煙氣霧滴捕集采樣裝置技術(shù)的研究及應(yīng)用

宋躍平，馬小軍，郭力強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

火電廠煙氣濕法脫硫吸收塔在運(yùn)行過(guò)程中，由于工藝所至易產(chǎn)生粒徑為10～60 μm的霧滴，該霧滴中除水分外還溶有酸、硫酸鹽、SO2等含有有害腐蝕物質(zhì)的霧滴隨煙氣流動(dòng)，造成鍋爐尾部風(fēng)機(jī)、熱交換器及煙道和煙囪的結(jié)垢和腐蝕，直接影響安全穩(wěn)定生產(chǎn)，并造成環(huán)境污染。因此，火電廠煙氣濕法脫硫在工藝上對(duì)吸收塔提出除霧要求，同時(shí)，煙氣中漿液滴含量的測(cè)定是評(píng)價(jià)燃煤電廠煙氣濕法脫硫設(shè)備除霧器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在正常運(yùn)行工況下，除霧器出口煙氣中霧滴濃度要求低于75 mg/Nm3。目前測(cè)試霧滴濃度的方法主要采用的是《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》GB/T 21508—2008中鎂離子示蹤法，即在除霧器出口煙氣道進(jìn)行霧滴采樣。煙氣霧滴采樣試驗(yàn)前需要在除霧器出口煙道采樣斷面按網(wǎng)格法進(jìn)行煙氣流速測(cè)定，經(jīng)計(jì)算判定后再對(duì)煙氣采樣設(shè)備進(jìn)行流量設(shè)定后，用固定流量對(duì)某個(gè)固定點(diǎn)位進(jìn)行煙氣霧滴采樣。其原理是先用煙塵采樣儀取樣，煙氣中的霧滴通過(guò)霧滴采樣頭采集到采樣頭冷凝罐冷凝在罐體內(nèi)，取樣后用雙蒸水沖洗冷凝罐，定容后分析霧滴中的Mg2+濃度；同時(shí)分析漿液濾液中的Mg2+濃度，最后根據(jù)兩個(gè)Mg2+濃度值計(jì)算霧滴濃度[1]。目前在除霧器性能試驗(yàn)時(shí)由于霧滴捕集過(guò)程中的諸多技術(shù)問(wèn)題使霧滴捕集的結(jié)果與實(shí)際情況有較大差距，存在現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果受測(cè)試煙道流場(chǎng)隨時(shí)間變化影響大、準(zhǔn)確性差導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，霧滴捕集裝置的玻璃采樣瓶具有易破碎和長(zhǎng)時(shí)間采樣時(shí)管路中的煙氣冷凝水回流到煙氣霧滴捕集瓶中，造成采樣失敗等缺點(diǎn)。

為此，開(kāi)發(fā)研究新型煙氣霧滴捕集采樣裝置是解決以上問(wèn)題的必然選擇。圍繞《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》GB/T 21508—2008開(kāi)發(fā)研究了一種煙氣霧滴捕集采樣裝置，以解決煙氣霧滴采樣中遇到的問(wèn)題。

1 新型霧滴采樣裝置

1.1 霧滴采樣捕集瓶

煙氣霧滴捕集器示意圖及結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

煙氣霧滴捕集器原理為：含有霧滴的煙氣以一定的流速通過(guò)一定尺寸的采樣嘴進(jìn)入煙氣霧滴采樣瓶的捕集瓶，大液滴被撞擊分離捕集于煙氣霧滴捕集瓶?jī)?nèi)，含濕煙氣再經(jīng)過(guò)螺旋形氣水分離玻璃管進(jìn)行第二級(jí)旋轉(zhuǎn)離心分離液滴捕集，經(jīng)旋轉(zhuǎn)離心分離的二級(jí)液滴捕集后的煙氣再進(jìn)入緩沖瓶，降低煙氣流速進(jìn)一步對(duì)細(xì)小液滴進(jìn)行捕集，煙氣中的液滴通過(guò)撞擊、離心、失速三級(jí)捕集后進(jìn)入煙氣出口，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣液滴的充分捕集。

