GSA煙氣脫硫脫酸工藝反應(yīng)塔結(jié)垢和濕壁問題分析

高傳峰，壽恩廣，朱佳斌

GSA煙氣脫硫脫酸工藝反應(yīng)塔結(jié)垢和濕壁問題分析

高傳峰，壽恩廣，朱佳斌

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

針對脫硫反應(yīng)塔結(jié)垢和濕壁問題進(jìn)行了深入分析和研究。結(jié)垢和濕壁較為嚴(yán)重區(qū)域在喉口上部突擴(kuò)段至反應(yīng)塔圓筒下部高約4 m，認(rèn)為產(chǎn)生的原因有噴漿量與飛灰循環(huán)量嚴(yán)重偏離設(shè)計條件、煙氣流場不均勻和漿液停留時間短。

GSA工藝；脫酸反應(yīng)塔；飛灰循環(huán)；流場分析

GSA煙氣脫硫脫酸技術(shù)是具有代表性的半干法脫硫脫酸技術(shù)[1]，主要應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫硫脫酸及火力發(fā)電廠煙氣脫硫。其中，在垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫硫脫酸上有幾十例成功的案例，備受關(guān)注。該技術(shù)相對其他脫硫技術(shù)，有煙氣流速快、流場不均勻性明顯、紊流度大、飛灰循環(huán)量大且循環(huán)倍率高等特點，在實際運行中也容易出現(xiàn)脫酸反應(yīng)塔內(nèi)結(jié)垢和濕壁嚴(yán)重、分離器設(shè)備磨損程度大等問題[2]。本文針對某垃圾焚燒發(fā)電廠GSA煙氣脫酸反應(yīng)塔結(jié)垢和濕壁的具體情況，借助計算機(jī)，通過流場模擬對結(jié)垢和濕壁問題進(jìn)行了研究和探討，給出了該問題產(chǎn)生的主要原因，為該工藝設(shè)備的正常運行提供指導(dǎo)。

1 GSA工藝介紹

GSA煙氣脫硫脫酸凈化工藝流程為煙氣經(jīng)水平煙道進(jìn)入脫酸塔底部后，向上運動，在喉口處與壓縮空氣霧化后的漿液混合，經(jīng)突擴(kuò)段后進(jìn)入反應(yīng)塔塔體內(nèi)，并與循環(huán)灰充分混合，以達(dá)到脫硫脫酸的目的，脫硫脫酸后的煙氣進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，分離后的煙氣通過加入活性炭去除二噁英等污染物，然后進(jìn)入除塵器除塵，通過引風(fēng)機(jī)將處理后的煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。95%以上的旋風(fēng)分離器分離后的飛灰通過下部灰倉經(jīng)螺旋輸送機(jī)，返回至脫硫脫酸塔內(nèi)，以供循環(huán)利用，部分飛灰的循環(huán)倍率高達(dá)100次以上，少量分離灰通過螺旋輸送機(jī)與除塵器的灰塵通過輸送設(shè)備運至灰場存放。該工藝系統(tǒng)的飛灰高循環(huán)倍率使脫硫劑的使用率高達(dá)95%以上，能夠較大程度上減少運行費用。

2 脫硫脫酸塔結(jié)垢和濕壁現(xiàn)象

某垃圾焚燒發(fā)電廠采用GSA煙氣脫硫脫酸工藝對煙氣進(jìn)行凈化處理，反應(yīng)塔高約13 m，喉口和突擴(kuò)段高約1.8 m，喉口段煙氣平均流速約40 m/s，塔內(nèi)平均流速約7 m/s。自開始投運以來，反應(yīng)塔內(nèi)一直存在結(jié)垢和濕壁現(xiàn)象，而且隨著運行年限的增加，結(jié)垢和濕壁問題越來越嚴(yán)重，運行期1個月左右的時間塔內(nèi)回流區(qū)溜灰管對側(cè)以上4 m范圍內(nèi)，結(jié)垢厚度達(dá)200～300 mm，且整個區(qū)域的結(jié)構(gòu)不均勻，溜灰管一側(cè)的壁面結(jié)垢相對弱一些，而且該區(qū)域也出現(xiàn)了濕壁問題，現(xiàn)場查看，用手可觸摸到的液態(tài)物質(zhì)為石灰漿液。

3 結(jié)垢和濕壁問題原因分析

GSA煙氣脫硫脫酸凈化工藝屬于傳統(tǒng)的噴霧干燥技術(shù)，該工藝中塔內(nèi)的結(jié)垢和濕壁現(xiàn)象與噴霧干燥塔有相似的原因，通過資料查閱和相關(guān)研究，認(rèn)為產(chǎn)生該問題的原因有以下3個方面。

3.1 運行工況偏離設(shè)計條件

通過對比該垃圾發(fā)電廠GSA煙氣脫硫脫酸工藝的設(shè)計工況與運行工況我們可以知道，脫硫脫酸裝置沒有達(dá)到設(shè)計工況，實際運行煙氣量約為42 000 Nm3/h，明顯高于設(shè)計值36 178 Nm3/h。而運行溫度、飛灰含量和循環(huán)倍率等也明顯偏離設(shè)計工況。根據(jù)GSA煙氣脫硫脫酸的設(shè)計技術(shù)要求，飛灰在脫硫塔內(nèi)的濃度要控制在500～2 000 g/Nm3，這也是吸收噴射漿液，避免大量漿液噴到壁面上的主要措施，該項目的飛灰設(shè)計值為750 g/Nm3，而實際運行值僅為60 g/Nm3，與設(shè)計相差很大，這就導(dǎo)致了漿液在進(jìn)入塔內(nèi)，沒有被足夠的飛灰混合、吸收，塔內(nèi)濕壁，沿壁面出現(xiàn)水膜；同時由于飛灰濃度過低，混合后的濕灰在氣流的影響下更容易在塔內(nèi)積聚、結(jié)垢。

