劉 偉，孔 偉，蔣 紅，程常杰，楊志國，黃榮廷，張 瑞，楊林軍*

(1.新疆天富集團有限責任公司，新疆 石河子 832000；2.新疆天富環(huán)?？萍加邢薰?，新疆 石河子 832000；3.杭州蘊澤環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000；4.能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室(東南大學)，江蘇 南京 210096)

1 引言

隨著燃煤電廠超低排放改造的全面實施，我國大氣環(huán)境問題得到不斷改善。然而，由于我國以煤炭為主的能源格局短期內將不會發(fā)生明顯改變[1]，仍有大量顆粒物、SO2、SO3酸霧、NOx等持續(xù)排放至大氣環(huán)境[2]。細顆粒物的排放，仍會導致霧霾現(xiàn)象的間歇性出現(xiàn)，特別是對于高能耗企業(yè)集中的區(qū)域，火力發(fā)電廠仍是區(qū)域大氣環(huán)境中細顆粒物的重要來源之一[3-4]。SO3的危害比SO2大10倍，是形成藍煙的主要原因[5-6]。SO3硫酸霧排入大氣中形成二次顆粒硫酸鹽，也是大氣環(huán)境中二次細顆粒物的主要來源之一[6]。此外，近年來可凝結顆粒物的排放也受到人們日益關注，可凝結顆粒物在煙氣中以氣態(tài)存在，排放至大氣后，隨著溫度降低，可轉化為液態(tài)或固態(tài)，形成污染環(huán)境的細顆粒物，或作為二次細顆粒物的前驅物，促進大氣環(huán)境中細顆粒物濃度的增加[7-8]。因此，積極探尋可深度脫除燃煤煙氣多污染物的措施仍具有重要意義。目前國內外普遍采用濕法脫硫系統(tǒng)(WFGD)脫除SO2，但對小粒徑細顆粒物以及SO3硫酸霧脫除效果不理想，且水耗量大[9]。對于我國西部、北部地區(qū)，水資源將是制約火力發(fā)電發(fā)展的一個重要的因素。

新疆石河子高能耗企業(yè)較多，冬天霧霾比較嚴重，大氣能見度較低。由于冬天環(huán)境溫度較低，在-(10～20)℃左右，經(jīng)WFGD后的濕煙氣排放到大氣環(huán)境后，其中的水蒸氣迅速凝結成小液滴，在光的折射、散射作用下，呈現(xiàn)濕煙羽[10-11]。國內外現(xiàn)有消白技術主要包括煙氣加熱、冷凝復熱、旋流除濕、溶液除濕、膜法除濕等，但大多因能耗較大、效果有限、技術不成熟等原因，尚未出現(xiàn)可有效治理燃煤電廠濕煙氣白色煙羽的處理工藝[12-14]。

本文利用新疆石河子地區(qū)冬季環(huán)境溫度低易得冷源的自然優(yōu)勢，在脫硫塔除霧器上方建立兩級冷凝循環(huán)系統(tǒng)，對濕法脫硫后的煙氣進行兩級深度冷凝(一級冷凝溫度約3～5℃，二級冷凝溫度約10～20℃)。通過對脫硫凈煙氣溫度的降低來建立過飽和水汽環(huán)境，從而達到對細顆粒物和SO3硫酸等多污染物協(xié)同脫除的效果[15]。測試分析了深度冷凝裝置對脫硫濕煙氣中可過濾顆粒物(Filterable particulate matter, FPM)、可凝結顆粒物(Condensable particulate matter,CPM)、PM10以及SO3硫酸等多污染物的協(xié)同脫除性能。