圖1 霧滴捕集器示意圖

圖2 霧滴捕集器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 霧滴采樣嘴及防粘連涂層

新的煙氣霧滴采樣裝置為了解決霧滴捕集采樣瓶玻璃采樣口徑制作誤差問(wèn)題，在捕集瓶的采樣口安裝了可更換的不銹鋼采樣嘴，使煙氣采氣量更加精準(zhǔn)，并可根據(jù)采樣流量的需要更換不同口徑的采樣嘴來(lái)提高現(xiàn)場(chǎng)采樣效率，縮短采樣時(shí)間。為防止采樣物粘連在不銹鋼采樣嘴內(nèi)壁，特在采樣嘴內(nèi)壁噴涂特氟龍涂層，特氟龍防粘連涂層的脫水特性可使所采集的煙氣霧滴完全進(jìn)入霧滴捕集捕瓶中，以保證采樣準(zhǔn)確率。

1.3 防冷凝水回流帽和橡膠塞

為隔離和防止在長(zhǎng)時(shí)間采樣過(guò)程中，采樣槍桿氣路中冷凝水滴回流污染霧滴捕集樣品。在霧滴捕集瓶的抽氣口安裝了防冷凝水回流帽和橡膠封堵塞，如圖3所示。橡膠封堵塞同時(shí)可以起到固定連接霧滴捕集瓶的作用。

1.4 霧滴捕集瓶保護(hù)罩

煙氣漿液滴含量測(cè)定試驗(yàn)需要將采樣槍插入煙道內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間采樣，由于采樣槍桿受煙氣流動(dòng)的影響極易來(lái)回?cái)[動(dòng)，玻璃采樣捕集瓶在采樣過(guò)程中稍不留意即被碰撞破碎，造成采樣失敗。為了避免玻璃采樣瓶意外碰撞造成破損，增加試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工作量，特別設(shè)計(jì)了霧滴捕集瓶保護(hù)罩，以防止試驗(yàn)中惡劣環(huán)境對(duì)霧滴捕集瓶的碰撞和進(jìn)出采樣孔時(shí)造成的破壞。

圖3 防護(hù)罩和橡膠封堵塞、防回流帽

1.5 專(zhuān)用采樣槍桿

霧滴捕集采樣槍桿可以制作也可以對(duì)已有舊采樣槍管進(jìn)行改造，以適應(yīng)煙氣霧滴捕集瓶安裝要求。采樣槍管局部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。舊采樣槍管改造方法為：將舊煙塵采樣槍頭部安裝慮筒的采樣頭切短加裝連接霧滴捕集瓶保護(hù)罩的螺口（11）；制作加裝霧滴捕集瓶保護(hù)罩（10），注意使霧滴捕集瓶的采樣口（4） 與采樣槍皮托管（12）保持在同一水平位置，且霧滴捕集瓶的采樣口進(jìn)氣方向平行于皮托管，以實(shí)現(xiàn)霧滴捕集采樣過(guò)程中的動(dòng)態(tài)平衡；準(zhǔn)備橡膠固定封堵塞（8），注意應(yīng)使橡膠固定封堵塞較緊密地封堵固定在采樣槍的采樣頭內(nèi)（11），在橡膠固定封堵塞中間打孔時(shí)應(yīng)與霧滴捕集瓶的煙氣抽氣出口和防冷凝水回流帽連管緊密插接，以防采樣氣路的泄露，圖中（13） 為采樣槍管。

2 新型霧滴采樣裝置的應(yīng)用

2.1 霧滴捕集采樣方法

試驗(yàn)嚴(yán)格按照《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》GB/T 21508—2008中的煙氣中漿液滴含量的測(cè)定中要求和《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》 GB/T 16157—1996、《固定源廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》HJ/T 397—2007中的規(guī)定執(zhí)行。

圖4 霧滴捕集采樣槍管局部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 采樣前的準(zhǔn)備

霧滴前，在實(shí)驗(yàn)室中，用除鹽水分別清洗玻璃霧滴捕集器的各部件，清洗完畢組合后，在105℃溫度下干燥2 h，然后，待其完全冷卻后放置在干燥器中待用；試驗(yàn)開(kāi)始前，將玻璃霧滴捕集器放入潔凈容器中運(yùn)抵試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)待用。

