趙增慧，梁存珍

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

采用花崗巖水膜除塵器燃煤鍋爐脫硫和除塵的工藝改造

趙增慧，梁存珍

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

為了使現(xiàn)有花崗巖水膜除塵器的燃煤鍋爐煙氣凈化達(dá)標(biāo)排放，在不更換水膜除塵器的前提下，探討和比較了后繼煙氣吸收裝置噴淋塔和鼓泡塔的脫硫和除塵機(jī)理，提出改進(jìn)措施。該技術(shù)具有工藝流程簡(jiǎn)單，建設(shè)和運(yùn)行成本低，適用于由于歷史原因仍有相當(dāng)大數(shù)量使用的花崗巖水膜除塵器的煙氣凈化工藝路線的改造。

花崗巖水膜除塵器;煙氣凈化;噴淋塔;鼓泡塔

0 引言

目前，國內(nèi)尚有相當(dāng)數(shù)量裝機(jī)容量較小的燃煤鍋爐煙氣除塵采用了花崗巖(麻石)水膜除塵器［1－3］，該類除塵器屬于濕式除塵，包括離心式、雙筒噴淋式和文丘里式三種類型［4－5］，其總體特點(diǎn)如下:具有一定的耐腐蝕性和良好的耐磨性;除塵效率約在80%～96%左右;造價(jià)低于電除塵器裝置;花崗巖水膜除塵器兼有吸收煙氣中5%～15%左右SO2的脫硫功能。隨著我國治理鍋爐煙氣脫硫和除塵的力度加大，排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高。嚴(yán)格規(guī)定不再允許新建分散小裝機(jī)容量燃煤鍋爐，對(duì)一時(shí)不能關(guān)閉拆除的小裝機(jī)容量燃煤鍋爐都要對(duì)煙氣脫硫和除塵限期達(dá)標(biāo)排放。

全國約有200余家設(shè)有多臺(tái)小裝機(jī)容量燃煤鍋爐采用了花崗巖水膜除塵器進(jìn)行煙氣除塵，為了增加脫硫效果，在花崗巖水膜除塵器后增加濕法脫硫裝置。現(xiàn)有濕法脫硫的吸收設(shè)備包括噴淋塔、填料塔、鼓泡塔等設(shè)備對(duì)于脫硫比較容易達(dá)標(biāo)，除塵性差異較大。在對(duì)噴淋塔和鼓泡塔除塵原理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的工程案例提出改進(jìn)措施。

1 噴淋塔除塵

噴淋塔是早期常用的濕式除塵器，采用多層噴淋塔，塔內(nèi)上升煙氣與下降的被霧化的吸收液滴逆向接觸，通過氣液相的慣性碰撞、直接攔截、重力沉降、擴(kuò)散等方式，粉塵被液滴粘附而捕集［6－7］。在上述因素中最重要的除塵因素是氣液慣性碰撞，可以通過考察單個(gè)液滴與煙氣中塵粒發(fā)生碰撞的概率來研究噴淋塔的除塵效率，采用公式(1)所示無因次碰撞數(shù)ψ表示:

式中:xs為塵粒自脫離流線到停止運(yùn)動(dòng)總共移動(dòng)的距離，m;ds為液滴的直徑，m。

碰撞數(shù)也可用修正后的Stokes公式表示:

式中:C為Cunning hum滑動(dòng)修正系數(shù);d為塵粒直徑，m;ux為氣體與液滴的相對(duì)速度，m/s;ρc為塵粒的密度，kg/m3;μ為氣體的動(dòng)力粘度，N·S/m3即Pa·S。

由公式(1)可知，如ψ值大，即單個(gè)液滴和塵粒碰撞幾率大，噴淋塔除塵效率高。由公式(2)可知，ψ與ux成正比，與ds成反比，因此提高氣流和液滴的相對(duì)速度，減小液滴直徑是提高除塵效率的有效途徑。此外，塵粒的密度大、粒徑越大，氣液接觸面積大，除塵效率也越高，而氣體粘度越大則除塵效率越低。由于在花崗巖水膜除塵器里氣液直接換熱，使出口煙氣溫度降低、粘度增高，對(duì)除塵是不利的。

