燃煤电厂脱硫吸收塔协同除尘的增效研究

2019-12-04张雅姝苏军划

热力发电 2019年11期

关键词：吸收塔液滴导流

张雅姝，苏军划

（1.中国人民大学资源与环境经济学院，北京 100872；2.中国华电科工集团有限公司，北京 100160）

当前，燃煤电厂污染物排放限值日趋严格，进一步提高燃煤机组除尘、脱硫性能是火电厂面临的重要课题[1-8]。如果能够对脱硫吸收塔内部进行优化配置，在提高脱硫效率的同时兼顾除尘，必然大大降低火电厂环保系统的投资成本。

为此，本文根据粉尘捕集的机理[9-10]，研究了设置导流环、优化喷嘴布置、增加液滴凝聚系统等对脱硫吸收塔除尘能力的增强作用。结果表明，系统能够显著提高除尘效率，满足超低排放限值的要求。目前，研究成果已在陕西某电厂完成试验验证。

1 设置导流环

对于烟气湿法脱硫吸收塔，塔内中心区的液膜覆盖率较高，该区域的脱硫效率通常可高达99.9%；而对于吸收塔近壁区域，液膜覆盖率较低，阻力较小，当烟气流向该区域时，极易逃逸，导致吸收塔的除尘、脱硫效率较低。

为解决烟气流速分布不均的问题，在吸收塔内设置了导流环。图1a)为不带喷淋、不设置导流环时吸收塔轴向截面烟气速度分布。可以看出，不带喷淋时，烟气由吸收塔入口进入喷淋塔，受到吸收塔的阻挡向上运动，形成了循环流动。图1b)为有喷淋无导流环时吸收塔轴向截面烟气速度分布。可以看出，增加喷淋后，塔内烟气的循环流动基本消失。喷入浆液后，受到喷淋浆液液滴的影响，入口烟气进入塔体后迅速趋于均匀。图1c)为有喷淋有导流环时吸收塔轴向截面烟气速度分布。可以看出，在导流环的作用下，烟气向脱硫塔中心流动，塔壁面附近的烟气速度明显降低，有利于吸收过程的进行。

图1 吸收塔轴向截面烟气速度分布Fig.1 The distribution of flue gas velocity in axial section the desulfurization absorber

2 设置吸收塔均流板

设置导流环后，高速带明显向塔中心移动（图1）。为了更好地进行传质和均流，提出了一种正六边形的均流板结构，如图2所示。

图2 正六边形开孔均流板Fig.2 Schematic diagram of the hexagonal flow equalizer with holes

在相同的开孔率条件下，正六边形开孔均流板比圆形均流板的孔距更大，结构更稳定，更有利于对气流进行割裂，增加泡沫量，增大传质面积，从而提高对烟尘的捕集能力。另外，正六边形开孔也有利于气流湍动，在局部区域强化传质混合。

烟气高速进入液膜层后，激起大量泡沫（图3），这些泡沫相互交叠，增加了烟气与浆液的接触概率，使烟气中的微细粉尘和SO3被有效捕捉。由图3可以看出，有均流板时泡沫大量增加，气液接触充分，可有效降低浆液循环泵的循环流量。

图3 吸收塔试验台观察口Fig.3 The observation ports of the absorption tower test-bench

3 吸收塔喷淋层喷嘴优化布置

为了增加喷淋塔的浆液覆盖率，根据吸收塔内的流场特点，通过不同喷嘴的优化组合进一步提高吸收塔的除尘、脱硫效率。在吸收塔近壁区域，采用高喷淋密度的90°实心锥双头同向喷嘴（图4），能够显著提高该区域的浆液覆盖率，减小烟气逃逸量。在吸收塔中心区域，采用雾化粒径均匀度高的空心锥双向喷嘴（图5），可以有效增加该区域的浆液覆盖率；在吸收塔的最顶层设置单向喷嘴，能够有效地降低烟气携带浆液量。