2.3 新型霧滴裝置的安裝連接

現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)首先進(jìn)行霧滴采樣裝置的組合連接，順序方法為：通過(guò)橡膠管采樣軟管連接采樣槍和采樣動(dòng)力裝置，依序安裝防冷凝水回流帽、橡膠固定封堵塞，將霧滴捕集瓶從存放容器中取出固定在橡膠固定封堵塞上后扣上霧滴捕集瓶保護(hù)罩并旋緊，使霧滴采樣裝置處于待用狀態(tài)。

2.4 采樣器的準(zhǔn)備

采樣前，按工況、煙氣量計(jì)算煙氣采樣量，并在大流量煙氣采樣器上設(shè)置相應(yīng)的采樣時(shí)間和采樣嘴的尺寸，確定采樣嘴的尺寸大小后使用適當(dāng)長(zhǎng)度的橡膠管將不銹鋼采樣嘴套接在霧滴捕集瓶的進(jìn)氣口。大流量煙氣自動(dòng)采樣器可以自動(dòng)測(cè)出試驗(yàn)場(chǎng)所大氣壓和煙道內(nèi)的動(dòng)壓、靜壓、煙氣溫度、濕度、煙氣流速，并根據(jù)采樣嘴的尺寸大小，自動(dòng)適時(shí)調(diào)整空氣泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣的跟蹤等速采樣。

2.5 采樣

用網(wǎng)格法布置采樣點(diǎn)，將采樣槍管插入到煙道中，預(yù)熱一定時(shí)間后，即可以開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)壓平衡的煙氣霧滴采樣。采樣完成后取下不銹鋼采樣嘴及橡膠套管，并將玻璃霧滴捕集器從霧滴采樣槍管上取下，用封口軟塞封口，密封玻璃霧滴捕集器的進(jìn)出氣口，用純凈水沖洗捕集器的外表面，用凈棉紗擦干水漬，并盡快對(duì)玻璃霧滴捕集器稱(chēng)重，隨后在105℃溫度下干燥2 h后再次稱(chēng)重，2次稱(chēng)重之差即為所采集的液滴中液滴水的重量。采樣的同時(shí)采取吸收塔內(nèi)的漿液樣，分析吸收塔漿液中的Mg2+質(zhì)量濃度和漿液含固量，對(duì)液滴濃度進(jìn)行修正。

2.6 漿液的采集和計(jì)算

分次采集脫硫吸收塔內(nèi)的漿液樣品，并計(jì)算脫硫吸收塔漿液中Mg2+的質(zhì)量濃度和漿液含固量，計(jì)算公式如下。

a)液滴中水的濃度

式中：Cw——液滴中水的濃度，mg·m-3；

C01——采樣后煙氣霧滴采樣瓶（一級(jí)捕集器）干燥后的重量；

C02——采樣后錐狀霧滴捕集冷凝瓶（二級(jí)捕集器） 干燥后的重量；

C11——采樣后煙氣霧滴采樣瓶（一級(jí)捕集器）干燥前的重量；

C12——采樣后錐狀霧滴捕集冷凝瓶（二級(jí)捕集器） 干燥前的重量；

V——抽取的煙氣體積(標(biāo)態(tài)，干煙氣，過(guò)?？諝庀禂?shù)為1.4)。

b)扣除煙道冷凝水滴后的水滴濃度

式中：Cmg1——采樣后一、二級(jí)捕集器中液滴的鎂離子質(zhì)量濃度，mg/L；

Cmg2——吸收塔漿液的中液滴的鎂離子質(zhì)量濃度，mg/L。

c)液滴總濃度

式中：C——液滴總濃度，mg/m3(標(biāo)態(tài)，干煙氣，過(guò)剩空氣系數(shù)為1.4)；

Cx——吸收塔漿液含固量，%[2]。

2.7 新型霧滴裝置采樣中的注意事項(xiàng)

