新型高效規(guī)流除霧器的應(yīng)用

郭麗麗，朱武華，方達輝

（湖南碧綠環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，湖南 湘潭 411100）

1 前言

國內(nèi)的煙氣脫硫目前大都采用的是濕法工藝，其核心裝置就是吸收塔，由于吸收塔內(nèi)的反應(yīng)大部分都采用噴淋式洗滌，處理過的煙氣中含有大量的霧滴，因此煙氣在經(jīng)過洗滌后一般要通過除霧器，目的是將經(jīng)過洗滌的煙氣中的水滴分離出來，使水滴回歸系統(tǒng)。

除霧器和噴淋管是濕法脫硫中必不可少的設(shè)備。目前廣泛使用是折流板除霧器（包括屋脊式和平板式），但是從現(xiàn)運行的脫硫系統(tǒng)中，可以發(fā)現(xiàn)折流板除霧器存在以下問題。

（1）除霧效率不高，致使其下游的GGH結(jié)垢嚴(yán)重或煙囪下“石膏雨”

表現(xiàn)突出的是塔外布置的水平除霧器。由于場地有限，布置緊湊，吸收塔出口至除霧器入口缺少符合要求的直管段，即使裝有導(dǎo)流板，也難以調(diào)整氣流分布，除霧器入口端面處的氣流速度偏差甚大，高的達10m/s以上，低的出現(xiàn)渦流區(qū)，造成除霧器入口處石膏堆積，除霧器出口煙氣攜帶的液滴超標(biāo)，對設(shè)有GGH的脫硫系統(tǒng)，GGH換熱元件結(jié)垢加??；對不設(shè)GGH的脫硫系統(tǒng)，由于排煙溫度較低，煙氣擴散條件不利，煙氣攜帶的液滴會在煙囪出口形成“石膏雨”（即脫硫塔漿液池內(nèi)的大量石膏漿液隨上升煙氣從煙囪口飄出，嚴(yán)重影響周圍環(huán)境。

（2）除霧器板片結(jié)垢堵塞，沖冼失常，造成除霧器坍塌

FS-04規(guī)流填料床技術(shù)通過在河南金山集團、晉煤集團等鍋爐煙氣脫硫EPC項目上的應(yīng)用，顯示出在脫水除霧方面的高效性。該技術(shù)為脫硫塔的脫水除霧帶來了新的技術(shù)理論和應(yīng)用思路。有利于脫硫除霧技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化，打破了國外在脫水除霧產(chǎn)品方面的壟斷。

2 脫硫項目概況

以河南金山集團脫硫項目為例：該項目的設(shè)計處理煙氣量為42萬m3/h；煙氣溫度150℃；除塵方式采用袋式除塵器；入塔SO2濃度1800mg/Nm3。煙氣從塔體中部側(cè)面進入，依次通過一層噴淋層、一層規(guī)流填料床和一層規(guī)流除霧器，最后進入原煙囪排放。

系統(tǒng)投運后，各項指標(biāo)均達到設(shè)計要求，SO2排放濃度降到60mg/Nm3以下。但由于除霧器沖洗水采用的水源是鍋爐引風(fēng)機冷卻回水，回水壓力小，不能滿足對除霧器的沖洗需要，因而除霧器長期得不到有效沖洗。系統(tǒng)運行半年后，除霧器發(fā)生了堵塞（見圖1），造成了脫硫塔壓力損失增大，凈煙氣帶水帶漿。

對于除霧器的沖洗，業(yè)主一直無法提供適合壓力的水源。為保證系統(tǒng)能夠運行，施工方拆除了除霧器，保留了除霧器沖洗管道，僅依靠規(guī)流床完成脫水的工作。系統(tǒng)運行后，未再發(fā)生煙氣帶水帶漿的現(xiàn)象，至今已經(jīng)連續(xù)運行兩年。

圖1 除霧器堵塞情況

3 理論分析

從原理上說，折流板除霧器（包括平板式和屋脊式的除霧器）屬于利用液滴的慣性來脫水，因此折流板彎折的角度越大、彎折的次數(shù)越多，板與板的間隔就越小，除霧效果也就越好，但同時除霧器也就越容易積累灰塵等固體雜質(zhì)，從而發(fā)生堵塞。并且由于除霧器的折流板都是靜止?fàn)顟B(tài)，容易積灰，所以除霧器要反復(fù)進行周期沖洗。而且如果沖洗不徹底，除霧器也很容易結(jié)垢堵塞，引發(fā)“石膏雨”現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是可能會導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)發(fā)生故障而停運。

規(guī)流除霧器是一種有規(guī)則運動的填料裝置，它集合了固定填料以及湍流填料的各項優(yōu)點。規(guī)流除霧器特殊專業(yè)設(shè)計的導(dǎo)向方式、規(guī)流球的規(guī)則運動，進一步促進了煙氣流場的均勻分布，解決了氣流偏流問題，達到了最小空間、最高傳質(zhì)效率的目的，實現(xiàn)了最高的捕液與除霧效率。其除霧機理如圖2。

