濕法煙氣脫硫吸收塔阻力特性實驗研究

楊丁

（1.福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.東北大學冶金學院，沈陽 110819）

1 引言

為有效控制我國嚴峻的大氣污染現狀，2014年9月，國家發展和改革委員會、環境保護部和國家能源局聯合印發了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，提出力爭到2020年實現SO2超低排放限值為35mg/m3的目標。

濕法煙氣脫硫工藝（WFGD）是當前燃煤電廠最主要煙氣脫硫技術，具有脫硫效率高、技術成熟、運行穩定等優點，占據了國內90%以上的市場[1、2]。同時，在吸收塔內加裝托盤后（即托盤塔），可以極大地提高吸收塔的脫硫效率，是當今超低排放的主流技術之一。然而, 吸收塔作為濕法脫硫系統的核心設備，其壓降在整個脫硫系統能耗中占有較大的比例, 直接影響脫硫裝置運行的經濟性。因而，研究吸收塔尤其是托盤塔的阻力特性對于吸收塔的設計及運行優化有著重要意義。

對于吸收塔內阻力特性研究，國內外專家與學者大多數采用數值模擬方法[3～6]，大部分未經試驗或未與工程數據進行對比驗證；而傳統實驗建模方法的研究方向多為開發新型湍流器[7～9]和除霧器[10]，并不關注托盤區和噴淋區的阻力特性。對此，本文選用某660MW機組煙氣脫硫吸收塔作為研究對象，設計、搭建了縮小比例的模型進行冷態實驗研究，探索吸收塔內部的阻力特性規律，以期為今后吸收塔的設計及運行提供指導。

2 實驗裝置

2.1 吸收塔實驗模型

為了使實驗模型流場與實際吸收塔原型流場相似，模型實驗應滿足幾何相似、運動相似、動力相似[11]。本文參照某660MW機組煙氣脫硫吸收塔電廠原型，設計、搭建了1∶10.67比例縮小實驗模型，如圖1所示。

圖1 吸收塔縮小比例（1∶10.67）實驗模型

表1列出了吸收塔原型和實驗模型的主要設計參數（100%BMCR工況）。實驗采用空氣替代模擬煙氣，采用自來水替代模擬脫硫漿液。

表1 吸收塔電廠原型和實驗模型的主要設計參數

2.2 實驗系統及測試方法

濕法煙氣脫硫吸收塔實驗裝置如圖2，主要包括吸收塔模型（包括塔體、水池、托盤、噴淋層和除霧器等）、鼓風機、循環水泵、流量計、變頻控制器及附屬管路等，實驗風量、噴淋水量采用上位機控制。

實驗過程中，煙氣量采用熱線風速儀測量吸收塔入口斷面速度大小計算得到。阻力采用U型液壓計測量托盤區前后、噴淋區前后的靜壓值計算得到，這是由于塔內橫截面面積相等，各橫截面的動壓基本相同，故阻力可用靜壓差表示。

圖2 實驗裝置示意圖

在吸收塔實際運行過程中，鍋爐負荷和噴淋層投運數量（即噴淋量）是影響吸收塔阻力的主要因素，本文用塔內煙氣流速V、噴淋密度W和液氣比L/G三個變量來表征，重點分析V、W、L/G三者與托盤區和噴淋區的阻力特性關系。它們的計算式如下：

3 托盤區的阻力特性實驗研究

3.1 無噴淋條件下托盤區的阻力特性

在無噴淋條件下，托盤區阻力ΔPt0隨塔內氣速的變化規律如圖3所示。從圖3可知，ΔPt0隨氣速的增加而呈非線性增加，且氣速越大，Δ增加趨勢越快。

圖3 無噴淋條件下氣速對托盤區阻力的影響

在無噴淋條件下，托盤區的阻力主要來源于孔板結構，參照多孔介質模型的阻力公式形式[12、13]，假定ΔPt0、V兩者之間的函數關系如下：

對實驗數據進行擬合分析，可得系數Ct01、Ct02的值（見表2）。由表2可知，式④中決定系數R2值為0.9999，該模型擬合優度十分高，實驗結果完全吻合多孔介質模型的阻力公式。

