喷淋脱硫塔内除雾器运行特性
http://www.cnjnsb.com 2017-11-24 14:51:43 中国电力 何仰朋等
  除雾器的除雾效果对脱硫系统的稳定运行、烟道腐蚀及烟气排放有重要影响,研究不同空塔流速及组合条件下除雾器的除雾性能很有必要。为此,建立了接近实际工程的喷淋脱硫塔实验台,研究了空塔流速、喷淋层与除雾器距离、不同雾化喷嘴等对除雾器出口液滴含量、粒径分布的影响,以及管式除雾器性能。   研究结果表明:空塔流速对一级除雾器出口液滴含量的影响较大,对二级除雾器出口液滴含量有一定影响;除雾器出口液滴粒径随空塔流速提高而减小;喷嘴雾化粒径变小后,一级除雾器出口液滴含量明显增加;喷淋层与除雾器间距对一级除雾器出口液滴含量有较大影响;管式除雾器对除雾器出口液滴含量影响不大。   关键词:烟气脱硫;喷淋塔;除雾器;氧化镁撞击法;液滴粒径   国家对燃煤电厂二氧化硫等污染物排放要求日益严格,这对燃煤电厂的脱硫装置设计提出了更高的要求。石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术(WFGD)是目前国内外广泛采用的烟气脱硫技术,该技术又分为喷淋塔、液柱塔、鼓泡塔等不同型式,目前采用最多的是喷淋塔型式[1-4]。   当烟气通过脱硫塔喷淋洗涤脱除二氧化硫时,会携带出大量以硫酸盐、亚硫酸盐、碳酸盐及灰分为主的酸性液滴。若不去除这些液滴,不但会造成下游烟道及设备的堵塞、腐蚀以及烟囱雨等问题,还会使烟气粉尘排放增加[5-8]。   除雾器是脱硫塔内去除液滴的重要设备,其运行特性引起广泛关注。文献[9-13]通过改变流速、除雾器叶片间距、除雾器板型等因素对除雾器性能进行研究,但这些研究基于的实验台均与实际工程脱硫塔差异较大,需要对接近实际工程的脱硫塔内除雾器性能进行深入研究。   本文搭建了冷态喷淋脱硫塔实验台,内设喷淋层及屋脊式除雾器,模拟实际脱硫塔内除雾器入口条件,使得实验台除雾器入口液滴及流场分布与实际脱硫塔内相似。在该实验台上开展了一系列研究:   (1)空塔流速对除雾器出口液滴含量的影响;(2)空塔流速对除雾器出口粒径分布的影响;(3)喷淋层与除雾器距离对一级除雾器出口液滴含量的影响;(4)喷淋层喷嘴雾化粒径分布对除雾器液滴排放的影响;(5)   管式除雾器的除雾效果。所得结果为喷淋塔内除雾器设计和运行提供了重要的参考数据。   1实验装置   所建立的冷态喷淋脱硫塔实验台如图1所示。   图1冷态喷淋脱硫塔实验台示意   实验台由脱硫塔模型、辅助风机、水泵以及相应电气热控设备组成。脱硫塔模型内径2.65m,高10.00m,其中入口风道距离喷淋层2.5m,喷淋层距离一级除雾器2.5m,一级除雾器距离二级除雾器2.0m,二级除雾器距离脱硫塔出口3.0m。   喷淋层雾化喷嘴分别采用SPRAY公司螺旋喷嘴和空心锥喷嘴,雾化粒径与实际脱硫塔内相近。风机与水泵均采用变频控制,以满足实验中不同工况的需要。   2除雾器出口液滴含量的测试方法及过程   对除雾器出口液滴含量测试采用氧化镁膜片撞击法[14-15],其具体做法为:在载玻片上覆盖一层氧化镁薄膜,将氧化镁膜片固定于采样器上,采样器迎面垂直于气流方向,当含有液滴的气体流过时,氧化镁膜片由于雾滴的撞击而留下圆形印记,取下氧化镁膜片,采用显微镜和软件分析系统来测量和统计印记数量及尺寸信息,测得的印记尺寸经过修正后即得到雾滴的真实尺寸,通过有关计算得到气流中液滴的质量。   显微镜粒径分析系统由正置显微镜、数字摄像头、自动载物台和显微粒度分析软件等组成。氧化镁膜片被液滴撞击后的典型显微图如图2所示。 图2典型氧化镁撞击膜片显微图   测试时,启动风机,调节风机电机变频器,使用微压计、毕托管在入口风道标定气流速度和气流量;开启水泵调节变频器,使得喷嘴入口压力达到设计值,从而产生所需的液滴。将液滴采样器伸入除雾器后的测量口采样并计时。