煙道內(nèi)煙氣溫度保持一致，以避免管道的沖洗稱重，簡化采樣操作，減小測量誤差。

新的漿液滴取樣測量方法可將漿液滴全部收集起來，不存在漿液滴逃逸問題。本文對新的漿液滴取樣測量方法進行試驗，并與國標取樣法對比，確定國標取樣方法的逃逸率;并簡化國標中的數(shù)據(jù)處理分析方法。

2 試驗條件和方法

2.1 試驗條件

某熱電廠2×300 MW燃煤機組，其煙氣脫硫工藝采用濕法脫硫，在脫硫塔出口設(shè)置除霧器，在除霧器出口處的豎直管段上，采用本文提出的漿液滴取樣測量方法和國標取樣方法分別進行采樣和數(shù)據(jù)處理分析。

2.2 試驗方法

本文提出的漿液滴取樣方法的主要儀器有:WJ-60B煙塵采樣儀、取樣槍、蛇形冷凝管、循環(huán)冷凝泵、按國標定制的液滴捕集器。煙塵采樣儀包含溫度傳感器、含濕量傳感器、SO2吸收瓶和液滴分離瓶，取樣槍和液滴捕集器直接連接(圖2)。煙塵取樣槍和連接管以及取樣槍外面均設(shè)有加熱保溫，以保證管道內(nèi)與煙道內(nèi)溫度相同，避免煙氣中水蒸汽在管道上凝結(jié)。與文獻[13]所用采樣系統(tǒng)相比，本文提出的方法可實現(xiàn)自動跟蹤煙氣流速等速采樣，且僅需洗滌收集液滴捕集器、蛇形冷凝管和冷凝瓶中的液滴，減少了測量步序和測量誤差。

圖2 新型液滴采樣系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of a new droplet sampling system

液滴中鎂離子濃度采用ICP-AES(原子發(fā)射光譜法)測試儀，根據(jù)原子的特征發(fā)射光譜測定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 采樣及數(shù)據(jù)處理

煙氣經(jīng)漿液滴捕集器進行一、二級捕集后，在蛇形冷凝管進行三級捕集，最終液滴被捕集至液滴捕集器內(nèi)壁、蛇形冷凝管內(nèi)壁及冷凝瓶中。根據(jù)Mg2+示蹤法和質(zhì)量平衡原理，液滴含量分析步驟:

1)采樣前，用除鹽水沖洗捕集器，在105 ℃下干燥2 h，完全冷卻后置于干燥器中待用。

(1)

式中，Gy為捕集器、冷凝管和冷凝瓶采樣前、后的質(zhì)量差(采集液滴總質(zhì)量)，mg。

4)采樣中采集吸收塔漿液，測定Mg2+濃度。

5)將捕集器、冷凝管和冷凝瓶沖洗液用定容瓶定容后，體積為V1，測定Mg2+濃度為C1(mg/L),吸收塔漿液Mg2+濃度為C2(mg/L)，則

(2)

式中，Cw0為煙氣中水滴濃度，mg/m3(標態(tài)、干煙氣、6%O2);ρ為水的密度，取1 000 mg/L。

6)吸收塔中漿液含固量為Cx，則

(3)

式中，C為漿液滴濃度，mg/m3(標態(tài)、干煙氣、6%O2)。

可見，僅需確定采樣煙氣體積、沖洗液定容后的體積及其Mg2+質(zhì)量濃度、脫硫吸收塔漿液中Mg2+質(zhì)量濃度和吸收塔中漿液含固量，即可計算得到漿液滴濃度。而采用GB/T 21508—2008國標法進行漿液滴測量計算時，需采樣前、后捕集器的質(zhì)量，一般捕集器的質(zhì)量約為30 g，而采樣后捕集器中液滴質(zhì)量僅在0.1 g左右，易產(chǎn)生較大的測量誤差。因而采用式(3)計算得到漿液滴濃度，可避免因稱重引起的測量誤差。

采用國標法測量漿液滴濃度時，需預(yù)測煙氣流速，即需對測量截面進行網(wǎng)格劃分，用標準皮托管測定各點的煙氣流速，從而確定捕集器抽氣泵的抽氣速度。本文對此進行了改進，將捕集器與煙塵取樣裝置組合，實現(xiàn)漿液滴自動跟蹤煙氣流速等速采樣，簡化了測量操作步驟。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在某熱電廠2×300 MW燃煤1、2號機組進行試驗，其結(jié)果見表2。可知，1號機組負荷為230、260 MW時，采用國標法取樣測得的漿液滴質(zhì)量濃度分別為22.02、20.46 mg/Nm3，捕集器的漿液滴平均逃逸率為39.84%;采用本文提出的漿液滴采樣系統(tǒng)取樣，測得的漿液滴質(zhì)量濃度分別為37.09、33.57 mg/Nm3。2號機組負荷為200、270 MW時，采用國標法測得的漿液滴質(zhì)量濃度分別為27.94、13.89 mg/Nm3，漿液滴平均逃逸率為41.41%;采用本文提出的取樣方法測得的漿液滴質(zhì)量濃度分別為42.47、27.03 mg/Nm3。2臺機組的國標法取樣測得的漿液滴平均逃逸率相差不大，平均為40.6%。

表2不同機組負荷下國標取樣法和改進的漿液滴取樣法對比
Table2Comparisonofnationalstandardsamplingmethodandmodifiedslurrydropletsamplingmethodunderdifferentunitload

機組負荷/MW捕集方法Mg2+質(zhì)量濃度/(mg·L-1)液滴(定容250 mL)原漿液漿液含固量/%煙氣體積/(DNm3·h-1)漿液滴總濃度/(mg·Nm-3)逃逸率/%平均逃逸率/%1號機組230260230260國標法本文漿液滴取樣法0.0682 275.77.8368.0022.0240.640.1102 737.28.8538.3220.4639.040.1182 399.08.6362.7637.09—0.1452 505.88.8472.5333.57—39.84——機組負荷/MW捕集方法Mg2+質(zhì)量濃度/(mg·L-1)液滴(定容250 mL)原漿液漿液含固量/%煙氣體積/(DNm3·h-1)漿液滴總濃度/(mg·Nm-3)逃逸率/%平均逃逸率/%2號機組270200270200國標法本文漿液滴取樣法0.1402 737.210.2509.6027.9434.210.0543 057.48.3346.6313.8948.610.1672 225.010.1491.4142.47—0.0982 883.58.4343.1727.03—41.41——

4 結(jié) 論

1)本文提出的測量漿液滴濃度的取樣方法，無需對捕集器進行干燥和稱重即可計算得到漿液滴濃度，可簡化操作步驟，減少測量誤差。

2)采用國標法測定的漿液滴濃度存在較大的漿液滴逃逸率，而本文提出的漿液滴取樣方法不存在漿液滴逃逸率，使除霧器出口漿液滴濃度的測定結(jié)果更準確。與新的漿液滴取樣方法相比，國標法測得的漿液滴平均逃逸率為40.60%。

3)測量取樣時，國標法與本文提出的漿液滴取樣法取樣時具有1 h的時間差，故漿液中Mg2+濃度不一致，因而2種取樣方法應(yīng)在同一時間取樣，以保證工況完全相同。