近年来，脱硫废水零排放逐渐成为燃煤电厂环保工作的重点之一。由于脱硫废水处于全厂水系统梯级利用的末端，水质复杂、处理难度大，是主要的环保隐患。膜浓缩、蒸发结晶[1]、低温烟气余热浓缩[2]、高温旁路烟气干燥塔[3]等各种针对脱硫废水零排放的工艺相继出现并实现了工程应用，为脱硫废水的有效处理提供了技术支撑。其中，高温旁路烟气干燥塔技术由于工艺设备简单、投资成本低、对主烟道系统影响小和自动化程度高等优点受到了大量关注，从三十万千瓦级[4]至百万千瓦级[5]燃煤机组上均已得到了应用。

干燥塔最早应用于奶粉和药品的干燥，处理规模较小，若简单复制放大应用于燃煤电厂废水零排放，很可能出现干燥塔粘壁问题。目前，业内研究方向主要集中在高温旁路烟气干燥塔的数值模拟[6]、技术可行性分析、经济性分析等方面，对运行过程中常遇到的粘壁问题鲜有系统性地分析研究。本文以干燥塔粘壁问题为导向，基于某三十万机组高温旁路烟气干燥塔运行经验，从设计、设备、运行等三方面着手，分析高温旁路烟气干燥塔粘壁原因，并提出了排查方法和解决措施。

1、技术原理

高温旁路烟气干燥塔技术的原理是抽取脱硝出口的高温烟气去直接加热蒸发高速离心雾化后的脱硫废水，工艺流程见图1。废水经高温烟气干燥后，水分进入烟气中，结晶盐与飞灰一起经仓泵输灰进入电除尘飞灰系统，降温后的烟气返回空预器出口主烟道。高温旁路烟气干燥塔系统主要由烟气系统、喷雾干燥塔、废水输送系统和仓泵系统组成，其核心部件是干燥塔内的烟气分配器和离心雾化器。

由于脱硝出口高温烟气中的含灰量较大，当离心雾化器喷出的废水雾滴在没有达到表面干燥以前就和干燥塔塔壁碰撞，便会造成半湿灰粘壁，粘壁湿灰愈积愈厚，达到一定厚度便以块/片状自由脱落，造成塔底仓泵堵灰。

图1高温旁路烟气干燥塔工艺流程简图

2、粘壁原因分析

2.1设计原因

2.1.1干燥塔热量衡算复核

当锅炉煤种变化热值降低或机组处于较低负荷运行时，干燥塔进口烟温低于设计值，此时需基于实际运行的干燥塔进口烟温和烟气量核算现有烟气热量能否满足废水蒸发需要：

2.1.1. 1计算废水蒸发所需热量

式中：Qvap为废水蒸发所需热量，k J/h;Wvap为废水蒸发量，kg/h;cp为废水的比热容，J/(kg·℃)；ΔT1为废水的初始温度与沸点的温差，℃；r为废水的汽化潜热，J/kg;cv为水蒸气的比热容，J/(kg·℃)；ΔT2为水蒸气的沸点与最终温度的温差，℃。

2.1.1. 2计算烟气单位体积焓值

式中：HT为烟气在T温度下的单位体积焓值，k J/Nm3;V%CO2、V%N2、V%H 2O、V%O2为烟气中CO2、N2、H2O、O2组分的体积分数，%；为烟气中CO2、N2、H2O、O2组分在T温度下的单位体积焓值，k J/Nm3。

2.1.1. 3对干燥塔热量衡算，核算烟温和烟气量

式中：Vgas为烟气体积流量，Nm3/h;HT1为干燥塔烟气在T1温度下的单位体积焓值，k J/Nm3;HT2为干燥塔烟气在T2温度下的单位体积焓值，k J/Nm3;Qvap为废水蒸发所需热量，k J/h;Qash为仓泵输灰带走热量，k J/h;Qloss为干燥塔散热，k J/h;al为干燥塔表面对周围空气的传热系数，k J/(m2·℃·h);S为干燥塔散热面积，m2；ΔTl为干燥塔外表面温度与环境温度之差，℃；tw为干燥塔外表面温度，℃。

