磷復(fù)肥尾氣深度治理技改方案比較與選擇

王禮龍，王金銘，楊振軍，周劍波，石學(xué)勇，焦士杰，王金剛

（中國(guó)-阿拉伯化肥有限公司，河北 秦皇島 066003）

近10 年我國(guó)電力行業(yè)對(duì)排放尾氣進(jìn)行了深度治理，燃煤發(fā)電裝置基本達(dá)到尾氣超凈排放。從2016 年開始，我國(guó)磷復(fù)肥行業(yè)也走上了尾氣深度治理之路，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB 16297—1996 對(duì)顆粒物最高允許質(zhì)量濃度120 mg/m3的基礎(chǔ)上，將指標(biāo)大幅度降低到30 mg/m3以下。2019年行業(yè)提出更高目標(biāo)，開始研究消除有色煙羽（俗稱大白煙）難題，目標(biāo)是無(wú)可視排煙生產(chǎn)。電廠尾氣治理歷經(jīng)濕法脫硫脫硝、干法深度除塵、換熱升溫消白、綜合治理幾個(gè)階段，有許多可借鑒的技術(shù)。但磷復(fù)肥生產(chǎn)有自身的特點(diǎn)，如脫硫脫硝不是重點(diǎn)、沒(méi)有可利用的高溫?zé)釟狻⑷济悍蹓m和肥料粉塵差異大等，因此磷復(fù)肥行業(yè)必須走出一條屬于自己的尾氣深度治理之路，找出最適合的降低粉塵技術(shù)方案，以及最經(jīng)濟(jì)合理的消除大白煙方法。筆者通過(guò)比較幾種主要技改方案，根據(jù)企業(yè)自身情況，對(duì)技改方案選擇提出建議，為磷復(fù)肥尾氣深度治理提供參考。

1 技改思路

現(xiàn)有磷復(fù)肥裝置尾氣洗滌通常采用兩級(jí)處理，第一級(jí)為文丘里洗滌，第二級(jí)為塔式洗滌。大部分企業(yè)能做到顆粒物（ρ≤120 mg/m3）、二氧化硫、氮氧化物和氟化物達(dá)標(biāo)排放。由于化肥干燥過(guò)程將大量水分從化肥顆粒轉(zhuǎn)移到尾氣，而煙囪排氣過(guò)程中水分冷凝，造成白煙滾滾（大白煙）。降低尾氣中顆粒物含量是實(shí)質(zhì)性地減少環(huán)境污染，謂之減排；而消除大白煙可以顯著地改善視覺(jué)觀感，謂之消白。

減排的關(guān)鍵是將兩級(jí)洗滌后的尾氣在排空前再進(jìn)行一次除塵處理，尾氣處理由兩級(jí)變?yōu)槿?jí)。靜電除塵是大幅度降低粉塵的有效設(shè)備，針對(duì)洗滌后的尾氣，濕式靜電除霧器（以下簡(jiǎn)稱濕電）是最佳選擇。在電力行業(yè)廣泛使用的管束除塵技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱管束）成熟，效率較高，也可選用。聯(lián)合使用濕電和管束，可確保達(dá)到尾氣超凈排放。減排可以單獨(dú)用濕電，也可聯(lián)合管束混合除塵。

消白的關(guān)鍵是降低排氣飽和度，使其遠(yuǎn)離露點(diǎn)。尾氣在離開煙囪與大氣混合的降溫及稀釋過(guò)程中，不到露點(diǎn)則不會(huì)析出冷凝液；如果極短時(shí)間觸碰到露點(diǎn)，少量析出冷凝液來(lái)不及匯聚成白色煙霧，也能達(dá)到消白效果?，F(xiàn)有二級(jí)洗滌尾氣實(shí)際上都是飽和狀態(tài)，升高尾氣溫度就能降低飽和度。電廠普遍采用余熱升溫，磷復(fù)肥裝置沒(méi)有余熱就用蒸汽加熱。鑒于磷復(fù)肥裝置排放尾氣溫度普遍比電廠尾氣低，通過(guò)冷卻方式降低尾氣溫度，減小與大氣的溫度差也是一種消白方式。將尾氣進(jìn)行冷卻除去大量水分，可以減少排氣的冷凝液量，降低大白煙體量。用一股換熱升溫的空氣來(lái)稀釋尾氣，也可以降低飽和度，達(dá)到消白效果。加熱、冷卻和稀釋是消白的3種主要手段。

