摘要：提出了燃煤电厂湿法脱硫烟囱雨的形成机理、丝网捕沫器应用选型分析、丝网捕沫器应用于燃煤电厂湿法脱硫烟囱雨治理工程应用建议。
关键词：烟囱雨；丝网捕沫器
1.燃煤电厂湿法脱硫烟囱雨问题和影响分析
1.1燃煤电厂湿法脱硫“烟囱雨现象
燃煤电厂湿法脱硫后饱和湿烟气在排放过程中会冷凝出大量冷凝液滴，经湿法脱硫后的烟气温度在50℃左右，处于过湿饱和状态。冷凝液会附着在烟囱排烟筒内壁，且被高速烟气二次剪切携带生成大液滴被烟气带出；另外在环境温度较低，且空气中的水分接近饱和，气象扩散条件较差的天气状况时，烟气离开烟囱出口时也会生成冷凝水滴，在烟气飘散下方生成细微降雨的“烟囱雨”现象。
“烟囱雨”的成分主要有SO2、SO3、HF、HCL、H2SO3、H2SO4、NOx 等成分复杂的酸性物质，经测试形成的冷凝液pH值在1～3范围内，具有很强的腐蚀性，对周围环境有一定影响。需及时采取措施对其进行处理与防治。
1.2“烟囱雨”主要来源
湿式静电除尘器对于15μm以下的雾滴无法去除，烟囱雨除了除雾器或者湿除未捕集到的液滴之外，烟气从吸收塔出口至烟囱顶部流动过程中因为烟气温度降低也会有一定的湿烟气冷凝液，湿烟气在烟囱段的温度变化对湿烟气冷凝的贡献度较小，是“烟囱雨”的次要来源。
在烟囱排放截面上，靠近排烟筒壁部分温降最大，析出的水量最多，会烟气在排放时被排烟内壁捕集形成一层液膜，液膜在下流过程中若烟气流速过高会形成二次夹带形成直径大于300微米的大液滴，排出内筒形成“烟囱雨”。沉积和冷凝在烟囱壁上被气流二次带出的大直径液滴，是“烟囱雨”的主要来源。
2.采用丝网捕沫器消减“烟囱雨”现象问题的提出
电规院2013年烟囱防腐会议印发了《火力发电厂脱硫烟囱防腐技术研讨会议纪要》（电规发电〔2014〕22 号），文中也对烟囱雨问题进行了说明：“七、建议各有关单位研究和借鉴美国电力研究院（EPRI）最新颁布的《湿烟囱设计导则（2012）》中关于湿烟囱内筒材料、内筒气流速度以及减少烟囱雨产生的防治措施和湿烟囱运行与维护方面的经验，积极采用国外成熟可靠的脱硫烟囱防腐技术…”。对于普遍情况来说，“湿烟囱”设计时必须将“烟囱雨”的排放控制到可以接受的水平，因为细小液滴在落地的过程中会被蒸发，主要的消减思路就是减少大直径液滴的排放。美国电力研究院（EPRI）颁布的《湿烟囱设计导则（2012）》对“烟囱雨”的形成因素、解决路线给出了明确说明。按照《湿烟囱设计导则（2012）》，影响“烟囱雨”问题的主要因素包括烟气流速、防腐内衬类型、烟囱结构、脱硫系统参数等。
基于经济性和高空扩散性的考虑，烟囱设计直径和高度均受到限制，单纯从烟囱形状、高度、结构上考虑不能有效改善消减烟囱雨现象。
目前国内烟囱雨消减技术路线主要有以下几种：烟气加热法、烟气降温法、冷凝再热法。烟气加热法：在一定条件下消除湿烟羽的同时减弱烟囱雨现象，但随着环境温度降低、环境湿度提高彻底消除湿烟羽变得越来越不经济。烟气降温法：在一定条件下消除湿烟羽的同时造成小液滴凝聚成大液滴，，不能减弱烟囱雨现象。冷凝再热法：适应范围最广，大部分条件下技术经济性能较好。烟气每降低1℃，在达到消除石膏雨同等效果的前提下，烟气可降低再热温度约2～4℃。可以得出以下结论：在部分极端环境条件下，三种技术路线均无法有效消除湿烟羽和烟囱周边烟囱雨现象。
以近年某电厂330MW机组脱硫系统改造和超低排放改造为例，从环保提效改造工程实践来看：为克服新增石灰石-石膏湿法脱硫改造引起的增加阻力，同时进行引风机引增合一改造引风机耗电量增加影响厂用电率增加0.33～0.44%。吸收塔压力损失1445Pa，占整个风烟系统总阻力4200Pa的34.4%。机组烟气超低排放改造，风烟系统阻力进一步增加，阻力增加约计2950Pa。其中脱硝系统增加一层催化剂层，将增加引风机进口前阻力约250Pa，除尘器前增加烟冷器，烟温降至约90℃，其设备阻力约为450Pa。现有脱硫塔塔顶增加湿式除尘器，将增加引风机后阻力约350Pa，湿除及其烟道总阻力增加450Pa。对现有脱硫塔进行改造，更换顶层喷淋层，新增一层喷淋层及一层合金托盘，脱硫系统总阻力增加约1200Pa，此部分阻力体现在引风机后。占整个风烟系统总阻力7150Pa的41.25%，从克服脱硫湿除、烟气冷却器等系统阻力耗电计算，分别影响厂用电率增加0.40～0.44%。上表所列各方案均需对烟风系统进行较大的改造，风烟系统阻力均大幅增加，进而耗能量大幅增加，消减烟囱雨的同时大幅增加了能耗。