為提高脫硫和除塵效率，噴淋塔的設(shè)計(jì)可以從如下幾方面的改進(jìn):

(1)將噴淋塔的空塔氣速從2.0～3.5m/s提高到3.5～6.2m/s，氣液逆向相對(duì)速度增加對(duì)脫硫和除塵效率都會(huì)有較大的提高。提高空塔氣速后會(huì)使流體阻力增加，使風(fēng)機(jī)的設(shè)備投資和操作費(fèi)用有所增加。

(2)適當(dāng)加大噴淋層數(shù)設(shè)置，從過去用1～2層，增大到3～6層。加大噴淋層數(shù)增加了氣液兩相接觸幾率，對(duì)SO2的吸收和除塵效率有所提高。采用多層噴淋時(shí)，上層噴出的液滴更多是與下層液滴產(chǎn)生凝聚，使液滴變大，氣流的流場(chǎng)不均勻，致使下層和次下層的氣體吸收和除塵工況變壞，效率下降。

(3)噴嘴類型的選擇及布置。多噴淋層選用錐頂角較大的噴嘴，可以降低塔的高度;各噴淋層噴嘴位置布置相同時(shí)，可以用旋轉(zhuǎn)一定角度的布置方式或每層上噴嘴的布置不同，避免噴淋液滴過度覆蓋而使液滴聚集，造成脫硫和除塵的工況變壞。

2 鼓泡塔除塵

鼓泡塔的除塵原理與定型的除塵設(shè)備水浴除塵器相似，兩者的主要操作參數(shù)如表1所示。

表1 鼓泡塔和水浴除塵器參數(shù)對(duì)比

噴管氣流速度與噴管浸沒深度是對(duì)除塵效率影響最大的操作參數(shù)［8－9］。水浴除塵器的除塵效率一般在92%左右，鼓泡塔的除塵效率一般在98%左右。

鼓泡塔的除塵效率優(yōu)于其他類型塔?；瘜W(xué)吸收過程受制于鼓泡區(qū)臨界傳質(zhì)和臨界化學(xué)反應(yīng)速度的制約，氣液接觸時(shí)間、面積和氣液相速度是影響脫硫除塵效率的三大因素，在傳統(tǒng)的煙氣脫硫吸收塔運(yùn)行中煙氣是連續(xù)相而吸收液是分散相，在鼓泡塔中吸收液為連續(xù)相，煙氣為分散相，氣液相高速接觸，氣相被不斷更新變換的液面和大量氣泡包圍和分割，這些都是良好脫硫除塵的必備條件。

SO2被連續(xù)的液相吸收，氣體經(jīng)鼓泡區(qū)后先到一個(gè)容積較大的匯氣室，在此室內(nèi)氣體的平均氣速通常設(shè)計(jì)為2.5～3m/s，在匯氣室內(nèi)氣體動(dòng)能減少，靜壓能上升，經(jīng)由上升氣管送至塔頂部匯氣室，經(jīng)除霧器除霧后從出口煙道和煙囪排出。由于鼓泡塔產(chǎn)生的霧滴量比噴淋塔小，在匯氣室內(nèi)煙氣流速又較噴淋塔內(nèi)的氣速低，故除霧器的負(fù)載小，霧沫夾帶量少，這對(duì)脫硫工藝有益。

