淺談超凈排放中的粉塵治理
2018-05-28 14:17:18
環保工程事業部 楊家軍
（浙江德創環保科技股份有限公司，杭州 310012）
摘要 隨著超凈排放項目的推進，現有的粉塵治理的超低排放工藝路線，過于單一，選擇性小，無法滿足客戶的需求。本文全面系統地分析了國內燃煤機組污染物排放的控制現狀，詳細介紹了各種高效先進的除塵技術，以及相互間的協同處理效應和目前超低排放工程的實施現狀，提出了多種針對粉塵治理的超低排放的技術路線，并對各種技術路線的可行性和經濟性進行了分析，為超低排放的粉塵治理技術提供了一種全新的思路。
關鍵詞 超凈排放；高效吸收塔；低低溫電除塵；托盤
Discussion on Dust Control in Ultra Clean Emission
YANG Jiajun
Zhejiang Dechuang Environmental Polytron Technologies Inc., Hangzhou 310012, China
Abstract with the progress of the ultra clean emission project, current dust treatment-Ultra Low Emission(ULE) is too simplified with little choice, which cann’t satisfy customers’need.This essay analyses systematically domestic current situation of the pollutant emission of coal firing, introducing not only kinds of high-efficient and advanced dust treatment technology, but also the collaborating treatment effect among all kinds of technologies. It also introduce ULE project, proposing technology choice, analyzing the feasibility and economical efficiency of the technology choices. That is a new thinking for ULE dust treatment
Key words ultra clean emission ; effective absorption tower ; LLT-ESP ; tray
0引言
隨著國務院在2013年9月印發《大氣污染防治行動計劃》，明確要求火電燃煤機組煙氣在十三五期間實現“50355+53”的“近零排放”指標，其中煙塵排放濃度不得大于5 mg/Nm3（標態、干基、6%O2），首次明確了大氣中可吸入顆粒物(PM2.5)的治理目標。如今，全國各地的超低排放改造項目也正在如火如荼的設計施工，然而，在粉塵的超低排放處理工藝上，路線卻非常單一，選擇性很小，往往不加選擇的一味加裝濕式電除塵，不但增加了不必要的建設投資，造成了極大浪費，也增加了系統的冗余量、維護量、故障量，究其原因，就在于沒有充分挖掘吸收塔的協同除塵能力。本文根據不同的設計工況，量體裁衣，總結歸納了多種技術路線，可為業主方的選擇提供一定的借鑒。
1 國內超低排放的現狀分析
針對目前國內燃煤火電機組煙氣超低排放，低SO2排放已不存在技術難題，主要采取單塔單循環、噴淋增效環、托盤塔、單塔雙循環、雙塔雙循環、旋匯耦合SPC的技術路線；低NOX排放亦是如此，主要是優化低氮燃燒以及SCR增加備用層催化劑的路線[1]。而針對粉塵的超低排放處理，一段時間內，濕式電除塵器幾乎成了標準配置，而對其他的處理方式鮮有觸及。之所以如此，筆者認為主要有以下三個方面。