如果僅追求超凈排放，除塵治理則可，大部分磷復(fù)肥裝置都要進(jìn)行減排技改。如還要消白，則需要進(jìn)行消白技改。尾氣深度治理可以分步實(shí)施，也可一步到位，進(jìn)行除塵和消白綜合治理，但設(shè)備較多，技改投入較大。

2 主要技改方案介紹

2.1 濕電除塵方案

濕電將粉塵從尾氣中抓取出來(lái)，真實(shí)地減少了排放到大氣中的顆粒物，保護(hù)大氣。濕電捕集顆粒物的原理是向電場(chǎng)空間輸送直流負(fù)高壓，通過(guò)空間氣體電離，煙氣中粉塵顆粒和霧滴顆粒荷電后在電場(chǎng)力的作用下聚集在沉降極表面，利用在沉降極表面形成的連續(xù)不斷的下降水膜將粉塵沖洗去除。

濕電特點(diǎn)：除霧、除塵效率高，一般可達(dá)到90%以上；能捕集小至1 μm 的粒子；壓力損失小，一般為0.2～0.5 kPa；運(yùn)行穩(wěn)定。

現(xiàn)在工業(yè)化應(yīng)用的濕電主要分為管式及板式兩種，優(yōu)劣比較如下。

①在相同的沉降面積、工況條件下，管式的除霧效率大于板式。因?yàn)榘迨届o電除霧器陰極和陽(yáng)極的間距是不均勻的（如圖1），這導(dǎo)致電場(chǎng)不均勻，進(jìn)而造成了電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻，效率降低。而管式陰極和陽(yáng)極間距差距小，形成的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)均勻，除霧效率更高。

圖1 濕電陰極和陽(yáng)極的布置方式

因此，在相同工況和捕集效率的情況下，板式所需沉降面積更大，設(shè)備體積更大。

②板式靜電除霧器運(yùn)行時(shí)耗水量大。因?yàn)榘迨疥?yáng)極管主要依靠其表面的一層均勻水膜進(jìn)行保護(hù)，水膜需要連續(xù)噴淋而成，從而增加了額外的水量消耗。新設(shè)計(jì)的微分板式靜電除霧器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻力較大。

③板式靜電除霧器優(yōu)點(diǎn)：陽(yáng)極板平整，不易結(jié)垢且方便清理；適合大風(fēng)量除塵；金屬材料陽(yáng)極板設(shè)備強(qiáng)度高，不易損壞或漏氣，維護(hù)工作量較小。

因此,K10,n不存在6-VDET染色,且當(dāng)31≤n≤90時(shí),下面我們給出K10,n的一個(gè)7-VDET染色。

2.2 管束和濕電聯(lián)合除塵方案

管束除塵由3 層洗滌和離心分離兩部分組成。尾氣先經(jīng)噴淋層洗滌去除粒徑較大的粉塵，減少進(jìn)入后工序的粉塵總量；然后到達(dá)塔中部離心管束式除塵裝置，進(jìn)一步去除粒徑較小的粉塵和液滴。離心管束式除塵裝置由分離器、增速器、導(dǎo)流環(huán)、匯流環(huán)及外層管束等構(gòu)成［1］。

管束除塵能實(shí)現(xiàn)對(duì)粒徑1～10 μm的顆粒物的脫除，對(duì)于粒徑2.5 μm 以上的顆粒物脫除效率達(dá)到95%以上，對(duì)小粒徑的脫除效率則大幅度下降，總體脫除效率70%以上。當(dāng)入口ρ（粉塵）為100 mg/m3時(shí)，出口ρ（粉塵）可降至30 mg/m3。

