張紅彬，趙曉鹍，程子劍，夏亮，龔磊

(1.德梅斯特(上海)環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200120； 2.華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

0 引言

國家環(huán)保部門確認(rèn)，目前大氣中60%的粉塵污染物源于煤炭燃燒，火力燃煤發(fā)電廠是我國最大的煤炭用戶。隨著環(huán)保要求的日益提高，國家針對燃煤發(fā)電廠的超低排放不斷制定與提出相關(guān)政策。2011年開始實施的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，將煙塵排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)由原先的50 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2，下同)提高至30 mg/m3，重點地區(qū)提高至20 mg/m3。為了解讀和執(zhí)行新國標(biāo)，國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部和國家能源局在2014年9月聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》，計劃中指出，東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放質(zhì)量濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度分別不高于10，35，50 mg/m3)，中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，鼓勵西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。支持同步開展大氣污染物聯(lián)合協(xié)同脫除,減少SO3、汞、砷等污染物排放[1]。對于天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組提出煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)5 mg/m3，同時有些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)針對燃煤機(jī)組也提出粉塵排放要低于5 mg/m3?，F(xiàn)有的凈煙氣除塵技術(shù)，主要是濕式電除塵。限于其除塵機(jī)制，很難去除3.5 μm以下粒徑的粉塵，以及從安全性、經(jīng)濟(jì)性、二次污染等方面考慮，很難適應(yīng)現(xiàn)在的超低排放政策及綠色生產(chǎn)要求。

本文提出了一種針對微米級粉塵及漿液的治理路線，應(yīng)用冷凝相變原理對脫硫后飽和濕煙氣進(jìn)行冷卻降溫，冷凝產(chǎn)生的水汽以3.5 μm以下的顆粒物(粉塵、霧滴)為凝結(jié)核，凝并放大數(shù)十倍生成大液滴，再通過彎曲流道的離心力將液滴甩在波紋板上，并最終回落到漿液池中。冷凝相變技術(shù)通過將3.5 μm以下的顆粒物(粉塵、漿液)轉(zhuǎn)化為數(shù)百微米大液滴，再通過除霧裝置去除的方法，將3.5 μm以下粉塵及漿液的去除效率提升至90%以上，從而確保外排煙氣達(dá)到超低排放要求[2]。該技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有除塵、除霧技術(shù)，實現(xiàn)大范圍粒度顆粒物去除，有效去除微小粒度顆粒物，符合超低排放要求。

本文研究了冷凝濕膜離心除塵技術(shù)的原理，探討了不同工況下的微米級的粉塵及漿液去除效率，并對應(yīng)用該技術(shù)項目的節(jié)水性能進(jìn)行分析。

1 冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)

冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)借鑒了氣象中霧的形成原理，濕空氣遇冷形成過飽和，析出水汽與空氣中的塵凝結(jié)形成了“霧”[3]。濕法脫硫工藝中，高溫原煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔，經(jīng)過噴淋層洗滌脫硫降溫，形成飽和濕煙氣。飽和濕煙氣繼續(xù)經(jīng)過冷凝除塵器(如圖1所示)，冷凝除塵器為折流板結(jié)構(gòu)，內(nèi)通循環(huán)冷卻水，在對煙氣降溫的同時，本身又作為離心分離器使用。飽和濕煙氣降溫過程中產(chǎn)生大量的冷凝水汽，與煙氣中的微小液滴和粉塵結(jié)合凝聚形成大的液滴。冷卻后的煙氣繼續(xù)通過超精細(xì)分離器，從而去除含有細(xì)小粉塵及漿液的大液滴。

圖1 冷凝除霧除塵器示意

2 理論模型

2.1 粉塵構(gòu)成

根據(jù)國家環(huán)?？偩诸w粒物監(jiān)測要求和檢測方法，煙氣中的殘余煤灰粉塵、凈煙氣液滴中的難溶性固體、凈煙氣液滴中的可溶性固體(脫硫漿液成分)，一并納入粉塵監(jiān)測范圍[4]。

2.2 顆粒物分離工藝

首先，煤炭燃燒后產(chǎn)生大量灰分隨熱煙氣進(jìn)入煙道，目前原煙氣除塵主要應(yīng)用電除塵或者電袋復(fù)合除塵工藝。一般電除塵工藝除塵效率可達(dá)到99.9%以上，20.0 μm以上的粉塵100%被去除，殘余粉塵中，6.0～20.0 μm的占50%，6.0 μm以下占50%[5]。煙氣進(jìn)入吸收塔后，經(jīng)過噴淋層脫硫的同時，噴淋層及整個吸收塔也會對粉塵有一定的“洗塵”作用。研究及實際應(yīng)用表明，當(dāng)吸收塔噴淋層數(shù)、液氣比相同時，入口粉塵含量越大，洗塵效率越高。按現(xiàn)有的電除塵要求和脫硫液氣比設(shè)計，吸收塔噴淋洗塵率在60%～80%之間[6]。

