燃煤電廠除霧器技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢分析

吳其榮，喻江濤，周川雄，杜云貴

(1. 國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司，重慶 401122；2.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400060)

1 引 言

除霧器是燃煤電廠煙氣脫硫吸收塔內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要用于煙氣中霧滴的脫除[1]。隨著我國超低排放政策的實施，對燃煤電廠除霧器的研究也逐漸受到關(guān)注[2～4]，對于霧滴的要求也由傳統(tǒng)的75mg/Nm3降低到目前的20～25mg/Nm3的要求。除霧要求的提高也為除霧器的創(chuàng)新發(fā)展帶來了促進作用，各種新型、高效的除霧技術(shù)和方法得到應(yīng)用[1,5-6]，如采用管式+折流式、三級折流式+水平煙道式或旋流式除霧器。應(yīng)用結(jié)果表明除霧器的出口霧滴含量得到了大幅降低，對實現(xiàn)燃煤電廠實現(xiàn)超低排放起到了積極的作用。

目前除霧的方法很多，較為常用的除霧器有慣性式、折流式、旋流板式、旋風(fēng)分離式、絲網(wǎng)式、濕式電除塵等[7]。各種除霧技術(shù)在技術(shù)原理上稍有不同，本文結(jié)合除霧器技術(shù)的發(fā)展歷程和除霧器的結(jié)構(gòu)特點，分析總結(jié)了不同類型除霧器的結(jié)構(gòu)特點及其應(yīng)用狀況，并重點針對其在燃煤電廠的應(yīng)用情況進行了總結(jié)和分析，提出了燃煤電廠超低排放要求下的除霧器技術(shù)發(fā)展趨勢，為除霧器的研究和開發(fā)提供參考。

2 燃煤電廠的除霧器的應(yīng)用形式

目前，針對除霧器的分類較多，主要有慣性式、管束式、折流式、旋流式、旋風(fēng)式、絲網(wǎng)式、濕式電除霧等[7]，各類型除霧器的除霧特性如表1所示。從表1中可以看出，不同類型的除霧器，其分割粒徑、壓損、分離效率和進口氣速的要求均存在較大差異，實際工程應(yīng)用中，可根據(jù)煙氣條件和除霧效率的要求，選擇合適的除霧器。由于燃煤電廠脫硫裝置及其液滴的特點，并非所有除霧器均在燃煤電廠得到應(yīng)用，目前得到應(yīng)用的主要有管式、折流式、旋流式和濕式電除塵器，其典型實例圖如圖1所示。管式除霧器和折流式除霧器除霧原理主要是慣性力作用，旋流式為慣性力和離心力的共同作用，而濕式電除霧器由于其靜電力作用，霧滴在電場力作用下定向向極板移動，從而實現(xiàn)霧滴的凝聚和脫除。

表1 不同類型除霧器的除霧特性[7～10]Tab.1 Performance of different types of mist eliminator

圖1 不同類型除霧器實例Fig.1 Picture of different types of mist eliminators

2.1 管式除霧器

管式除霧器是一種機械式除霧器，其主要由一系列管束組成，目前尚未有單獨應(yīng)用的相關(guān)報道，在燃煤電廠一般用于脫硫塔的預(yù)脫除[8]，以減少對后續(xù)除霧器的除霧壓力，降低系統(tǒng)運行的堵塞風(fēng)險。管式除霧器脫除粒徑在400～500μm之間，壓損也較低，約為50Pa，因此可用在一些除霧要求不高，或一些預(yù)除霧領(lǐng)域。

2.2 折流板式

折流板式除霧器為機械式除霧器的一種，利用慣性力脫除液滴。當(dāng)攜帶液滴的煙氣進入除霧器通道后，沿除霧器通道流動，煙氣流線隨著除霧器通道方向的變化而發(fā)生偏折，煙氣中攜帶的液滴由于慣性作用，運動方向發(fā)生改變而從煙氣中分離，液滴粘附在板表面形成水膜，聚集后緩慢流下，從而實現(xiàn)煙氣和霧滴的分離。折流板除霧器，按照葉片形狀不同，可分為折形板、波紋板、折形帶倒鉤、折形不帶倒鉤板、波紋板以及帶倒鉤波紋板等，按幾何形狀可分為折線型(a 、d)和流線型(b 、c),按結(jié)構(gòu)特征可分為2通道葉片和3通道葉片。其形狀示意圖如圖2所示，圖中b，c型由于其臨界流速較高，易清洗，在目前燃煤電廠的脫硫設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛。按照布置級數(shù)分類，可分為一級布置，二級布置或三級布置，一級除霧器主要用于去除粒徑較大的霧滴與粉塵顆粒，二、三級除霧器，主要用來除去小顆粒和水霧滴。

