烟气雾滴捕集采样装置技术的研究及应用

宋跃平，马小军，郭力强

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

火电厂烟气湿法脱硫吸收塔在运行过程中，由于工艺所至易产生粒径为10～60 μm的雾滴，该雾滴中除水分外还溶有酸、硫酸盐、SO2等含有有害腐蚀物质的雾滴随烟气流动，造成锅炉尾部风机、热交换器及烟道和烟囱的结垢和腐蚀，直接影响安全稳定生产，并造成环境污染。因此，火电厂烟气湿法脱硫在工艺上对吸收塔提出除雾要求，同时，烟气中浆液滴含量的测定是评价燃煤电厂烟气湿法脱硫设备除雾器性能的一项重要指标。

在正常运行工况下，除雾器出口烟气中雾滴浓度要求低于75 mg/Nm3。目前测试雾滴浓度的方法主要采用的是《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》GB/T 21508—2008中镁离子示踪法，即在除雾器出口烟气道进行雾滴采样。烟气雾滴采样试验前需要在除雾器出口烟道采样断面按网格法进行烟气流速测定，经计算判定后再对烟气采样设备进行流量设定后，用固定流量对某个固定点位进行烟气雾滴采样。其原理是先用烟尘采样仪取样，烟气中的雾滴通过雾滴采样头采集到采样头冷凝罐冷凝在罐体内，取样后用双蒸水冲洗冷凝罐，定容后分析雾滴中的Mg2+浓度；同时分析浆液滤液中的Mg2+浓度，最后根据两个Mg2+浓度值计算雾滴浓度[1]。目前在除雾器性能试验时由于雾滴捕集过程中的诸多技术问题使雾滴捕集的结果与实际情况有较大差距，存在现场采样时间长，测量结果受测试烟道流场随时间变化影响大、准确性差导致数据偏差，雾滴捕集装置的玻璃采样瓶具有易破碎和长时间采样时管路中的烟气冷凝水回流到烟气雾滴捕集瓶中，造成采样失败等缺点。

为此，开发研究新型烟气雾滴捕集采样装置是解决以上问题的必然选择。围绕《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》GB/T 21508—2008开发研究了一种烟气雾滴捕集采样装置，以解决烟气雾滴采样中遇到的问题。

1 新型雾滴采样装置

1.1 雾滴采样捕集瓶

烟气雾滴捕集器示意图及结构图如图1和图2所示。

烟气雾滴捕集器原理为：含有雾滴的烟气以一定的流速通过一定尺寸的采样嘴进入烟气雾滴采样瓶的捕集瓶，大液滴被撞击分离捕集于烟气雾滴捕集瓶内，含湿烟气再经过螺旋形气水分离玻璃管进行第二级旋转离心分离液滴捕集，经旋转离心分离的二级液滴捕集后的烟气再进入缓冲瓶，降低烟气流速进一步对细小液滴进行捕集，烟气中的液滴通过撞击、离心、失速三级捕集后进入烟气出口，实现对烟气液滴的充分捕集。

图1 雾滴捕集器示意图

图2 雾滴捕集器结构示意图

1.2 雾滴采样嘴及防粘连涂层

新的烟气雾滴采样装置为了解决雾滴捕集采样瓶玻璃采样口径制作误差问题，在捕集瓶的采样口安装了可更换的不锈钢采样嘴，使烟气采气量更加精准，并可根据采样流量的需要更换不同口径的采样嘴来提高现场采样效率，缩短采样时间。为防止采样物粘连在不锈钢采样嘴内壁，特在采样嘴内壁喷涂特氟龙涂层，特氟龙防粘连涂层的脱水特性可使所采集的烟气雾滴完全进入雾滴捕集捕瓶中，以保证采样准确率。

1.3 防冷凝水回流帽和橡胶塞

为隔离和防止在长时间采样过程中，采样枪杆气路中冷凝水滴回流污染雾滴捕集样品。在雾滴捕集瓶的抽气口安装了防冷凝水回流帽和橡胶封堵塞，如图3所示。橡胶封堵塞同时可以起到固定连接雾滴捕集瓶的作用。