a)所用儀器均經(jīng)國(guó)家計(jì)量檢定部門(mén)檢定合格并在檢定有效期內(nèi)。b)安裝過(guò)程中所有軟管和插接部分需嚴(yán)密牢固以保證采樣系統(tǒng)密封效果良好和采樣過(guò)程中不脫落。c)試驗(yàn)期間禁止除霧器沖洗，采樣前霧滴采樣器進(jìn)行充分煙氣預(yù)熱。d)采樣時(shí)采樣嘴與煙氣流向保持平行，等速采樣。e)采樣完畢后平穩(wěn)抽出采樣槍管取下保護(hù)罩和連接膠管、采樣頭。f)密封霧滴采樣器的進(jìn)出氣孔，防止霧滴水份蒸發(fā)，用除鹽水沖洗霧滴采樣器表面并在最短時(shí)間進(jìn)行稱(chēng)重。g)在整個(gè)安裝摘取采樣吸收瓶的過(guò)程中應(yīng)保持清潔操作以防污染采樣樣品。h)送樣過(guò)程采取保護(hù)措施防止霧滴采樣器破碎。i)采樣中霧滴的増量應(yīng)在 1 mg/m3以上[1]。

2.8 應(yīng)用案列

采用該項(xiàng)目研制的煙氣中霧滴捕集裝置在山西某電廠除霧器出口煙道處進(jìn)行霧滴捕集采樣，驗(yàn)證項(xiàng)目研制煙氣中霧滴捕集裝置的霧滴捕集采樣狀況并計(jì)算煙氣中的霧滴含量。

2.8.1 測(cè)試位置和項(xiàng)目

測(cè)試位置為除霧器出口煙道處。

測(cè)試項(xiàng)目包括環(huán)境、煙氣、樣品三部分。

環(huán)境：大氣壓，hPa；溫度，℃。

煙氣：溫度，℃；濕度，%；流速，m·s-1；動(dòng)壓、靜壓，mmHg；采樣量，L·min-1；采樣時(shí)間，min；含氧量，%。

樣品：霧滴的重量，mg；煙氣中液滴總濃度，mg·m-3；吸收塔漿液，L；吸收塔漿液含固濃度，Cx/%；液滴中水濃度，mg·m-3；捕集器液滴Mg2﹢濃度，mg·L-1；吸收塔漿液 Mg2﹢濃度，mg·L-1。

2.8.2 煙氣中將液滴含量采樣狀況及測(cè)試結(jié)果

新的煙氣霧滴捕集裝置和方法在山西某電廠除霧器出口煙道處的霧滴捕集采樣狀況和結(jié)果如表1所示。

表1 某電廠除霧器出口煙道處的霧滴捕集采樣狀況

可以看出新的煙氣霧滴捕集裝置完全滿足《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》GB/T 21508—2008中的煙氣中漿液滴含量的測(cè)定要求。

3 總結(jié)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用認(rèn)為，此種煙氣霧滴捕集采樣器和改造后的霧滴采樣裝置，在除霧器的霧滴捕集采樣試驗(yàn)中可以完成煙氣中霧滴捕集采樣工作，符合《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》GB/T 21508—2008中的煙氣中漿液滴含量的測(cè)定要求。當(dāng)使用項(xiàng)目研發(fā)的煙氣霧滴捕集采樣裝置時(shí)，霧滴捕集采樣狀況良好，采樣試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單方便，由于采用自動(dòng)平衡煙氣采樣儀和精準(zhǔn)口徑的采樣嘴，采樣過(guò)程中煙氣流量的采集更加真實(shí)可信，對(duì)采樣嘴方向和煙道內(nèi)煙氣流場(chǎng)的狀況更易于控制把握，綜合而言，此種煙氣霧滴捕集采樣器和改造后的霧滴采樣裝置能較好滿足除霧器的霧滴捕集采樣試驗(yàn)，減少試驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減輕試驗(yàn)工作量，縮短采樣時(shí)間。該裝置簡(jiǎn)單易用，具備良好的使用、推廣價(jià)值。