燃煤脱硫塔除雾器出口烟气浆液滴含量测定方法优化

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(1.通辽霍林河坑口发电有限责任公司，内蒙古 通辽 029200;2.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110181)

0 引 言

石灰石-石膏湿法脱硫技术是现有脱硫技术中工艺最成熟、运行最可靠、工程应用最广泛的脱硫技术，我国85%以上的电厂烟气脱硫均采用该技术[1]。由于脱硫后的净烟气温度低，烟气排入大气后温度进一步降低，气态水凝结成液态饱和水小液滴降落，小液滴中含有石膏浆液及固体颗粒(石膏雨)，石膏雨不仅对烟道及烟囱具有腐蚀性，对环境也会造成污染[2-5]，因此，控制石膏雨的形成是燃煤电厂急需重点解决的问题。“石膏雨”中的石膏浆液主要来源于脱硫吸收塔喷淋层喷嘴雾化后的细小液滴[6]，这些小液滴随净烟气进入后续管道，因而必须在脱硫塔出口处安装除雾设备。若除雾器设计不合理(除雾器除雾面积偏小、叶片间距过大、除雾器的极限流速选择不合理等[7-8])，除雾效果无法满足JB/T 10989—2010《湿法烟气脱硫装置专用设备除雾器》要求脱硫系统正常运行时，在除雾器第2级出口烟气中雾滴携带量不能超过75 mg/m3(标况，干态，下同)，从而产生“石膏雨”现象。此外，浆液液滴中含有石膏等固体细颗粒物，占脱硫浆液含固量的20%～40%，且细颗粒物排放浓度随脱硫净烟气中液滴夹带量的增加而增加[9]。周道斌等[10]研究指出，通过浆液滴排放的颗粒物占总颗粒物排放比率的平均值为63.1%，通过脱硫系统浆液滴排放的颗粒物在超低排放中占比较大，为了满足超低排放的要求，一般要求除雾器出口浆液滴含量不能超过35 mg/m3。为准确测量除雾器出口烟气中浆液滴含量，本文研究了现有的浆液滴测量方法的优缺点，以此为基础，提出了一种新的浆液滴取样测量方法，并进行对比试验，以确定与国标法的差异，并将国标方法中的数据处理分析方法进行简化。

1 浆液滴测量方法

浆液滴含量的测定包括现场采样和实验室分析计算2部分，GB/T 21508—2008《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》[11]中，除雾器出口烟气浆液滴含量测定是利用安装在除雾器出口的采样装置(图1)对烟气进行采样，烟气等速通过液滴捕集器，烟气中大于一定粒径(约3 μm)的液滴在重力和惯性力作用下附着在液滴捕集器的内壁上，采样结束后记录采集的烟气量，冲洗液滴捕集器内部后称重;待液滴捕集器充分干燥后再称重，干燥前后的质量差即为液滴中水的质量(包括脱硫浆液滴的含水量和烟道中冷凝水滴的质量)，但冷凝水滴中不含镁离子，需测定液滴捕集器中的镁离子含量，并根据脱硫塔浆液中的镁离子含量，计算得到总液滴中脱硫浆液携带的水含量，根据脱硫塔浆液中固液比得到除雾器出口烟气携带浆液滴的质量浓度。国标法中，为实现等速烟气采样，将除雾器出口测量截面进行网格划分，利用标准皮托管测量每个网格测试点的烟气流速，得到烟道截面平均流速，以确定取样速度。该方法属于预测流速法，由于液滴取样时间较长且除雾器出口烟道截面积大，烟气流量波动大，所以预测流速方法无法真正实现等速测量。樊雄伟[12]利用等速烟尘采样装置，将国标中的液滴捕集器进行重新设计，使液滴捕集器入口截面与烟尘采样枪入口截面相同，并将液滴捕集器接于烟尘采样枪入口，从而实现浆液滴自动跟踪烟气流速等速采样。

