湿法烟气脱硫筛板式喷淋塔阻力特性的实验研究.doc

湿法烟气脱硫筛板式喷淋塔阻力特性的实验研究王惠挺，钟毅，高翔，陈湘文，骆仲泱，倪明江，岑可法(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027)Experimental study on pressure drop characteristic of wet flue gas desulfurization spray scrubber with sieve trayWang Huiting, Gao Xiang, Luo Zhong-yang, Ni Ming-jiang, Cen Ke-fa(Sate Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China)55摘要：采用水-空气作为介质对湿法烟气脱硫筛板式喷淋塔阻力特性进行了实验研究。讨论了筛板孔径、开孔率、厚度、安装位置以及液相喷淋量等因素对筛板喷淋塔内阻力特性的影响。结果表明，在WFGD系统筛板式喷淋塔中必须保证足够大的孔径与塔径比。空塔气速较低条件下筛板孔径越小压降越大，而空塔气速较高时则相反。筛板厚度对于压降影响较小。开孔率的提高、筛板安装高度的提高以及喷淋量的减少均能降低塔内阻力。关键词：湿法烟气脱硫；筛板；阻力特性 Abstract: Experimental study on pressure drop characteristic of wet flue gas desulfurization spray scrubber with sieve tray was carried out by water and air. The influences of factors, such as pore diameter, percentage of opening, the thickness and location of the tray, and liquid spray rates, on the pressure drop characteristic of the scrubber with sieve tray were discussed. The results show that the ratio of pore diameter to the diameter of scrubber must be ensured big enough for spray scrubber with sieve tray in WFGD system. The pressure drop of scrubber increase with the decrease of pore diameter in low flue gas velocity, and it will decrease in high flue gas velocity. The thickness of tray has little influence on the pressure drop. The pressure drop decrease with the increase of percentage of opening, the increase of location of tray and the decrease of spray rates.Key words: wet flue gas desulfurization; sieve tray; pressure drop characteristic; 湿法烟气脱硫（WFGD）是目前全世界应用最为广泛的脱硫技术1, 2。筛板式喷淋塔是WFGD系统吸收塔的一种重要塔型3，它具有良好的气液分布及塔高相对较低等优点。塔内阻力是WFGD系统阻力的主要构成因素，其特性直接涉及主要辅机的选型，影响到系统运行费用高低。因而，研究阻力特性对于筛板式喷淋塔的设计及运行优化有着重要的意义。本文采用空气-水作为介质，在筛板式喷淋塔上进行了气液两相特性测试，考察了筛板孔径、开孔率、厚度、安装位置以及喷淋量（喷淋强度）等因素对筛板喷淋塔内压降的影响。为筛板式喷淋塔的设计与运行优化提供参考。1. 实验装置采用空气水作为介质，在多功能实验装置内对气液两相流动特性进行了测试，多功能实验装置的系统如图1所示。该系统主要由三部分组成，吸收塔本体、气体系统和水系统。筛板式喷淋塔主要由塔体、筛板（单层或双层）组成，采用机玻璃加工而成，其塔体内径148 mm，高1400 mm，设置三层位置安装筛板。水自塔体上方两层喷嘴喷入，至塔底流回储液池，气体自塔体下方进入，经过筛板、喷淋层，与液体逆向接触，至塔顶流出吸收塔后排空。筛板的安装位置分别在离烟气入口中心0.1m、0.2m、0.3处，可以安装单层和双层筛板。塔体上布置了5个测压孔。风系统为实验提供可调的空气量，水系统主要为实验提供可调节的水量。基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAA01B04）；新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-06-0513）多孔筛板开孔方式分为正三角形和正方形开孔两种4,5，如图2所示。本文实验中采用正三角形开孔方式。对正三角形开孔方式而言，其开孔率的表达方式如式(1)所示： (1)图1 多功能实验装置示意图Fig. 1 Sketch map of multifunctional experiment device图2 筛板开孔方式Fig. 2 Perforation mode of sieve tray2 实验结果与讨论2.1 筛板孔径的筛选选取厚度均为5mm的三块筛板（d=6mm，=36%；d=15mm，=24%；d=30mm，=36%）在喷淋量为600L/h时作空塔速度与喷淋塔压降关系的双对数曲线，如图3所示。一般而言，随着空塔速度的提高，筛板上气液两相逐渐经历4个阶段：拦液段（AB段）、鼓泡段（BC段）、泡沫振动段（CD段）和液泛段（DE段）。