折流板除霧器具有結(jié)構(gòu)簡單，處理能力大，壓降阻力小，安裝方便等特點，而且其優(yōu)秀的氣液分離性能被廣泛認可，在我國實施超低排放改造前，其幾乎是燃煤電廠除霧器的主流結(jié)構(gòu)。最早關(guān)于折流板除霧器的研究可追溯到1939年，研究的主要手段是實驗方法。1982年，Ushik等對波形板的性能特點進行了實驗測試，得到了除霧性能的影響因素，主要包括布置級數(shù)、葉片傾斜角、氣流速度、葉片間距[12]。隨后大量關(guān)于其力學(xué)性能[10,13]、結(jié)構(gòu)形式[14]和分離效果的研究[14-15]。在理論研究方面，王曉墨[16]建立了液滴的二次攜帶的碰壁模型，模型可求出液滴群的直徑、數(shù)目、速度 和角度。姚杰等通過對帶鉤波紋板型除霧器內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，分析了葉片轉(zhuǎn)折角度和圓弧段轉(zhuǎn)彎半徑等對壓降和效率的影響，指出鉤片圓弧段轉(zhuǎn)彎角度、半徑分別在30°、32mm時對壓力損失的影響出現(xiàn)極小值，均在60Pa上下[17]。楊柳等[18]運用ANSYS16.1軟件的FLOTRAN CFD模塊分析了折板形和弧形兩種不同結(jié)構(gòu)形式的除霧器的流場，發(fā)現(xiàn)對于垂直布置和菱形布置的除霧器，30mm葉片間距時液滴二次攜帶的臨界流速約為5～6m/s，水平布置流速為8m/s。在除霧器的分割粒徑研究上，有研究者得到其一、二級的臨界分割粒徑30～32μm,26.5～28.5μm[5];此外對某2×600 MW 機組的脫硫塔裝有二級平板式除霧器的測試結(jié)果表明，其幾乎能夠完全脫除39μm以上的液滴，而對20～39μm 的粒徑能去除50%，對20μm 以上的液滴幾乎沒有脫除作用[5]，此外，還有研究者開展了對加裝雙鉤片對板式除霧器的性能及不同粒徑的去除率的影響研究，結(jié)果表明，其對10μm，20μm的去除效率分別由7.99%提升到23.14%，31.63%提升到60.49%[17]。

圖2 不同類型的折流式除霧器Fig.2 Types of different turn back flow mist eliminators

在超低排放改造前，由于霧滴排放濃度要求為75mg/Nm3，因此一般采用二級葉片的配置[11]，由于超低排放改造后，對霧滴提出了更高的要求，兩級除霧器已不能滿足超低排放的要求，目前較多使用管式+兩級折流式或三級折流式除霧器布置方式。表2為折流式除霧器的典型應(yīng)用案例及其參數(shù)，從表2中可以看出，不同布置形式的除霧器其出口霧滴濃度差異較大。隨著除霧器布置級數(shù)的增多，其出口霧滴不斷降低，在2級布置時，其出口霧滴濃度達到70 mg/Nm3，三級布置可達到38mg/Nm3，當(dāng)采用三級+煙道式除霧器時，可達到24mg/Nm3。因此，針對目前燃煤電廠的超低排放要求，為了滿足<30mg/Nm3的霧滴濃度要求，建議采用三級折流式+煙道式除霧器或管式+三級折流式的除霧器布置形式，或者考慮采用一些新型結(jié)構(gòu)的折流式除霧器。

表2 典型折流式除霧器的應(yīng)用案例Tab.2 The typical application of turn back flow mist eliminator

2.3 旋流板式

旋流板除霧器為機械式除霧器的一種，其技術(shù)原理在于旋流板迫使氣體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，煙氣中的霧滴附著于筒壁被收集，形成液膜后沿筒壁流下進入塔內(nèi)，實現(xiàn)氣液分離。主要用于分離工業(yè)生產(chǎn)中煙氣夾帶的液滴，通常放在塔頂使用。

旋流板除霧器由旋流葉片、擋水片及筒體組成。結(jié)構(gòu)與風(fēng)車類似，中心圓盲板四周分布一定角度的多塊葉片，葉片由方板或異形按一定角度切割翻起制成，與盲板連成一體，末端與筒體焊接。筒體上下端焊接環(huán)狀擋水片[19]。擋水片的作用是收集被旋轉(zhuǎn)氣流沿筒壁攜帶的霧滴以及收集沿筒壁流下的液體，以免被旋轉(zhuǎn)氣體二次攜帶。

