引言煤电作为我国传统的能源形式，在为社会经济建设做出巨大贡献的同时，也带来了一系列的环境污染问题。我国也不断提出更严格的污染物排放标准，以提高经济发展质量、改善人们生活环境。自2014年，相关部门陆续出台文件要求全国所有具备改造条件的燃煤电厂实现超低排放（即在基准氧含量6%的条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3）。截至2020年底，全国已投运火电厂烟气脱硫机组容量约10 亿kW，占全国火电机组容量的84.7%，占全国煤电机组容量的92.6%。其中超过85%的烟气脱硫装置采用湿法脱硫工艺，其中又以石灰石-石膏湿法脱硫工艺为主流工艺。鉴于此，利用原有湿法脱硫装置进行升级改造，实现SO2超低排放的同时，使其具备协同脱除粉尘并实现超低排放功能，具有社会和经济效益。湿法脱硫吸收塔的主要作用是脱除烟气中的SO2，同时对烟气中的粉尘也具有一定的协同脱除效果。关于吸收塔协同除尘的机理，国内如清华大学、华电电科院等机构已进行大量的研究，基本认同粉尘脱除是基于喷淋过程中喷淋雾滴对烟气中粉尘颗粒的捕集机理。在此基础上对脱硫吸收塔协同除尘机理进行分析，并建立计算模型，找出影响脱硫吸收塔除尘效率的关键参数，为国内火力发电厂超低排放改造工程的实施提供参考。1脱硫喷淋层的分级除尘机理及计算1.1脱硫喷淋层的分级除尘机理脱硫吸收塔是石灰石-石膏湿法脱硫系统的核心设备，有喷淋塔、液柱塔、鼓泡塔、填料塔等多种类型，其中逆流喷淋塔应用最为广泛。单元制设置的多层喷淋层将底部浆池中的浆液雾化向下喷淋，与向上运行的烟气逆流接触，吸收并脱除烟气中的SOx。在惯性碰撞、截留及布朗扩散等机理的共同作用下，烟气中的粉尘颗粒也会同时被喷淋雾滴捕集。1.2脱硫喷淋层的分级除尘计算模型参照Devenport的单个液滴惯性碰撞效率公式、马广大[1]的截留计算公式、嵆敬文[2]的布朗扩散捕集效率公式以及岳焕玲[3]等的液滴群除尘效率、喷淋塔的分级除尘效率和喷淋塔总的除尘效率计算，建立计算模型：单个雾滴惯性碰撞效率公式：Ei=stst+0.72，St=CdP2ρpu9μgDc (1)单个雾滴截留计算公式：ER=1+kR2-11+kR，kR=dPDc (2)单个雾滴布朗扩散捕集效率公式：                              ED=4Pe2+0.557ReD1∕2×SC3∕8Pe=uDcD , D=kTC3πμgdP , ReD=uρgDcμg , Sc=PeReD (3)单个雾滴捕集效率公式：ηE=1-1-Ei1-ER1-ED (4)单层喷淋层雾滴群分级除尘效率公式：ηm=1-e-0.0015ηEHUgLDcu (5)多层喷淋层分级除尘效率公式：ηz=1-1-ηm11-ηm2…1-ηmn (6)吸收塔喷淋层总除尘效率公式：η=∑i=1mηg×△E1100 (7)1.3脱硫喷淋层的分级除尘计算及分析由脱硫喷淋层的分级除尘计算模型中可知，影响吸收塔喷淋层总除尘效率的变量主要包含：粉尘粒径分布（dp）、吸收塔液气比（L）、喷淋雾滴直径（Dc）、喷淋高度（H）以及尘液相对速度（u）。其中尘液相对速度受脱硫设计限制而相对固定，在此不做展开，针对4个关键变量计算进行分析。1.3.1粉尘粒径分布火力发电厂燃煤锅炉湿法脱硫装置通常布置在引风机后，入口烟气已通过静电除尘器或布袋除尘器一次除尘。