1.4 雾滴捕集瓶保护罩

烟气浆液滴含量测定试验需要将采样枪插入烟道内进行长时间采样，由于采样枪杆受烟气流动的影响极易来回摆动，玻璃采样捕集瓶在采样过程中稍不留意即被碰撞破碎，造成采样失败。为了避免玻璃采样瓶意外碰撞造成破损，增加试验现场工作量，特别设计了雾滴捕集瓶保护罩，以防止试验中恶劣环境对雾滴捕集瓶的碰撞和进出采样孔时造成的破坏。

图3 防护罩和橡胶封堵塞、防回流帽

1.5 专用采样枪杆

雾滴捕集采样枪杆可以制作也可以对已有旧采样枪管进行改造，以适应烟气雾滴捕集瓶安装要求。采样枪管局部结构示意图如图4所示。旧采样枪管改造方法为：将旧烟尘采样枪头部安装虑筒的采样头切短加装连接雾滴捕集瓶保护罩的螺口（11）；制作加装雾滴捕集瓶保护罩（10），注意使雾滴捕集瓶的采样口（4） 与采样枪皮托管（12）保持在同一水平位置，且雾滴捕集瓶的采样口进气方向平行于皮托管，以实现雾滴捕集采样过程中的动态平衡；准备橡胶固定封堵塞（8），注意应使橡胶固定封堵塞较紧密地封堵固定在采样枪的采样头内（11），在橡胶固定封堵塞中间打孔时应与雾滴捕集瓶的烟气抽气出口和防冷凝水回流帽连管紧密插接，以防采样气路的泄露，图中（13） 为采样枪管。

2 新型雾滴采样装置的应用

2.1 雾滴捕集采样方法

试验严格按照《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》GB/T 21508—2008中的烟气中浆液滴含量的测定中要求和《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》 GB/T 16157—1996、《固定源废气监测技术规范》HJ/T 397—2007中的规定执行。

图4 雾滴捕集采样枪管局部结构示意图

2.2 采样前的准备

雾滴前，在实验室中，用除盐水分别清洗玻璃雾滴捕集器的各部件，清洗完毕组合后，在105℃温度下干燥2 h，然后，待其完全冷却后放置在干燥器中待用；试验开始前，将玻璃雾滴捕集器放入洁净容器中运抵试验现场待用。

2.3 新型雾滴装置的安装连接

现场采样时首先进行雾滴采样装置的组合连接，顺序方法为：通过橡胶管采样软管连接采样枪和采样动力装置，依序安装防冷凝水回流帽、橡胶固定封堵塞，将雾滴捕集瓶从存放容器中取出固定在橡胶固定封堵塞上后扣上雾滴捕集瓶保护罩并旋紧，使雾滴采样装置处于待用状态。

2.4 采样器的准备

采样前，按工况、烟气量计算烟气采样量，并在大流量烟气采样器上设置相应的采样时间和采样嘴的尺寸，确定采样嘴的尺寸大小后使用适当长度的橡胶管将不锈钢采样嘴套接在雾滴捕集瓶的进气口。大流量烟气自动采样器可以自动测出试验场所大气压和烟道内的动压、静压、烟气温度、湿度、烟气流速，并根据采样嘴的尺寸大小，自动适时调整空气泵转速实现对烟气的跟踪等速采样。

2.5 采样

用网格法布置采样点，将采样枪管插入到烟道中，预热一定时间后，即可以开始进行动压平衡的烟气雾滴采样。采样完成后取下不锈钢采样嘴及橡胶套管，并将玻璃雾滴捕集器从雾滴采样枪管上取下，用封口软塞封口，密封玻璃雾滴捕集器的进出气口，用纯净水冲洗捕集器的外表面，用净棉纱擦干水渍，并尽快对玻璃雾滴捕集器称重，随后在105℃温度下干燥2 h后再次称重，2次称重之差即为所采集的液滴中液滴水的重量。采样的同时采取吸收塔内的浆液样，分析吸收塔浆液中的Mg2+质量浓度和浆液含固量，对液滴浓度进行修正。

