燃煤電廠脫硫吸收塔協(xié)同除塵的增效研究

張雅姝，蘇軍劃

（1.中國人民大學(xué)資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100872；2.中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160）

當(dāng)前，燃煤電廠污染物排放限值日趨嚴(yán)格，進(jìn)一步提高燃煤機(jī)組除塵、脫硫性能是火電廠面臨的重要課題[1-8]。如果能夠?qū)γ摿蛭账?nèi)部進(jìn)行優(yōu)化配置，在提高脫硫效率的同時兼顧除塵，必然大大降低火電廠環(huán)保系統(tǒng)的投資成本。

為此，本文根據(jù)粉塵捕集的機(jī)理[9-10]，研究了設(shè)置導(dǎo)流環(huán)、優(yōu)化噴嘴布置、增加液滴凝聚系統(tǒng)等對脫硫吸收塔除塵能力的增強(qiáng)作用。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠顯著提高除塵效率，滿足超低排放限值的要求。目前，研究成果已在陜西某電廠完成試驗驗證。

1 設(shè)置導(dǎo)流環(huán)

對于煙氣濕法脫硫吸收塔，塔內(nèi)中心區(qū)的液膜覆蓋率較高，該區(qū)域的脫硫效率通?？筛哌_(dá)99.9%；而對于吸收塔近壁區(qū)域，液膜覆蓋率較低，阻力較小，當(dāng)煙氣流向該區(qū)域時，極易逃逸，導(dǎo)致吸收塔的除塵、脫硫效率較低。

為解決煙氣流速分布不均的問題，在吸收塔內(nèi)設(shè)置了導(dǎo)流環(huán)。圖1a)為不帶噴淋、不設(shè)置導(dǎo)流環(huán)時吸收塔軸向截面煙氣速度分布?？梢钥闯觯粠娏軙r，煙氣由吸收塔入口進(jìn)入噴淋塔，受到吸收塔的阻擋向上運(yùn)動，形成了循環(huán)流動。圖1b)為有噴淋無導(dǎo)流環(huán)時吸收塔軸向截面煙氣速度分布?？梢钥闯?，增加噴淋后，塔內(nèi)煙氣的循環(huán)流動基本消失。噴入漿液后，受到噴淋漿液液滴的影響，入口煙氣進(jìn)入塔體后迅速趨于均勻。圖1c)為有噴淋有導(dǎo)流環(huán)時吸收塔軸向截面煙氣速度分布。可以看出，在導(dǎo)流環(huán)的作用下，煙氣向脫硫塔中心流動，塔壁面附近的煙氣速度明顯降低，有利于吸收過程的進(jìn)行。

圖1 吸收塔軸向截面煙氣速度分布Fig.1 The distribution of flue gas velocity in axial section the desulfurization absorber

2 設(shè)置吸收塔均流板

設(shè)置導(dǎo)流環(huán)后，高速帶明顯向塔中心移動（圖1）。為了更好地進(jìn)行傳質(zhì)和均流，提出了一種正六邊形的均流板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 正六邊形開孔均流板Fig.2 Schematic diagram of the hexagonal flow equalizer with holes

在相同的開孔率條件下，正六邊形開孔均流板比圓形均流板的孔距更大，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更有利于對氣流進(jìn)行割裂，增加泡沫量，增大傳質(zhì)面積，從而提高對煙塵的捕集能力。另外，正六邊形開孔也有利于氣流湍動，在局部區(qū)域強(qiáng)化傳質(zhì)混合。

煙氣高速進(jìn)入液膜層后，激起大量泡沫（圖3），這些泡沫相互交疊，增加了煙氣與漿液的接觸概率，使煙氣中的微細(xì)粉塵和SO3被有效捕捉。由圖3可以看出，有均流板時泡沫大量增加，氣液接觸充分，可有效降低漿液循環(huán)泵的循環(huán)流量。

圖3 吸收塔試驗臺觀察口Fig.3 The observation ports of the absorption tower test-bench

3 吸收塔噴淋層噴嘴優(yōu)化布置

為了增加噴淋塔的漿液覆蓋率，根據(jù)吸收塔內(nèi)的流場特點，通過不同噴嘴的優(yōu)化組合進(jìn)一步提高吸收塔的除塵、脫硫效率。在吸收塔近壁區(qū)域，采用高噴淋密度的90°實心錐雙頭同向噴嘴（圖4），能夠顯著提高該區(qū)域的漿液覆蓋率，減小煙氣逃逸量。在吸收塔中心區(qū)域，采用霧化粒徑均勻度高的空心錐雙向噴嘴（圖5），可以有效增加該區(qū)域的漿液覆蓋率；在吸收塔的最頂層設(shè)置單向噴嘴，能夠有效地降低煙氣攜帶漿液量。

對于設(shè)置了4 層噴淋層的吸收塔，可以將噴嘴設(shè)置為如圖6所示的布置方式，雖然這樣增加了施工難度和管路及循環(huán)泵的布置難度，但是對除塵有顯著的改善作用。

圖4 90°實心錐雙頭同向噴嘴（吸收塔近壁區(qū)域）Fig.4 The 90°solid conical double-nozzle(near the tower wall)

