穩流器與旁路對火電廠煙氣脫硫效率的研究分析

馬翔金

摘? 要：該文提出一款可應用于濕法煙氣脫硫工藝的雙旁路直流旋風脫硫除塵器，對其進行了實驗測試，并對熱態煙氣脫硫方案脫硫效果進行了研究與分析。研究表明：采用組合式的噴頭開啟方式能夠很大程度上增加系統的脫硫效率，且配置雙旁路+穩流器式旋轉分離器不僅具有更好的穩定性，而且能夠在入口流速較小的情況下達到最大脫硫效率，降低了整個裝置的能耗，脫硫效率可達到90%以上。

關鍵詞：煙氣脫硫? 雙旁路直流旋風? NaOH溶液? 脫硫效率

中圖分類號：X773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（c）-0053-03

Research and Analysis of Flow Stabilizer and Bypass on the Efficiency of Flue Gas Desulfurization

in Thermal Power Plants

MA Xiangjin

（Inner Mongolia Guohua Zhungeer Power Generation Co.， Ltd.， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000? China）

Abstract： A double bypass DC cyclone desulfurizer that can be applied to the wet flue gas desulfurization process was proposed and tested， the experimental process of the hot flue gas desulfurization program is given， the desulfurization effect of the hot flue gas desulfurization program is studied and analyzed. Studies have shown that the combined nozzle opening method can greatly increase the desulfurization efficiency of the system. The configuration of double bypass + stabilizer type rotary separator not only has better stability， but also can achieve the maximum desulfurization efficiency under the condition of a small inlet flow rate， the energy consumption of the entire device is reduced， and the desulfurization efficiency can reach 90% the above.

Key Words： Flue gas desulfurization; Double bypass direct current cyclone; NaOH solution; Desulfurization efficiency

在我國，火力發電廠是提供電能的主要來源，同時也是煤炭年均消耗量最多的工業之一。考慮到經濟的快速發展，火力發電仍將以300億W的年裝機容量繼續快速發展。這也就意味著煤炭的用量也將會逐年遞增，因此，對燃煤煙氣進行脫硫處理等問題急需得到解決。

如何在保證工業和經濟健康發展的前提下，做到零污染排放是國家和企業必須面臨的重要問題。在2014年9月，國家能源局、環境保護部和國家發改委對火力電廠燃煤釋放煙氣制定相關標準。該文以位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣鎮國華電廠原有煙氣脫硫裝置作為研究對象，按照其尾氣處理工藝流程裝置搭建實驗脫硫除塵裝置系統，針對火力發電廠原有尾氣脫硫裝置存在的脫硫效率低和工藝不穩定等問題，提出改進措施，重點考察了脫硫劑種類、脫硫方法、分離器的脫硫裝置等因素對脫硫效率的影響，同時也探究了旁路和穩流器對直流旋風分離器性能的影響。從而在保證對整個系統進行監督和控制的同時，提高實驗系統的穩定性，并且盡可能地降低煙氣中相關物質排放量，有效地改善發電廠的脫硫效率。

1? 火電廠煙氣脫硫機理及方法選擇

當前，工業上主要常采用CaCO3作為脫硫劑，這種脫硫劑均適用于液膜控制過程和氣膜控制過程，但這并不適用于持液量小的脫硫設備，因此該文選擇NaOH溶液作為吸收劑，在脫硫效率上，NaOH溶液相比于CaCO3有以下優勢：一是脫硫過程中吸收不易揮發;二是氫氧化鈉在水中的溶解度比碳酸鈣高很多，在吸收塔中基本不會出現堵塞設備等問題[1]。在脫硫系統中脫硫一般分為以下3步。

（1）so2經氣膜后擴散到氣液界面上，并在氣液界面上進入平衡狀態，擴散機理和物理吸收時沒有任何差異，氣相吸收系數并不受影響。

（2）so2和NaOH溶液在液膜內進行化學反應。

（3）NaOH溶液在界面的周圍擴散，進而進行二次處理SO2。

少量的SO2進入NaOH溶液后，首先生成Na2SO3，隨著吸收的進行，過量的SO2會繼續與Na2SO3反應生成NaHSO3。

當NaOH溶液與SO2充分反應后，進而SO2與生成物Na2SO3繼續發生化學反應。

該反應在SO2與NaOH溶液的反應完成后瞬時反應。此外，該反應的平衡常數為PKa=2.7×105，因此可認為脫硫過程中naoh溶液對SO2的吸收是一個不可逆反應。這時，該過程屬于傳質（擴散）控制。一般，SO2在氣相和液相吸收液之間為對流擴散，而在氣膜和液膜內，由于受到傳質阻力的影響，SO2擴散速度比較慢[2-3]。

