气固液在吸收塔内动态耦合及石膏雨工程治理和应用

张国军

内蒙古神华胜利发电厂内蒙古锡林浩特市026000

摘要：某某发电厂脱硫系统采用石灰石一石膏湿法脱硫工艺，当初没有考虑安装气气换热器(MGGH)装置，直接把脱硫塔饱和净烟气(烟温50~55°C)从烟囱出口排出，烟囱内衬采用鳞片防腐材料，形成“湿烟囱”排放的方案。下文是对其的概述以及应用。

关键词：吸收塔；石膏雨；治理及应用

1主要用途、技术原理

由于“湿烟囱”没有前布置烟气再热措施，排烟温度较低，吸收塔出口排烟带有饱和水蒸气在烟囱口排出过程中部分湿烟气冷凝形成小液滴，从烟囱口排出后的湿烟气不能有效的抬升扩散到大气层中，没有安装MGGH装置后导致烟气不能迅速消散，特别是当地区气压、温度较低或阴霾天气的时间段，烟气中携带的粉尘及液滴聚集在烟囱附近，降落到地面形成“石膏雨”或酸雨，在建筑物、马路和露天设备上形成大量的灰白或鹅黄色的斑点，即使用水冲洗后仍然留有明显的痕迹。

1.1原因分析

1.1.1吸收塔塔型设计

由于吸收塔的烟气流向与出口为同向，烟气流速形状为扁平状，导致烟气在吸收塔内的流动不均匀极易发生烟偏流。

由于吸收塔内流场不均匀，局部区域烟气流速过大，靠近烟气进出口侧的烟流速偏大，最高处达到了近7.5m/s,而对面侧仅有2.5~3m/s.当流速比较高时夹带的浆液量会增大，即进入除雾器的烟气中夹带固体颗粒物增多，增大了除雾器的冲洗难度，同时容易造成除雾器堵塞。经过除雾器断面的流速过高或过低都不利于除雾器的正常运行，烟气流速过高易造成烟气二次带水，从而降低除雾效果，同时流速高系统阻力大，能耗高。通过除雾器断面的流速过低，不利于气液分离，同样不利于提高除雾除尘效率。另外设计的流速过低，吸收塔断面尺寸就会变大，系统造价投资也增加。设计塔内烟气流速应接近于临界流速。根据不同除雾器叶片结构及布置形式，设计流速一般选定在3~-7m/s之间比较理想。如果烟气经过除雾器的流速超过设计值，除雾器的效果将大大降低，甚至失效，除雾器也会在高流速的烟气下发生二次携带现象，大量的石膏浆液将会随烟气被带入烟囱形成净烟气带浆现象。

1.1.2吸收塔浆液喷淋层的喷嘴布置

在逆流喷淋吸收塔中，烟气从吸收塔入口进入塔内向上流动，喷淋浆液向下流动与逆行烟气相接触。在原有设计方案中，喷淋层喷嘴布置基本上是均匀布置。而烟气在塔内流动是不均匀的，在塔的中心区域流速较高，靠近塔壁的位置流速较低。在喷淋过程中，向下喷淋的浆液对向上烟气起到一定的阻碍作用，若喷嘴采用均匀布置，势必导致吸收塔中心区域的流速更高、靠近塔壁处的流速较低，导致吸收塔内的流场不均匀。由于吸收塔内的烟气流场不均匀性增大，造成了净烟中夹带的固体悬浮物增多，导致进入除雾器叶片的浆液含固量增多，这些悬浮固体由烟囱出口排出后，随风和重力飘落形成了石膏雨降落地面。

1.1.3除雾器的设计及布置

塔不均匀流速烟气进入除雾器内的烟气流速也将不均匀，同时由于吸收塔出口的烟气为偏心，则烟气在除雾器叶片间的流速也不相同。折板式除雾器设计流速一般在3.5~4.5m/s左右。如果烟气流速超过除雾器的设计流速值，除雾的效果将大大降低甚至失效，除雾器在高流速的烟气下发生二次携带现象，大量石膏浆液将会随烟气被带入烟囱，形成净烟气带浆现象，在本项目由于烟气吸收塔和除雾器流场设计的不均匀，导致了速度场不均匀。

在方案设计时，除雾器模块应合理均匀布置间距，在高、低流速区域，采用了相同的模块数量，导致经过除雾器的净烟气夹带固体悬浮物增多，这些固体悬浮物由烟囱出口排出，随风和重力作用飘落形成了石膏雨。根据原吸收塔结构设计、除雾器叶片布置形式及烟气参数，模拟计算出除雾器出口烟气中的含固浓度。

1.2改造方案

1.2.1喷淋层喷嘴下方增加层湍流器和改造喷淋层喷嘴

从吸收塔的气体流场来看，吸收塔内烟气靠近进出口侧的流场非常不均匀，且速度偏大，加剧了除雾器进口的浆液浓度高，故需对喷淋层喷嘴的下方布置形式进行合理布置。本次改造主要在吸收塔的第一喷淋喷嘴下方增加一层湍流器和更换喷嘴，让烟气进入塔内通过湍流器均布烟气流向。使得浆液与烟气均匀接触，向上流动的烟气与向下喷淋的浆液充分接触反应，达到很好的化学反应，进一步烟气流场合理分布均匀。改造方式为:第一层喷淋层下方2m从增加一层湍流器，进入塔内烟气通过湍流器合理均匀分布，从而降低吸收塔内远离烟气进口处的烟气流速均匀，第一层的总喷嘴数不变。第二层靠近烟气进口处的增加双向喷嘴布置密度，增加烟气接触处喷嘴数，从而降低吸收塔内靠近烟气进口处的烟气流速，使烟气流场均匀，喷嘴调整后的第二层的总喷嘴数增加。将第三层靠近烟气出口处的增加喷嘴的布置密度，通过增加喷嘴数来增加靠近吸收塔出口处除雾器局部区域的阻力，但喷嘴调整后的增加第二层总喷嘴数和湍流器。从而使得进入除雾器的烟气流速均匀，提高除雾器的除尘除雾效果。