在實(shí)驗(yàn)室采用單噴管有機(jī)玻璃鼓泡塔試驗(yàn)裝置，觀察用空氣和水的冷膜試驗(yàn)以及配置煙氣和水的冷膜實(shí)驗(yàn)情況。試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)為:噴管直徑為DN108mm，氣速約為10m/s，塔內(nèi)經(jīng)DN300mm，水的液面高度1000mm，噴管浸沒深度200mm。吹空氣時(shí)泡沫區(qū)的高度約為260mm。將煙道內(nèi)自然沉降的煙塵配制約為2000mg/m3煙塵的煙氣，氣速不變，吹10min后，觀察到泡沫區(qū)的高度明顯降低至約為90mm，分析原因這主要是由于水的粘度和表面張力因混入煙塵而加大所致。所以，鼓泡塔在高粉塵運(yùn)行時(shí)，脫硫率、除塵效率和產(chǎn)品質(zhì)量都會(huì)明顯下降，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予重視和考慮。一般花崗巖水膜除塵器出口的含塵量約為2000mg/m3，經(jīng)過鼓泡塔除塵，出口含量約為40mg/m3，效果顯著，且鼓泡塔對(duì)于去除細(xì)微粒子的粒級(jí)效率也很高，如粉塵粒度為1～10μm除塵效率為90%。

為了應(yīng)對(duì)煙氣除塵工況變化很大的問題，開發(fā)組合式鼓泡塔，其適用于有多臺(tái)小容量燃煤鍋爐機(jī)組共用的煙氣凈化吸收設(shè)備。例如，廣西某化工廠多年來陸續(xù)建造了4臺(tái)25MW的燃煤鍋爐，經(jīng)常是“三開一備”，有時(shí)是2臺(tái)或4臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果僅設(shè)計(jì)一臺(tái)鼓泡塔就要將4臺(tái)機(jī)組的煙氣出口匯集成統(tǒng)一的煙氣管進(jìn)入鼓泡塔，以4臺(tái)機(jī)組的總煙氣量選定噴射氣速、噴射管徑，計(jì)算出噴射管數(shù)、鼓泡塔的公稱直徑。同樣，在凈化后的煙氣進(jìn)入折流板式煙氣除霧室，除霧流速及除霧室的流通截面積也是按照四臺(tái)機(jī)組的總煙氣量確定。由于機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)變化，即總煙氣量變化，將使煙氣凈化和除霧效果大為降低。盡管鼓泡塔的操作彈性較大，但對(duì)工況變化如此之大也是難于承受的。在燃煤鍋爐機(jī)組后仍保留了原有的花崗巖水膜除塵器，在后續(xù)的煙氣進(jìn)一步凈化設(shè)備采用了組合式鼓泡吸收塔。

組合式鼓泡塔用一個(gè)公用的圓筒形外殼，由水平隔板(一)和(二)將塔體分隔為塔釜、煙氣噴射室和煙氣除霧室三部分，每部分的內(nèi)部又由互相垂直交叉的兩塊軸向隔板分隔為四個(gè)分室，對(duì)應(yīng)4臺(tái)燃煤鍋爐，每個(gè)分室的橫截面相等。塔釜處的軸向隔板伸入釜液面下的距離大于噴射管的浸沒深度，可使各分室噴出的煙氣經(jīng)過塔釜液脫硫、除塵后沿各自設(shè)置的弓形升氣管上升至各自的除霧室，凈化后的煙氣經(jīng)匯氣煙道匯合后從煙囪排出。組合式鼓泡塔與各機(jī)組單獨(dú)配置有如下優(yōu)點(diǎn):備及附屬機(jī)泵管路等布置集中緊湊，占地面積小;操作和檢修人員配置少;減少煙氣凈化設(shè)備的總投資。特別對(duì)于已有多臺(tái)燃煤鍋爐機(jī)組的工廠和企業(yè)，一般很少有預(yù)留場(chǎng)地，在進(jìn)行煙氣凈化改造時(shí)選用組合式鼓泡塔占地面積小、投資少的優(yōu)勢(shì)明顯。