以2.1 節(jié)復(fù)合肥裝置為例，主要設(shè)備選型計(jì)算結(jié)果：洗滌塔直徑6 m，高24 m，3臺(tái)噴淋循環(huán)泵流量530 m3/h，功率分別75、75、110 kW，洗滌阻力650 Pa。管束直徑6 m，除塵效率70%，管束阻力600 Pa。系統(tǒng)總阻力1 800 Pa，增壓風(fēng)機(jī)功率280 kW。

管束除塵方案針對(duì)入口粉塵濃度較高的尾氣，設(shè)置了強(qiáng)力的3層洗滌，同時(shí)也使得進(jìn)入管束的尾氣含有足夠形成液膜的液滴量。但對(duì)于粒徑＜2.5 μm 的顆粒物不能高效去除，為達(dá)到超凈排放，須在洗滌塔上端管束出口再設(shè)置濕電除塵除霧，確保將尾氣顆粒物質(zhì)量濃度降至5 ～10 mg/m3。

采用管束和濕電聯(lián)合除塵方案，當(dāng)入口粉塵含量不高時(shí)，管束除塵就夠用，可不開濕電除塵，以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。此方案聯(lián)合除塵效率高，超凈排放效果好，但系統(tǒng)阻力和設(shè)備投資較大。

2.3 冷卻再混消白除塵方案

磷復(fù)肥尾氣與電廠尾氣的溫度和飽和度不同，前者溫度較低但飽和度高（經(jīng)常達(dá)到100%相對(duì)濕度），后者正好相反。磷復(fù)肥尾氣溫度一般為30 ～70 ℃，攜帶大量水分，如果能將尾氣冷卻，則會(huì)析出約1/3 的水分。析出的大量水分會(huì)形成較大液滴，對(duì)粉塵形成捕捉作用，起到除塵效果。尾氣冷卻后，減少了排入大氣的水分總量，但仍是較低溫度下的飽和尾氣，直接排放仍然有白煙現(xiàn)象。如果用自然空氣作為冷源，在冷卻尾氣的同時(shí)，空氣溫度升高，再與降溫后的尾氣混合，則混合后尾氣溫度和飽和度均大幅度下降。如果混合后尾氣溫度能夠比露點(diǎn)高12 ℃以上，則煙囪排放尾氣不再凝結(jié)出水分，實(shí)現(xiàn)消白。

冷卻再混的關(guān)鍵設(shè)備是換熱器，其原理為氣-氣熱交換。飽和尾氣通過(guò)板式換熱器降溫后，凝結(jié)出大量的水分，同時(shí)利用水分凝結(jié)時(shí)放出大量的潛熱來(lái)加熱鼓入換熱器內(nèi)的環(huán)境干空氣，使其溫度升高。然后再將升溫后的干空氣用風(fēng)管引入煙囪末端與降溫脫水后的尾氣混合，混合尾氣相對(duì)濕度降低，從而降低其露點(diǎn)，使尾氣排出后很短時(shí)間內(nèi)達(dá)不到露點(diǎn)，即短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有或很少尾氣水分凝結(jié)成水霧，實(shí)現(xiàn)消白。同時(shí)，冷凝析出的大量水分形成大液滴，捕捉尾氣中的有害物質(zhì)，尾氣通過(guò)換熱器后，SO2、NOx、顆粒物都有降低，一般去除率在50%以上。本方案消白為主，減排為輔。

以2.1 節(jié)復(fù)合肥裝置為例，冷卻再混消白方案，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 冷卻再混方案工藝流程及計(jì)算結(jié)果

由圖2 可知，冷卻再混方案混合后尾氣溫度33.7 ℃，較露點(diǎn)高12.7 ℃，實(shí)現(xiàn)消白。同時(shí)，內(nèi)煙囪ρ（粉塵）降至≤50 mg/m3。