在脫硫初期，naoh溶液與SO2在液膜中發生快速化學反應并生成Na2SO3等物質。當化學反應繼續進行時，液膜內生成物Na2SO3質量會不斷增長，造成相界處與液相主體間存在較大的Na2SO3濃度差，從而引起Na2SO3向相界處進行擴散。在Na2SO3擴散過程中，液相里的未進行化學反應的SO2也將會向液膜方向擴散，并與擴散的Na2SO3在反應面上進行化學反應。當兩者的擴散速度能夠保持在一定的范圍內時，保證Na2SO3和SO2始終在特定反應面上穩定地進行反應，進行二次脫硫。反應面與相界面的距離由Na2SO3和SO2擴散速度所決定，前者速度越快，離相界面距離越小。

2? 旋轉噴霧濕法脫硫法及煙氣脫硫方案

目前，脫硫方法有脈沖電暈脫硫法、電子束脫硫法、煙氣循環流化床脫硫法、爐內噴鈣-尾部增濕脫硫法、爐內噴鈣脫硫法、旋轉噴霧干燥法、海水法、石灰石-石膏濕法等多種方法，但均優缺點不一[4]。課題結合該實驗的實際操作條件和NaOH溶劑的選取，決定采用旋轉噴霧濕法脫硫方法，保證脫硫效果更加均勻，脫硫效率更高。同時，煙氣的濕度可參照大氣壓的空氣濕度走勢分布圖，趨近絕熱飽和溫度為11 ℃，脫硫除塵器的出口溫度為62 ℃，對應濕含量為0.104 kgH2O/kg干煙氣。

所采用的脫硫工藝系統由煙氣分析器、水泵、熱電偶溫度測量儀、SO2鋼瓶、加熱器、引風機、碰頭、旋風分離器等多種部件構成[5]。

煙氣通過進氣口后進入加熱爐經加熱生成地熱煙氣，經過煙氣管道和SO2鋼瓶中排出的SO2氣體融合后形成模擬煙氣。在脫硫系統中，在分離器距離入口45 cm處安裝一個霧化噴頭，噴射方向與煙氣流入方向相反，噴射出的NaOH霧氣與SO2進行反應，將絕大部分煙塵進行洗滌分離。同時，在分離器中距離穩流器45 cm和90 cm處分別安裝一個霧化噴頭，并向下進行噴射，將更小的顆粒洗滌分離出來，最終實現脫硫和除塵的目的[6]。方案流程如下。

（1）首先根據測試條件及實驗要求，對NaOH溶液進行配制，并利用水泵將其引入至噴頭處。

（2）打開引風機后啟動加熱爐，對煙氣進行加溫，并對其測溫。當溫度達到預期溫度后，控制碟閥調整入口空氣速度。

（3）當入口流量進入穩定狀態后，啟動SO2鋼瓶閥門，并控制SO2入口流量，穩定后利用煙氣分析器計量和記錄CO2的出口濃度Cin。

（4）啟動系統中各處噴頭，并將溶液進行徹底的霧化，待一段時間后，利用出口煙氣分析器計量和記錄CO2的出口濃度Cout，結合上述步驟，計算脫硫效率η。

（5）測試和記錄完畢后，分別按順序依次關閉SO2鋼瓶閥門、噴頭、水泵閥門，待一段時間后再將加熱爐和引風機停用。

3? 熱態煙氣脫硫效果分析

在進行了實驗參數和實驗流程介紹的基礎上，該文對雙旁路式旋風分離器的總壓降、脫硫效率η進行了研究分析，其出當入口流量升高時，分離器的總壓降也會相應地升高，這主要是由于阻力和入口氣速的平方間成正比例關系。