表2 無噴淋條件下托盤區阻力擬合結果

3.2 噴淋條件下托盤區的阻力特性

3.2.1 塔內氣速對托盤區阻力的影響

在噴淋密度分別為1.98、2.64、3.30m3/m2/min（對應噴淋層投運數量分別為3、4、5層）的條件下，托盤區阻力ΔPt隨氣速的變化規律見圖4。

圖4 在不同噴淋密度下氣速對托盤區阻力的影響

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

3.2.2 噴淋密度對托盤區阻力的影響

在塔內氣速分別為1.28、1.84、2.85、3.86m/s的條件下，托盤區阻力ΔPt隨噴淋密度的變化規律見圖5。

圖5 在不同氣速下噴淋密度對托盤區阻力的影響

從圖5可知，當氣速一定時，ΔPt隨噴淋密度的增大而近似呈線性增加，且氣速越大，增加趨勢越緩慢。當氣速較小時（V=1.28m/s），噴淋密度對ΔPt的影響較大，每多投運一層噴淋層（即噴淋密度增大0.66m3/m2/min），ΔPt的增幅約為90Pa；而當氣速增大到3.86m/s時，噴淋密度對ΔPt的影響較小，每多投運一層噴淋層，ΔPt的增幅約為60Pa。說明氣速較小時，持液層高度隨噴淋密度變化較大。

3.2.3 液氣比對托盤區阻力的影響

在塔內氣速分別為1.28、1.84、2.85、3.86m/s的條件下，托盤區阻力ΔPt隨液氣比的變化規律見圖6。

圖6 在不同氣速下液氣比對托盤區阻力的影響

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

3.2.4 托盤區阻力的來源分析

噴淋條件下，托盤區阻力來源可簡單分為孔板自身結構產生的阻力和托盤上形成的持液層產生的阻力，前者等同于無噴淋條件下的托盤區阻力。

圖7給出了噴淋密度為3.30m3/m2/min時，不同氣速下托盤區阻力的來源。從圖可知，孔板阻力占托盤區總阻力比例較小，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。氣速從1.28m/s增大到3.86m/s，孔板阻力占比從2%增大至18%。

圖7 不同氣速下托盤區阻力的來源分析

表3 托盤區阻力特性回歸分析結果

4 噴淋區的阻力特性實驗研究

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

表4 無噴淋條件下噴淋區的阻力

4.1 塔內氣速對噴淋區阻力的影響

圖8給出了噴淋區阻力ΔPs隨氣速的變化規律。從圖8可知，當噴淋密度一定時，ΔPs隨氣速的增加而呈非線性增加，且在低氣速時，ΔPs增速緩慢；在高氣速時，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噴淋區阻力的影響

4.2 噴淋密度對噴淋區阻力的影響

圖9給出了噴淋區阻力ΔPs隨噴淋密度的變化規律。從圖可知，當氣速一定時，ΔPs隨噴淋密度的增大而近似呈線性增加，且氣速越大，增加趨勢越快。當氣速為1.28m/s時，噴淋密度對ΔPs的影響較小，每多投運一層噴淋層，ΔPs的增幅約為160Pa；而當氣速增大到3.86m/s時，噴淋密度對ΔPs的影響較大，每多投運一層噴淋層，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噴淋區阻力的影響

4.3 液氣比對噴淋區阻力的影響

圖10給出了噴淋區阻力ΔPs隨液氣比的變化規律。從圖10可知，當氣速一定時，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噴淋區阻力的影響

4.4 噴淋區阻力的多元回歸分析

使用MATLAB數學軟件對實驗數據進行多元回歸分析，可得Cs1、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5、Cs6各系數的值，見表5。

表5 噴淋區阻力特性回歸分析結果

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

5 吸收塔的阻力分布

圖11給出了五層噴淋層全開、噴淋密度為3.30m3/m2/min時吸收塔內部的阻力分布情況（不含除霧器）。從圖11可知，隨著氣速的增大，噴淋區阻力占比增大，而托盤區阻力占比減小。氣速從1.28m/s增大到3.86m/s，噴淋區阻力占比從38%增大至63%。

圖11 在不同氣速下吸收塔的阻力分布

6 結論

（1）煙氣流速與噴淋層投運數量直接影響著吸收塔塔內阻力，煙氣流速增大時塔內阻力增大，噴淋層投運數量增加時塔內阻力增大。

（2）無噴淋條件下，托盤區阻力滿足多孔介質模型阻力公式：

（3）噴淋條件下，托盤區阻力與煙氣流速、噴淋密度近似呈線性關系；噴淋區阻力與煙氣流速呈非線性關系，與噴淋密度近似呈線性關系。

（4）隨著煙氣流速的增大，托盤區的阻力占比減小，而噴淋區的阻力占比增大。

（5）由多元回歸分析，得出噴淋條件下托盤區阻力的經驗公式為ΔPt=-25.7VW+ 167V+133W-125，噴淋區阻力的經驗公式為ΔPs=17.8V2W+34.4VW-185V2-6.72V+99.2W+94.4，其擬合優度與顯著性良好，對于后續試驗及工業應用具有一定的理論指導意義與參考價值。

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