圖2 規(guī)流除霧器除霧機理

（1）慣性捕集

小霧滴由于自身的慣性作用，含霧滴的煙氣在進入規(guī)流床過程中，遇到填料球后會改變氣流方向，繞過填料球流動。其中細(xì)小的霧滴隨氣流一起繞流，運動軌跡由直線變?yōu)榍€。粒徑較大（大于0.2μm）的霧滴具有較大的慣性，便脫離氣流的流線保持直線運動，與填料球相撞而被捕集，使煙氣中的霧滴得到脫除。

（2）擴散

微小顆粒從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動的過程稱為擴散。擴散主要是布朗運動的結(jié)果，布朗運動是指微小顆粒在周圍氣體分子和其他微粒碰撞下的無規(guī)則自由運動。粒徑小于0.2μm（比重為1）的小顆粒主要通過擴散捕集，因為它們質(zhì)量小，不大可能發(fā)生慣性撞擊，且物理尺寸小，不容易被攔截。當(dāng)這些微粒被捕集到一個液滴里面，液滴鄰近區(qū)域的微粒濃度降低，其他微粒又一次從高濃度區(qū)域向液滴鄰近的低濃度區(qū)域移動。

與大型出版企業(yè)相比，中小出版企業(yè)在資源壟斷、出版許可、網(wǎng)點布局、文化沉淀、社會責(zé)任等方面差距較大。因此，中小出版企業(yè)轉(zhuǎn)型升級不能效仿大企業(yè)的“高、大、上、全”。

（3）凝集

凝集有兩種情況，一種是以微小塵粒為凝結(jié)核，由于小霧滴的凝結(jié)，使霧滴尺寸增大；另一種是由于擴散漂移和熱漂移的綜合作用，使霧滴凝聚增大，增大后的霧滴可以通過慣性作用加以捕集。

（4）規(guī)流除霧器的運行

1）脫硫塔運行時，煙氣推動安裝在規(guī)流除霧器上的填料球呈現(xiàn)規(guī)則運動狀態(tài)，煙氣與填料球朝同一方向運動（使所有填料球繞內(nèi)筒公轉(zhuǎn)），延長了煙氣通過除霧器的距離和時間。

2）由于規(guī)流除霧器采用了獨特的導(dǎo)流設(shè)計，填料球不會被吹離，而是使煙氣通過填料球之間的縫隙，多次改變流動方向（至少改變8次方向，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于一般折流板的彎折次數(shù)）。煙氣中夾帶的漿液同樣由于慣性撞擊被填料球表面捕集，并在填料球?qū)硬粩喾e累，直到集聚的漿液重力大于煙氣的上升托力時，即會從規(guī)流除霧器中落回脫硫塔中。并且安裝在除霧器上的填料球呈現(xiàn)規(guī)則運動狀態(tài)（填料球個體自轉(zhuǎn)運動，不同于靜止的折流板），有利于煙氣流暢均勻地通過，避免局部區(qū)域煙氣流速過高或過低。相比于折流板葉片的靜止?fàn)顟B(tài)，規(guī)流除霧器更加不易積灰。即使有灰塵黏附于填料球表面，也會因為填料球的運動碰撞、相互摩擦而剝落。同時由于填料球的運動，增加了煙氣的擾動，增大了霧滴與霧滴之間和霧滴與填料球的碰撞機率，能夠強化慣性捕集和擴散捕集，提高脫硫效率。

3）設(shè)置沖洗水裝置對規(guī)流除霧器定期進行沖洗，徹底杜絕了除霧器結(jié)垢堵塞的可能性。

規(guī)流除霧器除霧原理及實物示意見圖3、圖4。

圖3 規(guī)流除霧器除霧原理圖

圖4 規(guī)流除霧器實物圖

4 規(guī)流除霧器的應(yīng)用及發(fā)展

（1）目前國內(nèi)在用的除霧器的不足

目前國內(nèi)在用的除霧器除了在使用方面容易發(fā)生堵塞之外，在制作方面也存在一些問題。

除霧器是一個流體機件，就結(jié)構(gòu)而言，除霧器的結(jié)構(gòu)是相對比較簡單的（見圖5）。從制造的角度來講，唯一有難度的就是：除霧器本身是一個大型的塑料機件，制造過程中需要有專門的模具，還需要一定的經(jīng)驗。另外，在直徑十幾米的斷面上，各種工況下的氣流流場的變化是比較復(fù)雜的。如果在設(shè)計應(yīng)用除霧器的過程中不考慮這些復(fù)雜的變化因素，在使用過程中就可能出現(xiàn)問題。

