楊丁

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

1 引言

為有效控制我國(guó)嚴(yán)峻的大氣污染現(xiàn)狀，2014年9月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020年）》，提出力爭(zhēng)到2020年實(shí)現(xiàn)SO2超低排放限值為35mg/m3的目標(biāo)。

濕法煙氣脫硫工藝（WFGD）是當(dāng)前燃煤電廠(chǎng)最主要煙氣脫硫技術(shù)，具有脫硫效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了國(guó)內(nèi)90%以上的市場(chǎng)[1、2]。同時(shí)，在吸收塔內(nèi)加裝托盤(pán)后（即托盤(pán)塔），可以極大地提高吸收塔的脫硫效率，是當(dāng)今超低排放的主流技術(shù)之一。然而, 吸收塔作為濕法脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備，其壓降在整個(gè)脫硫系統(tǒng)能耗中占有較大的比例, 直接影響脫硫裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因而，研究吸收塔尤其是托盤(pán)塔的阻力特性對(duì)于吸收塔的設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化有著重要意義。

對(duì)于吸收塔內(nèi)阻力特性研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家與學(xué)者大多數(shù)采用數(shù)值模擬方法[3～6]，大部分未經(jīng)試驗(yàn)或未與工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)建模方法的研究方向多為開(kāi)發(fā)新型湍流器[7～9]和除霧器[10]，并不關(guān)注托盤(pán)區(qū)和噴淋區(qū)的阻力特性。對(duì)此，本文選用某660MW機(jī)組煙氣脫硫吸收塔作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)、搭建了縮小比例的模型進(jìn)行冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，探索吸收塔內(nèi)部的阻力特性規(guī)律，以期為今后吸收塔的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 吸收塔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)與實(shí)際吸收塔原型流場(chǎng)相似，模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似[11]。本文參照某660MW機(jī)組煙氣脫硫吸收塔電廠(chǎng)原型，設(shè)計(jì)、搭建了1∶10.67比例縮小實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。

圖1 吸收塔縮小比例（1∶10.67）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1列出了吸收塔原型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕O(shè)計(jì)參數(shù)（100%BMCR工況）。實(shí)驗(yàn)采用空氣替代模擬煙氣，采用自來(lái)水替代模擬脫硫漿液。

表1 吸收塔電廠(chǎng)原型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕O(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

濕法煙氣脫硫吸收塔實(shí)驗(yàn)裝置如圖2，主要包括吸收塔模型（包括塔體、水池、托盤(pán)、噴淋層和除霧器等）、鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、流量計(jì)、變頻控制器及附屬管路等，實(shí)驗(yàn)風(fēng)量、噴淋水量采用上位機(jī)控制。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，煙氣量采用熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)量吸收塔入口斷面速度大小計(jì)算得到。阻力采用U型液壓計(jì)測(cè)量托盤(pán)區(qū)前后、噴淋區(qū)前后的靜壓值計(jì)算得到，這是由于塔內(nèi)橫截面面積相等，各橫截面的動(dòng)壓基本相同，故阻力可用靜壓差表示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在吸收塔實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐負(fù)荷和噴淋層投運(yùn)數(shù)量（即噴淋量）是影響吸收塔阻力的主要因素，本文用塔內(nèi)煙氣流速V、噴淋密度W和液氣比L/G三個(gè)變量來(lái)表征，重點(diǎn)分析V、W、L/G三者與托盤(pán)區(qū)和噴淋區(qū)的阻力特性關(guān)系。它們的計(jì)算式如下：

3 托盤(pán)區(qū)的阻力特性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 無(wú)噴淋條件下托盤(pán)區(qū)的阻力特性

在無(wú)噴淋條件下，托盤(pán)區(qū)阻力ΔPt0隨塔內(nèi)氣速的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可知，ΔPt0隨氣速的增加而呈非線(xiàn)性增加，且氣速越大，Δ增加趨勢(shì)越快。

圖3 無(wú)噴淋條件下氣速對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

在無(wú)噴淋條件下，托盤(pán)區(qū)的阻力主要來(lái)源于孔板結(jié)構(gòu)，參照多孔介質(zhì)模型的阻力公式形式[12、13]，假定ΔPt0、V兩者之間的函數(shù)關(guān)系如下：

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，可得系數(shù)Ct01、Ct02的值（見(jiàn)表2）。由表2可知，式④中決定系數(shù)R2值為0.9999，該模型擬合優(yōu)度十分高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合多孔介質(zhì)模型的阻力公式。

