濕法煙氣脫硫系統氣-氣換熱器堵塞機理分析

肖海平, 張 千, 孫保民

(1.華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室,北京102206;2.神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京100069)

石灰石-石膏濕法脫硫工藝技術成熟,脫硫效率高,是火力發電機組主要的脫硫方式.氣-氣換熱器(GGH)是濕法煙氣脫硫系統的關鍵設備.原煙氣與脫硫后的凈煙氣在GGH處交換熱量.降低原煙氣溫度有利于提高脫硫效率,并可確保脫硫塔內設備安全.換熱后的凈煙氣溫度升高,因而使煙氣抬升高度和擴散條件改善.采用GGH后,脫硫系統的工藝水耗量可下降40%左右.但是,由于運行過程中GGH經常發生結垢堵塞,造成系統端差增大,電耗上升,嚴重時導致增壓風機失速及整個機組停運[1-5].在不同類型的脫硫系統中,鼓泡床煙氣脫硫系統的GGH堵塞情況最嚴重.目前,有關GGH結垢機理方面的研究較少.筆者以某鼓泡床煙氣脫硫系統為例,對GGH堵塞機理進行分析.

1 研究方法

圖1為鼓泡床濕法煙氣脫硫系統示意圖.從鍋爐側出來的原煙氣溫度為120℃,經過增壓風機后先進入氣-氣換熱器,隨后進入鼓泡床脫硫塔進行脫硫,脫硫后的凈煙氣經過兩級布置的除霧器脫除液滴,隨后進入GGH加熱.進入GGH前,凈煙氣的溫度為50℃,在離開GGH時,凈煙氣溫度已提高到80℃,然后通過煙囪排空.

圖1 鼓泡床濕法煙氣脫硫系統示意圖Fig.1 Schematic of the wet flue gas desulfurization system with jet bubble reactor

首先分析了該脫硫系統GGH蓄熱片不同部位沉積物的物相,并推測出結垢物來源和形成機理;其次,測量脫硫系統除霧器出口后小液滴濃度,以確認結垢物來源;然后,在試驗臺架上測量除霧器效率,在現場測量脫硫系統除霧器前煙氣流速的分布,并結合試驗臺除霧效率曲線計算出真實的除霧效率.

2 數據分析

2.1 垢的成分分析

該鼓泡床脫硫系統GGH蓄熱片上的結垢物呈土黃色,略微發白,垢質地堅硬致密,垢與蓄熱片表面搪瓷結合緊密,難以用機械方法清除.蓄熱片冷端約5 cm高度范圍內結垢嚴重,單面垢層厚度約為3 mm,其余部分結垢量較少.整個蓄熱片單面平均結垢量約為250 g/m2,而結垢最嚴重的部位出現在蓄熱片冷端,單面平均結垢量約為760 g/m2.顯然,GGH的堵塞主要源于冷端結垢物.

為了詳細分析垢的成分,筆者從不同部位提取垢樣,并進行了物相分析.取樣部位分別為:蓄熱片冷端邊沿垢層最厚處5 cm寬度范圍內、蓄熱片中部5 cm寬度范圍內、頂部邊沿5 cm范圍內.物相分析采用日本生產的X射線衍射儀,儀器型號為D/MAX2400.表1為垢的物相成分.

表1 垢的物相成分Tab.1 Phase composition of scale %

蓄熱片上垢的主要成分為石膏、CaSO4、復合硫酸鹽及鋁酸鹽.石膏和CaSO4的質量百分比至少占50%以上,其主要源于脫硫塔內的脫硫漿液.鼓泡床脫硫塔內漿液的主要成分為亞硫酸鈣和硫酸鈣,凈煙氣攜帶出的脫硫漿液在GGH蓄熱片發生沉積、氧化和脫水,最后生成了石膏和CaSO4.蓄熱片熱端金屬壁面溫度高,石膏完全脫水生成了CaSO4,而冷端金屬壁面溫度低,因此石膏含量最高.

