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稳流器与旁路对火电厂烟气脱硫效率的研究分析

来源:用户上传      作者:马翔金

摘 要:该文提出一款可应用于湿法烟气脱硫工艺的双旁路直流旋风脱硫除尘器,对其进行了实验测试,并对热态烟气脱硫方案脱硫效果进行了研究与分析。研究表明:采用组合式的喷头开启方式能够很大程度上增加系统的脱硫效率,且配置双旁路+稳流器式旋转分离器不仅具有更好的稳定性,而且能够在入口流速较小的情况下达到最大脱硫效率,降低了整个装置的能耗,脱硫效率可达到90%以上。

关键词:烟气脱硫 双旁路直流旋风 NaOH溶液 脱硫效率

中图分类号:X773 文獻标识码:A文章编号: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

在我国,火力发电厂是提供电能的主要来源,同时也是煤炭年均消耗量最多的工业之一。考虑到经济的快速发展,火力发电仍将以300亿W的年装机容量继续快速发展。这也就意味着煤炭的用量也将会逐年递增,因此,对燃煤烟气进行脱硫处理等问题急需得到解决。

如何在保证工业和经济健康发展的前提下,做到零污染排放是国家和企业必须面临的重要问题。在2014年9月,国家能源局、环境保护部和国家发改委对火力电厂燃煤释放烟气制定相关标准。该文以位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇国华电厂原有烟气脱硫装置作为研究对象,按照其尾气处理工艺流程装置搭建实验脱硫除尘装置系统,针对火力发电厂原有尾气脱硫装置存在的脱硫效率低和工艺不稳定等问题,提出改进措施,重点考察了脱硫剂种类、脱硫方法、分离器的脱硫装置等因素对脱硫效率的影响,同时也探究了旁路和稳流器对直流旋风分离器性能的影响。从而在保证对整个系统进行监督和控制的同时,提高实验系统的稳定性,并且尽可能地降低烟气中相关物质排放量,有效地改善发电厂的脱硫效率。

1 火电厂烟气脱硫机理及方法选择

当前,工业上主要常采用CaCO3作为脱硫剂,这种脱硫剂均适用于液膜控制过程和气膜控制过程,但这并不适用于持液量小的脱硫设备,因此该文选择NaOH溶液作为吸收剂,在脱硫效率上,NaOH溶液相比于CaCO3有以下优势:一是脱硫过程中吸收不易挥发;二是氢氧化钠在水中的溶解度比碳酸钙高很多,在吸收塔中基本不会出现堵塞设备等问题[1]。在脱硫系统中脱硫一般分为以下3步。

(1)so2经气膜后扩散到气液界面上,并在气液界面上进入平衡状态,扩散机理和物理吸收时没有任何差异,气相吸收系数并不受影响。

(2)so2和NaOH溶液在液膜内进行化学反应。

(3)NaOH溶液在界面的周围扩散,进而进行二次处理SO2。

少量的SO2进入NaOH溶液后,首先生成Na2SO3,随着吸收的进行,过量的SO2会继续与Na2SO3反应生成NaHSO3。

当NaOH溶液与SO2充分反应后,进而SO2与生成物Na2SO3继续发生化学反应。

该反应在SO2与NaOH溶液的反应完成后瞬时反应。此外,该反应的平衡常数为PKa=2.7×105,因此可认为脱硫过程中naoh溶液对SO2的吸收是一个不可逆反应。这时,该过程属于传质(扩散)控制。一般,SO2在气相和液相吸收液之间为对流扩散,而在气膜和液膜内,由于受到传质阻力的影响,SO2扩散速度比较慢[2-3]。