表2 無(wú)噴淋條件下托盤(pán)區(qū)阻力擬合結(jié)果

3.2 噴淋條件下托盤(pán)區(qū)的阻力特性

3.2.1 塔內(nèi)氣速對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

在噴淋密度分別為1.98、2.64、3.30m3/m2/min（對(duì)應(yīng)噴淋層投運(yùn)數(shù)量分別為3、4、5層）的條件下，托盤(pán)區(qū)阻力ΔPt隨氣速的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4 在不同噴淋密度下氣速對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

從圖4可知，當(dāng)噴淋密度一定時(shí)，ΔPt隨氣速的增加而近似呈線(xiàn)性增加，且噴淋量越大，增加趨勢(shì)越緩慢。當(dāng)噴淋密度較小時(shí)（W=1.98m3/m2/min），氣速對(duì)ΔPt的影響較大，速度每增大1m/s，ΔPt的增幅約為75Pa；而當(dāng)噴淋密度增大到3.30m3/m2/min時(shí)，氣速對(duì)ΔPt的影響較小，氣速增大1m/s，ΔPt的增幅約為50Pa。托盤(pán)的阻力主要取決于托盤(pán)持液層的高度，噴淋密度較小時(shí)，氣速對(duì)ΔPt的影響較大，說(shuō)明噴淋密度較小時(shí)，持液層高度隨氣速變化較大。

3.2.2 噴淋密度對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

在塔內(nèi)氣速分別為1.28、1.84、2.85、3.86m/s的條件下，托盤(pán)區(qū)阻力ΔPt隨噴淋密度的變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 在不同氣速下噴淋密度對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

從圖5可知，當(dāng)氣速一定時(shí)，ΔPt隨噴淋密度的增大而近似呈線(xiàn)性增加，且氣速越大，增加趨勢(shì)越緩慢。當(dāng)氣速較小時(shí)（V=1.28m/s），噴淋密度對(duì)ΔPt的影響較大，每多投運(yùn)一層噴淋層（即噴淋密度增大0.66m3/m2/min），ΔPt的增幅約為90Pa；而當(dāng)氣速增大到3.86m/s時(shí)，噴淋密度對(duì)ΔPt的影響較小，每多投運(yùn)一層噴淋層，ΔPt的增幅約為60Pa。說(shuō)明氣速較小時(shí)，持液層高度隨噴淋密度變化較大。

3.2.3 液氣比對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

在塔內(nèi)氣速分別為1.28、1.84、2.85、3.86m/s的條件下，托盤(pán)區(qū)阻力ΔPt隨液氣比的變化規(guī)律見(jiàn)圖6。

圖6 在不同氣速下液氣比對(duì)托盤(pán)區(qū)阻力的影響

從圖6可知，當(dāng)氣速一定時(shí)，ΔPt隨液氣比的增大而呈非線(xiàn)性增加。當(dāng)氣速較小時(shí)（V=1.28、1.84m/s），ΔPt隨液氣比的增大，增大趨勢(shì)先慢后快；而當(dāng)氣速較大時(shí)（V=2.85、3.86m/s），ΔPt隨液氣比的增大，增大趨勢(shì)先快后慢。

3.2.4 托盤(pán)區(qū)阻力的來(lái)源分析

噴淋條件下，托盤(pán)區(qū)阻力來(lái)源可簡(jiǎn)單分為孔板自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力和托盤(pán)上形成的持液層產(chǎn)生的阻力，前者等同于無(wú)噴淋條件下的托盤(pán)區(qū)阻力。

圖7給出了噴淋密度為3.30m3/m2/min時(shí)，不同氣速下托盤(pán)區(qū)阻力的來(lái)源。從圖可知，孔板阻力占托盤(pán)區(qū)總阻力比例較小，且隨著氣速的增大，孔板阻力占比增大，而持液層阻力占比減小。氣速?gòu)?.28m/s增大到3.86m/s，孔板阻力占比從2%增大至18%。

圖7 不同氣速下托盤(pán)區(qū)阻力的來(lái)源分析

表3 托盤(pán)區(qū)阻力特性回歸分析結(jié)果

4 噴淋區(qū)的阻力特性實(shí)驗(yàn)研究

表4給出了在無(wú)噴淋條件下，噴淋區(qū)的阻力，其值很小。相對(duì)于噴淋條件時(shí)，所占比例非常小，占比最大時(shí)也不足3%，可忽略處理，以下僅討論噴淋條件下噴淋區(qū)阻力。

