脫硫漿液引射增壓裝置的理論計(jì)算研究

張錫乾，楊彭飛，吳沖

（中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京100070）

0 引言

燃煤電廠鍋爐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣中含有大量有害氣體及細(xì)顆粒物，后者會(huì)在煙囪出口形成氣溶膠，是形成霾的原因之一。實(shí)現(xiàn)煙氣凈化已成為當(dāng)前大氣污染治理的當(dāng)務(wù)之急。目前，燃煤電廠90%以上的脫硫設(shè)施采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫塔出口煙氣溫度為48～52℃［1-2］。濕法脫硫塔中煙氣與脫硫漿液逆向接觸，脫硫漿液中的水分吸收煙氣熱量變?yōu)樗魵馀c煙氣混合，使煙氣露點(diǎn)溫度和絕對(duì)含濕量逐漸升高形成飽和煙氣，并直接排入大氣。由于煙囪出口溫度較低，煙氣與冷空氣接觸過(guò)程中，煙氣中的飽和水蒸氣以空氣中的超細(xì)粉塵顆粒為凝結(jié)核發(fā)生凝結(jié)，形成氣溶膠等顆粒物［3-4］。燃煤電廠濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要通過(guò)控制脫硫塔內(nèi)漿液的pH值、Cl-的質(zhì)量濃度等參數(shù)，以確保脫硫效率和石膏品質(zhì)不受影響，同時(shí)需定期對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行排污和補(bǔ)水［5］。另外，由于脫硫塔入口煙氣溫度為110～140℃，高于脫硫系統(tǒng)運(yùn)行溫度，因此需要對(duì)脫硫入口煙氣進(jìn)行噴水降溫，保證脫硫效率［6］；同時(shí)，脫硫出口煙氣攜帶大量水蒸氣，石膏漿液的排出及反應(yīng)等造成吸收塔水分流失，因此需要不定期對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，以維持系統(tǒng)水平衡。由于濕法脫硫系統(tǒng)耗水量較大，對(duì)處于北方缺水地區(qū)燃煤機(jī)組影響較大［6-7］。

針對(duì)燃煤電廠煙氣中的超細(xì)顆粒物和氣溶膠等污染物排放及煙氣冷卻節(jié)水問題，多數(shù)電廠采用降低煙氣溫度的方法進(jìn)行處理［8-11］，部分電廠通過(guò)在脫硫循環(huán)漿液管道上增設(shè)漿液冷卻裝置降低煙氣飽和溫度和含濕量，從而脫除煙氣中的超細(xì)顆粒物和氣溶膠等污染物，并取得節(jié)水效果，減少吸收塔補(bǔ)水［12］。但是由于在漿液循環(huán)管道上增設(shè)煙氣冷凝裝置后管道阻力增大，導(dǎo)致漿液循環(huán)泵出力不足，脫硫效率降低。脫硫塔漿液噴嘴長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易堵塞，也容易造成漿液管道阻力增加。

為解決管道阻力增大導(dǎo)致原漿液循環(huán)泵出力不足問題，提出在脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)管道上加裝引射增壓裝置的設(shè)計(jì)方案，該裝置在燃煤電廠改造尤其是安裝空間受限場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 引射增壓裝置簡(jiǎn)介

1.1 引射增壓裝置的結(jié)構(gòu)

引射增壓裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛［13-14］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括工作流體管道、工作流體噴嘴、接收室、混合管、擴(kuò)壓管5部分。

圖1 引射增壓裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of the slurry injection and pressurization device

1.2 引射增壓裝置在脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)想

引射增壓裝置的工質(zhì)分為工作流體和引射流體。在脫硫系統(tǒng)中，其工作流體和引射流體均為脫硫漿液。脫硫漿液引射增壓裝置工作流程如圖2所示，脫硫塔內(nèi)的脫硫漿液經(jīng)電動(dòng)蝶閥進(jìn)入漿液循環(huán)泵進(jìn)行增壓，然后進(jìn)入漿液冷卻裝置與冷媒水進(jìn)行換熱降溫。漿液經(jīng)過(guò)漿冷卻裝置后的壓力損失約為10 kPa，導(dǎo)致原漿液循環(huán)泵出力無(wú)法滿足脫硫噴淋層漿液噴嘴出口的壓力，造成脫硫效率下降。若對(duì)原漿液循環(huán)泵進(jìn)行更換或改造，工期較長(zhǎng)且費(fèi)用較高。安裝引射升壓裝置可提高漿液循環(huán)管道內(nèi)的壓力，保證脫硫效率。

圖2 脫硫漿液引射增壓裝置系統(tǒng)工作流程Fig.2 Flow chart of the slurry injection and pressurization device

如圖2所示，在安裝有漿液冷卻裝置的漿液循環(huán)管道下游位置安裝引射增壓裝置。漿液冷卻裝置出口的部分漿液作為工作流體，其余漿液作為引射流體，利用工作流體引射漿液冷卻裝置出口的引射流體。工作流體先經(jīng)過(guò)升壓泵增壓到pp，通過(guò)工作流體噴嘴后壓力從pp降低到pH。隨著與噴嘴距離的增加，工作流體在接受室出口處壓力進(jìn)一步降低到p2。在壓差和高速工作流體的卷吸作用下，引射流體進(jìn)入混合管并在管內(nèi)發(fā)生劇烈的湍流作用，速度場(chǎng)逐漸趨于均衡，同時(shí)壓力升高。在混合管出口處，由于進(jìn)入擴(kuò)壓管的作用使混合漿液的速度降低，壓力升高到pc［13-15］。漿液經(jīng)引射升壓裝置后壓力從pH升高到pc，壓差為10～50 kPa，可抵消漿液冷卻裝置產(chǎn)生的阻力，保證脫硫效率達(dá)標(biāo)。