某电厂静电除尘器后粉尘颗粒物粒径分布如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.T001表1某电厂静电除尘器出口粉尘颗粒粒径分布项目颗粒粒径/μm123457.51010体积百分比/%5.448.2910.5712.0125.6517.239.8210.99吸收塔设三层喷淋层、喷淋雾滴直径Dc=1 000 μm、吸收塔液气比L=10 L/m3、喷淋层一喷淋高度H=4 m，除尘效率计算结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.T002表2脱硫喷淋层粉尘粒径分级计算效率项目颗粒直径/μm123457.510＞10总除尘效率/%69.59质量占比/%5.448.2910.5712.0125.6517.239.8210.99喷淋层一分级效率/%0.613.849.3416.6130.3648.5362.8869.80喷淋层二分级效率/%0.925.7013.6823.8541.8863.0877.3883.40喷淋层三分级效率/%1.227.5217.8130.4651.5073.5186.2290.88喷淋层总分级效率/%2.7316.1435.6955.8480.3794.9798.8499.543种粉尘捕集机理中，惯性碰撞和截留占主导地位，这2种捕集效率均与粉尘粒径呈正相关。对于1 μm的粉尘颗粒，脱除率不足3%，随着粉尘粒径增大，脱除效率逐渐增大；对于10 μm的粉尘颗粒脱除率已超过99%。基于设定条件的吸收塔喷淋层总体除尘效率可达69.59%，在不考虑雾滴夹带逃逸增尘因素的情况下，以实现塔出口10 mg/m3超低放指标为基准，可以接受的吸收塔入口粉尘浓度为30 mg/m3。1.3.2吸收塔液气比对除尘效率的影响吸收塔设三层喷淋层、喷淋雾滴直径Dc=1 000 μm、喷淋层一喷淋高度H=4 m、粉尘遵循表1中粒径分布，选取不同吸收塔液气比，除尘效率如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.T003表3不同液气比设置下的除尘效率项目液气比/（L/m3）810121416182022总除尘效率/%64.8369.5973.1275.8578.0379.8081.2882.52在粉尘粒径分布和喷淋雾滴直径不变的情况下，随着液气比的增大，喷淋区单位空间内雾滴数量增加，粉尘颗粒被捕集的概率也随之增大，总体除尘效率有较明显提高。应用于超低排放的湿法吸收塔，其液气比通常取值15 L/m3，由计算结果可知，总除尘效率可达75%，基于粉尘为10 mg/m3超低排放指标的吸收塔，可接受的入口粉尘浓度为40 mg/m3；基于粉尘为5 mg/m3超低排放指标的吸收塔，可接受的入口粉尘浓度为20 mg/m3。随着液气比的提高，边际递减效应明显，说明不可能靠无限提高液气比来提高除尘效率。吸收塔液气比的选择应以脱硫效率计算为基础，综合除尘效率适当选取。除尘效率与液气比的关系如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.F001图1除尘效率与液气比的关系1.3.3喷淋雾滴直径对除尘效率的影响喷淋雾滴直径体现构成喷淋层喷嘴喷雾形状的喷雾液滴的大小，喷雾过程中液滴的大小存在差异且遵循一定分布规律，为简化计算，以体积中位数直径（Dv0.5）作为特定工况计算基数。选取石灰石-石膏湿法脱硫工艺中单向单头空心锥喷嘴为例，参照美国喷雾公司Spraying Systems Co.喷嘴产品性能参数，0.07 MPa工作压力下，喷淋雾滴体积中位数直径范围为360~3 400 μm，保持粉尘遵循表1的粒径分布，吸收塔液气比L=10 L/m3、喷淋层一喷淋高度H=4 m。在粉尘粒径分布和吸收塔液气比不变的情况下，随着喷淋雾滴直径的增大，喷淋区单位空间内雾滴数量减少，同时单个雾滴体积增大、对粉尘的捕获能力提高；两个因素共同作用表现出随着雾滴直径的增大，总体除尘效率小幅降低。除尘效率及趋势如表4、图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.T004表4不同喷淋雾滴直径下的除尘效率雾滴直径/μm总除尘效率/%雾滴直径/μm总除尘效率/%40070.342 00068.4760070.082 20068.2680069.832 40068.051 00069.592 60067.851 20069.362 80067.651 40039.133 00067.461 60068.903 20067.261 80068.683 40067.0710.