冷凝濕膜離心除塵除霧技術在濕法脫硫系統中的應用

張紅彬，趙曉鹍，程子劍，夏亮，龔磊

(1.德梅斯特(上海)環保科技有限公司，上海 200120； 2.華電內蒙古能源有限公司包頭發電分公司，內蒙古 包頭 014000)

0 引言

國家環保部門確認，目前大氣中60%的粉塵污染物源于煤炭燃燒，火力燃煤發電廠是我國最大的煤炭用戶。隨著環保要求的日益提高，國家針對燃煤發電廠的超低排放不斷制定與提出相關政策。2011年開始實施的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，將煙塵排放質量濃度標準由原先的50 mg/m3(標態、干基、6%O2，下同)提高至30 mg/m3，重點地區提高至20 mg/m3。為了解讀和執行新國標，國家發展改革委、環境保護部和國家能源局在2014年9月聯合印發了《煤電節能減排升級與改造行動計劃》，計劃中指出，東部地區新建燃煤發電機組大氣污染物排放質量濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放質量濃度分別不高于10，35，50 mg/m3)，中部地區新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值，鼓勵西部地區新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。支持同步開展大氣污染物聯合協同脫除,減少SO3、汞、砷等污染物排放[1]。對于天然氣燃氣輪機組提出煙塵排放標準5 mg/m3，同時有些經濟發達地區針對燃煤機組也提出粉塵排放要低于5 mg/m3。現有的凈煙氣除塵技術，主要是濕式電除塵。限于其除塵機制，很難去除3.5 μm以下粒徑的粉塵，以及從安全性、經濟性、二次污染等方面考慮，很難適應現在的超低排放政策及綠色生產要求。

本文提出了一種針對微米級粉塵及漿液的治理路線，應用冷凝相變原理對脫硫后飽和濕煙氣進行冷卻降溫，冷凝產生的水汽以3.5 μm以下的顆粒物(粉塵、霧滴)為凝結核，凝并放大數十倍生成大液滴，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。冷凝相變技術通過將3.5 μm以下的顆粒物(粉塵、漿液)轉化為數百微米大液滴，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到超低排放要求[2]。該技術結合了現有除塵、除霧技術，實現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，并對應用該技術項目的節水性能進行分析。

1 冷凝濕膜離心除塵除霧技術

冷凝濕膜離心除塵除霧技術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形成了“霧”[3]。濕法脫硫工藝中，高溫原煙氣進入脫硫吸收塔，經過噴淋層洗滌脫硫降溫，形成飽和濕煙氣。飽和濕煙氣繼續經過冷凝除塵器(如圖1所示)，冷凝除塵器為折流板結構，內通循環冷卻水，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生大量的冷凝水汽，與煙氣中的微小液滴和粉塵結合凝聚形成大的液滴。冷卻后的煙氣繼續通過超精細分離器，從而去除含有細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 粉塵構成

根據國家環保總局顆粒物監測要求和檢測方法，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)，一并納入粉塵監測范圍[4]。

2.2 顆粒物分離工藝

首先，煤炭燃燒后產生大量灰分隨熱煙氣進入煙道，目前原煙氣除塵主要應用電除塵或者電袋復合除塵工藝。一般電除塵工藝除塵效率可達到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]。煙氣進入吸收塔后，經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。研究及實際應用表明，當吸收塔噴淋層數、液氣比相同時，入口粉塵含量越大，洗塵效率越高。按現有的電除塵要求和脫硫液氣比設計，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，脫硫后煙氣先進入高效預分離器對其中的大液滴進行去除，利用CFD軟件模擬4 m/s煙氣中顆粒物經過預分離器的過程(如圖3所示)，煙氣中大于8.0 μm粒徑的顆粒物去除效率達90%，質量濃度小于50 mg/m3。

煙氣經過如圖4所示的冷凝器入口增效聚合裝置，再進入如圖5所示的冷凝層充分換熱降溫，根據冷凝相變原理，析出水汽“捕捉”細微霧滴和粉塵，凝并放大形成大的液滴。根據各相應工況設計，冷凝產生的凝并現象基本上可以將各粒度顆粒物粒徑放大數十倍，尤其對1.0 μm以下的微小顆粒物有更好的凝并效果。放大后的液滴經過冷凝器自身離心脫除后，進入超精細屋脊式分離器，如圖6所示的超精細分離器采用孔鉤特殊設計，高性能分離去除的同時，也避免了堵塞的風險。

圖2 分離器入口粉塵粒徑分布及質量濃度

圖3 預分離器折流板通道內顆粒物運動軌跡(4 m/s入口流速)

圖4 冷凝器入口增效聚合裝置顆粒物運動軌跡(4 m/s入口流速)

圖5 冷凝器折流板通道內顆粒物運動軌跡(4 m/s入口流速)