2.1.2干燥塔塔径和塔高设计复核

可采用以下方法对塔径和塔高进行设计复核：

2.1.2. 1按雾距[6]计算塔径

式中：D为干燥塔直径，m;(R99)0.99为雾滴的雾距，m;d为雾化盘直径，m;Wvap为废水蒸发量，kg/h;n为雾化盘转速，r/min。

2.1.2. 2按蒸发强度法[8]计算塔高

式中：V为干燥塔体积，m3;D为干燥塔直径，m;H为干燥塔直筒段高度，m;h为干燥塔椎体高度，m;Wvap为废水蒸发量，kg/h;qA为干燥强度，kg/(m3·h);a为废水系数，取1.37;T1为干燥塔进口烟气温度，℃；T2为干燥塔进口烟气温度，℃。

在计算雾距时未考虑热烟气的影响，在实际干燥环境中，雾滴在喷出后因水分迅速蒸发而使雾滴粒径变小，飞行距离也会减小，实际雾距比计算雾距值小。

2.1.3烟气分配器设计复核

烟气分配器是干燥塔核心部件，高速离心雾化器配套的烟气分配器采用蜗壳式结构，设有内、外导风通道及导风叶片。如果结构不合理，热烟气流速低、分风不均、极易引起干燥塔粘壁或粘顶现象。

干燥塔内水分蒸发速率随着雾滴与热烟气的相对速度增加而增加，气流速度越大，雷诺数越大，对流强度越强，雾滴蒸发速率越快。若干燥塔烟气分配器出口流速太低，气液两相接触不合理，干燥强度将会下降，热烟气无法瞬间干燥雾滴，导致干燥塔粘壁和积灰。尤其是在低负荷工况下，应注意烟气分配器出口的流速范围，一般控制在15～22 m/s。

对于高速离心雾化器，热烟气在烟气分配器中做不强烈的旋转进入干燥塔中，可减少气流与雾滴相碰撞而产生的扰动，从而减少物料粘壁。通过调整通道大小(阻力)来调节内、外导风通道风量分配比例和流速，一般内、外导风风量比例为1∶1.5～1∶2，流速偏差控制在15%以内；通过调整导风叶片角度，来调节热风旋转强弱，保持速度的法向分量在80%～90%之间。

2.2设备原因

2.2.1离心雾化器故障

2.2.1. 1离心雾化器雾化效果差

基于某三十万机组干燥塔实际运行工况，分别在雾化粒径50μm和150μm情况下对干燥塔进行CFD模拟。根据模拟结果(表1)，雾滴粒径越大，雾滴越容易穿过热烟气飞向塔壁，说明离心雾化器雾化效果差可能引起干燥塔粘壁。

表1干燥塔CFD模拟结果

Tab.1 CFD simulation results of the drying tower

当废水量变化不大时，离心雾化器电流波动异常，离心雾化器可能存在雾化盘顶部间隙磨损、导向轴承磨损、喷嘴和料液分布器磨损、喷嘴和料液分布器结垢堵塞等机械故障，雾化效果变差，存在干燥塔粘壁风险。

2.2.1. 2离心雾化器漏油

离心雾化器漏油可能引起干燥塔积灰及仓泵输灰管道堵灰。离心雾化器漏油的原因主要有：一是油泵故障或输油管路堵塞导致下油箱溢出；二是离心雾化器雾化状的润滑油被干燥塔负压吸出。前者离心雾化器漏油量较大，会在短时间内导致仓泵堵灰；后者离心雾化器漏油量较小，变黏稠的飞灰黏附在输灰管道内壁，长时间运行后输灰管道堵灰。

为了防止油泵故障或输油管路堵塞导致下油箱溢出，油泵1用1备配置，可实现在线切换；油泵出口设置压力变送器，用于监测雾化器油位情况，油泵出口压力异常时立即故障报警，停运干燥塔废水输送泵。

为了防止离心雾化器雾化状的润滑油被干燥塔负压吸出，设置压缩空气密封装置及迷宫密封装置。通过配备压缩空气入口的压缩空气过滤减压装置进行调节，控制进入离心雾化器内部压缩空气在0.25～0.3 MPa内，压缩空气在雾化器内部形成一个微正压的环境，避免润滑油雾飘逸至干燥塔内部。

