旋流气帽水洗装置在烟气超洁净排放治理中的应用

胡静龄，杨森林，钟 璐，杨颖欣，胡小吐

(广东佳德环保科技有限公司，广东 广州 510663)

0 引言

颗粒物和SO2是大气中的主要污染物，严重危害着环境和人体健康，煤炭燃烧是大气污染物主要来源之一[1]。我国是燃煤大国，以煤炭为主要能源，煤炭一直占我国能源生产和消耗的70%以上, 煤炭燃烧过程中会产生大量的颗粒物SO2等有害物质[2-4]。根据《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，要求火电厂从2014年7月1日起烟气中固体颗粒物排放浓度小于30mg/m3，其中就包括了气溶胶的排放。

随着环保要求的不断提高，现有脱硫装置需要考虑后续环保标准的提升对装置带来的新的要求和裕量保障。根据国家发展改革委、环境保护部、国家能源局2014年9月12日关于《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》(发改能源[2014]2093号)，要求东部地区到2020年现役燃煤发电机组改造后大气污染物排放原则上接近或达到燃气轮机组排放限值(即在基准氧含量6%条件下，烟尘(即固体颗粒物)、SO2、NOx排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3)，鼓励其他地区现役燃煤发电机组实施大气污染物排放浓度达到或接近燃气轮机组排放限值的环保改造。

湿式氨法脱硫技术是国际上认可的火电厂脱硫技术[5]，能同时进行脱硫和除尘，吸收剂成本低，无二次污染，副产物硫酸铵可再利用，被越来越广泛地应用于火电厂的烟气治理中。氨法脱硫技术是采用液氨或氨水作为吸收剂，在吸收塔内通过喷淋与烟气中的SO2反应生成亚硫酸铵，再通过强制氧化生成硫酸铵的工艺。因受工艺条件限制，在脱硫过程中不可避免会产生大量粒径非常细小的雾滴，统称气溶胶，因其具有粒径小、捕捉困难等特点，极易被烟气夹带而随同排放，成为氨法脱硫排放控制的主要问题[6]。Janmes 等[7]发现NH4和SO2在有水汽时可通过气相反应产生NH4HSO3和(NH3)2SO3颗粒。颜金培等[8]研究发现气溶胶生成的途径主要有两个：一是从吸收液中挥发的NH3与烟气中SO2在气相中反应生成气溶胶颗粒，是气溶胶生产的主要途径；二是吸收液在高温烟气中蒸发析出的脱硫产物气溶胶颗粒。

当前火电厂脱硫治理主要是采用湿法空塔喷淋塔脱硫技术，通过喷淋碱液吸收烟气中的SO2气体，气液接触会使烟气中形成粒径为10～60μm的雾滴，这些雾滴通常包含悬浮物和溶解盐，不仅含有水分，还溶有硫酸盐、SO2、SO3酸雾、微尘等气溶胶，其粒径大小为0.001～10μm，这些物质排入空气中，它们与雾气结合在一起，让天空变得灰蒙蒙，也给周围设备和环境带来一系列问题。而传统的折板式机械除雾器对雾滴除去的上限粒径约为40μm，对小于此粒径的细微气溶胶基本无能为力[9]。

本文给出一种旋流板洗涤装置，具有分离效率高、阻力小、不易堵塞等优点。旋流板是利用离心力使液粒从气流中分离，而液粒所受离心力的大小同旋转半径成反比例，半径越小离心力越大，分离效果越好，在大直径塔中采用多个小直径旋流板除雾器并列组合而成的方式可提高分离效果[10]。

1 旋流气帽水洗装置原理及设计

1.1 水洗装置的原理

在吸收塔浆液喷淋层上部安装一套带旋流气帽的水洗装置，对烟气夹带的氨气和硫酸铵进行洗涤，降低烟气夹带量，减少气溶胶排放。

水洗装置主要部件有：

(1)水洗喷淋层。喷淋水源使用工艺水，由地面水洗罐及水洗泵提供，两层喷淋层。

(2)气帽组件。采用多个旋流气帽均布结构，气帽结构使烟气能从单个气帽中间由下而上经旋流板除雾后烟气从气帽上部出气，托盘底部收集上部水洗喷淋水回流至水洗罐，使水洗罐系统水量平衡。整个气帽在塔体内均布，布局合理，气流均匀通过，不会产生偏流。托盘设计合理，能满足锅炉正常工况运行要求。气帽组件能够防止脱硫塔下部喷淋浆液夹带，残余少量气溶胶经两层水洗后使气溶胶浓度大幅降低，达到超低排放要求。