對脫硫效率分別從入口流量、NaOH溶液濃度大小、噴頭開啟方式這3個方面進行分析研究，其分析結果如下。

（1）當入口流量逐漸升高時，其脫硫效率η也將逐漸升高，但升高至大約63.0%后將發生下滑現象。脫硫效率發生下降的原因主要是：①入口流量升高不僅僅將進一步縮減NaOH溶液在裝置內的滯留時間，而且旋轉流切向速度也會發生相應的升高，導致霧化脫硫劑離心力增強，一些NaOH溶液黏附至筒壁上，最終使得化學反應不能夠發生充分完全反應。②經加熱爐加熱的煙氣和SO2氣體混合進入分離器內，當入口流量相對較小時其旋轉能量也比較低，將無法與氫氧化鈉溶液無法充分接觸而不能完全反應。但是，當入口流量升高至一定值以及其旋轉能量的升高將會有助于與NaOH溶液充分接觸而進行完全反應，從而提高脫硫效率。

（2）脫硫效率隨著入口流量升高，兩種濃度下的脫硫效率基本上相同。因此，選用質量濃度較小的NaOH溶液作為脫硫劑，以降低資金的投入。

（3）噴頭開啟方式分為開啟#1噴頭、開啟#1噴頭+#2噴頭、開啟#1噴頭+#2噴頭+#3噴頭。3種開啟方式下的脫硫效率變化規律基本上相同，當僅僅開啟#1噴頭的脫硫效率較低，最大值大約為60%;開啟#1噴頭+#2噴頭的脫硫效率最大值略為有所增加，約為75%;開啟#1噴頭+#2噴頭+#3噴頭的脫硫效率最大值基本上能夠達到90%左右。從上述結果能夠得到：開啟#1噴頭脫硫效率并不是很理想，采用組合式的噴頭開啟能夠很大程度上增加系統的脫硫效率。

在對雙旁路式旋風分離器的總壓降、脫硫效率η進行了研究分析后，該文通過對基本結構的旋轉分離器和配置雙旁路+穩流器式的旋轉分離器的性能進行對比分析，分析結果如下。

（1）基本結構下的旋轉分離器和配置雙旁路+穩流器式的旋轉分離器總壓降隨著入口流速改變而變化趨勢基本上相同，后者的總壓降僅僅略高于前者的總壓降，其主要原因是旁路使得筒體相同截面上的瞬時切向速率略低于基本結構的速率。

（2）在相同入口流速下，基本結構下的旋轉分離器脫硫效率明顯低于配置雙旁路+穩流器式的旋轉分離器的脫硫效率。而且基本結構下的旋轉分離器和配置雙旁路+穩流器式旋轉分離器的最大脫硫效率分別為80%和90%左右，大約相差將近10%，基本結構的分離器脫硫效率明顯比較低下。而且兩者達到最大效率時其入口流速也有所不同，配置雙旁路+穩流器式旋轉分離器能夠在入口流速較小的情況下達到脫硫效率最大，進一步降低了整個裝置的能量損耗，提高系統脫硫效率。

4? 結語

課題選擇NaOH溶液作為脫硫劑，結合該實驗的實際操作條件和NaOH溶劑的選取，提出一款可應用于濕法煙氣脫硫工藝的雙旁路直流旋風脫硫除塵器，并通研究分析，得出其在整個模擬電廠尾氣處理裝置的脫硫系統中，發揮了較好的脫硫效果。研究表明：（1）當入口流量逐漸升高時，其脫硫效率也將逐漸升高，但升高至一定程度后將發生下滑現象;（2）采用組合式的噴頭開啟方式能夠很大程度上提高系統的脫硫效率;（3）配置雙旁路+穩流器式旋轉分離器不僅具有更好的穩定性，而且能夠在入口流速較小的情況下達到最大脫硫效率，降低了整個裝置的能耗，脫硫效率可達到90%以上。

參考文獻

[1] 李林.燃煤電廠濕法石灰石煙氣脫硫技術的分析[J].科技資訊，2018，16（4）：121，123.

[2] 張先茂，王天元，王澤，等.正交試驗優化干法煙氣脫硫劑的制備及性能研究[J].當代化工，2021，50（3）：

589-593.

[3] 郭宗林，溫佳琪.大型循環流化床鍋爐旋風分離器中心筒改造分析[J].應用能源技術，2019（6）：14-16.

[4] 韓天義，姚遠，徐珺，等.吸濕劑、表面活性劑及催化劑對煙氣循環流化床脫硫的增效機制[J].化工學報，2018，69（9）：4044-4050.

[5] 杜艷玲，柴啟華，員在斌.旋轉噴霧干燥法在火電廠脫硫廢水零排放改造中的應用[J].內蒙古電力技術，2018，36（2）：50-53.

[6] 司吉原.基于BP-Garson組合模型的濕式脫硫效率影響因素篩選分析[D].內蒙古科技大學，2020.