旋流板除霧器于20世紀70年代初浙江大學(xué)譚天恩等發(fā)明以來，旋流板技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用。旋流板除霧器具有除霧效率高，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強等優(yōu)點[20]。旋流板起初多用于直徑較小的塔器，多數(shù)用作氣液傳質(zhì)塔板，一般為內(nèi)向板，稱為吸收板(或稱旋流塔板)；也有用在塔頂對出塔氣體截留霧沫的，一般為外向板，稱為除霧板(或稱除沫板)[21]。

旋流式除霧器在我國的氨法脫硫、預(yù)冷塔、電廠脫硫、海水脫硫[6]系統(tǒng)上均得到了廣泛應(yīng)用，其尺寸從DN1500到DN400均有應(yīng)用[21]。由于燃煤電廠的除霧器主要用于大型脫硫吸收塔，針對其大型化的發(fā)展主要有兩個方向，一是通過多個小直徑的旋流板除霧器并列組成而成，通過模塊化設(shè)計來實現(xiàn)；另一個是采用較為大型的旋流裝置，如表1中的某法脫硫吸收塔的除霧器采用了DN1500mm的尺寸。

旋流式除霧器的影響因素主要包括葉片數(shù)、旋流板片仰角、開孔率、穿孔動能、旋流板徑向角、罩筒高度、回流管的總面積和回流管尺寸[21-22]。對于塔徑在1m以下的，葉片數(shù)可取16～24; 塔徑大于1m時，葉片數(shù)可相應(yīng)增加[21]。但減少葉片數(shù)可減小霧滴的分散程度,不利于收集霧滴[23]。塔底的旋流板葉片不宜過少，以增大塵、水的接觸、混合程度；塔頂部的旋流板葉片數(shù)不宜多,以減小塵、水混合后的分散程度利于收集[23]。旋流板片仰角α一般取值為25°～45°，此時對效率影響較小[21]。開孔率的取值隨用途而異：作為傳質(zhì)用的內(nèi)向板，α=30%；除塵或除霧用的外向板，α=40%[22,24]。穿孔動能因子F0一般為10～12kg0.5/(m0.5·s)為宜，最大不得超過15kg0.5/(m0.5·s)[22,24]。表3列出了幾個典型旋流式除霧器的應(yīng)用案例，雖然應(yīng)用的行業(yè)和規(guī)格不同，但其參數(shù)相差不大，主要原因是由于旋流式除霧器的原理和要求決定了其結(jié)構(gòu)特點。

目前針對旋流式除霧器的研究，主要集中在燃煤電廠的應(yīng)用性能研究上，由于其一般安裝在管束內(nèi)，因此也被廣泛稱為管束式除霧器。龍良州[25]通過對實際工程項目的測試表明，管束式旋流除霧器的除霧效果隨負荷的降低具有一定的降低作用，由100%負荷時的32.1mg/Nm3增加到50%負荷時的38.5mg/Nm3。黃逸[26]通過數(shù)值模擬的方法，研究了管束式旋流除霧器的影響因素，結(jié)果表明除霧效率隨煙氣流速增加而增加，隨葉片角度增大，除霧效率降低，系統(tǒng)壓損隨葉片角度增大而減小。雖然目前國內(nèi)已有較多公司開發(fā)和實現(xiàn)了旋流式除霧器的工業(yè)應(yīng)用，但可能處于各自技術(shù)專利和保密的需要，并未有較多詳細的機理研究，相關(guān)報道主要集中在其應(yīng)用效果上[6,26～28]。隨著旋流除霧器的不斷應(yīng)用，未來其結(jié)垢、堵塞、磨損等問題可能不斷出現(xiàn)，因此，解決這些運行問題將是未來一段時間的重點研究方向。此外，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升捕集效率和收水效果、降低系統(tǒng)壓損也是旋流式除霧技術(shù)的發(fā)展方向。

表3 旋流式除霧器的應(yīng)用案例[10,21-22,29]Tab.3 Application of spiral-flow mist eliminator

2.4 濕式電除霧器

濕式電除霧器屬于靜電式除霧器，利用電場力脫除霧滴，由于其也可以用于粉塵的脫除，在燃煤電廠也廣泛被稱為濕式電除塵器。濕式電除塵器和干式電除塵器的收塵原理相同，都是靠高壓電暈放電使得粉塵、霧滴荷電，荷電后的粉塵、霧滴在電場力的作用下到達到集塵板/管。