在脱硫初期,naoh溶液与SO2在液膜中发生快速化学反应并生成Na2SO3等物质。当化学反应继续进行时,液膜内生成物Na2SO3质量会不断增长,造成相界处与液相主体间存在较大的Na2SO3浓度差,从而引起Na2SO3向相界处进行扩散。在Na2SO3扩散过程中,液相里的未进行化学反应的SO2也将会向液膜方向扩散,并与扩散的Na2SO3在反应面上进行化学反应。当两者的扩散速度能够保持在一定的范围内时,保证Na2SO3和SO2始终在特定反应面上稳定地进行反应,进行二次脱硫。反应面与相界面的距离由Na2SO3和SO2扩散速度所决定,前者速度越快,离相界面距离越小。

2 旋轉喷雾湿法脱硫法及烟气脱硫方案

目前,脱硫方法有脉冲电晕脱硫法、电子束脱硫法、烟气循环流化床脱硫法、炉内喷钙-尾部增湿脱硫法、炉内喷钙脱硫法、旋转喷雾干燥法、海水法、石灰石-石膏湿法等多种方法,但均优缺点不一[4]。课题结合该实验的实际操作条件和NaOH溶剂的选取,决定采用旋转喷雾湿法脱硫方法,保证脱硫效果更加均匀,脱硫效率更高。同时,烟气的湿度可参照大气压的空气湿度走势分布图,趋近绝热饱和温度为11 ℃,脱硫除尘器的出口温度为62 ℃,对应湿含量为0.104 kgH2O/kg干烟气。

所采用的脱硫工艺系统由烟气分析器、水泵、热电偶温度测量仪、SO2钢瓶、加热器、引风机、碰头、旋风分离器等多种部件构成[5]。

烟气通过进气口后进入加热炉经加热生成地热烟气,经过烟气管道和SO2钢瓶中排出的SO2气体融合后形成模拟烟气。在脱硫系统中,在分离器距离入口45 cm处安装一个雾化喷头,喷射方向与烟气流入方向相反,喷射出的NaOH雾气与SO2进行反应,将绝大部分烟尘进行洗涤分离。同时,在分离器中距离稳流器45 cm和90 cm处分别安装一个雾化喷头,并向下进行喷射,将更小的颗粒洗涤分离出来,最终实现脱硫和除尘的目的[6]。方案流程如下。

(1)首先根据测试条件及实验要求,对NaOH溶液进行配制,并利用水泵将其引入至喷头处。

(2)打开引风机后启动加热炉,对烟气进行加温,并对其测温。当温度达到预期温度后,控制碟阀调整入口空气速度。

(3)当入口流量进入稳定状态后,启动SO2钢瓶阀门,并控制SO2入口流量,稳定后利用烟气分析器计量和记录CO2的出口浓度Cin。

(4)启动系统中各处喷头,并将溶液进行彻底的雾化,待一段时间后,利用出口烟气分析器计量和记录CO2的出口浓度Cout,结合上述步骤,计算脱硫效率η。

(5)测试和记录完毕后,分别按顺序依次关闭SO2钢瓶阀门、喷头、水泵阀门,待一段时间后再将加热炉和引风机停用。

3 热态烟气脱硫效果分析

在进行了实验参数和实验流程介绍的基础上,该文对双旁路式旋风分离器的总压降、脱硫效率η进行了研究分析,其出当入口流量升高时,分离器的总压降也会相应地升高,这主要是由于阻力和入口气速的平方间成正比例关系。

对脱硫效率分别从入口流量、NaOH溶液浓度大小、喷头开启方式这3个方面进行分析研究,其分析结果如下。

(1)当入口流量逐渐升高时,其脱硫效率η也将逐渐升高,但升高至大约63.0%后将发生下滑现象。脱硫效率发生下降的原因主要是:①入口流量升高不仅仅将进一步缩减NaOH溶液在装置内的滞留时间,而且旋转流切向速度也会发生相应的升高,导致雾化脱硫剂离心力增强,一些NaOH溶液黏附至筒壁上,最终使得化学反应不能够发生充分完全反应。②经加热炉加热的烟气和SO2气体混合进入分离器内,当入口流量相对较小时其旋转能量也比较低,将无法与氢氧化钠溶液无法充分接触而不能完全反应。但是,当入口流量升高至一定值以及其旋转能量的升高将会有助于与NaOH溶液充分接触而进行完全反应,从而提高脱硫效率。

