穩(wěn)流器與旁路對火電廠煙氣脫硫效率的研究分析

馬翔金

摘? 要：該文提出一款可應(yīng)用于濕法煙氣脫硫工藝的雙旁路直流旋風(fēng)脫硫除塵器，對其進(jìn)行了實驗測試，并對熱態(tài)煙氣脫硫方案脫硫效果進(jìn)行了研究與分析。研究表明：采用組合式的噴頭開啟方式能夠很大程度上增加系統(tǒng)的脫硫效率，且配置雙旁路+穩(wěn)流器式旋轉(zhuǎn)分離器不僅具有更好的穩(wěn)定性，而且能夠在入口流速較小的情況下達(dá)到最大脫硫效率，降低了整個裝置的能耗，脫硫效率可達(dá)到90%以上。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硫? 雙旁路直流旋風(fēng)? NaOH溶液? 脫硫效率

中圖分類號：X773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（c）-0053-03

Research and Analysis of Flow Stabilizer and Bypass on the Efficiency of Flue Gas Desulfurization

in Thermal Power Plants

MA Xiangjin

（Inner Mongolia Guohua Zhungeer Power Generation Co.， Ltd.， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000? China）

Abstract： A double bypass DC cyclone desulfurizer that can be applied to the wet flue gas desulfurization process was proposed and tested， the experimental process of the hot flue gas desulfurization program is given， the desulfurization effect of the hot flue gas desulfurization program is studied and analyzed. Studies have shown that the combined nozzle opening method can greatly increase the desulfurization efficiency of the system. The configuration of double bypass + stabilizer type rotary separator not only has better stability， but also can achieve the maximum desulfurization efficiency under the condition of a small inlet flow rate， the energy consumption of the entire device is reduced， and the desulfurization efficiency can reach 90% the above.

Key Words： Flue gas desulfurization; Double bypass direct current cyclone; NaOH solution; Desulfurization efficiency

在我國，火力發(fā)電廠是提供電能的主要來源，同時也是煤炭年均消耗量最多的工業(yè)之一?？紤]到經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，火力發(fā)電仍將以300億W的年裝機(jī)容量繼續(xù)快速發(fā)展。這也就意味著煤炭的用量也將會逐年遞增，因此，對燃煤煙氣進(jìn)行脫硫處理等問題急需得到解決。

如何在保證工業(yè)和經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的前提下，做到零污染排放是國家和企業(yè)必須面臨的重要問題。在2014年9月，國家能源局、環(huán)境保護(hù)部和國家發(fā)改委對火力電廠燃煤釋放煙氣制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該文以位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)國華電廠原有煙氣脫硫裝置作為研究對象，按照其尾氣處理工藝流程裝置搭建實驗脫硫除塵裝置系統(tǒng)，針對火力發(fā)電廠原有尾氣脫硫裝置存在的脫硫效率低和工藝不穩(wěn)定等問題，提出改進(jìn)措施，重點考察了脫硫劑種類、脫硫方法、分離器的脫硫裝置等因素對脫硫效率的影響，同時也探究了旁路和穩(wěn)流器對直流旋風(fēng)分離器性能的影響。從而在保證對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督和控制的同時，提高實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且盡可能地降低煙氣中相關(guān)物質(zhì)排放量，有效地改善發(fā)電廠的脫硫效率。

1? 火電廠煙氣脫硫機(jī)理及方法選擇

當(dāng)前，工業(yè)上主要常采用CaCO3作為脫硫劑，這種脫硫劑均適用于液膜控制過程和氣膜控制過程，但這并不適用于持液量小的脫硫設(shè)備，因此該文選擇NaOH溶液作為吸收劑，在脫硫效率上，NaOH溶液相比于CaCO3有以下優(yōu)勢：一是脫硫過程中吸收不易揮發(fā);二是氫氧化鈉在水中的溶解度比碳酸鈣高很多，在吸收塔中基本不會出現(xiàn)堵塞設(shè)備等問題[1]。在脫硫系統(tǒng)中脫硫一般分為以下3步。

（1）so2經(jīng)氣膜后擴(kuò)散到氣液界面上，并在氣液界面上進(jìn)入平衡狀態(tài)，擴(kuò)散機(jī)理和物理吸收時沒有任何差異，氣相吸收系數(shù)并不受影響。

（2）so2和NaOH溶液在液膜內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

（3）NaOH溶液在界面的周圍擴(kuò)散，進(jìn)而進(jìn)行二次處理SO2。

少量的SO2進(jìn)入NaOH溶液后，首先生成Na2SO3，隨著吸收的進(jìn)行，過量的SO2會繼續(xù)與Na2SO3反應(yīng)生成NaHSO3。

當(dāng)NaOH溶液與SO2充分反應(yīng)后，進(jìn)而SO2與生成物Na2SO3繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