如圖2所示，脫硫后的煙氣中除了粉塵，同時還攜帶大量漿液，這些顆粒物直徑均在10.0 μm以下，其中3.5～10.0 μm區(qū)間的占50%，3.5 μm以下的占50%。除塵除霧階段，脫硫后煙氣先進(jìn)入高效預(yù)分離器對其中的大液滴進(jìn)行去除，利用CFD軟件模擬4 m/s煙氣中顆粒物經(jīng)過預(yù)分離器的過程(如圖3所示)，煙氣中大于8.0 μm粒徑的顆粒物去除效率達(dá)90%，質(zhì)量濃度小于50 mg/m3。

煙氣經(jīng)過如圖4所示的冷凝器入口增效聚合裝置，再進(jìn)入如圖5所示的冷凝層充分換熱降溫，根據(jù)冷凝相變原理，析出水汽“捕捉”細(xì)微霧滴和粉塵，凝并放大形成大的液滴。根據(jù)各相應(yīng)工況設(shè)計，冷凝產(chǎn)生的凝并現(xiàn)象基本上可以將各粒度顆粒物粒徑放大數(shù)十倍，尤其對1.0 μm以下的微小顆粒物有更好的凝并效果。放大后的液滴經(jīng)過冷凝器自身離心脫除后，進(jìn)入超精細(xì)屋脊式分離器，如圖6所示的超精細(xì)分離器采用孔鉤特殊設(shè)計，高性能分離去除的同時，也避免了堵塞的風(fēng)險。

圖2 分離器入口粉塵粒徑分布及質(zhì)量濃度

圖3 預(yù)分離器折流板通道內(nèi)顆粒物運(yùn)動軌跡(4 m/s入口流速)

圖4 冷凝器入口增效聚合裝置顆粒物運(yùn)動軌跡(4 m/s入口流速)

圖5 冷凝器折流板通道內(nèi)顆粒物運(yùn)動軌跡(4 m/s入口流速)

利用CFD軟件模擬4 m/s煙氣中顆粒物在經(jīng)過超精細(xì)分離器的過程(如圖7所示)，得出對5.0 μm以上的液滴達(dá)到99.9%去除效率，對3.5 μm以上的(凝并后的粒徑)達(dá)到65%以上的去除效率。此時，凈煙氣中的總顆粒物含量可以控制在吸收塔入口的10%以內(nèi)，即通過單層冷凝濕膜離心除塵器，允許吸收塔入口粉塵質(zhì)量濃度50 mg/m3時，吸收塔出口煙氣總顆粒物質(zhì)量濃度小于5 mg/m3。當(dāng)吸收塔入口粉塵質(zhì)量濃度高時，適當(dāng)增加冷凝設(shè)計量及設(shè)備級數(shù)，可以匹配高入口粉塵工況。

圖6 超精細(xì)分離器折流板結(jié)構(gòu)示意

圖7 超精細(xì)分離器折流板通道內(nèi)顆粒物運(yùn)動軌跡(4 m/s入口流速)

3 實施應(yīng)用

華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司#2 600 MW機(jī)組煙氣脫硫超低排放改造工程，采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)及冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)，“一爐兩塔”配置，原有吸收塔作為一級塔，新建吸收塔作為二級塔，不設(shè)置煙氣再熱器和煙氣旁路。當(dāng)燃用設(shè)計煤種時，確保煙氣脫硫(FGD)裝置出口SO2質(zhì)量濃度和粉塵質(zhì)量濃度滿足當(dāng)前環(huán)保排放要求，在使用壽命內(nèi)FGD裝置出口SO2質(zhì)量濃度不大于35 mg/m3，粉塵質(zhì)量濃度不大于5 mg/m3。