1.1 吸收塔除塵性能的忽視
目前吸收塔內漿液噴淋系統的除塵機理尚未形成成熟的理論體系，是造成對吸收塔協同除塵能力忽視的一個主要原因。同時，早期國內環保標準比較低，在引進國外技術時，外方對吸收塔協同除塵的技術也并未做深入的研究，僅根據當時大多數脫硫機組的運行數據，得出濕法脫硫的除塵效率最大50%的結論，且這一觀點長期被環保業界廣泛地接受和認可。
1.2 煙氣中PM2.5的捕集
煙氣經過前端除塵器一次除塵后，大顆粒粉塵基本被捕集殆盡，PM2.5以下的微細顆粒占有著很大的比重。 常規吸收塔漿液噴淋系統的霧化粒徑為2 300～2 500 μm，根據相關測試數據，常規噴淋系統對PM2.5以下的粉塵顆粒的分級除塵效率較低，只有15%左右；對粒徑在3.0~5.0 μm之間的粉塵顆粒，去除效率略大，也僅有40%~70%左右，粉塵的捕集效果有限。因此，為了達到煙塵的超低排放標準，過去很多項目不得不在吸收塔的出口安裝濕式電除塵。
1.3 吸收塔內邊壁效應
由于吸收塔普遍采取單側的進氣方式，此方式會使得塔內煙氣在到達第一層噴淋層之前，偏流非常嚴重，流場分布極不均勻，同時吸收塔中心區域漿液噴淋密度大、阻力高，塔壁區域噴淋密度小、阻力低，靠近塔壁區域的煙氣常常會發生氣流短路現象，出現煙氣逃逸，也是造成煙塵無法達到超低排放的一個關鍵因素。
2 技術路線選擇
對于技術路線的選擇，歷來崇尚簡約。換言之，能用一套設備完成的任務就不用兩套設備，盡量減少故障點和能耗點。因此，技術路線必須因煤制宜、因爐制宜、因地制宜、統湊協同，筆者將整個煙塵治理過程分為兩個部分，一次除塵（表1）和二次除塵（表2），只有兩個部分相輔相成、有機配合、協同處理，方能發揮最大的作用。一次除塵，也叫前段預處理部分，目的是為后續二次除塵減輕負荷、提供有利的條件。二次除塵，又叫精處理部分，是整個過程的重中之重，直接決定著整個超低排放的成敗。
3關鍵應用技術
3.1 一次除塵技術
3.1.1 低低溫電除塵技術
該技術主要以低低溫省煤器(DGGH)+電除塵器為核心，煙氣通過低低溫省煤器時，與冷媒發生熱交換，煙氣溫度從130～150 ℃降至90～100 ℃低低溫狀態[2-3]，然后進入電除塵器進行除塵，由于煙氣溫度降低至酸露點，使煙氣中大部分SO3 冷凝形成硫酸霧，粘附在粉塵表面并被堿性物質中和，一方面使粉塵比電阻大大降低（圖1、圖2），導電特性得到很大改善[4-5]；一方面由于液態SO3凝聚煙氣中的粉塵，使得粉塵顆粒增大，平均粒徑比傳統的電除塵器的更大，平均粒徑分布＞3 μm（圖3），非常有利于煙氣在后續的吸收塔中進行二次深度除塵，從而大幅提高電除塵器的除塵效率[6]。
一方面煙氣溫度降低后，煙氣量減小，增大了比集塵面積，增加了粉塵在電場的停留時間，從而提高除塵效率。另一方面煙氣溫度降低后，使電場擊穿電壓上升，電場強度得到提升，增加了粉塵荷電量，從而提高除塵效率。因此通過低低溫電除塵器后煙氣粉塵濃度最低可降至20 mg/Nm3。
3.1.2 超凈電袋復合除塵技術
超凈電袋復合除塵器是靜電除塵和過濾除塵機理有機結合的一種除塵器[7]，綜合了電除塵器和袋式除塵器的各自優點。典型結構為“前電后袋”，通過前級電場使粉塵預荷電，使粉塵顆粒的平均粒徑增長約12.5%，并捕集80%左右的粉塵，而剩下的比電阻比較高、粒徑比較細而難以捕集的粉塵進入后級濾袋區進行進一步收集。粉塵經過荷電后，形成的粉塵顆粒層更加疏松、排列有序、透氣性好（圖4），極大的提高了后級濾袋區的過濾精度，同時電場區荷電難與濾袋區穿透的粒徑區間形成了有利互補，使得顆粒逃逸量最低。另外，為了進一步提升濾袋區的過濾精度，濾料采用結構為“PPS基層+PTFE基布+PPS基層+超細PPS面層”的梯度濾料或超微孔覆膜濾料兩種高精過濾濾料[8]之一。因此，其除塵效率可達99.5%~99.99%，可實現煙氣粉塵濃度降低到5 mg/Nm3以下的控制目標。