图1 国标法液滴采样系统示意Fig.1 Diagram of the standard droplet sampling system

潘光等[13]对国标取样方法进行了修正，在烟道外烟气捕集器后加设冷凝系统，并提出改进滴定液浓度的分析方法，与国标取样分析方法相比，同一工况下净烟气的浆液液滴含量分别为12.87和10.16 mg/Nm3，相对误差26.67%。可见，单独采用国标方法测浆液滴含量，液滴捕集并不完全。此外，王珲等[14]研究表明，WFGD系统出口处干燥后的颗粒物中除去飞灰颗粒外，还包含约7.9%的石膏颗粒和47.5%的石灰石颗粒，其粒径分布范围为0.4～10 μm，且呈现双峰性，峰值分别出现在0.9和2.5 μm处。按照浆液滴中含固体物50%估算，可得浆液滴的粒径主要分布范围为0.6～5.0 μm，峰值粒径为1.13和3.15 μm，平均粒径约为2 μm[15]。国标法测量浆液滴浓度时，只能捕集烟气中粒径大于3 μm的液滴，而浆液滴的平均粒径为2 μm，说明国标液滴捕集法可能存在较大的逃逸率问题。

本文采用文献[13]设计的液滴捕集系统进行浆液滴含量试验，试验机组为某热电厂300 MW燃煤机组，浆液滴测量计算方法采用国标法，采样结束后，分别测试液滴捕集器中和冷凝瓶中的浆液滴含量，2者之和为浆液滴总浓度，结果见表1，可见国标液滴捕集法对浆液滴的捕集不完全，液滴捕集器存在约50%逃逸率。

表1国标法浆液滴逃逸率
Table1Dropletescaperateofnationalstandardmethod

项目数值机组负荷/MW199液滴捕集器中镁离子总质量/mg0.077冷凝水中镁离子总质量/mg0.076 25浆液镁离子浓度/(mg·L-1)9376%氧烟气体积(干态)/Nm3557.6液滴捕集器中镁离子折算的浆液滴浓度/(mg·Nm-3)160.4冷凝水镁离子折算的浆液滴浓度/(mg·Nm-3)158.9浆液滴总浓度/(mg·Nm-3)319.3逃逸率/%49.8

文献[13]提出的改进浆液滴测量方法，虽能更准确测量浆液滴含量，但其采样过程中采用预测流速法，无法实现浆液滴自动跟踪烟气流速等速采样;另外浆液滴取样时，因未进行管道保温，除了需要冲洗称重捕集器、冷凝管和冷凝瓶外，还需要冲洗称重捕集器与冷凝管之间的连接管道，操作繁琐，且易出现测量误差。为此，本文提出一种新的浆液滴取样测量方法:首先将捕集器与烟尘取样装置组合，实现浆液滴自动跟踪烟气流速等速采样;将捕集器与冷凝管之间的管道进行保温伴热，使管道内的温度与烟道内烟气温度保持一致，以避免管道的冲洗称重，简化采样操作，减小测量误差。

新的浆液滴取样测量方法可将浆液滴全部收集起来，不存在浆液滴逃逸问题。本文对新的浆液滴取样测量方法进行试验，并与国标取样法对比，确定国标取样方法的逃逸率;并简化国标中的数据处理分析方法。

2 试验条件和方法

2.1 试验条件

某热电厂2×300 MW燃煤机组，其烟气脱硫工艺采用湿法脱硫，在脱硫塔出口设置除雾器，在除雾器出口处的竖直管段上，采用本文提出的浆液滴取样测量方法和国标取样方法分别进行采样和数据处理分析。

2.2 试验方法

本文提出的浆液滴取样方法的主要仪器有:WJ-60B烟尘采样仪、取样枪、蛇形冷凝管、循环冷凝泵、按国标定制的液滴捕集器。烟尘采样仪包含温度传感器、含湿量传感器、SO2吸收瓶和液滴分离瓶，取样枪和液滴捕集器直接连接(图2)。烟尘取样枪和连接管以及取样枪外面均设有加热保温，以保证管道内与烟道内温度相同，避免烟气中水蒸汽在管道上凝结。与文献[13]所用采样系统相比，本文提出的方法可实现自动跟踪烟气流速等速采样，且仅需洗涤收集液滴捕集器、蛇形冷凝管和冷凝瓶中的液滴，减少了测量步序和测量误差。

图2 新型液滴采样系统Fig.2 Schematic diagram of a new droplet sampling system

液滴中镁离子浓度采用ICP-AES(原子发射光谱法)测试仪，根据原子的特征发射光谱测定物质的结构和化学成分。

3 试验结果与讨论

3.1 采样及数据处理

烟气经浆液滴捕集器进行一、二级捕集后，在蛇形冷凝管进行三级捕集，最终液滴被捕集至液滴捕集器内壁、蛇形冷凝管内壁及冷凝瓶中。根据Mg2+示踪法和质量平衡原理，液滴含量分析步骤:

1)采样前，用除盐水冲洗捕集器，在105 ℃下干燥2 h，完全冷却后置于干燥器中待用。

(1)