#2機(jī)組于2016年10月完成超低排放改造，采用冷凝濕膜離心除塵技術(shù)，外排煙氣達(dá)到超低排放要求。該項目冷除設(shè)備安裝在二級塔內(nèi)，二級塔入口煙氣流量2 863 176 m3/h，入口煙溫55 ℃，二級塔蒸發(fā)量少，需要控制吸收塔補(bǔ)水量。應(yīng)用冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)，保證粉塵排放的同時，可以很好地控制除塵除霧器沖洗補(bǔ)水量。在該項目中，煙氣冷凝析出水量平均2.8 m3/h，吸收塔徑18.5 m，相當(dāng)于截面積水位250 mm/24 h，而在氣象學(xué)中，超過200 mm/24 h降水量為特大暴雨級別[7-8]。所以，整套除塵除霧一體化裝置相當(dāng)于被特大暴雨不斷淋濕，避免了長期不沖洗造成的堵塞風(fēng)險。2017年4月，#2機(jī)組臨時停機(jī)時，發(fā)現(xiàn)除塵除霧設(shè)備連續(xù)運(yùn)行7個月無任何堵塞現(xiàn)象(如圖8所示)，干凈如新，且經(jīng)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)檢測外排煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度(見表1)，在低中高3種負(fù)荷段下，外排煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度始終穩(wěn)定在2 mg/m3水平。

圖8 #2機(jī)組臨時停機(jī)查看除塵除霧設(shè)備照片

采樣方式采樣設(shè)備機(jī)組負(fù)荷/MW煙塵質(zhì)量濃度/(mg·m-3)FGD入口吸收塔出口等速嶗應(yīng)3012H50020.71.9等速嶗應(yīng)3012H45015.62.0等速嶗應(yīng)3012H31014.12.3

4 節(jié)能、節(jié)水分析

冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)的應(yīng)用是技術(shù)思維的轉(zhuǎn)變，其將怎么去除更小的顆粒物轉(zhuǎn)變?yōu)槿コ笠旱蔚乃悸罚淠龎m器與高效除霧器結(jié)合的應(yīng)用方式，施工簡單、初期投入少，而且避免了濕電等技術(shù)的高能耗和產(chǎn)生二次廢水的弊端。冷凝濕膜離心除塵除霧一體化裝置，分為塔內(nèi)冷除一體化設(shè)備和塔外循環(huán)水閉式冷卻站兩部分。其中，循環(huán)水冷卻站含用電設(shè)備，設(shè)有控制系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)組不同負(fù)荷、煤種、季節(jié)性，智能調(diào)節(jié)循環(huán)水量、溫度等參數(shù)，其能耗按機(jī)組劃分見表2。根據(jù)其冷凝相變原理，飽和濕煙氣中析出大量冷凝水，對設(shè)備本體起到連續(xù)不間斷的淋洗潤濕效果，可以大大減少設(shè)備的沖洗頻率，減少水耗。在保證安全運(yùn)行的情況下，不同機(jī)組補(bǔ)水量控制見表2。

另外，根據(jù)季節(jié)變化和負(fù)荷變化，循環(huán)系統(tǒng)可設(shè)定自動切換邏輯控制，提供節(jié)能狀態(tài)和性能最優(yōu)狀態(tài)的選擇。節(jié)能狀態(tài)是指，在性能保證的前提下，將循環(huán)系統(tǒng)水溫控制在高位，冷凝析出水量控制在低位，節(jié)省運(yùn)行能耗。此狀態(tài)一般在低負(fù)荷或者非夏季時使用。性能最優(yōu)狀態(tài)是指，盡可能全功率開啟冷卻循環(huán)系統(tǒng)，加大冷凝析出水量，時刻保證排放性能最低狀態(tài)。此狀態(tài)一般在高負(fù)荷或者夏季使用。

表2 不同機(jī)組冷凝濕膜除塵除霧技術(shù)電耗

5 結(jié)論

(1)冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)，其冷凝相變原理，對于微小粉塵霧滴有非常好的凝并效果，經(jīng)過冷凝放大，可以有效去除微米級的顆粒物。

(2)冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)適用不同負(fù)荷、煤種工況，可以實現(xiàn)全負(fù)荷粉塵排放達(dá)標(biāo)，尤其對于入口粉塵不作要求，根據(jù)具體情況可以按需求設(shè)計，改造量小，經(jīng)濟(jì)性高。冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)同時對SO3等污染物有去除作用，可以進(jìn)一步研究，實施應(yīng)用。

(3)冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)相較于其他技術(shù)，節(jié)能、節(jié)水性強(qiáng)。尤其是現(xiàn)在有吸收塔入口煙溫低的趨勢，水平衡難以調(diào)節(jié)。利用冷凝濕膜離心除塵除霧技術(shù)，可以精準(zhǔn)控制不同季節(jié)、工況下的吸收塔補(bǔ)水量，極易實現(xiàn)水平衡調(diào)節(jié)。