2.6 浆液的采集和计算

分次采集脱硫吸收塔内的浆液样品，并计算脱硫吸收塔浆液中Mg2+的质量浓度和浆液含固量，计算公式如下。

a)液滴中水的浓度

式中：Cw——液滴中水的浓度，mg·m-3；

C01——采样后烟气雾滴采样瓶（一级捕集器）干燥后的重量；

C02——采样后锥状雾滴捕集冷凝瓶（二级捕集器） 干燥后的重量；

C11——采样后烟气雾滴采样瓶（一级捕集器）干燥前的重量；

C12——采样后锥状雾滴捕集冷凝瓶（二级捕集器） 干燥前的重量；

V——抽取的烟气体积(标态，干烟气，过剩空气系数为1.4)。

b)扣除烟道冷凝水滴后的水滴浓度

式中：Cmg1——采样后一、二级捕集器中液滴的镁离子质量浓度，mg/L；

Cmg2——吸收塔浆液的中液滴的镁离子质量浓度，mg/L。

c)液滴总浓度

式中：C——液滴总浓度，mg/m3(标态，干烟气，过剩空气系数为1.4)；

Cx——吸收塔浆液含固量，%[2]。

2.7 新型雾滴装置采样中的注意事项

a)所用仪器均经国家计量检定部门检定合格并在检定有效期内。b)安装过程中所有软管和插接部分需严密牢固以保证采样系统密封效果良好和采样过程中不脱落。c)试验期间禁止除雾器冲洗，采样前雾滴采样器进行充分烟气预热。d)采样时采样嘴与烟气流向保持平行，等速采样。e)采样完毕后平稳抽出采样枪管取下保护罩和连接胶管、采样头。f)密封雾滴采样器的进出气孔，防止雾滴水份蒸发，用除盐水冲洗雾滴采样器表面并在最短时间进行称重。g)在整个安装摘取采样吸收瓶的过程中应保持清洁操作以防污染采样样品。h)送样过程采取保护措施防止雾滴采样器破碎。i)采样中雾滴的増量应在 1 mg/m3以上[1]。

2.8 应用案列

采用该项目研制的烟气中雾滴捕集装置在山西某电厂除雾器出口烟道处进行雾滴捕集采样，验证项目研制烟气中雾滴捕集装置的雾滴捕集采样状况并计算烟气中的雾滴含量。

2.8.1 测试位置和项目

测试位置为除雾器出口烟道处。

测试项目包括环境、烟气、样品三部分。

环境：大气压，hPa；温度，℃。

烟气：温度，℃；湿度，%；流速，m·s-1；动压、静压，mmHg；采样量，L·min-1；采样时间，min；含氧量，%。

样品：雾滴的重量，mg；烟气中液滴总浓度，mg·m-3；吸收塔浆液，L；吸收塔浆液含固浓度，Cx/%；液滴中水浓度，mg·m-3；捕集器液滴Mg2﹢浓度，mg·L-1；吸收塔浆液 Mg2﹢浓度，mg·L-1。

2.8.2 烟气中将液滴含量采样状况及测试结果

新的烟气雾滴捕集装置和方法在山西某电厂除雾器出口烟道处的雾滴捕集采样状况和结果如表1所示。

表1 某电厂除雾器出口烟道处的雾滴捕集采样状况

可以看出新的烟气雾滴捕集装置完全满足《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》GB/T 21508—2008中的烟气中浆液滴含量的测定要求。

3 总结

通过现场使用认为，此种烟气雾滴捕集采样器和改造后的雾滴采样装置，在除雾器的雾滴捕集采样试验中可以完成烟气中雾滴捕集采样工作，符合《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》GB/T 21508—2008中的烟气中浆液滴含量的测定要求。当使用项目研发的烟气雾滴捕集采样装置时，雾滴捕集采样状况良好，采样试验过程相对简单方便，由于采用自动平衡烟气采样仪和精准口径的采样嘴，采样过程中烟气流量的采集更加真实可信，对采样嘴方向和烟道内烟气流场的状况更易于控制把握，综合而言，此种烟气雾滴捕集采样器和改造后的雾滴采样装置能较好满足除雾器的雾滴捕集采样试验，减少试验环节，提高试验数据的准确性，减轻试验工作量，缩短采样时间。该装置简单易用，具备良好的使用、推广价值。