对于设置了4 层喷淋层的吸收塔，可以将喷嘴设置为如图6所示的布置方式，虽然这样增加了施工难度和管路及循环泵的布置难度，但是对除尘有显著的改善作用。

图4 90°实心锥双头同向喷嘴（吸收塔近壁区域）Fig.4 The 90°solid conical double-nozzle(near the tower wall)

图5 120°空心锥双向喷嘴（吸收塔中心区域）Fig.5 The 120°hollow cone double-nozzle(middle part of the tower)

图6 喷嘴优化布置方案Fig.6 The optimized scheme of nozzle layout

4 增加液滴凝聚系统

常规高效除雾器对颗粒物和液滴的去除是基于惯性碰撞理论，其分割粒径约为15 μm。当颗粒（粉尘或石膏雾滴）粒径＜15 μm 时，除雾器的去除效率相对较低；而当颗粒粒径＞30 μm 时，其去除效率基本达到100%[11]。凝聚使烟气中的超细颗粒物团聚长大到湿法脱硫除雾器所能脱除的粒径范围，可提高脱硫塔对超细颗粒物的脱除效率[12]。

本研究通过采用冷凝和雾化凝聚的方式将粒径＜15 μm 的微细粉尘与石膏雾滴凝并成粒径＞40 μm的颗粒，然后利用精细除雾器进行脱除。去除细颗粒物及石膏雾滴的工艺流程如图7所示。

图7 去除颗粒物和雾滴的工艺流程Fig.7 The process flow of removing particles and fog drops

首先，烟气经过吸收塔的脱硫浆液进行洗涤，洗涤后的烟气进入第1 级除雾器（图7a)），在第1 级除雾器内能够有效去除粒径为60～1 500 μm 的大颗粒雾滴。

然后，烟气进入翅片管式冷凝器（图7b)），饱和烟气开始冷凝。水蒸气以烟气中的粉尘作为凝结内核开始凝结并逐步增大。表面结露后的粉尘，其亲水性和浸润性会显著增大，为下一步提高凝并效率奠定了基础。

接着，烟气进入超细雾化凝并区域（图7c)）。超细雾化凝并系统由空气压缩机、双流体喷嘴、合金管路等组成。冷却水经压力空气喷射形成致密的雾化区域，雾化粒径为40～100 μm，烟气中大部分粉尘及全部石膏雾滴被凝并成＞40 μm 的大颗粒液滴。

此后，烟气按顺序先后进入第2 级和第3 级精细除雾器（图7d)）。因为精细除雾器的分割粒径约为15 μm，而烟气的大部分粉尘粒径已＞40 μm，所以烟气流经第2 级和第3 级精细除雾器后，细颗粒物粉尘质量浓度可达到＜5 mg/m3。同时，由于凝并系统的作用，进入精细除雾器的烟气的固体含量大幅降低，显著降低了除雾器的堵塞风险。

5 工程验证

陕西某电厂超低排放工程于2015年5月28日开工，2015年年底实现2 台机组双投。工程建设期间，由于烟气排放标准不断提升，技术方案也随之变更。最后明确采用高效电袋复合除尘器（出口烟尘质量浓度≤10 mg/m3）+超净湿法脱硫装置（粉尘质量浓度≤5 mg/m3）的技术方案，协同除尘通过本文提出的在脱硫吸收塔内设置导流环和均流板、优化喷嘴布置、增加液滴凝聚系统等技术实现。

应用结果表明：1 号机组脱硫吸收塔进、出口粉尘质量浓度分别为9.1、3.3 mg/m3（标准状态、干基、(O2)=6%，下同），脱硫塔原烟气和净烟气中的SO2质量浓度分别为3 438、31.7 mg/m3；2 号机组脱硫吸收塔进、出口粉尘质量浓度分别为9.6、3.7 mg/m3，脱硫塔原烟气和净烟气中的SO2质量浓度分别为2 956、21.4 mg/m3。2 台机组脱硫塔出口的粉尘和SO2质量浓度分别在5 mg/m3和35 mg/m3以下，能够满足粉尘超低排放的要求。