2 研究方法

2.1 測試機組與冷凝凝并裝置

新疆某熱電廠機組裝機容量為330MW，WFGD進口處煙氣量為120萬m3/h，煙氣溫度約為120℃。在WFGD系統(tǒng)除霧器上方建立上下兩級相對獨立的冷凝凝并循環(huán)系統(tǒng)，可對WFGD后的煙氣進行兩級深度冷凝；下級冷凝裝置包括積液盤、噴淋層、除霧器和外循環(huán)箱，上級冷凝裝置包括積液盤、噴淋層(或翅片管換熱層)、除霧器和外循環(huán)箱，兩級冷凝系統(tǒng)獨立運行，如圖1所示。安裝冷凝循環(huán)裝置對系統(tǒng)造成的壓降約為110Pa。在一級冷凝系統(tǒng)中，采用空冷機組為循環(huán)噴淋液提供冷源，對煙氣冷凝降溫3～5℃，一級冷凝循環(huán)液中通過添加少量石灰石漿液或石灰漿液控制pH值，對脫硫凈煙氣中的污染物進行脫除；在二級冷凝系統(tǒng)中，采用自然通風冷卻塔為系統(tǒng)提供冷源，使煙氣降溫10～20℃，二級冷凝水處理后回用，二級冷凝換熱介質為工藝水。為保證二級冷凝水水質，防止一級冷凝中含有大量溶解性鹽和顆粒物的霧滴進入二級冷凝，在一級冷凝和二級冷凝之間的除霧器采用旋風筒除霧器及高效金屬翅片除霧器。冬季開啟兩段冷凝情況下，一臺330MW機組配套的冷凝凝并裝置收水量可達到100～110t/h，其中二段冷凝收水量約70～80t/h。

2.2 測點布置與采樣方法

分別在濕法脫硫進口、脫硫噴淋層后及二段冷凝凝并裝置出口設置測點，對煙氣中可過濾顆粒物、可凝結顆粒物、SO3及PM10的排放濃度進行采樣分析。FPM與CPM的測試采用美國EPA的Method 202方法，其采樣裝置示意如圖2所示，采用青島嶗山電子生產(chǎn)WJ-60B型全自動煙塵采樣儀搭配加熱采樣槍，過濾收集煙氣中FPM；隨后煙氣進入CPM采樣組件，在冷凝器降溫至30℃以下，形成的可凝結顆粒物被收集在冷凝器、干沖擊瓶及CPM過濾器中[16]。

圖1 加裝兩級冷凝凝并裝置的濕法脫硫系統(tǒng)

圖2 FPM/CPM采樣示意

采樣結束后，將FPM濾膜烘干稱重。依次采用超純水、丙酮、正己烷沖洗冷凝器，收集沖洗液；其余CPM采樣組件連接高純氮氣，以14L/min流量吹掃1h后，以超純水、丙酮、正己烷沖洗，收集沖洗液與冷凝器沖洗液合并，經(jīng)室溫蒸發(fā)干燥后稱量剩余固體質量，結合采樣煙氣量，可得煙氣中FPM和CPM濃度。

圖3 SO3酸霧采樣系統(tǒng)流程

煙氣中的PM10濃度采用芬蘭DEKATI公司生產(chǎn)的電稱低壓沖擊器(ELPI+)在線測量，煙氣經(jīng)旋風分離器去除粒徑>10μm的顆粒，經(jīng)稀釋冷凝后進入ELPI+，可實時獲取煙氣中PM10的濃度及其粒徑分布。

3 結果與分析

3.1 煙氣冷凝凝并裝置深度脫除可過濾顆粒物的性能

煙氣冷凝凝并裝置在降低煙氣溫度的同時，也會增強除霧器對煙氣中顆粒物的脫除效率。在濕法脫硫設備入口、脫硫噴淋層后及二級煙氣冷凝凝并裝置出口處分別對煙氣中可過濾顆粒物進行采集測試，考察濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中可過濾顆粒物的脫除效率以及煙氣冷凝系統(tǒng)對可過濾顆粒物脫除性能的增強效果，結果如表1、表2所示。