式中，Gy为捕集器、冷凝管和冷凝瓶采样前、后的质量差(采集液滴总质量)，mg。

4)采样中采集吸收塔浆液，测定Mg2+浓度。

5)将捕集器、冷凝管和冷凝瓶冲洗液用定容瓶定容后，体积为V1，测定Mg2+浓度为C1(mg/L),吸收塔浆液Mg2+浓度为C2(mg/L)，则

(2)

式中，Cw0为烟气中水滴浓度，mg/m3(标态、干烟气、6%O2);ρ为水的密度，取1 000 mg/L。

6)吸收塔中浆液含固量为Cx，则

(3)

式中，C为浆液滴浓度，mg/m3(标态、干烟气、6%O2)。

可见，仅需确定采样烟气体积、冲洗液定容后的体积及其Mg2+质量浓度、脱硫吸收塔浆液中Mg2+质量浓度和吸收塔中浆液含固量，即可计算得到浆液滴浓度。而采用GB/T 21508—2008国标法进行浆液滴测量计算时，需采样前、后捕集器的质量，一般捕集器的质量约为30 g，而采样后捕集器中液滴质量仅在0.1 g左右，易产生较大的测量误差。因而采用式(3)计算得到浆液滴浓度，可避免因称重引起的测量误差。

采用国标法测量浆液滴浓度时，需预测烟气流速，即需对测量截面进行网格划分，用标准皮托管测定各点的烟气流速，从而确定捕集器抽气泵的抽气速度。本文对此进行了改进，将捕集器与烟尘取样装置组合，实现浆液滴自动跟踪烟气流速等速采样，简化了测量操作步骤。

3.2 数据分析

在某热电厂2×300 MW燃煤1、2号机组进行试验，其结果见表2。可知，1号机组负荷为230、260 MW时，采用国标法取样测得的浆液滴质量浓度分别为22.02、20.46 mg/Nm3，捕集器的浆液滴平均逃逸率为39.84%;采用本文提出的浆液滴采样系统取样，测得的浆液滴质量浓度分别为37.09、33.57 mg/Nm3。2号机组负荷为200、270 MW时，采用国标法测得的浆液滴质量浓度分别为27.94、13.89 mg/Nm3，浆液滴平均逃逸率为41.41%;采用本文提出的取样方法测得的浆液滴质量浓度分别为42.47、27.03 mg/Nm3。2台机组的国标法取样测得的浆液滴平均逃逸率相差不大，平均为40.6%。

表2不同机组负荷下国标取样法和改进的浆液滴取样法对比
Table2Comparisonofnationalstandardsamplingmethodandmodifiedslurrydropletsamplingmethodunderdifferentunitload

机组负荷/MW捕集方法Mg2+质量浓度/(mg·L-1)液滴(定容250 mL)原浆液浆液含固量/%烟气体积/(DNm3·h-1)浆液滴总浓度/(mg·Nm-3)逃逸率/%平均逃逸率/%1号机组230260230260国标法本文浆液滴取样法0.0682 275.77.8368.0022.0240.640.1102 737.28.8538.3220.4639.040.1182 399.08.6362.7637.09—0.1452 505.88.8472.5333.57—39.84——机组负荷/MW捕集方法Mg2+质量浓度/(mg·L-1)液滴(定容250 mL)原浆液浆液含固量/%烟气体积/(DNm3·h-1)浆液滴总浓度/(mg·Nm-3)逃逸率/%平均逃逸率/%2号机组270200270200国标法本文浆液滴取样法0.1402 737.210.2509.6027.9434.210.0543 057.48.3346.6313.8948.610.1672 225.010.1491.4142.47—0.0982 883.58.4343.1727.03—41.41——

4 结 论

1)本文提出的测量浆液滴浓度的取样方法，无需对捕集器进行干燥和称重即可计算得到浆液滴浓度，可简化操作步骤，减少测量误差。

2)采用国标法测定的浆液滴浓度存在较大的浆液滴逃逸率，而本文提出的浆液滴取样方法不存在浆液滴逃逸率，使除雾器出口浆液滴浓度的测定结果更准确。与新的浆液滴取样方法相比，国标法测得的浆液滴平均逃逸率为40.60%。

3)测量取样时，国标法与本文提出的浆液滴取样法取样时具有1 h的时间差，故浆液中Mg2+浓度不一致，因而2种取样方法应在同一时间取样，以保证工况完全相同。