2.2.2仓泵输灰不畅

影响仓泵输灰不畅的因素主要有：

(1)物料的物理化学特性，包括粒径分布、含水率、温度、吸湿性、流动性等。

(2)输送条件，包括输送量、气源压力、灰气比、输送起点和终点情况、输送距离、管路布置等。

(3)干燥塔仓泵与电除尘一电场仓泵输灰逻辑衔接不佳。

建议措施：

(1)在启动干燥塔前投运仓泵系统，在停运干燥塔系统后，延迟一定时间再停运仓泵系统，尽可能避免在干燥塔锥体堆积飞灰。

(2)仓泵输灰、流化和背压三路气源流量应合理分配。控制仓泵进料量，保证仓泵内飞灰的充分流化。

(3)干燥塔底灰通过仓泵送至电除尘一电场粗灰管，可与电除尘一电场仓泵同步输灰或作为电除尘一电场其中一个仓泵序列，干燥塔仓泵气源应避免与电除尘一电场输灰气源抢气。

2.3运行控制原因

2.3.1干燥塔出口烟气温度控制过低

喷入干燥塔的废水在热烟气的作用下经历了恒速干燥和降速干燥过程，干燥塔出口烟气温度控制越高，与物料表面温度差越大，干燥速率越大。当干燥塔出口烟气温度控制过低时，废水蒸发不完全导致湿灰和干燥塔粘壁。

为降低干燥塔底灰含水率，保障仓泵输灰系统稳定运行，可适当提高干燥塔出口烟气控制温度。

2.3.2干燥塔出口烟气温度自动控制缺陷

干燥塔废水投自动时，喷入干燥塔的废水量根据干燥塔出口烟温变化自动调节，保持烟温在某个设定值。当遇到较大的机组负荷波动时，可能存在烟气过量导致干燥塔出口烟温大幅升高，根据干燥塔出口烟温PID控制机制，废水量随调节阀开度迅速增大而过喷，废水蒸发不完全导致粘壁。

为实现烟气-废水量的良好匹配，建议设置机组负荷与最大处理水量的拟合函数f(x)，优化干燥塔出口烟温自动调节逻辑[9]。定义Ax%为x%机组负荷下对应的干燥塔废水供给泵出口回流调节电动阀的开度下限，根据机组负荷，拟合“机组负荷-回流调节电动阀开度下限Ax%”的函数f(x)，实现开度下限Ax%随机组负荷自动调整。

3、旁路烟气干燥塔粘壁案例分析

3.1粘壁原因排查方法

图2干燥塔粘壁原因排查方法

干燥塔运行过程粘壁原因排查方法见图2。由于干燥塔清灰、仓泵管路疏通工作较为繁琐，该排查方法采用控制单变量试验原则，按粘壁风险从小到大的顺序逐一排查原因，可避免不必要的清灰工作。

3.2粘壁原因排查案例分析

某三十万机组设置了一台废水蒸发量为5 m3/h的旁路烟气干燥塔，设计和实际运行参数如表2所示。投运后陆续出现干燥塔粘壁、仓泵堵灰等问题。根据图2方法进行干燥塔粘壁原因排查试验。

表2某三十万机组干燥塔参数表

Tab.2 Parameter table for a 300,000-unit drying tower.

3.2.1 STEP1

根据公式(1)～(5)，进行干燥塔热量衡算，计算得废水蒸发所需热量Qvap为13451 k J/h、进口烟气焓值H305为426.91k J/Nm3、出口烟气焓值H155为211.66 kJ/Nm3、干燥塔烟气量Vgas为63799 Nm3/h，实际烟气量65000 Nm3/h大于理论烟气量，干燥塔热量衡算满足要求。

根据公式(6)～(9)，对塔径和塔高的设计复核，计算雾距(R99)0.99为4.05 m、干燥塔塔径D为8.1 m，实际塔径8.3 m满足要求；计算干燥强度qA为6.57 kg/(m3·h)、干燥塔体积V为761 m3、干燥塔直筒段高H为11.7 m，实际塔高12 m满足要求。

