濕法煙氣脫硫系統(tǒng)氣-氣換熱器堵塞機(jī)理分析

肖海平, 張 千, 孫保民

(1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102206;2.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司,北京100069)

石灰石-石膏濕法脫硫工藝技術(shù)成熟,脫硫效率高,是火力發(fā)電機(jī)組主要的脫硫方式.氣-氣換熱器(GGH)是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備.原煙氣與脫硫后的凈煙氣在GGH處交換熱量.降低原煙氣溫度有利于提高脫硫效率,并可確保脫硫塔內(nèi)設(shè)備安全.換熱后的凈煙氣溫度升高,因而使煙氣抬升高度和擴(kuò)散條件改善.采用GGH后,脫硫系統(tǒng)的工藝水耗量可下降40%左右.但是,由于運(yùn)行過(guò)程中GGH經(jīng)常發(fā)生結(jié)垢堵塞,造成系統(tǒng)端差增大,電耗上升,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)失速及整個(gè)機(jī)組停運(yùn)[1-5].在不同類型的脫硫系統(tǒng)中,鼓泡床煙氣脫硫系統(tǒng)的GGH堵塞情況最嚴(yán)重.目前,有關(guān)GGH結(jié)垢機(jī)理方面的研究較少.筆者以某鼓泡床煙氣脫硫系統(tǒng)為例,對(duì)GGH堵塞機(jī)理進(jìn)行分析.

1 研究方法

圖1為鼓泡床濕法煙氣脫硫系統(tǒng)示意圖.從鍋爐側(cè)出來(lái)的原煙氣溫度為120℃,經(jīng)過(guò)增壓風(fēng)機(jī)后先進(jìn)入氣-氣換熱器,隨后進(jìn)入鼓泡床脫硫塔進(jìn)行脫硫,脫硫后的凈煙氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)布置的除霧器脫除液滴,隨后進(jìn)入GGH加熱.進(jìn)入GGH前,凈煙氣的溫度為50℃,在離開(kāi)GGH時(shí),凈煙氣溫度已提高到80℃,然后通過(guò)煙囪排空.

圖1 鼓泡床濕法煙氣脫硫系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the wet flue gas desulfurization system with jet bubble reactor

首先分析了該脫硫系統(tǒng)GGH蓄熱片不同部位沉積物的物相,并推測(cè)出結(jié)垢物來(lái)源和形成機(jī)理;其次,測(cè)量脫硫系統(tǒng)除霧器出口后小液滴濃度,以確認(rèn)結(jié)垢物來(lái)源;然后,在試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)量除霧器效率,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量脫硫系統(tǒng)除霧器前煙氣流速的分布,并結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)除霧效率曲線計(jì)算出真實(shí)的除霧效率.

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 垢的成分分析

該鼓泡床脫硫系統(tǒng)GGH蓄熱片上的結(jié)垢物呈土黃色,略微發(fā)白,垢質(zhì)地堅(jiān)硬致密,垢與蓄熱片表面搪瓷結(jié)合緊密,難以用機(jī)械方法清除.蓄熱片冷端約5 cm高度范圍內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重,單面垢層厚度約為3 mm,其余部分結(jié)垢量較少.整個(gè)蓄熱片單面平均結(jié)垢量約為250 g/m2,而結(jié)垢最嚴(yán)重的部位出現(xiàn)在蓄熱片冷端,單面平均結(jié)垢量約為760 g/m2.顯然,GGH的堵塞主要源于冷端結(jié)垢物.

為了詳細(xì)分析垢的成分,筆者從不同部位提取垢樣,并進(jìn)行了物相分析.取樣部位分別為:蓄熱片冷端邊沿垢層最厚處5 cm寬度范圍內(nèi)、蓄熱片中部5 cm寬度范圍內(nèi)、頂部邊沿5 cm范圍內(nèi).物相分析采用日本生產(chǎn)的X射線衍射儀,儀器型號(hào)為D/MAX2400.表1為垢的物相成分.

表1 垢的物相成分Tab.1 Phase composition of scale %

蓄熱片上垢的主要成分為石膏、CaSO4、復(fù)合硫酸鹽及鋁酸鹽.石膏和CaSO4的質(zhì)量百分比至少占50%以上,其主要源于脫硫塔內(nèi)的脫硫漿液.鼓泡床脫硫塔內(nèi)漿液的主要成分為亞硫酸鈣和硫酸鈣,凈煙氣攜帶出的脫硫漿液在GGH蓄熱片發(fā)生沉積、氧化和脫水,最后生成了石膏和CaSO4.蓄熱片熱端金屬壁面溫度高,石膏完全脫水生成了CaSO4,而冷端金屬壁面溫度低,因此石膏含量最高.