3.丝网除沫器的基本原理和主要设计考虑因素
3.1丝网除沫器的基本原理
直径＜10μm的液滴颗粒称为雾；直径介于10μm～1000μm液体颗粒称为沫；直径大于1000μm的液滴颗粒称为液滴。根据HG/T21618-1998丝网捕沫器标准显示：丝网捕沫器适用于化工、石化、医药、轻工、环保等行业立式圆筒形设备使用的气液分离装置。用于分离气体中夹带的液滴直径大于3-5微米的雾沫，能有效分离气体中直径大于3～5μm的液体颗粒。经过石灰石-石膏法脱硫、湿式静电除尘器后的超低排放后的净烟气烟尘等固体污染物含量已降低至5㎎/m3以下，为采用丝网捕沫器去除雾滴提供了可能。
根据《丝网除沫器标准》（HG/T21618-1998）中的相关说明：丝网除沫器适用于化工、石化、医药、轻工、环保等行业立式圆筒形设备使用的气液分离装置。用于分离气体中夹带的液滴直径大于3～5微米的雾沫。其作用机理为：夹带在气相中的细小液体雾滴经过高效丝网除雾器的丝网时，雾滴碰到除雾扁丝上，被粘附或吸附下来，经过反复多次吸附雾滴，极小的雾滴附聚、聚结成为大液滴，液滴在重力作用下，沿着扁丝的丝径向下运动，同时继续吸附气体中雾滴，长大的雾滴流到除雾器的底部，成为液滴滴流下来。北京化工大学化学工程学院曾对新型高效丝网捕沫器的除雾机理、影响因素，设计方法及应用进行了分析研究：采用0.1-0.4mm的金属或工程塑料编织而成的这种除雾器，可以方便地将气体夹带的液体雾滴脱除，对于1微米以上的雾滴，去除率可达99%以上。根据有关文献资料，丝网捕沫器在工业生产中得到了广泛的应用：在反应气体除水雾、油雾、化工产品杂质雾滴领域，均达到了预期的技术指标。
3.2湿法脱硫后净烟气采用丝网捕沫器除雾（沫）的设计
烟囱雨消减为近几年环境保护能力建设新提出课题，是湿法脱硫改造特别是燃煤火电机组超低排放改造后的新要求。因烟囱、烟道、塔形已确定，丝网捕沫器除雾（沫）的设计需根据既有的设备系统条件，合理考虑丝网捕沫器的安装位置、外形尺寸和丝网厚度等参数，进行针对性丝网捕沫器的设计和加装。
现以某电厂330MW机组脱硫塔后净烟道丝网捕沫器设计加装为例进行探讨说明。
3.2.1安装位置选择
330MW机组脱硫塔设计中主要考虑吸收塔烟气流速、烟气在吸收塔内停留时间以保证脱硫效果，烟气塔内流速一般设计为2-4m/s,故吸收塔直径设计一般在12m～14m之间，因截面积较大，直接将丝网捕沫器装在吸收塔上部受材料刚性的限制，存在较大的困难。如装在烟囱上，因主烟囱为两台机组共用，如上所述，烟气流速较大，二次携带显著，丝网捕沫器的作用不能有效发挥。安装位置选择为脱硫后净烟道截面积较大的烟道段。
3.2.2丝网捕沫器材料的选择
丝网的材质可选用各种不同的金属、非金属材料，常用的有不锈钢、蒙乃尔合金、铜、铝、碳钢、钽、镍及镍合金、工程塑料等。其中S31603不锈钢是一种应用广泛的不锈钢材料。它具有成本低、耐高温、耐锈蚀性好的优点，同时对碱溶液及大部分有机酸、无机酸也具有良好的抗腐蚀能力，非常适宜在脱硫塔的除雾阶段中使用。因此在脱硫系统全面取消旁路前，有案例选用S31603不锈钢作为烟气湿法脱硫中丝网除沫器的丝网材料。目前燃煤火电机组脱硫系统运行稳定性已普遍得到保证，国内燃煤火电机组普遍取消了烟气旁路，脱硫塔出口温度普遍在43-55℃之间，塑料因其良好的耐酸碱能力在烟气过流部件中大量使用。由以上对比可见：PP作为结晶高聚物，常用塑料中PP最轻。通用塑料中，PP的耐热性最好，其热变形温度为80-100℃。PP有良好的耐应力开裂性，有很高的弯曲疲劳寿命，PP的综合性能优于PE料。PP材质轻（仅为S31603不锈钢的1/9），韧性好、耐化学性能好。适用于燃煤火电厂石灰石-石膏法脱硫后净烟气雾沫脱除。