該反應(yīng)在SO2與NaOH溶液的反應(yīng)完成后瞬時反應(yīng)。此外，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為PKa=2.7×105，因此可認(rèn)為脫硫過程中naoh溶液對SO2的吸收是一個不可逆反應(yīng)。這時，該過程屬于傳質(zhì)（擴(kuò)散）控制。一般，SO2在氣相和液相吸收液之間為對流擴(kuò)散，而在氣膜和液膜內(nèi)，由于受到傳質(zhì)阻力的影響，SO2擴(kuò)散速度比較慢[2-3]。

在脫硫初期，naoh溶液與SO2在液膜中發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)并生成Na2SO3等物質(zhì)。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行時，液膜內(nèi)生成物Na2SO3質(zhì)量會不斷增長，造成相界處與液相主體間存在較大的Na2SO3濃度差，從而引起Na2SO3向相界處進(jìn)行擴(kuò)散。在Na2SO3擴(kuò)散過程中，液相里的未進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的SO2也將會向液膜方向擴(kuò)散，并與擴(kuò)散的Na2SO3在反應(yīng)面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)兩者的擴(kuò)散速度能夠保持在一定的范圍內(nèi)時，保證Na2SO3和SO2始終在特定反應(yīng)面上穩(wěn)定地進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)行二次脫硫。反應(yīng)面與相界面的距離由Na2SO3和SO2擴(kuò)散速度所決定，前者速度越快，離相界面距離越小。

2? 旋轉(zhuǎn)噴霧濕法脫硫法及煙氣脫硫方案

目前，脫硫方法有脈沖電暈脫硫法、電子束脫硫法、煙氣循環(huán)流化床脫硫法、爐內(nèi)噴鈣-尾部增濕脫硫法、爐內(nèi)噴鈣脫硫法、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法、海水法、石灰石-石膏濕法等多種方法，但均優(yōu)缺點不一[4]。課題結(jié)合該實驗的實際操作條件和NaOH溶劑的選取，決定采用旋轉(zhuǎn)噴霧濕法脫硫方法，保證脫硫效果更加均勻，脫硫效率更高。同時，煙氣的濕度可參照大氣壓的空氣濕度走勢分布圖，趨近絕熱飽和溫度為11 ℃，脫硫除塵器的出口溫度為62 ℃，對應(yīng)濕含量為0.104 kgH2O/kg干煙氣。

所采用的脫硫工藝系統(tǒng)由煙氣分析器、水泵、熱電偶溫度測量儀、SO2鋼瓶、加熱器、引風(fēng)機(jī)、碰頭、旋風(fēng)分離器等多種部件構(gòu)成[5]。

煙氣通過進(jìn)氣口后進(jìn)入加熱爐經(jīng)加熱生成地?zé)釤煔?，?jīng)過煙氣管道和SO2鋼瓶中排出的SO2氣體融合后形成模擬煙氣。在脫硫系統(tǒng)中，在分離器距離入口45 cm處安裝一個霧化噴頭，噴射方向與煙氣流入方向相反，噴射出的NaOH霧氣與SO2進(jìn)行反應(yīng)，將絕大部分煙塵進(jìn)行洗滌分離。同時，在分離器中距離穩(wěn)流器45 cm和90 cm處分別安裝一個霧化噴頭，并向下進(jìn)行噴射，將更小的顆粒洗滌分離出來，最終實現(xiàn)脫硫和除塵的目的[6]。方案流程如下。

（1）首先根據(jù)測試條件及實驗要求，對NaOH溶液進(jìn)行配制，并利用水泵將其引入至噴頭處。

（2）打開引風(fēng)機(jī)后啟動加熱爐，對煙氣進(jìn)行加溫，并對其測溫。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)期溫度后，控制碟閥調(diào)整入口空氣速度。

（3）當(dāng)入口流量進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，啟動SO2鋼瓶閥門，并控制SO2入口流量，穩(wěn)定后利用煙氣分析器計量和記錄CO2的出口濃度Cin。

（4）啟動系統(tǒng)中各處噴頭，并將溶液進(jìn)行徹底的霧化，待一段時間后，利用出口煙氣分析器計量和記錄CO2的出口濃度Cout，結(jié)合上述步驟，計算脫硫效率η。

（5）測試和記錄完畢后，分別按順序依次關(guān)閉SO2鋼瓶閥門、噴頭、水泵閥門，待一段時間后再將加熱爐和引風(fēng)機(jī)停用。

3? 熱態(tài)煙氣脫硫效果分析

在進(jìn)行了實驗參數(shù)和實驗流程介紹的基礎(chǔ)上，該文對雙旁路式旋風(fēng)分離器的總壓降、脫硫效率η進(jìn)行了研究分析，其出當(dāng)入口流量升高時，分離器的總壓降也會相應(yīng)地升高，這主要是由于阻力和入口氣速的平方間成正比例關(guān)系。