超凈電袋復合除塵技術不受煤質、煙氣工況變化的影響，排放長期穩定可靠，尤其適用于老機組除塵系統改造。
3.1.3高精袋式除塵技術
高精袋式除塵器與普通袋式除塵器相比，最大的區別在于濾料的選取上，前者濾料采用的是梯度濾料或超微孔覆膜濾料兩種高精過濾濾料之一，對于PM2.5亞微米級的粉塵有良好的捕集效果。而與超凈電袋復合除塵器相比，顯而易見缺少前級電場這一結構部分，使得粉塵顆粒無法荷電，導致粉塵顆粒層比較致密、排列無序、透氣性較差 。因此，煙氣粉塵濃度僅可降低到10 mg/Nm3。
3.1.4其他干式電除塵器提效技術
除了上述典型的一次除塵技術，還有旋轉電極靜電除塵技術、高頻開關電源技術、脈沖電源技術、導電濾槽技術、機電多復式雙區電除塵技術、電凝聚技術，都是在原有干式電除塵器的基礎上，深度挖掘除塵器的減排潛力[9]。此類技術相互協同，煙氣粉塵排放濃度基本上可控制在30 mg/Nm3以上。
3.2 二次除塵技術
3.2 .1托盤/雙托盤技術
多孔托盤技術起源于美國巴威公司，位于吸收塔入口上沿與第一層噴淋層之間，也可布置于兩層噴淋層之間，煙氣從托盤下往上流動，漿液從托盤上往下流動，煙氣和漿液在托盤的持液層發生強烈的摻混，呈“沸騰”狀，形成泡沫層[10]，泡沫層不但增加了氣液接觸面積，也提高了液固相的接觸面積，粉塵顆粒在通過泡沫層時，在截留、慣性碰撞、布朗擴散[11]等多種除塵機理（圖5）的綜合作用下被洗滌捕捉。同時，由于托盤上漿液產生的阻力與托盤下煙氣壓力的相互平衡作用，可提高塔內煙氣流場分布的均勻性，提高了塔內煙氣分布的均勻性也就意味著提高了吸收塔內液氣比的均勻性，則可確保吸收塔截面上粉塵脫除效率的均勻性。從圖6中可以明顯看出，加裝托盤后的煙氣流場要遠優于未加托盤時的煙氣流場。
如圖7可知，托盤對不小于2 μm的粉塵具有較高的捕集效率；對于0.1~1 μm的粉塵，有10%~30%的捕集效率;對于1~2 μm的粉塵，有30%~40%的捕集效率；對于3~5 μm的粉塵，有60%~70%的捕集效率。若采用雙托盤，則能二次強化液固接觸，進一步提高除塵效率。
3.2.2噴淋增效環技術
如前1.3所述，靠近塔壁區域的煙氣常常會發生氣流短路現象，造成煙氣逃逸，從而影響系統的脫硫效率和除塵效率。為此，ALSTOM公司開發了一種噴淋增效環裝置[12]，在每層噴淋層塔壁設置一圈增效環（圖8），將塔壁區域的煙氣導向吸收塔中心的高密度噴淋區域，有效的封堵逃逸通道，同時也可收集吸收塔壁面上的漿液，進行二次再分布，改善塔壁區域的氣液固三相傳質狀況，從而有效提高除塵效率。另外，AEE公司也開發了類似的噴淋增效裝置，即在距離塔壁1.4米的圓環區域，安裝足量的實心錐噴嘴，增加噴淋強度，防止煙氣逃逸。但由于實心錐流道通徑過小，在實際運行中常發生堵塞，因此筆者不建議采用。
3.2.3 高效噴淋層技術
高效噴淋層與常規噴淋層不同之處在于，前者采用的雙頭雙向高效空心錐，單頭流量為20~35 m3/h,僅為常規噴嘴流量的一半，漿液霧化粒徑可減小至1 400 ~1 600 μm，而常規噴淋層噴嘴的漿液霧化粒徑在2 200~2 400 μm之間，粒徑越小，捕集效率越高[13]。同時，高效噴淋層的噴淋覆蓋率更是高達600%，比常規噴淋層翻了一倍，捕集效率也會大幅度的提高。據有關測試數據可知（圖9），當高效噴淋層與噴淋增效環協同處理時，對于0.1~1 μm的粉塵，有10%~20%的捕集效率;對于1~2 μm的粉塵，有20%~40%的捕集效率；對于3~5 μm的粉塵，有65%~95%的捕集效率。
3.2.4 高效除霧器技術