(2)脱硫效率随着入口流量升高,两种浓度下的脱硫效率基本上相同。因此,选用质量浓度较小的NaOH溶液作为脱硫剂,以降低资金的投入。

(3)喷头开启方式分为开启#1喷头、开启#1喷头+#2喷头、开启#1喷头+#2喷头+#3喷头。3种开启方式下的脱硫效率变化规律基本上相同,当仅仅开启#1喷头的脱硫效率较低,最大值大约为60%;开启#1喷头+#2喷头的脱硫效率最大值略为有所增加,约为75%;开启#1喷头+#2喷头+#3喷头的脱硫效率最大值基本上能够达到90%左右。从上述结果能够得到:开启#1喷头脱硫效率并不是很理想,采用组合式的喷头开启能够很大程度上增加系统的脱硫效率。

在对双旁路式旋风分离器的总压降、脱硫效率η进行了研究分析后,该文通过对基本结构的旋转分离器和配置双旁路+稳流器式的旋转分离器的性能进行对比分析,分析结果如下。

(1)基本结构下的旋转分离器和配置双旁路+稳流器式的旋转分离器总压降随着入口流速改变而变化趋势基本上相同,后者的总压降仅仅略高于前者的总压降,其主要原因是旁路使得筒体相同截面上的瞬时切向速率略低于基本结构的速率。

(2)在相同入口流速下,基本结构下的旋转分离器脱硫效率明显低于配置双旁路+稳流器式的旋转分离器的脱硫效率。而且基本结构下的旋转分离器和配置双旁路+稳流器式旋转分离器的最大脱硫效率分别为80%和90%左右,大约相差将近10%,基本结构的分离器脱硫效率明显比较低下。而且两者达到最大效率时其入口流速也有所不同,配置双旁路+稳流器式旋转分离器能够在入口流速较小的情况下达到脱硫效率最大,进一步降低了整个装置的能量损耗,提高系统脱硫效率。

4 结语

课题选择NaOH溶液作为脱硫剂,结合该实验的实际操作条件和NaOH溶剂的选取,提出一款可应用于湿法烟气脱硫工艺的双旁路直流旋风脱硫除尘器,并通研究分析,得出其在整个模拟电厂尾气处理装置的脱硫系统中,发挥了较好的脱硫效果。研究表明:(1)当入口流量逐渐升高时,其脱硫效率也将逐渐升高,但升高至一定程度后将发生下滑现象;(2)采用组合式的喷头开启方式能够很大程度上提高系统的脱硫效率;(3)配置双旁路+稳流器式旋转分离器不仅具有更好的稳定性,而且能够在入口流速较小的情况下达到最大脱硫效率,降低了整个装置的能耗,脱硫效率可达到90%以上。

参考文献

[1] 李林.燃煤电厂湿法石灰石烟气脱硫技术的分析[J].科技资讯,2018,16(4):121,123.

[2] 张先茂,王天元,王泽,等.正交试验优化干法烟气脱硫剂的制备及性能研究[J].当代化工,2021,50(3):

589-593.

[3] 郭宗林,溫佳琪.大型循环流化床锅炉旋风分离器中心筒改造分析[J].应用能源技术,2019(6):14-16.

[4] 韩天义,姚远,徐珺,等.吸湿剂、表面活性剂及催化剂对烟气循环流化床脱硫的增效机制[J].化工学报,2018,69(9):4044-4050.

[5] 杜艳玲,柴启华,员在斌.旋转喷雾干燥法在火电厂脱硫废水零排放改造中的应用[J].内蒙古电力技术,2018,36(2):50-53.

[6] 司吉原.基于BP-Garson组合模型的湿式脱硫效率影响因素筛选分析[D].内蒙古科技大学,2020.


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