3.2 塔內(nèi)流場分布不均勻

根據(jù)脫硫脫酸塔的設(shè)計，在煙氣由一個水平煙道，分別經(jīng)過一個90°的彎頭和文丘里結(jié)構(gòu)的引入管進(jìn)入到主塔內(nèi)。90°彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板，以減小煙氣偏流和阻力損失，煙氣在進(jìn)入文丘里結(jié)構(gòu)時，流速由15 m/s增加到35 m/s，該文丘里結(jié)構(gòu)能夠保證飛灰基本不會下落至彎頭處，是懸浮吸收的必要條件，該結(jié)構(gòu)與主塔的連接擴(kuò)張段形成了強(qiáng)烈的煙氣、飛灰和漿液的回流，能夠有效促進(jìn)該區(qū)段及以上塔內(nèi)的氣、液、固的三相傳熱傳質(zhì)，增大脫硫劑的利用率，降低煙氣的排放濃度。然而，數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)水平煙氣在帶有導(dǎo)流板的彎頭處轉(zhuǎn)向后仍有偏流發(fā)生，致使回流區(qū)不均衡，模擬結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 脫硫脫酸塔內(nèi)煙氣速度云圖

圖2 脫硫脫酸塔喉口處煙氣速度矢量圖

根據(jù)圖1脫硫脫酸塔內(nèi)煙氣速度云圖可以看出在下部彎頭處有明顯的速度梯度，喉口處煙氣平均流速約為35 m/s，擴(kuò)張段至主塔底部4 m以下部分形成了低速回流區(qū)，并且彎頭內(nèi)側(cè)的低速回流區(qū)域大于彎頭外側(cè)；從圖2脫硫脫酸塔喉口處煙氣速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，煙氣中心區(qū)煙氣速度較大，向壁面處速度逐漸降低，并在壁面附近區(qū)域形成由上而下的煙氣流向，即煙氣的回流。煙氣回流的同時卷吸了大量的漿液和飛灰，促進(jìn)了氣、固、液三相的混合，但同時由于飛灰量較少，使大量的含灰漿液在回流的影響下，引向壁面，導(dǎo)致發(fā)生了結(jié)垢現(xiàn)象，漿液的含水率較高，沿壁面形成水膜，向下流動。

3.3 漿液霧化干燥時間不充足

GSA煙氣脫硫脫酸技術(shù)塔內(nèi)煙氣流速為6～7 m/s，煙氣在塔內(nèi)的停留時間約為2.5 s，對噴霧的要求較高。

本項目塔內(nèi)噴嘴采用美國SPRAY公司FM10A兩相流噴頭，噴頭性能：壓縮空氣壓力3.45 kg/cm2，最大噴霧（水）粒徑max在160～250 um之間，0.9在140～200 um之間，平均粒徑32在90～120 um之間。噴霧的液相介質(zhì)為“8%的石灰漿液+冷卻水”，混合石灰漿液濃度低于1%.噴霧（1%濃度漿液）的粒徑分布特性及噴霧干燥時間應(yīng)與噴水非常相似。根據(jù)顆粒干燥理論分析，在不考慮煙氣濕度和煙氣流場的影響下，項目現(xiàn)場噴霧量在1.3～1.9 t/h（5～7 gpm），32為100 um，0.9為150 um，max為180 um。在260 ℃空氣環(huán)境中，如霧滴沒有與飛灰混合，約1/2霧滴完全干燥需要2 s以上時間，較大霧滴完全干燥需要的時間可達(dá)5 s以上。而噴槍安裝高度在距離喉管段（直徑813 mm）出口0.8 m處，反應(yīng)器擴(kuò)管段（錐角60°）高約1 m，直管段（直徑為1 926 mm）高約13 m，直管段平均流速約為7.0 m/s，停留時間約為1.86 s，噴霧液滴在反應(yīng)器內(nèi)完全干燥的可能性幾乎為0.因此，分析可知霧化漿液顆粒在脫酸塔內(nèi)的干燥時間不充足。

4 結(jié)論

依據(jù)相關(guān)資料和垃圾焚燒項目脫酸塔運行分析，總結(jié)出引起濕壁和結(jié)垢的主要原因有以下幾點：①焚燒爐鍋爐煙氣飛灰濃度低，反應(yīng)器循環(huán)灰量及飛灰循環(huán)倍率過小，煙氣中顆粒物濃度太低，偏離了GSA的工藝原理基礎(chǔ)。②脫酸塔內(nèi)煙氣流速不均勻，存在嚴(yán)重的煙氣貼壁回流現(xiàn)象，引起漿液顆粒撞擊塔壁，引起塔內(nèi)濕壁結(jié)垢。③漿液霧滴在脫酸塔內(nèi)停留時間較短，干燥時間不充足，引起塔內(nèi)上部凝結(jié)的漿液向下流動，加重了塔內(nèi)中部結(jié)垢程度。

［1］潘永康，王喜忠，劉相東.現(xiàn)代干燥技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］曹恒武，田振山.干燥技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用［M］.北京：中國石化出版社，2003.

［3］陳明功，支友剛.半干法煙道氣脫硫影響因素的理論分析［J］.江蘇環(huán)境科技，2000（1）.

［4］周敏.電廠煙氣噴霧干燥法脫硫的理論研究［J］.煤礦環(huán)境保護(hù)，1994，8（3）：28-30.

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕

2095－6835（2018）19－0074－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.074