對脫硫效率分別從入口流量、NaOH溶液濃度大小、噴頭開啟方式這3個方面進(jìn)行分析研究，其分析結(jié)果如下。

（1）當(dāng)入口流量逐漸升高時，其脫硫效率η也將逐漸升高，但升高至大約63.0%后將發(fā)生下滑現(xiàn)象。脫硫效率發(fā)生下降的原因主要是：①入口流量升高不僅僅將進(jìn)一步縮減NaOH溶液在裝置內(nèi)的滯留時間，而且旋轉(zhuǎn)流切向速度也會發(fā)生相應(yīng)的升高，導(dǎo)致霧化脫硫劑離心力增強(qiáng)，一些NaOH溶液黏附至筒壁上，最終使得化學(xué)反應(yīng)不能夠發(fā)生充分完全反應(yīng)。②經(jīng)加熱爐加熱的煙氣和SO2氣體混合進(jìn)入分離器內(nèi)，當(dāng)入口流量相對較小時其旋轉(zhuǎn)能量也比較低，將無法與氫氧化鈉溶液無法充分接觸而不能完全反應(yīng)。但是，當(dāng)入口流量升高至一定值以及其旋轉(zhuǎn)能量的升高將會有助于與NaOH溶液充分接觸而進(jìn)行完全反應(yīng)，從而提高脫硫效率。

（2）脫硫效率隨著入口流量升高，兩種濃度下的脫硫效率基本上相同。因此，選用質(zhì)量濃度較小的NaOH溶液作為脫硫劑，以降低資金的投入。

（3）噴頭開啟方式分為開啟#1噴頭、開啟#1噴頭+#2噴頭、開啟#1噴頭+#2噴頭+#3噴頭。3種開啟方式下的脫硫效率變化規(guī)律基本上相同，當(dāng)僅僅開啟#1噴頭的脫硫效率較低，最大值大約為60%;開啟#1噴頭+#2噴頭的脫硫效率最大值略為有所增加，約為75%;開啟#1噴頭+#2噴頭+#3噴頭的脫硫效率最大值基本上能夠達(dá)到90%左右。從上述結(jié)果能夠得到：開啟#1噴頭脫硫效率并不是很理想，采用組合式的噴頭開啟能夠很大程度上增加系統(tǒng)的脫硫效率。

在對雙旁路式旋風(fēng)分離器的總壓降、脫硫效率η進(jìn)行了研究分析后，該文通過對基本結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)分離器和配置雙旁路+穩(wěn)流器式的旋轉(zhuǎn)分離器的性能進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如下。

（1）基本結(jié)構(gòu)下的旋轉(zhuǎn)分離器和配置雙旁路+穩(wěn)流器式的旋轉(zhuǎn)分離器總壓降隨著入口流速改變而變化趨勢基本上相同，后者的總壓降僅僅略高于前者的總壓降，其主要原因是旁路使得筒體相同截面上的瞬時切向速率略低于基本結(jié)構(gòu)的速率。

（2）在相同入口流速下，基本結(jié)構(gòu)下的旋轉(zhuǎn)分離器脫硫效率明顯低于配置雙旁路+穩(wěn)流器式的旋轉(zhuǎn)分離器的脫硫效率。而且基本結(jié)構(gòu)下的旋轉(zhuǎn)分離器和配置雙旁路+穩(wěn)流器式旋轉(zhuǎn)分離器的最大脫硫效率分別為80%和90%左右，大約相差將近10%，基本結(jié)構(gòu)的分離器脫硫效率明顯比較低下。而且兩者達(dá)到最大效率時其入口流速也有所不同，配置雙旁路+穩(wěn)流器式旋轉(zhuǎn)分離器能夠在入口流速較小的情況下達(dá)到脫硫效率最大，進(jìn)一步降低了整個裝置的能量損耗，提高系統(tǒng)脫硫效率。

4? 結(jié)語

課題選擇NaOH溶液作為脫硫劑，結(jié)合該實驗的實際操作條件和NaOH溶劑的選取，提出一款可應(yīng)用于濕法煙氣脫硫工藝的雙旁路直流旋風(fēng)脫硫除塵器，并通研究分析，得出其在整個模擬電廠尾氣處理裝置的脫硫系統(tǒng)中，發(fā)揮了較好的脫硫效果。研究表明：（1）當(dāng)入口流量逐漸升高時，其脫硫效率也將逐漸升高，但升高至一定程度后將發(fā)生下滑現(xiàn)象;（2）采用組合式的噴頭開啟方式能夠很大程度上提高系統(tǒng)的脫硫效率;（3）配置雙旁路+穩(wěn)流器式旋轉(zhuǎn)分離器不僅具有更好的穩(wěn)定性，而且能夠在入口流速較小的情況下達(dá)到最大脫硫效率，降低了整個裝置的能耗，脫硫效率可達(dá)到90%以上。

參考文獻(xiàn)

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