AB段由于气液两相接触不良，传质效果不好。在BC段，板上形成稳定的鼓泡区和液层区，此时传质效果比较好。在CD段，板上水滴被振动甩上喷淋区，然后落下，气液搅混剧烈，湍流程度增加，气液接触更加充分，传质效果最好4-7。在DE段，当速度进一步增大时，鼓泡区振动强度继续增大，并发生强烈的波动，部分区域泡沫层减薄，而部分区域变厚，出现不稳定的工况。其中B点和E点分布被成为故泡点和液泛点。曲线2和3是比较完整的气液两相流动特性曲线。在曲线1中，当空塔气速超过1.1m/s时，已经开始出现液泛，而大孔径筛板都处在鼓泡或振动鼓泡区。说明当筛板孔径与塔径之比太小的筛板不适合高速烟气条件下操作。在WFGD筛板式喷淋塔的设计过程中必须保证足够的筛板孔径与塔径比。图3 采用不同筛板时气体流速对压降的影响Fig. 3 Influence of gas flow rate on pressure drop of scrubber with different tray2.2 孔径对阻力特性的影响在同一开孔率（=36%）下不同筛板孔径（630 mm）条件下的塔内阻力特性如图4所示。孔径对喷淋塔压降的影响分为两个速度段。速度低于0.6 m/s时，孔径越小，喷淋塔压降越大。这是由于小孔径的鼓泡点出现比较早，持液量在低速范围比大孔径的大，板上液层较厚，因此小孔径板的湿板压降比较大。而当速度大于1.0 m/s时，孔径大的筛板上液层比小孔径的板的厚，其压降也大。原因是气流穿过大孔径后，其动量比较大，可以吹起很高的泡沫层，而小孔径由于气流被分散，动量较小，泡沫层高度比较小，因此其塔内压降比较小。图4 不同孔径条件下气体流速对压降的影响Fig. 4 Influence of gas flow rate on pressure drop in different pore diameter 2.3 开孔率对阻力特性的影响图5 不同开孔率下气体流速对压降的影响Fig. 5 Influence of gas flow rate on pressure drop in different percentage of opening图5表示的是孔径15mm条件下开孔率（1648%）对阻力特性的影响。由图可知，在开孔率3236%之间的筛板的压降变化不大。当开孔率小于32%时，压降随开孔率减小明显增大，泛点出现越来越早。开孔率16%和20%的两块板几乎无法正常工作，分别在空塔气速为0.5 m/s和 1.0 m/s时就出现无液体下降的严重恶化的工况。2.4 筛板厚度对于阻力特性的影响筛板厚度对阻力特性的影响如图6所示，在空塔气速低于1.2 m/s时，筛板厚度对全塔压降的影响不大，而5 mm厚筛板压降最小。其原因是液体穿过7 mm筛孔的阻力比较大，因此在筛板上持液量也相应大些，如图7所示，这增大了其湿板压降。3 mm板与5 mm板相比，在空塔烟速超过1.6 m/s后持液量较大，如图7所示，所以3mm板的湿板压降比5 mm板的大。工程中选择筛板除了考虑到筛板压降因素外，还要考虑其强度问题，太薄的筛板容易在冲刷过程中变形，且在检修过程中无法支撑人的体重，太厚则材料成本增加，加工难度大。 图6筛板厚度对压降的影响 Fig. 6 Influence of tray thickness on pressure drop 图7 持液量与筛板厚度的关系 Fig. 7 Influence of tray thickness on liquid holdup2.5 筛板安装位置对于阻力特性的影响图8表示的是筛板安装位置对阻力特性的影响以及单层与双层的筛板塔的压降的比较。空塔气速超过0.65 m/s后，双层筛板塔喷淋塔压降比单层的要高250300Pa。其原因是气体经过双层筛板塔时需要穿过两层泡沫层，阻力较大。对于单层筛板，随着安装位置的不同，喷淋塔压降也有变化。可以看出，相对位置安装越高，压力降越小。这是因为筛板下的空间不存在喷淋，液体都是汇流成液柱入塔底，对空气的阻力较小，相对安装高度越高，损失的喷淋高度越多，喷淋塔压降也较小。图8 筛板安装位置对压降的影响Fig. 8 Influence of the tray location on pressure drop2.6 喷淋量对阻力特性的影响孔径与开孔率分布是15 mm与36%的筛板在喷淋量分别为300，600，900，1200 L/h时的阻力特性如图9所示。随着喷淋量的增加，湿板压降随之增大。对于L=300L/h工况，当空塔气速小于0.5 m/s时，喷淋塔压降与空塔压降曲线几乎重叠，这是由于开孔较大的筛板在速度较低的情况下托不住液体，所有的液体都沿着开孔的外侧流出，空气从孔中间穿过，阻力较小。喷淋量较大时，速度很小就能托住液体。图9 不同喷淋量时气体流速对压降的影响Fig. 9 Influence of gas flow rate on pressure drop in different spray rate3 结论本文采用空气水作为介质，在多功能实验台上进行了气液两相特性测试，考察了筛板孔径、开孔率、厚度、安装位置以及喷淋量（喷淋强度）等因素对筛板式喷淋塔塔内阻力特性的影响。得出以下结论：1) 随着空塔气速的增大，喷淋塔压降逐渐增大；气速低于0.6 m/s时，孔径越小，喷淋塔压降越大；而在气速大于1.0 m/s时，孔径越大，喷淋塔压降也越大。2) 在开孔率3236%之间的喷淋塔压降变化不大，当开孔率小于32%时，喷淋塔压降随开孔率减小明显增大。3) 双层筛板塔与单层筛板塔相比，喷淋塔压降在气速大于0.65m/s后，比单层筛板塔的要高50 Pa以上。4) 在气速大于1.2 m/s时，随着速度的增加，7 mm板的喷淋塔压降最大，3mm板的压降次之，5 mm板的压降最小。参考文献1 钟毅，高翔，霍旺，等。湿法烟气脱硫系统气气换热器结垢分析J.动力工程，2008，28（2）：275-2782 钟毅，高翔，骆仲泱，等。湿法烟气脱硫系统脱硫效率的影响因素J. 浙江大学学报（工学版）, 2008, 42(5): 890-8943 Strock.T. 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