圖5 120°空心錐雙向噴嘴（吸收塔中心區(qū)域）Fig.5 The 120°hollow cone double-nozzle(middle part of the tower)

圖6 噴嘴優(yōu)化布置方案Fig.6 The optimized scheme of nozzle layout

4 增加液滴凝聚系統(tǒng)

常規(guī)高效除霧器對顆粒物和液滴的去除是基于慣性碰撞理論，其分割粒徑約為15 μm。當(dāng)顆粒（粉塵或石膏霧滴）粒徑＜15 μm 時，除霧器的去除效率相對較低；而當(dāng)顆粒粒徑＞30 μm 時，其去除效率基本達(dá)到100%[11]。凝聚使煙氣中的超細(xì)顆粒物團(tuán)聚長大到濕法脫硫除霧器所能脫除的粒徑范圍，可提高脫硫塔對超細(xì)顆粒物的脫除效率[12]。

本研究通過采用冷凝和霧化凝聚的方式將粒徑＜15 μm 的微細(xì)粉塵與石膏霧滴凝并成粒徑＞40 μm的顆粒，然后利用精細(xì)除霧器進(jìn)行脫除。去除細(xì)顆粒物及石膏霧滴的工藝流程如圖7所示。

圖7 去除顆粒物和霧滴的工藝流程Fig.7 The process flow of removing particles and fog drops

首先，煙氣經(jīng)過吸收塔的脫硫漿液進(jìn)行洗滌，洗滌后的煙氣進(jìn)入第1 級除霧器（圖7a)），在第1 級除霧器內(nèi)能夠有效去除粒徑為60～1 500 μm 的大顆粒霧滴。

然后，煙氣進(jìn)入翅片管式冷凝器（圖7b)），飽和煙氣開始冷凝。水蒸氣以煙氣中的粉塵作為凝結(jié)內(nèi)核開始凝結(jié)并逐步增大。表面結(jié)露后的粉塵，其親水性和浸潤性會顯著增大，為下一步提高凝并效率奠定了基礎(chǔ)。

接著，煙氣進(jìn)入超細(xì)霧化凝并區(qū)域（圖7c)）。超細(xì)霧化凝并系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、雙流體噴嘴、合金管路等組成。冷卻水經(jīng)壓力空氣噴射形成致密的霧化區(qū)域，霧化粒徑為40～100 μm，煙氣中大部分粉塵及全部石膏霧滴被凝并成＞40 μm 的大顆粒液滴。

此后，煙氣按順序先后進(jìn)入第2 級和第3 級精細(xì)除霧器（圖7d)）。因為精細(xì)除霧器的分割粒徑約為15 μm，而煙氣的大部分粉塵粒徑已＞40 μm，所以煙氣流經(jīng)第2 級和第3 級精細(xì)除霧器后，細(xì)顆粒物粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)到＜5 mg/m3。同時，由于凝并系統(tǒng)的作用，進(jìn)入精細(xì)除霧器的煙氣的固體含量大幅降低，顯著降低了除霧器的堵塞風(fēng)險。

5 工程驗證

陜西某電廠超低排放工程于2015年5月28日開工，2015年年底實現(xiàn)2 臺機(jī)組雙投。工程建設(shè)期間，由于煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，技術(shù)方案也隨之變更。最后明確采用高效電袋復(fù)合除塵器（出口煙塵質(zhì)量濃度≤10 mg/m3）+超凈濕法脫硫裝置（粉塵質(zhì)量濃度≤5 mg/m3）的技術(shù)方案，協(xié)同除塵通過本文提出的在脫硫吸收塔內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流環(huán)和均流板、優(yōu)化噴嘴布置、增加液滴凝聚系統(tǒng)等技術(shù)實現(xiàn)。

應(yīng)用結(jié)果表明：1 號機(jī)組脫硫吸收塔進(jìn)、出口粉塵質(zhì)量濃度分別為9.1、3.3 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、干基、(O2)=6%，下同），脫硫塔原煙氣和凈煙氣中的SO2質(zhì)量濃度分別為3 438、31.7 mg/m3；2 號機(jī)組脫硫吸收塔進(jìn)、出口粉塵質(zhì)量濃度分別為9.6、3.7 mg/m3，脫硫塔原煙氣和凈煙氣中的SO2質(zhì)量濃度分別為2 956、21.4 mg/m3。2 臺機(jī)組脫硫塔出口的粉塵和SO2質(zhì)量濃度分別在5 mg/m3和35 mg/m3以下，能夠滿足粉塵超低排放的要求。

6 結(jié) 論

1）增設(shè)導(dǎo)流環(huán)和正六邊形開孔均流板，能夠顯著增加氣液接觸面積和煙氣的停留時間，提高脫硫效率和除塵效率。

2）根據(jù)各噴淋層中間區(qū)域和塔壁區(qū)域的流場特點，采用不同參數(shù)的噴嘴，對各噴淋層的噴嘴進(jìn)行優(yōu)化布置，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)吸收塔的除塵效果。

3）增加液滴凝聚系統(tǒng)并采用三級除霧器，通過煙氣的冷凝和凝聚，將液滴粒徑增加至40 μm 以上并通過多級除霧器去除，能夠顯著加強(qiáng)吸收塔對微細(xì)粉塵的脫除效果。