对已采样的氧化镁膜片进行分析,最终获得气流中的液滴含量,通过除雾器前后气流中液滴含量,得到除雾器除雾效果。   3实验结果及分析   空塔流速、除雾器布置及组合方式、除雾器与喷淋层间距等因素对除雾器除雾效果有较大的影响。实验台模拟实际喷淋塔内除雾器的运行工况,空塔流速分别设定为2.4m/s,3.1m/s,4.0m/s,4.7m/s,5.2m/s;一级除雾器为屋脊式弧形板式,板间距30mm;二级除雾器为屋脊式带钩弧形板式,板间距23mm;管式除雾器为2层平行圆形管排错列布置,管径d75mm,2排圆管中心垂直间距85mm,横向间距149mm。   3.1空塔流速对除雾器出口液滴含量的影响   随着空塔流速提高,气体携带进入除雾器的液滴粒径增大,数量增多,导致除雾器出口液滴含量发生变化,对除雾器的液滴脱除效率会产生一定的影响。空塔流速对除雾器出口液滴含量的影响如图3所示。 图3空塔流速对除雾器出口液滴质量浓度的影响   由图3可知:   (1)塔内气流速度小于4.1m/s时,一级除雾器出口液滴含量没有明显变化,当流速增加到4.7m/s时,一级除雾器出口液滴含量急剧下降,直到空塔流速增加到5.2m/s时一级除雾器出口液滴含量大幅增加,此时在一级除雾器出口可观察到有大颗粒液滴从除雾器飞溅出来。   这是由于流速低于5.2m/s时,随着气体流速增大,除雾器入口液滴含量增加,而流速的增大也会增强除雾器脱除效果,综合作用使一级除雾器出口液滴含量降低。当气流速度达到5.2m/s时,气流携带进入除雾器的液滴量进一步增加,除雾器脱除的液滴量过大,积液无法顺利排出,液滴被气流二次携带,造成一级除雾器出口液滴含量大幅增加。   (2)随着入口气流速度增加,二级除雾器出口液滴含量有所增加,空塔流速达到4.1m/s后除雾器的脱除效率增加,二级除雾器出口液滴含量开始下降,当气流速度达到5.2m/s后,二级除雾器出口液滴含量仍然下降,说明在该气流速度下除雾器仍然没有发生气流对液滴二次夹带,除雾器出口的液滴含量没有出现突然增大的现象,但从整个实验过程看,气流速度对除雾器出口的液滴含量还是有较大影响。   3.2空塔流速对除雾器出口粒径分布的影响   由于一级除雾器入口液滴含量非常大,无法用氧化镁膜片撞击法测量粒径分布规律,本文暂不讨论。液滴粒径统计的原则为:小于10μm的点不统计;每个粒径值表示1个粒度区间,如20μm表示的粒径(d)是10μm≤d<20μm区间内的所有液滴。不同空塔流速条件下,一、二级除雾器出口液滴粒径分布如图4所示。 图4不同空塔流速一级、二级除雾器后液滴粒径分布   从图4可以看出:(1)一级除雾器出口粒径90以上液滴完全脱除,在气流速度低于5.2m/s的实验过程中均未发现;流速2.4m/s时,一级除雾器出口主要以40~70μm粒径液滴为主,其他较大粒径或较小粒径液滴含量所占比例较少;随塔内速度增加,大粒径液滴所占比例逐渐减少,小粒径液滴所占比例逐渐增大;塔内气流速度增加到4.7m/s时,70μm以上粒径已消失,30μm粒径液滴所占比例最大。   (2)二级除雾器出口液滴粒径均在60μm以内,气流速度2.4m/s时50μm粒径液滴占比最大,液滴粒径越小,其质量所占总液滴质量的比例越小;随气流速度增加,大粒径液滴的质量占总液滴质量的比例逐渐减小,小粒径液滴的质量占总液滴质量的比例逐渐增大。   (3)塔内除雾器对大粒径液滴的脱除效果较好,经过除雾器最终排出的液滴主要由小粒径液滴组成。   3.3喷淋层与除雾器距离对一级除雾器出口液滴含量的影响   除雾器与喷淋层的距离对除雾器入口的液滴含量会造成一定的影响,并可能影响除雾器出口的液滴含量。调整一级除雾器与喷淋层的距离分别为2.5m和3.7m。喷淋层与一级除雾器距离对除雾器出口液滴含量的影响如图5所示。 图5喷淋层与除雾器距离对除雾器出口液滴浓度影响曲   从图5可知,当空塔流速低于4.0m/s时,随喷淋层距离增加,一级除雾器出口液滴含量减小明显;当空塔流速高于4.0m/s时,除雾器与喷淋层之间距离对一级除雾器出口液滴含量的影响逐渐减小。