2 引射增壓裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

引射增壓裝置的內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，工作流體速度大、混合流體產(chǎn)生的回流等引起高雷諾湍流流動(dòng)。本文在索科洛夫［14］的一維噴射器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)量定理等基本定律，整理出適用于濕法脫硫系統(tǒng)的漿液引射增壓裝置理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2.1 引射增壓裝置的特性方程

本文研究的流體為濕法脫硫石灰石-石膏漿液，屬于非彈性介質(zhì)，各漿液比容相等，因此通過(guò)工作流體噴嘴的介質(zhì)流量與介質(zhì)流速成正比。引射增壓裝置的特性曲線方程可根據(jù)非彈性介質(zhì)的動(dòng)力定理直接推導(dǎo)出來(lái)，見式（1）

比值Δpc/Δpp是引射增壓裝置的相對(duì)壓降，從式（1）中可以看出，Δpc/Δpp取決于Sp1/S3、各個(gè)部件的速度系數(shù)和引射系數(shù)u，而不取決于Δpp。

另外，式（1）中假設(shè)了工作噴嘴出口截面和混合室入口截面之間的工作流體界面保持不變，且僅當(dāng)S3/Sp1≥4時(shí)適用。由于脫硫漿液引射增壓裝置屬于低壓引射，當(dāng)S3/Sp1＜4時(shí)對(duì)應(yīng)的引射裝置是高壓引射，在此不進(jìn)行討論。

2.2 引射增壓裝置最佳截面比的計(jì)算

引射增壓裝置的最佳截面比可根據(jù)式（1）推導(dǎo)出來(lái)。假設(shè)Δpp和引射系數(shù)u為已知，最佳截面比S3/Sp1可對(duì)式（1）進(jìn)行d（Δpc）/d（S3/Sp1）=0微分求解。假設(shè)n是常數(shù)，得到

對(duì)于給定了Δpc和Δpp的案例，對(duì)公式進(jìn)行了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，通過(guò)聯(lián)立式（2）和式（3）可推導(dǎo)出引射增壓裝置的相對(duì)壓力降和最佳截面比的計(jì)算公式

2.3 噴射系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于給定了Δpc和Δpp但未給定引射系數(shù)u的工程案例，通常先利用式（4）對(duì)最佳截面比S3/Sp1進(jìn)行求解，進(jìn)而求得n的具體值。式（3）可簡(jiǎn)化為關(guān)于引射系數(shù)u的一元二次方程，對(duì)其進(jìn)行求解，得到

通過(guò)上述公式可求得最佳引射系數(shù)u。

2.4 結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算

引射增壓裝置的最佳截面比在式（2）中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，在已知工作流體、引射流體或混合流體其中任一參數(shù)時(shí)，結(jié)合引射系數(shù)u可計(jì)算出工作噴嘴出口的面積為

式中：α為接收室的夾角，一般取值45°。

擴(kuò)壓管長(zhǎng)度及混合管出口截面至擴(kuò)壓管出口截面的距離

式中：β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值范圍為3.4～6.0。

擴(kuò)壓管出口直徑

式中：γ為擴(kuò)壓管的張角，取值范圍為6°～15°。

3 針對(duì)脫硫系統(tǒng)的引射增壓裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)第2節(jié)引射增壓裝置的理論計(jì)算，結(jié)合某項(xiàng)目石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及工作漿液、引射漿液的性質(zhì)，編寫了引射增壓裝置的計(jì)算程序，并計(jì)算出應(yīng)用于脫硫系統(tǒng)的引射增壓裝置幾何尺寸和運(yùn)行參數(shù)。脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operation parametersof thedesulfurization system

設(shè)計(jì)工況下引射增壓裝置的工作漿液、引射漿液以及混合漿液具體參數(shù)見表2。

表2 脫硫漿液參數(shù)Tab.2 Parameters of desulfurization slurry

采用上述設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)程序?qū)σ湓鰤貉b置進(jìn)行計(jì)算，得到引射增壓裝置的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖3為引射增壓裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，部分幾何尺寸見表3。

圖3 引射增壓裝置簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic of the injection and pressurization device

表3 引射增壓裝置幾何尺寸Tab.3 Geometric dimensionsof theinjection and pressurization device mm

表3中引射增壓裝置的幾何尺寸能夠滿足脫硫系統(tǒng)的安裝要求，且根據(jù)理論計(jì)算能夠保證脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文針對(duì)燃煤電廠漿液冷卻消除石膏雨、脫硫節(jié)水及減少氣溶膠等可凝結(jié)顆粒物技術(shù)存在漿液循環(huán)管阻力增加導(dǎo)致脫硫效率下降的問題，提出在漿液冷卻裝置下游增設(shè)引射增壓裝置的技術(shù)方案，詳細(xì)分析了引射增壓裝置的工作原理及其在濕法脫硫系統(tǒng)上應(yīng)用的設(shè)想。以索科洛夫一維設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合脫硫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件，從流體力學(xué)角度進(jìn)行了理論分析，給出了脫硫漿液引射增壓裝置設(shè)計(jì)理論計(jì)算。采用該方法編寫了計(jì)算引射增壓裝置幾何尺寸的程序，并針對(duì)某脫硫項(xiàng)目進(jìn)行了引射增壓裝置的方案設(shè)計(jì)，理論上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性，為引射增壓裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。