張雅姝，蘇軍劃

（1.中國人民大學資源與環(huán)境經(jīng)濟學院，北京 100872；2.中國華電科工集團有限公司，北京 100160）

當前，燃煤電廠污染物排放限值日趨嚴格，進一步提高燃煤機組除塵、脫硫性能是火電廠面臨的重要課題[1-8]。如果能夠?qū)γ摿蛭账?nèi)部進行優(yōu)化配置，在提高脫硫效率的同時兼顧除塵，必然大大降低火電廠環(huán)保系統(tǒng)的投資成本。

為此，本文根據(jù)粉塵捕集的機理[9-10]，研究了設(shè)置導流環(huán)、優(yōu)化噴嘴布置、增加液滴凝聚系統(tǒng)等對脫硫吸收塔除塵能力的增強作用。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠顯著提高除塵效率，滿足超低排放限值的要求。目前，研究成果已在陜西某電廠完成試驗驗證。

1 設(shè)置導流環(huán)

對于煙氣濕法脫硫吸收塔，塔內(nèi)中心區(qū)的液膜覆蓋率較高，該區(qū)域的脫硫效率通?？筛哌_99.9%；而對于吸收塔近壁區(qū)域，液膜覆蓋率較低，阻力較小，當煙氣流向該區(qū)域時，極易逃逸，導致吸收塔的除塵、脫硫效率較低。

為解決煙氣流速分布不均的問題，在吸收塔內(nèi)設(shè)置了導流環(huán)。圖1a)為不帶噴淋、不設(shè)置導流環(huán)時吸收塔軸向截面煙氣速度分布?？梢钥闯觯粠娏軙r，煙氣由吸收塔入口進入噴淋塔，受到吸收塔的阻擋向上運動，形成了循環(huán)流動。圖1b)為有噴淋無導流環(huán)時吸收塔軸向截面煙氣速度分布?？梢钥闯?，增加噴淋后，塔內(nèi)煙氣的循環(huán)流動基本消失。噴入漿液后，受到噴淋漿液液滴的影響，入口煙氣進入塔體后迅速趨于均勻。圖1c)為有噴淋有導流環(huán)時吸收塔軸向截面煙氣速度分布。可以看出，在導流環(huán)的作用下，煙氣向脫硫塔中心流動，塔壁面附近的煙氣速度明顯降低，有利于吸收過程的進行。

圖1 吸收塔軸向截面煙氣速度分布Fig.1 The distribution of flue gas velocity in axial section the desulfurization absorber

2 設(shè)置吸收塔均流板

設(shè)置導流環(huán)后，高速帶明顯向塔中心移動（圖1）。為了更好地進行傳質(zhì)和均流，提出了一種正六邊形的均流板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 正六邊形開孔均流板Fig.2 Schematic diagram of the hexagonal flow equalizer with holes

在相同的開孔率條件下，正六邊形開孔均流板比圓形均流板的孔距更大，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更有利于對氣流進行割裂，增加泡沫量，增大傳質(zhì)面積，從而提高對煙塵的捕集能力。另外，正六邊形開孔也有利于氣流湍動，在局部區(qū)域強化傳質(zhì)混合。

煙氣高速進入液膜層后，激起大量泡沫（圖3），這些泡沫相互交疊，增加了煙氣與漿液的接觸概率，使煙氣中的微細粉塵和SO3被有效捕捉。由圖3可以看出，有均流板時泡沫大量增加，氣液接觸充分，可有效降低漿液循環(huán)泵的循環(huán)流量。

圖3 吸收塔試驗臺觀察口Fig.3 The observation ports of the absorption tower test-bench

3 吸收塔噴淋層噴嘴優(yōu)化布置

為了增加噴淋塔的漿液覆蓋率，根據(jù)吸收塔內(nèi)的流場特點，通過不同噴嘴的優(yōu)化組合進一步提高吸收塔的除塵、脫硫效率。在吸收塔近壁區(qū)域，采用高噴淋密度的90°實心錐雙頭同向噴嘴（圖4），能夠顯著提高該區(qū)域的漿液覆蓋率，減小煙氣逃逸量。在吸收塔中心區(qū)域，采用霧化粒徑均勻度高的空心錐雙向噴嘴（圖5），可以有效增加該區(qū)域的漿液覆蓋率；在吸收塔的最頂層設(shè)置單向噴嘴，能夠有效地降低煙氣攜帶漿液量。

對于設(shè)置了4 層噴淋層的吸收塔，可以將噴嘴設(shè)置為如圖6所示的布置方式，雖然這樣增加了施工難度和管路及循環(huán)泵的布置難度，但是對除塵有顯著的改善作用。

圖4 90°實心錐雙頭同向噴嘴（吸收塔近壁區(qū)域）Fig.4 The 90°solid conical double-nozzle(near the tower wall)

圖5 120°空心錐雙向噴嘴（吸收塔中心區(qū)域）Fig.5 The 120°hollow cone double-nozzle(middle part of the tower)

