仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的冷态试验研究

2022-09-21李路明

动力工程学报 2022年9期

李路明，李珺

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046；2.哈尔滨电气环保有限公司，哈尔滨 150046)

目前，石灰石-石膏湿法脱硫技术是应用最广泛的脱硫技术[1-2]。传统喷淋空塔脱硫技术仍存在塔内烟气流场均匀性较差、运行能耗高、脱硫效率和协同除尘效率偏低等问题[3-4]，难以满足超低排放的要求。近几年，国内部分环保公司相继开发出多种新型高效脱硫工艺。其中，在传统脱硫喷淋空塔内增加如旋汇耦合器、沸腾泡沫、托盘、湍流管栅和旋流鼓泡等强化气液传质的构件是当前实现高效脱硫除尘最有效、成本最低廉的技术措施之一[5-6]。

旋汇耦合器布置在塔内第1层喷淋层正下方，能够使吸收塔内产生气液旋转翻腾的动态湍流空间，可大幅增加气液固3相的接触面积，从而有效提高气液传质能力[7]。大唐环境产业集团股份有限公司自主开发了节能型湍流管栅脱硫装置，烟气在管栅内部的弯曲流道中流动时产生强烈的湍流，并以鼓泡形式通过管栅上部的湍流层，极大地增大了气液传质系数和面积，进而可大幅提升脱硫效率，同时还可有效强化细微颗粒物的脱除能力[8-11]。孙振龙等[12]开发了一种低阻力增效器，研究了喷淋液体与塔内气体体积流量之比(简称液气比)和烟气流速对脱硫效率的影响。托盘和筛板是常用的一类脱硫强化气液传质装置，喷淋浆液可在其上面形成一层稳定的持液层，气液间的传质大大增强，脱硫塔的协同除尘能力也得到提高，对此研究人员已经开展了大量的研究工作[13-16]。

笔者自主开发出了一种新型仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置，并依托某脱硫试验台利用空气-水介质进行冷态试验，研究了该装置在脱硫塔中的运行阻力与塔内气体流速、液气比、管栅间隙间的变化规律，为下一步在热态试验和工程实际应用中更为合理地设计该装置的各项关键参数提供了数据支撑[8]。

1 试验装置及试验内容

1.1 脱硫试验台

图1为脱硫试验台示意图。整个脱硫塔全部采用316 L不锈钢制作，可进行各种脱硫冷态和热态试验。脱硫塔下部浆液池直径为3 m，浆液池容积为49.1 m3，吸收段和除雾段直径均为1.8 m，设置3层喷淋层和3台循环泵，每台循环泵对应1层喷淋层，循环泵额定体积流量为210 m3/h，喷淋层上方设置2级不锈钢除雾器。仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置安装在最下层喷淋层与吸收塔进口烟道上沿之间。进行冷态试验时，采用水替代石膏浆液，空气替代烟气。来自大气的空气经风机升压后送入喷淋塔，依次流过塔内仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置和喷淋层后，再经2级除雾器除雾，最终经直排烟囱排入大气。

图1 脱硫试验台示意图Fig.1 Schematic diagram of the desulfurization test bench

脱硫试验台喷淋塔进口和出口各设置1套烟气排放连续监测系统(CEMS)以及其他必要测点，可对气体体积流量、压力、温度以及循环泵体积流量等重要参数进行在线测量，仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置上、下阻力采用在线差压变送器进行测量。

1.2 仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置设计

3套不同管栅间隙的仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置设计参数见表1，该装置由2排倒置水滴形管栅交错排列而成，设计上要求上层相邻管栅中心点与其之间的下层管栅中心点构成等边三角形，如图2所示。单根倒置水滴形管栅宽度为50 mm，高度为64 mm，壁厚为5 mm。每套装置所选用的管栅宽度和高度完全相同。每层管栅之间类似于1个文丘里管，气体流经管栅的过程中会与喷淋落入管栅中的液体在文丘里管之间发生剧烈碰撞，形成液包气现象，可大幅增强气液之间的传质反应。与传统圆形管栅相比，仿水滴形管式棒栅具有更好的导流作用，在相同湍流层高度下可适当减小管栅阻力，从而有效降低引风机能耗。