復合硫酸鹽及鋁酸鹽的存在表明鍋爐燃燒產生的飛灰參與了垢的形成過程.飛灰形成的垢主要位于GGH蓄熱片熱端和中部,蓄熱片中部的垢飛灰成分最高,而冷端的垢飛灰含量最少.原煙氣流經GGH蓄熱片,煙氣中的酸性氣體凝結在蓄熱片表面,與飛灰和石膏漿液發生反應,形成少量類似于水泥的黏性物質,黏附在蓄熱片上逐漸硬化,加劇了GGH的結垢.蓄熱片冷端結垢物中還含有少量氟硅酸鈣(CaSiF6·2H2O和CaSiF6).氟硅酸鈣具有水硬性,可以作為混凝土的硬化劑,氟硅酸鈣的存在加劇了蓄熱片冷端的結垢.

從物相分析考慮,垢的形成過程是煙氣中的酸性氣體、飛灰以及脫硫漿液共同作用的結果;但是從系統堵塞考慮,凈煙氣從脫硫塔攜帶出的脫硫漿液是造成堵塞的主要物質.

2.2 除霧器后的液滴分布

脫硫漿液是造成GGH蓄熱片堵塞的主要物質.可以推斷,該脫硫系統除霧器的效率偏低造成了凈煙氣攜帶脫硫漿液進入GGH.該脫硫系統采用了波紋板式除霧器,其工作原理是利用除霧器葉片的流線偏折產生離心力,將液滴分離出來,在板片壁面上形成水膜,緩慢下流,除去煙氣中存在的液滴及少量粉塵,從而減少煙氣帶水,防止煙氣傳熱元件GGH堵塞,保證脫硫系統正常運行.除霧器對不同粒徑的液滴捕獲能力不同:粒徑越小的液滴,慣性越小,因而脫除效率越低.圖2為除霧器后的漿液濃度分布.

圖2 除霧器后的漿液濃度分布Fig.2 Concentration distribution of droplets after demister

采用氧化鎂撞擊法測試該脫硫系統除霧器后凈煙氣攜帶的不同粒徑液滴的分布.從除霧器平臺后的8個測孔分別取樣,并分析煙氣中小液滴濃度.在試驗過程中,應保證沖洗水處于關閉狀態.從圖2可知:凈煙氣攜帶的漿液粒徑主要分布在10～30μm,其中粒徑為15μm的漿液濃度最高,少量漿液分布在30～200μm.

顯然,波紋板式除霧器對30μm以上的漿液脫除效果較好,而對于粒徑小于30μm的漿液,波紋板式除霧器的脫除效果很差,對于粒徑小于15μm的漿液,則基本沒有脫除能力.因此,除霧器后的煙氣依舊攜帶大量粒徑為10～30μm的液滴.這些液滴流經GGH時便沉積在蓄熱片上,造成了GGH的堵塞.文獻[6]～文獻[8]通過數值模擬也得出了類似的結論.

2.3 除霧器的效率

筆者建立了除霧器試驗臺,并模擬現場環境進行了除霧效率試驗.圖3為除霧器試驗臺示意圖.該脫硫系統的除霧器葉片為波紋板,1級除霧器葉片間距為38 mm,2級除霧器葉片間距為26 mm.在不同試驗段下,均裝有集水槽,根據水平衡法計算除霧效率[9].