由于除霧器出口的霧滴中含有固體顆粒和溶解鹽[14]，該固體顆粒是煙氣排放的粉塵來源之一。因此，要控制煙氣出口的粉塵濃度，就必須降低除霧器出口的霧滴含量。
高效除霧器采用一級管式除霧器+三級屋脊式除霧器,其中管式除霧器布置在一級模塊下面，能夠均布煙氣流場，去除大顆粒液滴；一級模塊葉片內部不設置物理倒鉤，而是設計形成“流體鉤狀”結構，易于沖洗，葉片表面不易結垢，除霧效率高；二、三級模塊葉片內部設置物理倒鉤，能夠去除極細小的漿液顆粒，保證除霧器效率。從圖10可以看出，高效除霧器幾乎能100%去除20 μm以上的液滴，確保吸收塔出口霧滴濃度小于20 mg/Nm3（干基），遠優于常規除霧器的100 mg/Nm3（干基）的處理能力。
高效除霧器的臨界分離粒徑在22~24 μm，霧滴中超過24 μm的固體顆粒將被截留，由于高效除霧器夾帶的霧滴來自于吸收塔漿池中的漿液，吸收塔漿液的含固量為15%，吸收塔內漿液粒徑分布如圖11所示，小于24 μm的固體顆粒約占24%，因此高效除霧器出口霧滴攜帶固體顆粒含量為0.72 mg/Nm3（=20 mg/Nm3×15%×24%）；同時，吸收塔漿液的溶解鹽含量不超過2%，高效除霧器出口霧滴攜帶溶解鹽含量為0.4 mg/Nm3（=20 mg/Nm3×2%=0.4 mg/Nm3）。因此，高效除霧器出口霧滴攜帶固體顆粒總量可控制在1.12 mg/Nm3（=0.72+0.4）。
3.2.5 離心管束式除塵除霧技術
離心管束式除塵器，由筒體、分離器、導流環、擋水環組成（圖12）。煙氣通過旋流子分離器，產生高速離心運動，在離心力的作用下，霧滴與塵向筒體壁面運動，在運動過程中相互碰撞、凝聚成較大的液滴，液滴被拋向筒體內壁表面，與壁面附著的液膜層接觸后湮滅，實現霧滴與塵的脫除。 在分離器之間設置導流環，提升氣流的離心運動速度，并維持合適的氣流分布狀態，以控制液膜厚度，控制氣流的出口狀態，防止液滴的二次夾帶。經測試，運行阻力不大于350 Pa，吸收塔出口霧滴濃度不超過25 mg/Nm3（干基），除塵效率（不含液滴夾帶的石膏）可達到80%。
3.2.6濕式電除塵技術
濕式電除塵技術與干式靜電除塵技術相比，工作原理基本類似，在此不再贅述，都是采用高壓電場使得粉塵荷電而被捕集，主要區別在于，濕式電除塵技術采用水膜清灰的方式，有別于傳統干式電除塵的機械振打的清灰方式，不會產生二次揚塵。同時，由于脫硫后的煙氣是飽和濕煙氣，粉塵比電阻大幅度地降低，可有效的捕集PM2.5等微細粉塵顆粒[15]，除塵效率可達90%。
4技術路線經濟分析
為了更透徹的比較各種技術路線，下面以新建一臺300MW機組為例，從建設投資和運行成本等方面進行詳細剖析，詳見表9。從表9可以看出，加裝濕式電除塵的技術路線六，無論在初期投資上，還是運行成本上，都不占優勢；而技術路線二，各個方面均占明顯優勢，綜合凈化效益較高，值得推廣。因此，在選擇技術路線時，必須全方位綜合考慮、合理選擇，而不是一味盲目的加裝濕式電除塵。
5工程實施情況
截至2016年底為止，全國各地已經有近百套超低排放的項目投入運行，其中部分投運項目的技術路線，見表4，性能指標皆滿足環保要求。從而，在實踐中進一步的論證了本文中各技術路線的可行性，可為十三五期間，火電廠燃煤機組超低排放中的粉塵治理，提供非常有價值的借鑒和參考。
6 結語
綜上所述，在當下燃煤機組實現超低排放的大背景下，尤其是針對其中的粉塵超低治理，傳統單一加裝濕式電除塵的治理方案，已經明顯不能滿足客戶的需要，燃煤電廠應該根據項目自身的實際情況、鍋爐爐型、燃煤煤質、因地制宜，選擇適合自己的技術路線，使得綜合凈化效益最大化。在加快空氣質量改善和陰霾問題的解決的當下，具有很廣闊的應用前景和推廣意義。
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