660MW机组吸附剂喷射装置选型要点

660MW 机组吸附剂喷射装置选型要点

孙钰

大唐环境产业集团股份有限公司 北京 100097

摘要：挥发性有机污染物的其中一个来源是燃煤电厂，由燃煤电厂排放的VOC大约占人为总排放量的37%。VOC一般有较强的气味，对人体和环境具有非常的大的危害，因此需要对燃煤电厂的有机污染物排放进行有针对性的治理，本文针对某660MW燃煤机组锅炉烟气有机污染物排放控制装置（吸附剂喷射装置）进行设计，此设计可用于多个需要吸附剂喷射吸附的场景，适用范围广、工艺流程简单，能够为更多同业人员提供技术支持。

关键词：吸附剂、喷射、有机污染物、控制技术、设计选型

一、序言

挥发性有机污染物(Volatile organic compounds, VOC)的其中一个来源是燃煤电厂，由燃煤电厂排放的VOC大约占人为总排放量的37%[1]。VOC一般有较强的气味，对呼吸道系统刺激性大，且具有渗透、挥发及脂溶等特性，当室内VOCs浓度超过一定浓度时，在短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力，严重时会造成人中枢神经系统受损，昏迷、记忆力下降等，长期接触会使人患上癌症与血液病的风险。VOC也是形成臭氧（O3）和细颗粒物（PM2.5）的重要前体物，对气候变化也有影响。根据大量研究机构的源解析结果，PM2.5里一类主要构成就是有机物（OM），占比达20%-40%，主要来自VOCs转化生成。另外VOCs具有光化学反应性，在阳光下与氮氧化物发生化学反应形成臭氧、自由基等污染物。PM2.5与O3对我们都有直接的健康危害，还对全球气候变化有非常不利的影响。

活性炭吸附净化VOC是一种有效实用的方法[2]。活性炭表面富含孔隙, 孔内大量交接、蔓延的微结构形成孔径更小的纳米级微孔和中孔, 这些微结构和官能团彼此相互作用, 在孔内形成强大的分子场[3]。这种结构特征使得活性炭较其它多孔吸附材料具有更大的比表面积和吸附容量。

本项目研究的活性炭喷射吸附装置是专为吸附燃煤电厂烟气中有机污染物而设计。粉末状活性炭能与烟道中的烟气通过强烈的湍流实现均匀混合，从而实现烟气中有机污染物的脱除。向烟道中喷射粉末状活性炭吸附剂的方法有很多，如气力输送法、静电喷涂法等。其中气力输送法以其输送量较小、输送距离较短、烟气净化效果好的特点被广泛应用。本文将以某660MW机组为例，设计一套粉末活性炭吸附喷射装置。

二、项目概况

某公司的660MW燃煤机组锅炉采用的型式为高效超超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉，锅炉采用整体紧身封闭，燃用烟煤。该锅炉的设计最大连续蒸发量为1891t/h，燃煤量为288.2t/h(设计煤种)；294.5t/h(校核煤种1)；306.3 t/h(校核煤种2)。燃煤烟气主要经过脱硝装置、脉冲袋式除尘器装置及脱硫装置，最终通过烟囱排入大气环境。其中，脉冲袋式除尘器的入口的主要运行条件如下：

表1 烟气参数

除尘器入口过剩空气系数：1.305

三、喷射装置工艺流程简介

活性炭吸附剂喷射系统参照吸附剂喷射脱汞系统设计，国内外通常采用气力输送方式，为实现多个喷枪出口均匀雾化喷射效果，优选正压稀相输送方式，并且采用三级管路输送，两级分配器加速的方式设计。

吸附剂喷射系统包括空压机、给料阀、喷射器、喷射管道、输送均流分配器、喷枪、电气控制系统、入料系统等几部分构成。吸附剂靠螺旋上料机输送至贮料仓上方，靠自重进入贮料仓，为保证给料量的准确计量，在贮料仓下方设置缓冲仓进行物料称重，由给料阀控制给料量。

活性炭吸附剂混合压缩空气由喷射器经喷射管道输送到一级、二级分配器，在双重加速的分配器和喷枪的配合下，采用正压传输技术，将吸附剂均匀喷射到布袋除尘器入口烟道内。

4. 选型计算

4.1 选型原则

1. 脉冲袋式除尘器前端入口设计总烟气量为1.84×10⁶m³/h，热烟气温度124℃。

2. 新建吸附剂储料仓，设计容积为6m³，满足电厂在满负荷条件下连续进行吸附剂(以活性炭堆积密度为500 kg/m³计)喷射8小时。

3. 根据活性炭吸附剂在烟气中对VOC吸附剂喷射量设计选取为90~290 kg/h(以活性炭堆积密度为500kg/ m³计)区间可调，料气比为1。

4.2 空压机选型

4.2.1 吸附剂喷射管路阻力计算

以最大给料量 进行设计，吸附剂暂定为商用活性炭粉末。

（1）螺旋上料机的阻力(Pa)

式中： ——料气比， ，采用高压压送式系统，根据《工业通风(第四版)》P181页所述，选取 ；

——输送风速， ；

——空气的密度， ，室温下， ；

——与螺旋上料机构造有关的系数，采用水平型上料机，选取 。

选取活性炭的输送风速为20m/s。

（2）空气和物料的加速阻力(Pa)

加速阻力是指空气和物料由受料器进人输料管后，从初速为零分别加速到最大速度 和 所消耗的能量，按下式计算：

式中： ——系数。

式中： ——物料速度，m/s；

——空气流速，由上步选取可知，20m/s。

物料速度 按下式计算：

计算可得， 。

（3）物料的悬浮阻力(Pa)