復(fù)合硫酸鹽及鋁酸鹽的存在表明鍋爐燃燒產(chǎn)生的飛灰參與了垢的形成過(guò)程.飛灰形成的垢主要位于GGH蓄熱片熱端和中部,蓄熱片中部的垢飛灰成分最高,而冷端的垢飛灰含量最少.原煙氣流經(jīng)GGH蓄熱片,煙氣中的酸性氣體凝結(jié)在蓄熱片表面,與飛灰和石膏漿液發(fā)生反應(yīng),形成少量類似于水泥的黏性物質(zhì),黏附在蓄熱片上逐漸硬化,加劇了GGH的結(jié)垢.蓄熱片冷端結(jié)垢物中還含有少量氟硅酸鈣(CaSiF6·2H2O和CaSiF6).氟硅酸鈣具有水硬性,可以作為混凝土的硬化劑,氟硅酸鈣的存在加劇了蓄熱片冷端的結(jié)垢.

從物相分析考慮,垢的形成過(guò)程是煙氣中的酸性氣體、飛灰以及脫硫漿液共同作用的結(jié)果;但是從系統(tǒng)堵塞考慮,凈煙氣從脫硫塔攜帶出的脫硫漿液是造成堵塞的主要物質(zhì).

2.2 除霧器后的液滴分布

脫硫漿液是造成GGH蓄熱片堵塞的主要物質(zhì).可以推斷,該脫硫系統(tǒng)除霧器的效率偏低造成了凈煙氣攜帶脫硫漿液進(jìn)入GGH.該脫硫系統(tǒng)采用了波紋板式除霧器,其工作原理是利用除霧器葉片的流線偏折產(chǎn)生離心力,將液滴分離出來(lái),在板片壁面上形成水膜,緩慢下流,除去煙氣中存在的液滴及少量粉塵,從而減少煙氣帶水,防止煙氣傳熱元件GGH堵塞,保證脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行.除霧器對(duì)不同粒徑的液滴捕獲能力不同:粒徑越小的液滴,慣性越小,因而脫除效率越低.圖2為除霧器后的漿液濃度分布.

圖2 除霧器后的漿液濃度分布Fig.2 Concentration distribution of droplets after demister

采用氧化鎂撞擊法測(cè)試該脫硫系統(tǒng)除霧器后凈煙氣攜帶的不同粒徑液滴的分布.從除霧器平臺(tái)后的8個(gè)測(cè)孔分別取樣,并分析煙氣中小液滴濃度.在試驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)保證沖洗水處于關(guān)閉狀態(tài).從圖2可知:凈煙氣攜帶的漿液粒徑主要分布在10～30μm,其中粒徑為15μm的漿液濃度最高,少量漿液分布在30～200μm.

顯然,波紋板式除霧器對(duì)30μm以上的漿液脫除效果較好,而對(duì)于粒徑小于30μm的漿液,波紋板式除霧器的脫除效果很差,對(duì)于粒徑小于15μm的漿液,則基本沒(méi)有脫除能力.因此,除霧器后的煙氣依舊攜帶大量粒徑為10～30μm的液滴.這些液滴流經(jīng)GGH時(shí)便沉積在蓄熱片上,造成了GGH的堵塞.文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[8]通過(guò)數(shù)值模擬也得出了類似的結(jié)論.

2.3 除霧器的效率

筆者建立了除霧器試驗(yàn)臺(tái),并模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了除霧效率試驗(yàn).圖3為除霧器試驗(yàn)臺(tái)示意圖.該脫硫系統(tǒng)的除霧器葉片為波紋板,1級(jí)除霧器葉片間距為38 mm,2級(jí)除霧器葉片間距為26 mm.在不同試驗(yàn)段下,均裝有集水槽,根據(jù)水平衡法計(jì)算除霧效率[9].

圖3 除霧器試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic of experimental setup of the demister