2.4 除塵消白綜合方案

如果要同時(shí)達(dá)到超凈排放和消白，則需要進(jìn)行除塵消白綜合治理。通過(guò)冷卻-升溫的方式減少尾氣攜帶水分的同時(shí)降低其相對(duì)濕度，遠(yuǎn)離露點(diǎn)實(shí)現(xiàn)消白；通過(guò)濕電除塵去除顆粒物，實(shí)現(xiàn)超凈排放。組合方式為冷卻-濕電-升溫-排放。

綜合治理中設(shè)置冷卻環(huán)節(jié)的原理：根據(jù)空氣溫度-含濕量圖（見圖3），尾氣冷卻降溫時(shí)會(huì)凝結(jié)出大量的水分，實(shí)質(zhì)性減少尾氣攜帶的濕度。假設(shè)環(huán)境空氣溫度0 ℃，70%相對(duì)濕度；尾氣溫度40 ℃，飽和濕度。尾氣先冷卻到18 ℃，后續(xù)只要升溫到25 ℃即可遠(yuǎn)離露點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)消白，如圖3所示為A→D→E→C過(guò)程。如果沒(méi)有冷卻在先，單靠升溫來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離露點(diǎn)，必須將尾氣加熱到112 ℃，才能消除白煙，如圖3所示為A→B→C過(guò)程。如此大的溫升必然消耗大量蒸汽，消白代價(jià)巨大。冷卻的真正價(jià)值體現(xiàn)在后續(xù)加熱升溫環(huán)節(jié)溫度升高較少，節(jié)省能耗。

圖3 尾氣單純升溫與冷卻后升溫過(guò)程

以2.1 節(jié)復(fù)合肥裝置為例，除塵消白綜合治理，冷卻環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果為：尾氣冷卻到18 ℃，板式換熱器換熱面積2 500 m2，熱負(fù)荷10 700 kW，阻力降≤200 Pa。冷卻后尾氣w（H2O）11.4 g/kg，冷凝析出水量為12.9 t/h。冷卻水溫差為6 ℃，循環(huán)冷卻水量1 500 m3/h，設(shè)置冷水塔，采用雙路供水管線，方便冬季和夏季不同的操作，循環(huán)水泵功率132 kW。后面加熱升溫到37 ℃，蒸汽消耗量低，實(shí)現(xiàn)冬季-10 ℃消白，基本做到四季無(wú)大白煙。

在冷卻后升溫前，配置一臺(tái)濕電，確保超凈排放，創(chuàng)造磷復(fù)肥生產(chǎn)既無(wú)拖尾又無(wú)大白煙的新景觀，尾氣排放達(dá)到世界先進(jìn)水平。

本方案設(shè)備較多，一次性投資較高。冷卻器和濕電，會(huì)給系統(tǒng)增加較多阻力，需要增加1臺(tái)風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力。系統(tǒng)運(yùn)行中動(dòng)力設(shè)備較多，電耗增加。在冬季惡劣條件下消白產(chǎn)生較多冷凝水，需要合理安排尾洗系統(tǒng)回用，做到不外排廢液。

3 技改方案綜合比較

以2.1 節(jié)復(fù)合肥裝置為例，從目標(biāo)、效果、設(shè)備、運(yùn)行成本和投資對(duì)4種尾氣深度治理方案進(jìn)行綜合比較，詳見表1。

表1 復(fù)合肥尾氣深度治理技改方案綜合比較

由表1可知，各方案主要設(shè)備是濕電和板式換熱器，配套克服阻力的風(fēng)機(jī)、給排氣升溫的加熱器、洗滌泵、循環(huán)水站。方案1 和方案3 設(shè)備較少，裝機(jī)容量也小。運(yùn)行成本來(lái)自兩個(gè)方面，一是設(shè)備的用電費(fèi)用，二是消白用的加熱蒸汽，表1中所列為冬季蒸汽消耗量，夏季消耗較少。方案3不用蒸汽，電費(fèi)消耗也是最少。方案4 尾氣冷卻后，只需要少量升溫即可消白，蒸汽消耗少。方案1完全靠升溫消白，蒸汽耗量最大。冷凝液來(lái)自濕電去除液和尾氣冷卻時(shí)析出的水分，方案1和方案2沒(méi)有尾氣冷卻，冷凝液較少，系統(tǒng)消化沒(méi)有壓力。方案3和方案4有尾氣冷卻，冷凝液量較大，尤其方案4冷卻降溫大，冷凝液量最大，系統(tǒng)消化最難。