國外對電除霧器的應(yīng)用有30多年的歷史，早在1986年美國AES Seepwater電廠就實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用[8]。我國從上世紀60年代就開始電除霧器的研究，在化工、冶金等領(lǐng)域已有多年的使用經(jīng)驗[30]，但由于其煙氣流速與燃煤電廠的流速有一定差異，因此國內(nèi)在原電除霧器的基礎(chǔ)上，結(jié)合燃煤煙氣特點，紛紛開展了濕式電除塵技術(shù)的優(yōu)化研究，并實現(xiàn)了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。在燃煤電力行業(yè)，我國已實現(xiàn)濕式電除塵器的商業(yè)化，并作為燃煤電廠超低排放的一條重要技術(shù)路線，得到廣泛應(yīng)用[31]。應(yīng)用結(jié)果表明，其除塵效率可達到70%，SO3脫除效率大于60%，霧滴脫除率大于80%，顆粒物排放可實現(xiàn)<5mg/Nm3的超低排放要求。目前，針對濕式電除塵器的研究也主要集中在其應(yīng)用結(jié)果及效果評估[32-33]、結(jié)構(gòu)及陽極材料[33]等的研究上。針對濕式電除塵器的應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，如腐蝕等是目前濕式電除塵器面臨的主要問題，通過采用鈦等新材料的陽極材料[32-33]來降低腐蝕風(fēng)險是目前濕式電除塵技術(shù)的熱點之一。

3 燃煤電廠除霧器的應(yīng)用形狀及發(fā)展趨勢分析

我國燃煤電廠的傳統(tǒng)脫硫除霧器大多采用折流板式除霧器技術(shù)，相關(guān)研究工作也主要集中在葉片結(jié)構(gòu)的形態(tài)上[34-35]。隨著超低排放的提出，旋流板除霧器得到了廣泛關(guān)注[36]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前在我國得到應(yīng)用的基于旋流式原理開發(fā)的除霧器已實現(xiàn)超100臺機組的應(yīng)用，并據(jù)公開的資料顯示[6,25,37]，旋流式除霧器均實現(xiàn)了燃燒電廠超低排放的要求。由于旋流式除霧器理論上可實現(xiàn)更低的液滴分割直徑，得到了眾多電廠業(yè)主的認可，但由于其壓損和投資成本較傳統(tǒng)折流式除霧器略高，因此其總體經(jīng)濟性略差。此外，屋脊式除霧器由于在低負荷時可能出現(xiàn)除霧效果變差的現(xiàn)象[25]，為其可靠運行也帶來了一定的風(fēng)險。

管式除霧器作為一沖預(yù)除霧設(shè)備，在避免結(jié)垢等運行問題的前提下，未來發(fā)展主要在于提升性能和與其它除霧器的匹配性的研究。

濕式電除霧器作為一種更為深度的除霧技術(shù)，其分割粒徑更小，出口霧滴濃度更低，對于更加嚴格的環(huán)保要求而言，其具有更為廣闊的發(fā)展空間，但現(xiàn)階段由于其投資和運行成本較高，且現(xiàn)有排放標準下，旋流和折流式除霧器仍具有一定優(yōu)勢，因此發(fā)展受到一定限制。隨著環(huán)保標準的不斷提高，特別是SO3和霧滴、粉塵等多污染物協(xié)同脫除時，其具有一定的優(yōu)勢，因此未來具有一定的發(fā)展空間。

4 總 結(jié)

本文在分析現(xiàn)有燃煤電廠除霧技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點對我國燃煤電廠廣泛使用的折流式除霧器和旋流式除霧器的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析，燃煤電廠的除霧器技術(shù)的發(fā)展已由單一的折流板式向管式、折流板式、旋流式、濕電電除霧器的混合方向發(fā)展；針對折流式和旋流式除霧器，通過安裝多級或結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以滿足超低排放的要求，未來的發(fā)展主要是基于運行過程中出現(xiàn)的一些問題解決和性能提升研究上；針對管式除霧器，解決好與旋流式和折流式除霧器的匹配使用，提升預(yù)除霧的性能，將是其主要發(fā)展方向；針對濕式電除塵技術(shù)，主要是解決目前運行過程中出現(xiàn)的腐蝕等問題，該技術(shù)將是未來更嚴格環(huán)保標準和多污染物協(xié)同控制要求下的理想技術(shù)之一。此外，一些新的材料技術(shù)的發(fā)展，也為除霧器的技術(shù)的發(fā)展提供了支撐，新型材料的應(yīng)用可進一步降低系統(tǒng)運行過程中的堵塞、腐蝕、磨損等風(fēng)險，同時對延長除霧器的使用壽命和提升安全風(fēng)險也具有積極作用。