圖4 不同煙氣流速下的除霧效率Fig.4 Demisting efficiency at variousgas velocities

圖4 為不同空氣流速下的除霧效率曲線.對(duì)于2級(jí)除霧器葉片,隨著煙氣流速的增大,除霧效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì).首先,定義除霧效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的煙氣流速為臨界流速.當(dāng)煙氣流速為7 m/s時(shí),除霧效率達(dá)到最大值,即88.6%.當(dāng)煙氣流速大于臨界流速后,隨著煙氣流速的增大,空氣攜帶的液滴動(dòng)能增加,液滴沒(méi)有被除霧器葉片捕獲,反而是液滴撞擊葉片破碎成更多的小液滴,小液滴隨空氣流出除霧器,造成除霧器后的液滴濃度偏大,形成二次攜帶現(xiàn)象.試驗(yàn)結(jié)果表明:在煙氣流速低于臨界流速時(shí),承擔(dān)除霧工作的主要為1級(jí)除霧器,而當(dāng)煙氣流速高于臨界流速后,二次攜帶現(xiàn)象出現(xiàn),1級(jí)除霧器的效率急劇下降,而2級(jí)除霧器的效率有所提高,整體除霧效率明顯下降.當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí),2級(jí)除霧器同樣存在二次攜帶,因此,2級(jí)除霧器的效率不會(huì)太高.當(dāng)煙氣流速為8 m/s時(shí),1級(jí)除霧器后出現(xiàn)了輕微的二次攜帶;當(dāng)煙氣流速為9 m/s時(shí),1級(jí)除霧器出現(xiàn)嚴(yán)重的二次攜帶現(xiàn)象,2級(jí)除霧器也出現(xiàn)了輕微的二次攜帶;當(dāng)煙氣流速為10 m/s時(shí),1級(jí)、2級(jí)除霧器都出現(xiàn)了嚴(yán)重的二次攜帶.因此,在高流速區(qū)域,除霧效率偏低.本文的試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]～文獻(xiàn)[12]的數(shù)值模擬結(jié)果吻合.

2.4 除霧器前煙氣流速的測(cè)試

除霧器葉片的除霧效率與煙氣流速密切相關(guān).當(dāng)煙氣流速處于臨界流速附近時(shí),除霧效率最佳.對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)龐大的脫硫系統(tǒng),除霧器入口處的流速分布將嚴(yán)重影響除霧效率.因此,筆者采用皮托管測(cè)試了除霧器前的煙氣流速,以判斷該脫硫系統(tǒng)真實(shí)的除霧效率.

筆者按網(wǎng)格法測(cè)試了除霧器前的35個(gè)煙氣流速分布點(diǎn).圖5為除霧器入口前的煙氣流速分布.本文的測(cè)試結(jié)果表明:除霧器入口煙氣平均流速為8.8 m/s,不同測(cè)點(diǎn)的煙氣流速分布不均勻,偏離平均值的程度不同,其中所測(cè)得的最小煙氣流速為5.87 m/s,最大煙氣流速為11.49 m/s.煙氣流速的偏離率在數(shù)值上等于某測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)流速與平均流速的比值.在不同測(cè)點(diǎn)中,煙氣流速偏離率最大值為1.305,最小值為0.667.顯然,煙氣流速在空間的分布非常不均勻,這必將影響除霧效率.筆者結(jié)合除霧效率曲線,通過(guò)插值方法按實(shí)測(cè)煙氣流速先求出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的除霧效率,然后將其平均,求出該除霧器的真實(shí)除霧效率,其值為68.67%.由于除霧器入口前的實(shí)際煙氣流速偏高,且分布不均勻,造成除霧效率下降,導(dǎo)致脫硫漿液液滴直接通過(guò)除霧器進(jìn)入GGH,在蓄熱片上形成垢,堵塞了GGH.

圖5 除霧器入口前的煙氣流速分布Fig.5 Distribution of gas velocity at the entrance of the demister

3 結(jié) 論

(1)蓄熱片上垢的主要成分為石膏、CaSO4、復(fù)合硫酸鹽以及鋁酸鹽.復(fù)合硫酸鹽以及鋁酸鹽的存在表明鍋爐燃燒產(chǎn)生的飛灰參與了垢的形成過(guò)程.凈煙氣從脫硫塔攜帶出的脫硫漿液是造成堵塞的主要物質(zhì).

(2)除霧器后的凈煙氣攜帶的漿液粒徑主要分布在10～30μm,粒徑為15μm的漿液濃度最高.除霧器后的液滴濃度偏高,說(shuō)明除霧器沒(méi)有有效攔截凈煙氣從脫硫塔攜帶出來(lái)的脫硫漿液.

(3)隨著煙氣流速的增大,除霧效率呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì).當(dāng)煙氣流速為7 m/s時(shí),除霧器的效率達(dá)到最大值88.6%.當(dāng)煙氣的流速高于8 m/s后,除霧器出現(xiàn)嚴(yán)重的二次攜帶,除霧效率急劇下降.

(4)除霧器入口煙氣流速分布不均,平均流速為8.8 m/s,最大流速為11.49 m/s,流速的最大偏離率為1.305,最小偏離率為0.667,流速在空間的分布非常不均勻.通過(guò)線性插值法求出除霧器的真實(shí)除霧效率為68.67%.除霧器前的煙氣流速整體偏高,導(dǎo)致除霧效率偏低,脫硫漿液流經(jīng)除霧器進(jìn)入GGH,造成堵塞.

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