表1 不同測點處可過濾顆粒物濃度

表2 不同設備可過濾顆粒物脫除效率

從表1、表2可以看出，煙氣依次通過濕法脫硫系統(tǒng)和冷凝凝并裝置，其可過濾顆粒物濃度分別約為29.3、18.2、7.3mg/m3，其中濕法脫硫系統(tǒng)對可過濾顆粒物的脫除效率約為38%，而二級冷凝凝并裝置對煙氣中可過濾顆粒物的脫除效率可達61%，綜合濕法脫硫與二級冷凝裝置，其對可過濾顆粒物的綜合脫除效率高達75%，比單獨濕法脫硫系統(tǒng)其效率提高了約37%。這表明應用煙氣冷凝凝并裝置可有效提高煙氣中可過濾顆粒物的脫除效率，降低顆粒物排放濃度，其原因是濕法脫硫之后，脫硫凈煙氣一般處于飽和狀態(tài)，經(jīng)冷凝凝并裝置降溫后，由于溫度降低，飽和水汽分壓不變，而實際水汽分壓增加，可建立過飽和水汽環(huán)境[18]。由于過飽和狀態(tài)是一種非穩(wěn)態(tài)相，水汽會以顆粒物為凝結核在其表面發(fā)生非均相凝結，形成含塵液滴，進而增大其粒徑與質量，促進除霧器對其的慣性捕集[19]。

此外，由于兩段冷凝凝并裝置中溫差較大，熱泳力及擴散泳力作用明顯，未被核化的細顆粒物或含塵液滴可在熱泳力、擴散泳力作用下，向冷凝換熱壁面運動沉積，被冷壁面冷凝液膜捕集，進一步促進細顆粒物的脫除[20]。

3.2 煙氣冷凝凝并裝置深度脫除PM10的性能

利用ELPI+在線測試了脫硫入口處以及二級冷凝凝并裝置出口煙氣中PM10濃度，結果如圖4所示。可見，脫硫系統(tǒng)進口煙氣中PM10平均數(shù)量濃度和質量濃度分別約為1.2×107個/cm3、27.6mg/m3；而在冷凝凝并裝置出口，煙氣中PM10濃度僅為約1.1×106個/cm3、4.1mg/m3；這表明煙氣冷凝凝并裝置耦合濕法脫硫可對煙氣中PM10具有較好的脫除效果，其中數(shù)量濃度脫除效率達到70%～98%，質量濃度脫除效率為66%～88%，平均脫除效率分別約為91%和85%。

此外，測試結果還表明，煙氣冷凝凝并裝置耦合濕法脫硫可對PM2.5的數(shù)量平均脫除效率約為86%，質量平均脫除效率約為73%；對PM1數(shù)量脫除效率約為45%，質量平均脫除效率約為37%。對比可過濾顆粒物以及PM10的脫除效率，可知煙氣冷凝凝并裝置對煙氣中PM10有更好的脫除促進效果。特別是針對0.1～1μm區(qū)間內的細顆粒物，該粒徑范圍內細顆粒物數(shù)量占比較高，且慣性力與擴散力作用不明顯，存在一個穿透區(qū)間[21]。當應用二級冷凝凝并裝置后，部分0.1～1μm區(qū)間內的細顆粒物可在過飽和水汽環(huán)境中通過水汽的非均相凝結長大為含塵液滴，促使粒徑增加，甚至離開0.1～1μm的穿透區(qū)間，慣性作用力更加明顯，更易被后續(xù)除霧系統(tǒng)等裝置脫除。

圖4 系統(tǒng)前后PM10濃度變化

如圖5、圖6所示，分別給出脫硫進口以及二級冷凝出口煙氣中PM10的粒徑分布，對比可知，經(jīng)過脫硫洗滌以及二級冷凝脫除，煙氣中PM10的平均粒徑降低，粗粒徑段顆粒物減少，從數(shù)量濃度看，粒徑為0.1～1.0μm的顆粒物被大量脫除，其峰值粒徑從>0.1μm降低至<0.03μm，實現(xiàn)了對亞微米級顆粒物的有效控制，同時也可以看出，脫硫洗滌和二級冷凝脫除對粒徑小于0.1μm的超細顆粒物也有一定的脫除作用，這主要是由于熱泳力、擴散泳力增強，促進該粒徑范圍內細顆粒物向冷凝壁面運動沉積所致[22]。