3.2.3压降控制
对脱硫烟气进行除雾，对压力损失有一定的要求。 根据HG/T 21618—1998标准，丝网除沫器用气液过滤网规格有：SP（标准型）、DP（高效性）、HR（高穿透型）、HP（阻尼性）型四种标准规格。各规格的丝网特性参数如下图所示。
SP气液过滤网 DP气液过滤网 HR\HP气液过滤网
丝网除沫器的网块网层厚度分为100mm和150mm两种规格,因脱硫塔后有湿式静电除尘器，烟气中雾沫含量较低，采用网层厚度为100mm的除沫器HR高穿透型型过滤网。以保证丝网压降不致过高。
3.2.4操作气速的计算
操作气速即气体通过丝网时的速度，操作气速需选取适宜。操作气速过低，则雾沫在气体中的惯性太小，通过丝网层时雾沫在丝网中飘浮而导致不能除净；操作气速过高，则聚集的液滴不容易从丝网中下落，致使被捕集的液滴又飞溅起来，被气体二次夹带走，导致液泛现象，降低除沫效率。某330MW机组负荷与操作气速对应关系如下表1。
某330MW机组负荷与操作气速对应关系如下表2：
表1：机组负荷与操作气速对应关系
表2：操作气速与除沫效率理论对应关系
3.2.5 机组各负荷段操作气速是否满足不发生液泛现象的验算
饱和湿烟气密度依据以下公式：𝝆s=𝝆N*273/（273+ts）*(Ba+PS)/101325计算得出各负荷工况下的饱和湿烟气密度如下表7:（其中：𝝆s为饱和湿烟气密度,Kg/m3；𝝆N为标准状态下湿烟气密度Kg/Nm3，一般情况下取1.34 Kg/Nm3；ts为对应负荷下的温度，℃；Ba为大气压，Pa；PS为表压，Pa）：
表3：机组负荷与饱和湿烟气密度关系表
各负荷段液泛速度按下式计算：Vf=k 式中：
Vf=液泛速度，即造成液泛现象最低的气流速度，m/s；
K为气液过滤网常数，与丝网网型有关，可参考下表4：
表8：气液过滤网常数选取参考值（来自HG/T21618-1998《丝网除沫器标准》
𝝆L为工作温度及压力下，液体颗粒的密度，Kg/m3；
𝝆g为工作温度及压力下，气体的密度，Kg/m3。
按极限工况考虑，机组330MW负荷烟气流速8.64m/s、烟温50℃工况下，液泛现象可能发生的烟气流速约为0.126m/s。机组经常性负荷工况下脱硫除尘后净烟气的流速满足最低操作气速要求。
4.结论
业界有必要对应用丝网捕沫器对湿烟气水分进行凝聚收集消减“烟囱雨”进行应用研究。采用一定厚度、PP材质的丝网捕沫器用于消减分离气体中夹带的液滴直径大于3-5微米的雾沫，有望有效分离气体中直径大于3～5μm的液体颗粒，建议有关单位进行实体工程验证。
参考文献:
[1]傅德熏 流体力学数值模拟 北京：国防工业出版社1993
[2]孙海鸥、郑洪涛，刘顺隆。气水分离器网垫级阻力特性的数值模拟 哈尔滨工程大学学报 2000,21（4）10-12
[3] 《丝网除沫器标准》（HG/T21618-1998）
[4]《火力发电厂烟风煤粉管道设计计算规程》DL/T5121-2000
[5]付昱、何金起 火力发电厂湿法脱硫“石膏雨”治理方法讨论 黑龙江电力 2009.31（5）
作者：钱广成 华能嘉祥发电有限公司，工程师
联系方式：山东省济宁经济技术开发区嘉诚路60号华能嘉祥发电有限公司生产管理部 邮编：272400
作者简介：姓名：钱广成，男，1977年出生，从事燃煤火力发电厂燃料管理、烟气污染物减排治理技术管理十二年。
论文作者:钱广成
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：烟囱论文; 烟气论文; 丝网论文; 雾滴论文; 湿法论文; 机组论文; 阻力论文; 《电力设备》2018年第33期论文;