为了使输料管内的物料处于悬浮状态所消耗的能量称为悬浮阻力。悬浮阻力只存在于水平管和倾斜管。

水平管的悬浮阻力为：

式中： ——悬浮速度， ，估算活性炭实际密度为 ，代入物料的沉降速度公式计算得， ；

——水平输送距离， 。

（4）物料的提升阻力(Pa)

在垂直管和倾斜管内，把物料提升-定高度所消耗的能量称为提升阻力。

式中： ——物料提升的垂直高度，即垂直输送距离， 。

（5）输料管的摩擦阻力(Pa)

摩擦阻力包括气流的阻力和物料引起的附加阻力两部分。

式中： ——与物料性质有关的系数，见《工业通风(第四版)》P182页表6-10，活性炭为粉状物料，选取为1.5；

——输送空气时单位长度摩擦阻力，代入excel表计算可得，444.9Pa/m；

——输料管长度，由上诉设计可知，111m。

（6）变管阻力(Pa)

式中： ——弯管的局部阻力系数，参见《工业通风(第四版)》P244页附录10；

——与弯管布置形式有关的系数，见《工业通风(第四版)》P183页表6-11。

（7）喷射管路总阻力(Pa)

将全部沿程阻力计算并汇总得到喷射管路总阻力：

4.2.2 压缩空气风量、风压的确定

（1）风量的确定

活性炭喷射量为 ，实际烟气量为 ，活性炭给料量为 ，最大设计给料量圆整为 。

参考生活垃圾焚烧厂运行监管标准(CJJ/T 212-2015)，表3-1活性炭粉的品质，设计选取活性炭的堆积密度为 。

结合上述设计时选取的料气比 ，考虑到室温下的空气密度为 ，故，所需的空气量为 ，考虑到安全系数为1.2，最终风机风量为 ，即为排风状态风量。

4.2.3 风压的确定

由于最终喷射点处吸附剂拥有20m/s的喷射速度，根据动能定理，计算物料在喷射点处所需动压：

代入excel表计算可得， 。

结合本文7.7节计算所得的喷射管路总阻力 和安全系数1.2可得，空压机所需排气压力为 。

故空压机基本参数选型为：容积容量 ，排气压力 。

储气罐的技术参数：容量为3m³，重8kg。

4.3 吸附剂上料及储存系统选型

4.3.1 上料装置

上料装置由手动倒袋站和螺旋机组成。螺旋机功率为1.5kW，倾角45°。

4.3.2吸附剂储仓与定量喷射装置

吸附剂储仓(非压力容器)容量为6m³，尺寸为 ，高度包含仓顶除尘器和仓底旋转阀。

吸附剂储仓仓顶除尘器的技术参数包括：过滤面积10m²，风机型号4-72-2.8A，功率1.5kW。

进料圆顶阀的技术参数包括：尺寸DN200，压力0.6~0.7MPa。

旋转阀的技术参数包括：尺寸DN200，变频转速0~24r/min可调，功率1.5kW。给料误差在 以内。

称重模块的技术参数包括：称量范围0~50kg，称量精度0.05kg，数量4个。

PLC柜的技术参数包括：PLC型号西门子S7-200，尺寸800×600×300。

4.4 喷射系统选型

4.4.1 分配器与喷枪

DN80 to DN65 一分二分配器一个；主管路结束，分别去往两锅炉对应烟道。

1#锅炉对应喷射管路中：DN65 to DN50 一分二分配器两个；DN50 to DN25 一分三分配器两个。喷枪材质为耐热合金管，尺寸为DN25，喷枪长度为370mm，喷枪管壁上不开孔，数量为6支，每侧烟道3支。

2#锅炉对应喷射管路中：DN65 to DN50 一分二分配器两个；DN50 to DN25 一分五分配器两个。喷枪材质为耐热合金管，尺寸为DN25，喷枪长度为370mm，喷枪管壁上不开孔，数量为10支，每侧烟道5支。

所有喷射管路的弯头的弯曲半径R/D=10~15，采用陶瓷耐磨层。

所有管路连接方式采用法兰连接。

4.5 用电负荷

电负荷清单

总电负荷清单如表2所示。

表2电负荷清单

5、总结

本文涉及的吸附剂喷射系统是针对锅炉烟气中有机污染物排放控制而设计的一套吸附剂喷射系统。但基本原理仍然是吸附剂喷射，由此可见，本设计可以指导各种需要使用吸附剂喷射脱除烟气中污染物的工艺，适用范围广、工艺流程简单，能够为更多同业人员提供技术支持。

参考文献：

[1]FERNNDEZ-MARTíNEZ G, LPEZ-MAHíA P, MUNIATEGUI-LORENZO S, PRADA-RODRíGUEZ D, FERNNDEZ-FERNNDEZE.Distribution of volatile organic compounds during the combustion process in coal-fired power stations[J].Atmos Environ, 2001, 35 (33) :5823-5831.

[2]MORENO-CASTILLA C, RIVERA-UTRILLA J, LPEZ-RAMN M V, CARRASCO-MARíN F.Adsorption of some substituted phenols onactivated carbons from a bituminous coal[J].Carbon, 1995, 33 (6) :845-851.

[3]刘振宇, 郑经堂.PAN基活性炭纤维研究及展望[J].化工进展, 1998, (1) :18-21. (LIU Zhen-yu, ZHENG Jing-tang.Research and prospect about the PAN based activated carbon fiber[J].Chemical Industry and EngineeringProgress, 1998, (1) :18-21.)