圖5 折流板除霧器橫截面

除霧器的核心技術(shù)不是其外在的形狀，也不是制造的過程，而是一個流體力學(xué)的設(shè)計。而這項任務(wù)對中國的企業(yè)來講還是比較艱巨的，所以，在我國大力推行脫硫產(chǎn)業(yè)的前三五年內(nèi)，一般是使用進口的除霧器，而且為此付出了不菲的代價。近幾年，國內(nèi)的一些企業(yè)開始自行研發(fā)制造除霧器，但是國內(nèi)對于除霧器制造的認(rèn)識還是停留在除霧器本身的塑料結(jié)構(gòu)設(shè)備的層次上，并未對其核心技術(shù)進行太多的研究，大多數(shù)設(shè)計也都沒有掌握核心的關(guān)鍵技術(shù)，往往是照搬國外的除霧器進行仿制，對其中的特性知之甚少。所以制造出的除霧器在運行中往往由于不能適應(yīng)不同工況的變化而出現(xiàn)一系列的問題。另外，由于國內(nèi)大部分煙氣脫硫裝置的建成時間不長，運行初期由于各種原因，特別是在運行監(jiān)管尚未全部落實的情況下，運行商往往會采取讓大量的煙氣走旁路的辦法，使脫硫系統(tǒng)維持在比較小的負(fù)荷下，這樣就可節(jié)約大量的運行費用。但在這種狀況下，由于熱煙氣進來的量很少，系統(tǒng)蒸發(fā)的水分也相應(yīng)較少，而除霧器的運行是需要定時采用外源水沖洗的。脫硫系統(tǒng)在正常的工作過程中，由于熱煙氣的通過會蒸發(fā)掉大量的水分，而沖洗除霧器的水進入系統(tǒng)中不足以補充這部分蒸發(fā)的水，因此需要另外的水補充到系統(tǒng)中實現(xiàn)水平衡。但如果系統(tǒng)長期在低負(fù)荷量運行，蒸發(fā)的水量很少，這樣沖洗除霧器的水分就會越來越多，使系統(tǒng)接納不了，造成水平衡的破壞，使得系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，最后的結(jié)果就是沖洗除霧器的水量下降，對除霧器的沖洗不能到位。這也是造成除霧器結(jié)垢，甚至造成除霧器坍塌的原因之一。

隨著國內(nèi)逐步開展除霧器的生產(chǎn)，有關(guān)除霧器和系統(tǒng)裝置的匹配以及流場和霧滴特性的問題被忽視，由此也造成了一系列的問題，這些因素綜合在一起，造成了除霧器成為影響煙氣脫硫裝置長期穩(wěn)定運行的重要因素?，F(xiàn)在很多脫硫公司為了中標(biāo)壓低價格，省去了GGH系統(tǒng)，導(dǎo)致了煙囪飄漿和煙囪下雨，因此在取消GGH的情況下，除霧器必須優(yōu)化。而根據(jù)除霧器的工作對象煙氣流場和霧滴的特性，利用流場適應(yīng)型的除霧器創(chuàng)造性地解決了除霧器入口煙氣流動不均勻的問題，降低了對除霧器入口煙氣均勻性的要求。

流場適應(yīng)型除霧器的設(shè)計完全不同于現(xiàn)在的除霧器，即是直接以設(shè)備去匹配系統(tǒng)的現(xiàn)狀，使得設(shè)備和系統(tǒng)實現(xiàn)良好的兼容。

（2）規(guī)流除霧器應(yīng)用優(yōu)勢

1）目前，國內(nèi)企業(yè)成功開發(fā)的適用于大型電廠鍋爐煙氣脫硫、脫硝處理的“FS-04規(guī)流填料塔及工藝集成系統(tǒng)” 已達到國際先進水平。系列脫硫除塵產(chǎn)品已在國內(nèi)200多家企業(yè)的300余項脫硫工程上應(yīng)用。

2）規(guī)流除霧器采用了獨特的導(dǎo)流設(shè)計。煙氣通過規(guī)流床導(dǎo)流后推動填料球在在塔內(nèi)作自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的圓周運動，對煙氣通過時會產(chǎn)生調(diào)整和規(guī)整氣場分布的作用，促使氣液接觸更加充分和均勻。

3）通過填料球運動對煙氣的切割而不斷改變煙氣的流動方向，強化慣性捕集和擴散捕集，從而達到提高脫水效率的目的。

4）相比于靜止的折流板除霧器，規(guī)流除霧器具有自潔功能，當(dāng)灰塵黏附于填料球表面時，通過填料球的碰撞、相互摩擦運動而剝落，從而徹底杜絕了除霧器結(jié)垢、堵塞的情況發(fā)生。

規(guī)流除霧器與折流板除霧器性能對比見下表。

規(guī)流除霧器與折流板除霧器對比表

5 結(jié)語

規(guī)流除霧器是國內(nèi)企業(yè)基于FS-04規(guī)流填料床技術(shù)開發(fā)出來的一項新技術(shù)，具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，為脫硫行業(yè)提供了嶄新的除霧技術(shù)理論和思路。由于規(guī)流床除霧器具有獨特的優(yōu)勢以及除霧的高效性，應(yīng)用前景非常廣泛。