利用CFD軟件模擬4 m/s煙氣中顆粒物在經過超精細分離器的過程(如圖7所示)，得出對5.0 μm以上的液滴達到99.9%去除效率，對3.5 μm以上的(凝并后的粒徑)達到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，即通過單層冷凝濕膜離心除塵器，允許吸收塔入口粉塵質量濃度50 mg/m3時，吸收塔出口煙氣總顆粒物質量濃度小于5 mg/m3。當吸收塔入口粉塵質量濃度高時，適當增加冷凝設計量及設備級數，可以匹配高入口粉塵工況。

圖6 超精細分離器折流板結構示意

圖7 超精細分離器折流板通道內顆粒物運動軌跡(4 m/s入口流速)

3 實施應用

華電內蒙古能源有限公司包頭發電分公司#2 600 MW機組煙氣脫硫超低排放改造工程，采用石灰石-石膏濕法脫硫技術及冷凝濕膜離心除塵除霧技術，“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，不設置煙氣再熱器和煙氣旁路。當燃用設計煤種時，確保煙氣脫硫(FGD)裝置出口SO2質量濃度和粉塵質量濃度滿足當前環保排放要求，在使用壽命內FGD裝置出口SO2質量濃度不大于35 mg/m3，粉塵質量濃度不大于5 mg/m3。

#2機組于2016年10月完成超低排放改造，采用冷凝濕膜離心除塵技術，外排煙氣達到超低排放要求。該項目冷除設備安裝在二級塔內，二級塔入口煙氣流量2 863 176 m3/h，入口煙溫55 ℃，二級塔蒸發量少，需要控制吸收塔補水量。應用冷凝濕膜離心除塵除霧技術，保證粉塵排放的同時，可以很好地控制除塵除霧器沖洗補水量。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，相當于截面積水位250 mm/24 h，而在氣象學中，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于被特大暴雨不斷淋濕，避免了長期不沖洗造成的堵塞風險。2017年4月，#2機組臨時停機時，發現除塵除霧設備連續運行7個月無任何堵塞現象(如圖8所示)，干凈如新，且經專業檢測機構檢測外排煙氣中顆粒物質量濃度(見表1)，在低中高3種負荷段下，外排煙氣中顆粒物質量濃度始終穩定在2 mg/m3水平。

圖8 #2機組臨時停機查看除塵除霧設備照片

采樣方式采樣設備機組負荷/MW煙塵質量濃度/(mg·m-3)FGD入口吸收塔出口等速嶗應3012H50020.71.9等速嶗應3012H45015.62.0等速嶗應3012H31014.12.3

4 節能、節水分析

冷凝濕膜離心除塵除霧技術的應用是技術思維的轉變，其將怎么去除更小的顆粒物轉變為去除大液滴的思路，冷凝除塵器與高效除霧器結合的應用方式，施工簡單、初期投入少，而且避免了濕電等技術的高能耗和產生二次廢水的弊端。冷凝濕膜離心除塵除霧一體化裝置，分為塔內冷除一體化設備和塔外循環水閉式冷卻站兩部分。其中，循環水冷卻站含用電設備，設有控制系統，根據機組不同負荷、煤種、季節性，智能調節循環水量、溫度等參數，其能耗按機組劃分見表2。根據其冷凝相變原理，飽和濕煙氣中析出大量冷凝水，對設備本體起到連續不間斷的淋洗潤濕效果，可以大大減少設備的沖洗頻率，減少水耗。在保證安全運行的情況下，不同機組補水量控制見表2。

另外，根據季節變化和負荷變化，循環系統可設定自動切換邏輯控制，提供節能狀態和性能最優狀態的選擇。節能狀態是指，在性能保證的前提下，將循環系統水溫控制在高位，冷凝析出水量控制在低位，節省運行能耗。此狀態一般在低負荷或者非夏季時使用。性能最優狀態是指，盡可能全功率開啟冷卻循環系統，加大冷凝析出水量，時刻保證排放性能最低狀態。此狀態一般在高負荷或者夏季使用。

表2 不同機組冷凝濕膜除塵除霧技術電耗

5 結論

(1)冷凝濕膜離心除塵除霧技術，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適用不同負荷、煤種工況，可以實現全負荷粉塵排放達標，尤其對于入口粉塵不作要求，根據具體情況可以按需求設計，改造量小，經濟性高。冷凝濕膜離心除塵除霧技術同時對SO3等污染物有去除作用，可以進一步研究，實施應用。

(3)冷凝濕膜離心除塵除霧技術相較于其他技術，節能、節水性強。尤其是現在有吸收塔入口煙溫低的趨勢，水平衡難以調節。利用冷凝濕膜離心除塵除霧技術，可以精準控制不同季節、工況下的吸收塔補水量，極易實現水平衡調節。