圖6 噴嘴優(yōu)化布置方案Fig.6 The optimized scheme of nozzle layout

4 增加液滴凝聚系統(tǒng)

常規(guī)高效除霧器對顆粒物和液滴的去除是基于慣性碰撞理論，其分割粒徑約為15 μm。當顆粒（粉塵或石膏霧滴）粒徑＜15 μm 時，除霧器的去除效率相對較低；而當顆粒粒徑＞30 μm 時，其去除效率基本達到100%[11]。凝聚使煙氣中的超細顆粒物團聚長大到濕法脫硫除霧器所能脫除的粒徑范圍，可提高脫硫塔對超細顆粒物的脫除效率[12]。

本研究通過采用冷凝和霧化凝聚的方式將粒徑＜15 μm 的微細粉塵與石膏霧滴凝并成粒徑＞40 μm的顆粒，然后利用精細除霧器進行脫除。去除細顆粒物及石膏霧滴的工藝流程如圖7所示。

圖7 去除顆粒物和霧滴的工藝流程Fig.7 The process flow of removing particles and fog drops

首先，煙氣經(jīng)過吸收塔的脫硫漿液進行洗滌，洗滌后的煙氣進入第1 級除霧器（圖7a)），在第1 級除霧器內(nèi)能夠有效去除粒徑為60～1 500 μm 的大顆粒霧滴。

然后，煙氣進入翅片管式冷凝器（圖7b)），飽和煙氣開始冷凝。水蒸氣以煙氣中的粉塵作為凝結(jié)內(nèi)核開始凝結(jié)并逐步增大。表面結(jié)露后的粉塵，其親水性和浸潤性會顯著增大，為下一步提高凝并效率奠定了基礎(chǔ)。

接著，煙氣進入超細霧化凝并區(qū)域（圖7c)）。超細霧化凝并系統(tǒng)由空氣壓縮機、雙流體噴嘴、合金管路等組成。冷卻水經(jīng)壓力空氣噴射形成致密的霧化區(qū)域，霧化粒徑為40～100 μm，煙氣中大部分粉塵及全部石膏霧滴被凝并成＞40 μm 的大顆粒液滴。

此后，煙氣按順序先后進入第2 級和第3 級精細除霧器（圖7d)）。因為精細除霧器的分割粒徑約為15 μm，而煙氣的大部分粉塵粒徑已＞40 μm，所以煙氣流經(jīng)第2 級和第3 級精細除霧器后，細顆粒物粉塵質(zhì)量濃度可達到＜5 mg/m3。同時，由于凝并系統(tǒng)的作用，進入精細除霧器的煙氣的固體含量大幅降低，顯著降低了除霧器的堵塞風險。

5 工程驗證

陜西某電廠超低排放工程于2015年5月28日開工，2015年年底實現(xiàn)2 臺機組雙投。工程建設(shè)期間，由于煙氣排放標準不斷提升，技術(shù)方案也隨之變更。最后明確采用高效電袋復(fù)合除塵器（出口煙塵質(zhì)量濃度≤10 mg/m3）+超凈濕法脫硫裝置（粉塵質(zhì)量濃度≤5 mg/m3）的技術(shù)方案，協(xié)同除塵通過本文提出的在脫硫吸收塔內(nèi)設(shè)置導流環(huán)和均流板、優(yōu)化噴嘴布置、增加液滴凝聚系統(tǒng)等技術(shù)實現(xiàn)。

應(yīng)用結(jié)果表明：1 號機組脫硫吸收塔進、出口粉塵質(zhì)量濃度分別為9.1、3.3 mg/m3（標準狀態(tài)、干基、(O2)=6%，下同），脫硫塔原煙氣和凈煙氣中的SO2質(zhì)量濃度分別為3 438、31.7 mg/m3；2 號機組脫硫吸收塔進、出口粉塵質(zhì)量濃度分別為9.6、3.7 mg/m3，脫硫塔原煙氣和凈煙氣中的SO2質(zhì)量濃度分別為2 956、21.4 mg/m3。2 臺機組脫硫塔出口的粉塵和SO2質(zhì)量濃度分別在5 mg/m3和35 mg/m3以下，能夠滿足粉塵超低排放的要求。

6 結(jié) 論

1）增設(shè)導流環(huán)和正六邊形開孔均流板，能夠顯著增加氣液接觸面積和煙氣的停留時間，提高脫硫效率和除塵效率。

2）根據(jù)各噴淋層中間區(qū)域和塔壁區(qū)域的流場特點，采用不同參數(shù)的噴嘴，對各噴淋層的噴嘴進行優(yōu)化布置，能夠進一步增強吸收塔的除塵效果。

3）增加液滴凝聚系統(tǒng)并采用三級除霧器，通過煙氣的冷凝和凝聚，將液滴粒徑增加至40 μm 以上并通過多級除霧器去除，能夠顯著加強吸收塔對微細粉塵的脫除效果。