表1 仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的设计参数Tab.1 Design parameters of the water-drop-shaped tubular rod-grid desulfurization synergistic device

图2 仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置截面图Fig.2 Cross section of the water-drop-shaped tubular rod-grid desulfurization synergistic device

1.3 试验内容

依托脱硫试验台对3套不同管栅间隙的仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置分别进行冷态试验，试验过程中管式棒栅经受住气体冲击和液体冲刷，证实了其结构的可行性。笔者重点研究了不同塔内气体流速、液气比和管栅间隙下仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力特性。

2 结果与讨论

2.1 气体流速的影响

图3给出了塔内气体流速v对仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置阻力的影响。由图3可以看出，随着气体流速逐渐增大，气体动量随之增大，喷淋下来的浆液落在仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置上，由于气体对浆液的托举力增大，因此持液层高度逐渐增加，并且气体以鼓泡的形式穿透湍流层，湍流层高度越高，阻力越大。因此，气体流速增大会引起3套仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力均逐渐增大，但当气体流速约大于3.5 m/s后，阻力的增大趋势明显变缓。这是因为当气体流速大于临界流速后，湍流层会出现剧烈波动，此时气体流速对阻力的影响减弱，而喷淋体积流量对阻力的变化起主要作用[8]。

(a) A型

(b) B型

2.2 液气比的影响

图4给出了液气比对仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置阻力的影响。由图4可以看出，在相同气体流速下，随着液气比的增大，3套仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力均逐渐增大，这是因为当气体流速一定时，液气比增大，喷淋体积流量也增大，管栅上的湍流层高度增加，气体流过湍流层的时间和阻力也同步增加，但阻力增大的趋势变缓。在相同液气比时，随着塔内气体流速增大，3套仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力均逐渐增大。这主要是因为阻力与气体流速的平方存在正相关性，液气比一定时，气体流速增大会导致气体流过管栅的阻力增大。

(a) A型

(b) B型

2.3 管栅间隙的影响

图5给出了管栅间隙对仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置阻力的影响。A型、B型、C型仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的唯一不同点是所设计的管栅横向间隙和上下层管栅间隙不同，管栅间隙尺寸具体见表1。由图5可以看出，在喷淋体积流量和气体流速均相同(即液气比相同)的情况下，随管栅间隙逐渐增加，阻力反而逐渐减小。这意味着随着管栅间隙增加，湍流层空隙率增大，管栅形成的文丘里管尺寸变大，气体流经文丘里管时流速降低，气液两相之间摩擦力减小，导致气体对管栅上湍流层的托举力减小，使得湍流层高度减小，气体流过湍流层的阻力也会减小，因此仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力会逐渐减小。

(a) 喷淋体积流量为210 m3/h

(b) 喷淋体积流量为420 m3/h

(c) 喷淋体积流量为630 m3/h图5 仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置阻力随管栅间隙的变化Fig.5 Relationship between resistance and grid gap of the water-drop-shaped tubular rod-grid desulfurization synergistic device

仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力与湍流层高度呈正比关系，而湍流层又与脱硫性能密切相关，湍流层高度越高，气液传质的接触面积越大，且接触时间越长，脱硫效果越好，但仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置阻力也越大，导致引风机电耗越高，同时阻力过大会引起液泛现象，并使系统电耗显著增加，而阻力过小会导致脱硫和协同除尘效果较差。因此，在实际工程应用中，所选型设计的仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力应适中，且具有较高的经济性。根据冷态试验结果，并结合以往常规棒栅的工程应用经验，阻力在500～800 Pa较为合适，在该阻力范围内能形成较稳定的湍流层，气液传质效果好。在下一步热态试验和实际工程项目中，可以通过选取合适的管栅间隙来实现在设计工况下仿水滴形管式棒栅脱硫增效装置的阻力严格控制在500～800 Pa。