圖5 脫硫進口煙氣中PM10粒徑分布

圖6 二級冷凝出口煙氣中PM10粒徑分布

3.3 煙氣冷凝凝并裝置深度脫除可凝結顆粒物的性能

在不同測點處分別對煙氣中可凝結顆粒物的濃度進行采樣測試，并計算相應的脫除效率，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，脫硫入口處CPM濃度約為66.3mg/m3，經(jīng)過脫硫洗滌與除霧作用后，煙氣中CPM濃度下降約48%。隨后煙氣進入兩級冷凝凝并裝置，經(jīng)凝并、洗滌作用后，煙氣中CPM濃度出現(xiàn)大幅下降，下降率達70%左右，冷凝凝并裝置出口CPM濃度僅約為9.9mg/m3。測試發(fā)現(xiàn)，當在濕法脫硫系統(tǒng)后加裝兩級冷凝凝并裝置，可使煙氣中CPM的脫除效率從原有的48%提升至84%，可有效降低CPM的排放。分析其原因是，高溫煙氣中CPM以氣態(tài)形式存在，難以被噴淋洗滌以及除霧等形式脫除；而在冷凝凝并裝置中，煙氣溫度有較大幅度的下降，導致大量氣態(tài)污染物冷凝形成CPM，并在熱泳力、擴散泳力作用下運動沉積或碰撞，形成具有更大粒徑的顆粒物，進而在噴淋洗滌、除霧攔截等作用下脫除。

圖7 各測點煙氣中可凝結顆粒物濃度及脫除效率

3.4 煙氣冷凝凝并裝置深度脫除SO3的性能

在脫硫塔入口及二級冷凝凝并裝置出口處分別采集煙氣中SO3濃度，其結果如圖8所示。

圖8 不同測點處煙氣中SO3濃度

由圖8可以看出，脫硫入口煙氣中SO3平均濃度約為2.7mg/m3，而二級冷凝凝并裝置之后煙氣中SO3平均濃度僅為0.23mg/m3。這表明濕法脫硫耦合兩級冷凝凝并裝置對煙氣中SO3具有較好的脫除效率，平均脫除效率約為91.5%。這是因為煙氣在濕法脫硫系統(tǒng)以及冷凝凝并裝置中大幅降溫，溫度遠低于酸露點，可確保所有SO3冷凝形成硫酸霧滴，進而在與噴淋漿液滴接觸時被捕集脫除。此外，形成的SO3酸霧霧滴雖然粒徑較小，但由于其可溶解的性質，使其液滴的臨界過飽和度較小，更易于在冷凝凝并裝置中建立的過飽和水汽環(huán)境下凝結長大為大液滴，慣性力作用效果增強，有利于除霧器的進一步脫除。

4 結語

利用在線測試與采樣測試相結合的方法，對新疆某電廠濕法脫硫后冷凝凝并裝置對煙氣中多污染物深度脫除性能開展測試分析，分別考察了冷凝凝并裝置對煙氣中可過濾顆粒物、可凝結顆粒物、PM10、SO3等污染組分的增強脫除效果，結論如下：

(1)綜合濕法脫硫與二級冷凝凝并裝置對可過濾顆粒物脫除效率約為75%，比單獨濕法脫硫洗滌的脫除效率提高了37%。

(2)濕法脫硫耦合冷凝凝并裝置對煙氣中PM10具有較好的脫除效果，平均脫除效率達到91%(數(shù)量濃度)、85%(質量濃度)，脫除顆粒物主粒徑要位于0.1～1.0μm粒徑段。

(3)濕法脫硫耦合冷凝凝并裝置對脫硫凈煙氣中可凝結顆粒物脫除效率約為84%，在濕法脫硫的基礎上提高了約36%，兩者結合可有效控制可凝結顆粒物排放。

(4)在濕法脫硫后設置二級冷凝凝并裝置可有效脫除煙氣中SO3，平均脫除率約為91.5%。