圖3 除霧器試驗臺示意圖Fig.3 Schematic of experimental setup of the demister

圖4 不同煙氣流速下的除霧效率Fig.4 Demisting efficiency at variousgas velocities

圖4 為不同空氣流速下的除霧效率曲線.對于2級除霧器葉片,隨著煙氣流速的增大,除霧效率呈現先升高后降低的趨勢.首先,定義除霧效率最高時對應的煙氣流速為臨界流速.當煙氣流速為7 m/s時,除霧效率達到最大值,即88.6%.當煙氣流速大于臨界流速后,隨著煙氣流速的增大,空氣攜帶的液滴動能增加,液滴沒有被除霧器葉片捕獲,反而是液滴撞擊葉片破碎成更多的小液滴,小液滴隨空氣流出除霧器,造成除霧器后的液滴濃度偏大,形成二次攜帶現象.試驗結果表明:在煙氣流速低于臨界流速時,承擔除霧工作的主要為1級除霧器,而當煙氣流速高于臨界流速后,二次攜帶現象出現,1級除霧器的效率急劇下降,而2級除霧器的效率有所提高,整體除霧效率明顯下降.當風速過高時,2級除霧器同樣存在二次攜帶,因此,2級除霧器的效率不會太高.當煙氣流速為8 m/s時,1級除霧器后出現了輕微的二次攜帶;當煙氣流速為9 m/s時,1級除霧器出現嚴重的二次攜帶現象,2級除霧器也出現了輕微的二次攜帶;當煙氣流速為10 m/s時,1級、2級除霧器都出現了嚴重的二次攜帶.因此,在高流速區域,除霧效率偏低.本文的試驗結果與文獻[10]～文獻[12]的數值模擬結果吻合.

2.4 除霧器前煙氣流速的測試

除霧器葉片的除霧效率與煙氣流速密切相關.當煙氣流速處于臨界流速附近時,除霧效率最佳.對于現場龐大的脫硫系統,除霧器入口處的流速分布將嚴重影響除霧效率.因此,筆者采用皮托管測試了除霧器前的煙氣流速,以判斷該脫硫系統真實的除霧效率.

筆者按網格法測試了除霧器前的35個煙氣流速分布點.圖5為除霧器入口前的煙氣流速分布.本文的測試結果表明:除霧器入口煙氣平均流速為8.8 m/s,不同測點的煙氣流速分布不均勻,偏離平均值的程度不同,其中所測得的最小煙氣流速為5.87 m/s,最大煙氣流速為11.49 m/s.煙氣流速的偏離率在數值上等于某測點實測流速與平均流速的比值.在不同測點中,煙氣流速偏離率最大值為1.305,最小值為0.667.顯然,煙氣流速在空間的分布非常不均勻,這必將影響除霧效率.筆者結合除霧效率曲線,通過插值方法按實測煙氣流速先求出各個測點的除霧效率,然后將其平均,求出該除霧器的真實除霧效率,其值為68.67%.由于除霧器入口前的實際煙氣流速偏高,且分布不均勻,造成除霧效率下降,導致脫硫漿液液滴直接通過除霧器進入GGH,在蓄熱片上形成垢,堵塞了GGH.

圖5 除霧器入口前的煙氣流速分布Fig.5 Distribution of gas velocity at the entrance of the demister

3 結 論

(1)蓄熱片上垢的主要成分為石膏、CaSO4、復合硫酸鹽以及鋁酸鹽.復合硫酸鹽以及鋁酸鹽的存在表明鍋爐燃燒產生的飛灰參與了垢的形成過程.凈煙氣從脫硫塔攜帶出的脫硫漿液是造成堵塞的主要物質.

(2)除霧器后的凈煙氣攜帶的漿液粒徑主要分布在10～30μm,粒徑為15μm的漿液濃度最高.除霧器后的液滴濃度偏高,說明除霧器沒有有效攔截凈煙氣從脫硫塔攜帶出來的脫硫漿液.

(3)隨著煙氣流速的增大,除霧效率呈現先提高后降低的趨勢.當煙氣流速為7 m/s時,除霧器的效率達到最大值88.6%.當煙氣的流速高于8 m/s后,除霧器出現嚴重的二次攜帶,除霧效率急劇下降.

(4)除霧器入口煙氣流速分布不均,平均流速為8.8 m/s,最大流速為11.49 m/s,流速的最大偏離率為1.305,最小偏離率為0.667,流速在空間的分布非常不均勻.通過線性插值法求出除霧器的真實除霧效率為68.67%.除霧器前的煙氣流速整體偏高,導致除霧效率偏低,脫硫漿液流經除霧器進入GGH,造成堵塞.

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