脫硫與除塵是化學(xué)吸收過程，組合式鼓泡塔的脫硫和除塵效率不低于單個(gè)鼓泡塔。鼓泡塔中氣流經(jīng)噴射管的氣速和噴射管在塔釜液面下的浸沒深度是決定煙氣脫硫和除塵效率的主要因素。這兩點(diǎn)在組合式及單個(gè)鼓泡塔中可以做到完全一致。相反，如選用噴淋塔作為吸收設(shè)備就不宜做成組合式。噴淋塔中為了使氣液良好接觸，每一噴淋層的噴嘴應(yīng)均勻布置，使噴淋覆蓋系數(shù)不致過大，這是直接影響煙氣脫硫與除塵效率的主要因素。若設(shè)計(jì)為組合式噴淋塔，則每個(gè)分塔的橫截面為非圓，較難均勻布置噴嘴，則一定層高下的噴淋覆蓋系數(shù)由于無效噴淋和過多的噴淋重疊使液相分布變壞，影響了氣、液相間的脫硫和除塵效率。

3 結(jié)語

(1)典型噴淋塔與鼓泡塔的除塵原理表明對(duì)含塵量較高的煙氣要達(dá)到較好的除塵脫硫效果，應(yīng)優(yōu)先選用鼓泡塔。

(2)在鼓泡塔中脫硫除塵操作靈活，改變噴射管的浸埋深度可以得到較大的操作彈性從而滿足和達(dá)到煙氣凈化指標(biāo)。

(3)對(duì)于有多臺(tái)小功率的燃煤鍋爐機(jī)組進(jìn)行煙氣凈化時(shí)，組合式鼓泡塔處理效果較好。

［1］王光武，曹靜山，楊杰沖，等.中小型鍋爐高效脫硫集成技術(shù)開發(fā)研究［J］.節(jié)能與環(huán)保，2007，(9):21－23.

［2］解標(biāo)，邱曙光，毛勇祥，等.新型電除塵技術(shù)在200 MW機(jī)組改造上的應(yīng)用［J］.電力科技與環(huán)保，2010，26(12):39－40.

［3］鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］金國淼.除塵設(shè)備［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［5］郭東明.脫硫工程技術(shù)與設(shè)備［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［6］陳永新.FGD系統(tǒng)中吸收塔漿液起泡溢流的原因分析及解決辦法［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27(1):35－37.

［7］王飛，李忠華，薛建明，等.濕法脫硫技術(shù)關(guān)鍵問題研究［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27(6):14－17.

［8］羅婭，林彬.鼓泡塔與噴淋塔在大型火力發(fā)電機(jī)組上運(yùn)行的對(duì)比分析［J］.廣東電力，2007，20(4):68－70.

［9］Zheng Yuanjing，Kill S－ren，Johesson Jan E.Experimental investigation of pilot－scale jet bubbling reactor for wet flue gas［J］.Chemical Engineering Science，2003，(58):4695－4703.

Technological innovation of coal burning boiler desulfurization and dust removal with granite water film dust collector

Technological innovation is essential for coal burning boiler with granite water film dust collector to meet the discharge standard of sulfur dioxide and gas fume.The mechanisms of desulfurization and dust removal of spray tower are compared with those of bubble tower.The feasibility for bubbe tower to improve the desulfurization and dust removal efficiency is discussed.The process possesses the advantages of easy operation and low costs of construction and operation.Bubble tower can improve the purifying capacity of boilers with granite water film dust collector that has been still being employed.

granite water film dust collector;fuel gas purification;bubble tower;spray tower

X701.2

B

1674－8069(2012)02－029－03

北京市科技新星資助項(xiàng)目(2008B25);環(huán)境治理與調(diào)控技術(shù)北京市優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(PHR201107213)

2012-01-20;

2012-03-18

趙增慧(1962-)，北京人，學(xué)士，副教授，主要從事設(shè)備的設(shè)計(jì)研究。E－mail: zhaozenghui@bipt.edu.cn