表4 無(wú)噴淋條件下噴淋區(qū)的阻力

4.1 塔內(nèi)氣速對(duì)噴淋區(qū)阻力的影響

圖8給出了噴淋區(qū)阻力ΔPs隨氣速的變化規(guī)律。從圖8可知，當(dāng)噴淋密度一定時(shí)，ΔPs隨氣速的增加而呈非線(xiàn)性增加，且在低氣速時(shí)，ΔPs增速緩慢；在高氣速時(shí)，ΔPs增速加快。這是由于噴淋密度不變的情況下，氣速的增加，減小了液滴在塔內(nèi)的下落速度，尤其在高氣速條件下，液滴下落速度較小，噴淋區(qū)液滴量急劇增加，ΔPs也就隨之迅速增大。

圖8 不同噴淋密度下氣速對(duì)噴淋區(qū)阻力的影響

4.2 噴淋密度對(duì)噴淋區(qū)阻力的影響

圖9給出了噴淋區(qū)阻力ΔPs隨噴淋密度的變化規(guī)律。從圖可知，當(dāng)氣速一定時(shí)，ΔPs隨噴淋密度的增大而近似呈線(xiàn)性增加，且氣速越大，增加趨勢(shì)越快。當(dāng)氣速為1.28m/s時(shí)，噴淋密度對(duì)ΔPs的影響較小，每多投運(yùn)一層噴淋層，ΔPs的增幅約為160Pa；而當(dāng)氣速增大到3.86m/s時(shí)，噴淋密度對(duì)ΔPs的影響較大，每多投運(yùn)一層噴淋層，ΔPs的增幅約為240Pa。這是由于氣速不變的情況下，噴淋密度的增加，使得噴淋區(qū)的持液量增加，阻力隨之增大；且在高氣速條件下，液滴下落速度較小，噴淋區(qū)液滴量急劇增加，ΔPs增速也隨之加快。

圖9 在不同氣速下噴淋密度對(duì)噴淋區(qū)阻力的影響

4.3 液氣比對(duì)噴淋區(qū)阻力的影響

圖10給出了噴淋區(qū)阻力ΔPs隨液氣比的變化規(guī)律。從圖10可知，當(dāng)氣速一定時(shí)，ΔPs隨液氣比的增大而增加；且氣速越大，ΔPs增速越快。

圖10 在不同氣速下液氣比對(duì)噴淋區(qū)阻力的影響

4.4 噴淋區(qū)阻力的多元回歸分析

使用MATLAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，可得Cs1、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5、Cs6各系數(shù)的值，見(jiàn)表5。

表5 噴淋區(qū)阻力特性回歸分析結(jié)果

由表5可知，在誤差允許范圍內(nèi)，式⑧中決定系數(shù)R2值為0.9957，表明該模型擬合優(yōu)度高，ΔPs與V、W的關(guān)系顯著。

5 吸收塔的阻力分布

圖11給出了五層噴淋層全開(kāi)、噴淋密度為3.30m3/m2/min時(shí)吸收塔內(nèi)部的阻力分布情況（不含除霧器）。從圖11可知，隨著氣速的增大，噴淋區(qū)阻力占比增大，而托盤(pán)區(qū)阻力占比減小。氣速?gòu)?.28m/s增大到3.86m/s，噴淋區(qū)阻力占比從38%增大至63%。

圖11 在不同氣速下吸收塔的阻力分布

6 結(jié)論

（1）煙氣流速與噴淋層投運(yùn)數(shù)量直接影響著吸收塔塔內(nèi)阻力，煙氣流速增大時(shí)塔內(nèi)阻力增大，噴淋層投運(yùn)數(shù)量增加時(shí)塔內(nèi)阻力增大。

（2）無(wú)噴淋條件下，托盤(pán)區(qū)阻力滿(mǎn)足多孔介質(zhì)模型阻力公式：

（3）噴淋條件下，托盤(pán)區(qū)阻力與煙氣流速、噴淋密度近似呈線(xiàn)性關(guān)系；噴淋區(qū)阻力與煙氣流速呈非線(xiàn)性關(guān)系，與噴淋密度近似呈線(xiàn)性關(guān)系。

（4）隨著煙氣流速的增大，托盤(pán)區(qū)的阻力占比減小，而噴淋區(qū)的阻力占比增大。

（5）由多元回歸分析，得出噴淋條件下托盤(pán)區(qū)阻力的經(jīng)驗(yàn)公式為ΔPt=-25.7VW+ 167V+133W-125，噴淋區(qū)阻力的經(jīng)驗(yàn)公式為ΔPs=17.8V2W+34.4VW-185V2-6.72V+99.2W+94.4，其擬合優(yōu)度與顯著性良好，對(duì)于后續(xù)試驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

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