查阅烟气分配器设计图纸，内、外导风通道出口截面积为0.79 m2和1.63 m2，内、外导风叶片角度为45°和0°。设计烟气量条件下，烟气分配器出口截面平均流速为14.9 m/s，相对偏低。通过CFD数值模拟对烟气分配器内、外导风通道出口流速进行复核，发现其内、外导风通道出口流速为10.13 m/s、19.66 m/s(法向分速度8.83 m/s、12.84 m/s)，内、外导风通道出口法向流速整体偏低，外导风带强烈旋转，内导风带少量旋转，且内导风流速明显低于外导风流速。由此判断干燥塔粘壁的可能原因为烟气分配器设计流速过低，导风旋转过度。

3.2.2 STEP2

投运仓泵，投运烟气，烟气流量逐渐增大至设计值，不投运废水。试验期间仓泵输灰正常，排除仓泵系统问题。

3.2.3 STEP3

投运仓泵，投运设计烟气量，投运废水，干燥塔出口烟温控制在180℃。试验期间仓泵输灰正常，排除雾化器问题。

3.2.4 STEP4

投运仓泵，投运设计烟气量，投运废水，干燥塔出口烟温控制从180℃逐步降至设计值。试验期间，当出口烟温控制在170℃时，热风分配器内外导风通道及雾化器粘灰；当出口烟温控制在160℃时，塔壁、塔底锥斗均出现粘灰。由此判断干燥塔粘壁的主要原因为烟气分配器设计问题，与STEP1分析一致。

表3干燥塔运行情况

3.3解决措施

通过缩小热风分配器内、外导风通道截面以及调整外导风通道叶片角度的改造，提高内、外导风通道出口流速至19.36 m/s、23.85 m/s(法向分速度14.06 m/s、20.70 m/s)，改善了烟气分配均匀性，有效提高了干燥强度。烟气分配器改造后再次按图2方法进行干燥塔粘壁原因排查试验，分别测试了出口烟温控制在175℃、165℃、155℃三种工况，每个工况持续三天，均未出现粘壁现象，干燥塔粘壁问题得到了解决。

4、结语

燃煤电厂脱硫废水旁路烟气干燥塔粘壁产生的原因复杂繁多，本文结合实际工程经验，从设计、设备、运行等方面系统性地分析了旁路烟气干燥塔粘壁原因及建议措施，重点探讨了干燥塔烟气量、塔径、塔高、烟气分配器流速等参数的计算方法和控制范围，并提出了一种基于单变量控制原则的粘壁风险从小到大的粘壁原因排查方法，供燃煤电厂脱硫废水旁路烟气干燥塔相关调试和运行人员参考。

参考文献:

[1]刘海洋,江澄宇,谷小兵,等.燃煤电厂湿法脱硫废水零排放处理技术进展[J].环境工程,2016,34(4):33-36.

[2]廖述新,朱文瑜,唐复全,等.低温烟气余热蒸发脱硫废水工艺研究及工程应用[J].洁净煤技术,2021,27(06):200-206.

[3]袁伟中,刘春红,童小忠,等.燃煤锅炉采用烟气旁路干燥技术实现脱硫废水零排放[J].电力科技与环保,2017,33(3):18-21.

[4]张山山,吴巧玲,姬海宏,等.330MW燃煤机组脱硫废水旁路蒸发技术的应用评价[J].工业水处理,2021,41(10):150-153.

[5]金宏伟,陈彪,杨景焜,等.电厂脱硫废水蒸发处理技术的数值模拟研究[J].能源工程,2020(05):65-70.

[6]陈日新,葛仕福,周彩玲,等.脱硫废水喷雾塔粘壁和颗粒干燥特性分析及优化[J].热力发电,2021,50(11):151-157.

[7]潘永康,王喜忠,刘相东.喷雾干燥实用技术大全[M].北京:化学工业出版社,2007:253.

[8]王喜忠,于才渊,周才君.喷雾干燥(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2003:233.

[9]王先董,张威,潘超群,等.燃煤电厂旁路烟气废水蒸发系统控制优化[J].广东化工,2022,49(1):59-61.

文章来源:张威.燃煤电厂脱硫废水旁路烟气干燥塔粘壁原因分析[J].广东化工,2024,51(14):109-112.