1.2 设计图

水洗装置工艺流程和旋流气帽结构如图1、图2所示。

2 工程应用实例

为满足不断提高的环保要求，巴陵石化动力事业部1号锅炉烟气脱硫采用J-TECH氨法烟气脱硫技术进行超洁净排放改造，主要针对出口气溶胶浓度问题，实施了旋流气帽水洗装置技术方案。水洗塔盘主要设计参数风表1。

图1 水洗装置系统流程

图2 旋流气帽示意

表1 水洗塔盘主要设计参数

项 目数 值烟气量/m3·h-1270000烟气温度/℃50烟气流速(塔内)/m·s-11．86塔内径/m7．8水洗喷淋量/m3·h-1200×2气帽总流通面积比/%46阻力/Pa200

3 应用结果与分析

3.1 检测数据结果及分析

烟气中气溶胶的浓度测定参照《固定污染物排气中颗粒物和气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)的规定执行。

对巴陵石化分公司动力事业部1号炉改造前颗粒物浓度(表2)为28.6mg/m3，满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的限值。

改造后，原烟气、净烟气粉尘浓度测试结果见表3、表4。在100%负荷的情况下，脱硫装置原烟气平均粉尘浓度17.2mg/m3(标干态、6%O2)，净烟气平均粉尘浓度为2.6mg/m3(标干态、6%O2)，除尘效率为85.1%，完全达到设计要求。

表2 1号炉改造前烟气污染物排放数据 mg/m3

表3 原烟气粉尘浓度测试结果

样品编号烟气体积/L采样前重量/g采样后重量/g粉尘重量/%O2/%粉尘浓度/mg·m-3161117．706817．720914．15．0721．74266918．071218．081910．75．1215．10368317．828717．83869．95．1713．73469718．007018．022415．45．1120．855169717．921417．948326．94．9714．83

表4 净烟气粉尘浓度测试结果

样品编号烟气体积/L采样前重量/g采样后重量/g粉尘重量/%O2/%粉尘浓度/mg·m-3677218．188418．19173．35．424．117120118．597218．60073．55．392．80876818．437818．44224．45．375．50983718．556218．55741．25．311．371084717．880817．88120．45．250．451166118．472018．47280．85．321．16

3.2 水洗喷淋强度的效果对比

在控制其他工况条件不变的情况下，调整水洗喷淋开启工况来测试水洗塔盘在整个系统中对气溶胶排放浓度控制的作用。水洗喷淋对烟尘浓度作用的数据见表5。

从对比试验研究来看，吸收塔末端水洗盘的水洗喷淋对最终气溶胶的控制作用显著，水洗喷淋停运时，出口颗粒物浓度可达80.78mg/m3。开水洗喷淋，出口颗粒物浓度可大幅降至10mg/m3以下，开一层水洗喷淋测得的平均烟尘浓度为5.72mg/m3，单层洗涤效率可达90%；开二层水洗喷淋时测到的平均烟尘浓度可降到5mg/m3以下。

表5 喷淋水洗对控制气溶胶排放浓度作用的检测数据

项目烟气量/m3·h-1烟尘浓度/mg·m-3项目烟气量/m3·h-1烟尘浓度/mg·m-3停止25075280．78二层2482275．33一层2516807．55二层2443393．67一层2396784．00二层2630955．59一层2601835．61二层2287023．75

4 结语

从分析结果可知，改造后燃煤锅炉的脱硫除尘系统中的水洗塔盘系统能大幅度降低烟气排放中气溶胶的浓度，经过超洁净治理后排放的烟气中气溶胶浓度降低到5mg/m3以下，优于国家排放标准。经过试验证明水洗塔盘系统的运行稳定，能达到设计要求。该旋流气帽水洗装置有助于烟气气溶胶治理效果的提高，有利于促进我国大气污染的治理，在烟气治理的环保市场上有推广价值。

参考文献：

[1]张 军,李存杰,郑成航,等. 筛板塔细颗粒物协同脱除特性实验[J].浙江大学学报(工学版),2016,50(8):1516-1520.

[2]马昕霞,李永光,周世清,等.脱硫塔流场的数值模拟[J].上海电力学院学报,2016,32(1):9-11.

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[4]贺 鹏,张先明. 中国燃煤发电厂烟气脱硫技术及应用[J]. 电力科技与环保,2014,30(1):8-11.

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[8]颜金培,杨林军,鲍静静,等.氨法脱硫过程烟气中细颗粒物的变化特性[J].中国电机工程学报, 2008,29(5):21-26.

[9]胡小吐.氨法烟气脱硫湿式电除尘技术的工业应用[J].环境工程,2015,33(2):80-83.

[10]王志雅. 并列组合旋流板除雾器[J].化工设计通讯,2015,41(5):15-16.