这是由于随着空塔流速增加,气体携带液滴能力提高,在空间高度上可以沉降的液滴减少,且除雾器脱除效果随空塔流速的增加而增加。   3.4管式除雾器性能分析   在一级屋脊式除雾器下方布置管式除雾器。有无管式除雾器条件下,一级除雾器出口雾滴含量随空塔流速变化曲线如图6所示。 图6管式除雾器布置与否对一级除雾器出口液滴质量浓度的影响   由图6可知,在不同空塔流速下,是否布置管式除雾器对一级除雾器出口液滴含量影响不大。管式除雾器可以拦截部分较大粒径的液滴,而一级除雾器对这部分液滴的脱除效率相对较高,因此是否安装管式除雾器对一级除雾器出口的液滴含量影响有限。但是布置管式除雾器可以降低一级除雾器的部分负荷,在实际工程中可以降低一级除雾器沾污风险。   3.5喷淋层喷嘴雾化粒径分布对除雾器液滴排放的影响   喷淋层喷嘴雾化粒径变小可增加气液接触面积,提高脱硫塔脱硫效率,但有可能会造成除雾器出口雾滴含量增加。采用螺旋和空心锥2种不同雾化粒径喷嘴进行实验,喷嘴压力0.2MPa,螺旋喷嘴雾化中径895μm,小于520μm粒径的液滴体积比为2%,小于1650μm粒径的液滴体积比为98%;空心锥喷嘴雾化中径为485μm,小于360μm粒径的液滴体积比为2%,小于1100μm粒径的液滴体积比为98%。不同喷嘴形式对一级除雾器出口液滴含量的影响如图7所示。 图7不同喷嘴型式对除雾器出口液滴质量浓度的影响   由图7可见,喷嘴雾化粒径变小之后,一级除雾器出口的液滴含量明显增加;随着空塔流速增加,喷嘴雾化粒径变小对一级除雾器出口液滴含量影响变小。这是由于喷嘴雾化粒径变小,大量小粒径液滴在较低流速时就能被气流带入除雾器,造成一级除雾器出口液滴含量增大较多;随空塔流速增大,除雾器对小粒径液滴脱除效果提高,除雾器出口雾滴含量下降明显。   4讨论及建议   (1)喷淋脱硫塔空塔流速过大时,一级除雾器出口液滴含量会快速增加,二级除雾器出口液滴含量所受影响较小;但在整个实验区间,高流速对除雾器出口液滴含量有较大影响。吸收塔内空塔流速在3.0~4.0m/s即可。   (2)随着空塔流速的提高,一、二级除雾器出口小粒径液滴占比均逐渐增大,液滴脱除难度也在增加。建议提高二级除雾器板间流速,以提高对小液滴分离效果。   (3)喷淋层与一级除雾器之间距离和除雾器出口液滴含量关系密切,距离增加,除雾器出口液滴含量降低。但在较高的空塔流速下,喷淋层与一级除雾器之间距离对除雾器出口液滴含量几乎没有影响,因此在较低空塔流速下,应尽量增加喷淋层与一级除雾器间的距离。   (4)管式除雾器对除雾器脱除效果影响较小,但在实际脱硫塔内对保证一级除雾器表面清洁,保持一级除雾器长周期运行有重要作用,可考虑在脱硫塔内设置管式除雾器。   (5)雾化喷嘴雾化粒径变小后,一级除雾器出口液滴含量明显上升,相应二级除雾器负荷加大,需要相应提高冲洗频率,以确保除雾器表面的清洁和除雾器的正常运行。从脱硫效率及除雾效率综合考虑,为了提高脱硫塔的脱硫效率,可以减小雾化喷嘴雾化粒径,适当降低二级除雾器液滴脱除效率,确保二级除雾器稳定运行,并可考虑设置三级除雾器或烟道除雾器,对二级除雾器出口小液滴进行捕捉。这样既确保塔内脱硫效率,又能保证除雾效果。   (6)弧形板大间距板型,适合作为塔内一级除雾器,用来控制二级除雾器入口液滴浓度;弧形带钩小间距板型,适合作为塔内二级除雾器,用来控制整个脱硫塔液滴排放总量。   5结语   本文研究结果表明,实验所涉及的除雾器已具有很高的气液分离效率,合理选择空塔流速、喷淋层与除雾器间距,以及合理设置除雾器的冲洗频率等措施,可保证除雾器的稳定高效运行。为兼顾脱硫效率,可考虑采用雾化粒径小的雾化喷嘴,辅以三级除雾器或烟道除雾器,使污染物排放浓度降至更低。
文章关键字: 烟气脱硫
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