綜合比較來(lái)看，方案3以消白為主要目標(biāo)，裝機(jī)容量、系統(tǒng)阻力、運(yùn)行成本、投資都最低，但減排效果靠后。方案4減排和消白效果最好，但投資最大，冷凝液最多，裝機(jī)容量較大，運(yùn)行成本中等。方案1減排效果居中，消白效果殿后，投資也居中。方案2 阻力、裝機(jī)容量、運(yùn)行成本都最大，但減排效果靠前。

4 老廠尾氣深度治理技改方案的選擇建議

4.1 技改方案的選擇建議

對(duì)于廣大的磷復(fù)肥生產(chǎn)企業(yè)，選擇尾氣深度治理技改方案時(shí)需要考慮的因素包括當(dāng)?shù)卣畬?duì)尾氣排放要求程度、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、生產(chǎn)裝置富裕壓力、洗滌液處理能力、投資與運(yùn)行成本。企業(yè)可根據(jù)自身?xiàng)l件和當(dāng)?shù)卣?，做出最適合的選擇，節(jié)省投資，降低運(yùn)行成本。

（1）如果不追求超凈排放，但對(duì)視覺(jué)觀感比較敏感，則可以選擇方案3（投資最省，運(yùn)行成本最低），以最少的投入獲得最佳的收益。尤其對(duì)南方企業(yè)，甚至冬季都有良好的消白效果。本方案已有不少成功案例，尤為適合中小型企業(yè)。

（2）如果對(duì)減排要求高，如山東省等地要求ρ（顆粒物）必須低于30 mg/m3，則可以選擇方案1或方案2，減排效果良好，投資能控制在中等水平。缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較高，冬、春兩季消白效果不盡如人意。如選擇方案2，則ρ（顆粒物）有望低于8 mg/m3，付出的代價(jià)是運(yùn)行成本高。適合中型和大型企業(yè)，也可以作為尾氣治理分步實(shí)施的第一步，先達(dá)到減排要求，視情況再增加尾氣冷卻，轉(zhuǎn)變成方案4，實(shí)現(xiàn)完美消白效果。分步實(shí)施分散了投資，減少籌資壓力。

（3）如果對(duì)減排和消白有非常高的要求，則可以選擇方案4，其投資最大，但運(yùn)行費(fèi)用中等。本方案可獲得一年四季消白的效果，同時(shí)ρ（顆粒物）有望達(dá)到低于5 mg/m3的超凈排放水平。對(duì)于有實(shí)力的企業(yè)，建議選擇本方案，一次性解決減排和消白問(wèn)題，提前應(yīng)對(duì)未來(lái)更嚴(yán)格的環(huán)保要求。

4.2 尾氣治理技改必須注意的兩個(gè)問(wèn)題

（1）尾氣系統(tǒng)阻力問(wèn)題。由于增加了濕電、冷卻設(shè)備、蒸汽加熱器和煙氣管道，尾氣阻力增加較多，必須考慮現(xiàn)有尾氣系統(tǒng)富裕壓力是否足夠，如果不足則需要增加風(fēng)機(jī)。大部分老廠都需要用增壓風(fēng)機(jī)。

（2）尾氣洗滌系統(tǒng)水平衡問(wèn)題。消白過(guò)程中，可能有較多的水分從尾氣中冷凝下來(lái)或被濕電除下，造成洗滌液大幅度增加，超出現(xiàn)有裝置尾氣洗滌系統(tǒng)承受能力。需要在生產(chǎn)過(guò)程中精心調(diào)整，就地消化。在冬季最冷的時(shí)候，如無(wú)法消耗，則要在消白和水平衡中做出適當(dāng)妥協(xié)，以保證廢液不外排。