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.F002图2除尘效率与喷淋雾滴直径的关系1.3.4喷淋高度对除尘效率的影响吸收塔设三层喷淋层（喷淋层间距2 m）、喷淋雾滴直径Dc=1 000 μm、吸收塔液气比L=10 L/m3、粉尘遵循表1粒径分布，选取最下层喷淋层高度H=2.4~4.6 m。随着喷淋高度的增大，粉尘随烟气通过喷淋区的时间呈线性增长，捕集概率也随之增长，总除尘效率有较明显提高。除尘效率及趋势如表5、图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.T005表5不同喷淋高度下的除尘效率喷淋高度/m总除尘效率/%喷淋高度/m总除尘效率/%2.462.863.868.902.663.884.069.592.864.834.270.253.065.744.470.883.266.594.671.483.467.404.872.053.668.175.072.6010.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.019.F003图3除尘效率与喷淋高度的关系2托盘对吸收塔除尘的辅助作用吸收塔托盘可在保持吸收塔液气比不变的情况下，提高脱硫效率，或在保持脱硫效率不变的情况下，有效改善液气比选型设计。托盘上的孔径一般为25~40 mm，开孔面积占25%~50%，上部用高约300 mm的隔板将托盘分割成若干个小块，使托盘上的持液高度能随着塔盘下方的烟气压力自动调整，塔盘上持液高度的调整反作用于托盘下烟气使其均匀分布，实现塔内烟气整流、均流的效果。以某火力发电厂吸收塔设计为例，采用达索集团三维设计软件Dassault Systemes Solidworks建立吸收塔模型，验证增效托盘对烟气流场的整流、均流效果。吸收塔设计参数为：吸收塔前烟气量（实际氧量、湿态）1 373 682 m3/h，吸收塔后烟气量（实际氧量、湿态）1 474 740 m3/h，设计压力±5 000 Pa，液气比16.27 L/m3，烟气流速3.3 m/s，吸收塔直径14.5 m，总高度37.556 m，喷淋层数4层，喷淋层间距1.8 m，每层喷嘴数110个，托盘层数1层。由模拟结果可知，托盘可以极大改善吸收塔内烟气流场均匀性，使流经吸收塔的烟气能较为均匀地与喷淋雾滴接触，保证影响吸收塔总除尘效率的两个主要变量：液气比和尘液相对速度（u）在吸收区各截面的均一性，促进吸收塔实际除尘效率更符合计算模型。3结语（1）基于所选参数通过模型计算的吸收塔总除尘效率范围为62.86%~82.52%，影响吸收塔总除尘效率的因素包含粉尘粒径分布、吸收塔液气比、喷淋雾滴直径、喷淋高度，吸收塔液气比对除尘效率的影响更显著。（2）应用于超低排放的湿法吸收塔以满足脱硫效率为基准选取的液气比通常取值15 L/m3。由计算结果可知，其总除尘效率可达75%，基于粉尘为10 mg/m3超低排放指标的吸收塔，可接受的入口粉尘浓度为40 mg/m3；基于粉尘为5 mg/m3超低排放指标的吸收塔，可接受的入口粉尘浓度为20 mg/m3。（3）对于一级除尘采用脉冲电源静电除尘器、低低温静电除尘器、超细滤粒布袋除尘器等除尘设施、除尘器出口达到40/20 mg/m3的火力发电厂，采用湿法脱硫吸收塔协同除尘达到粉尘超低排放具有可行性。（4）进行吸收塔设计时，以脱硫设计为基准进行计算的同时，可参照本除尘效率计算模型，适当调整液气比、喷淋高度等参数，以实现协同除尘效率的达成。