为了保证喷淋母支管的机械强度，喷淋管采用FRP制作时采用加强的方式，喷嘴采用双向空心锥及进口SiC材质喷嘴。

1.2.2更换除雾器结构形式

管束式除尘装置的使用环境是含有大量液滴的～50℃饱和净烟气，特点是雾滴量大，雾滴粒径分布范围广，由浆液液滴、凝结液滴和尘颗粒组成；除尘主要是脱除浆液液滴和尘颗粒。大量的细小液滴与颗粒在高速运动条件下碰撞机率大幅增加，易于凝聚、聚集成为大颗粒，从而实现从气相的分离。除尘器筒壁面的液膜会捕悉接触到其表面的细小液滴，尤其是在增速器和分离器叶片的表面的过厚液膜，会在高速气流的作用下发生“散水”现象，大量的大液滴从叶片表面被抛洒出来，在叶片上部形成了大液滴组成的液滴层，穿过液滴层的细小液滴被捕悉，大液滴变大后跌落回叶片表面，重新变成大液滴，实现对细小雾滴的捕悉。经过加速器加速后的气流高速旋转向上运动，气流中的细小雾滴、尘颗粒在离心力作用下与气体分离，向筒体表面方向运动。而高速旋转运动的气流迫使被截留的液滴在筒体壁面形成一个旋转运动的液膜层。从气体分离的细小雾滴、微尘颗粒在与液膜层接触后被捕悉，实现细小雾滴与微尘颗粒从烟气中的脱除。气体旋转流速越大，离心分离效果越佳，捕悉液滴量越大，形成的液膜厚度越大，运行阻力越大，越容易发生二次雾滴的生成；因此采用多级分离器，分别在不同流速下对雾滴进行脱除，保证较低运行阻力下的高效除尘效果。

1.2.3除雾器模块的差异化布置

由于烟气经过喷淋区后，烟气经过旋流子分离器，产生高速离心运动，在离心力的作用下，雾滴与尘向筒体壁面运动，在运动过程中相互碰撞、凝聚成较大的液滴，液滴被抛向筒体内壁表面，与壁面附着的液膜层接触后湮灭，实现雾滴与尘的脱除。在分离器之间设置导流环，提升气流的离心运动速度，并维持合适的气流分布状态，以控制液膜厚度，控制气流的出口状态，防止液滴的二次夹带。

在除雾器的设计中，通常将靠近吸收塔边壁处的模块设计为非标准件，而吸收塔中心区为标准模块，由于吸收塔出口为单侧，靠近吸收塔出口处的烟气流速较大，而远离出口处的烟气速率较低。对于除雾器来说，烟气速度过高或过低都会影响到除雾效果。为了保证烟气在除雾器内的流速均匀，则更换除雾器的型式，从而保证除雾器筒体内的流场均匀。

1.3改造后效果

1.3.1改造后的流场分布

按照上述方案改造后，根据FGD入口的烟气参数、吸收塔参数等，模拟计算了改造后的吸收塔内的流场分布，从计算结果来看，吸收塔截面熵的流场明显趋于均匀，且除雾器出口的流畅相对均匀对称。

1.3.2改造后烟气中的石膏悬浮物去除率

为了保证改造后石膏悬浮物去除效果，对两套脱硫装置间隔改造施工，改造后系统的脱硫效率没有改变，通过调整管束式除尘器的冲洗频次，更好地保证了吸收塔系统的水平衡不被打乱，运行操作比改造前更容易。在改造后，对烟囱出口的烟气中水滴进行了采样测定。采样纸采用白色A4纸，机组满负荷600MW时,SO2浓度约2900mg/Nm3左右。采样时滴落到A4纸上液滴为无色透明，液滴中无杂质、悬浮物，自然晾干液滴后，A4采样纸表面基本无明显残留痕迹，未见石膏痕迹。随后环保部门针对石膏雨问题对该厂进行随机采样检查，也未发现石膏雨。

2关键技术和创新点

通过大量的数据分析测量和计算，完成对塔内流场气流分布及运行状况的精确模拟，并通过运行分析，有针对性地提出石膏雨的解决方案。

3与国内外已有同类先进技术的对比情况

设备运行稳定、场地布置合理、费用等问题，脱硫系统取消烟气换热器在国内发电厂工程成为一种发展趋势，可是伴随的石膏雨等问题一直没有很好的解决方案。目前国内大多数电厂通过调整除雾器冲洗的运行方式，优化浆液浓度配比、石灰石粉密度等运行参数的做法，根本上的解决不了石膏雨现象的发生。

4已应用、推广情况及推广前景

通过吸收塔流场调整和吸收塔内增加湍流层的改造，消除了该厂的石膏雨现象的发生，说明本方案是可行的，可以广泛用于烟囱飘落石膏雨电厂，目前具有很大的推广空间和应用前景。

5经济及社会效益情况

通过消除石膏雨的治理方式，减少对厂区及周边区域环境的污染，减少了每年近百万的清理和赔偿费用，给周围居民创造了很好的生活环境，是一项先进性、经济性、环保性、可用性于一体的治理环境的技术，特别受到上级公司、发电厂及周边居民的欢迎，取得了显著的社会及经济效益。