冷凝凝并裝置深度脫除多污染物性能研究

劉 偉，孔 偉，蔣 紅，程常杰，楊志國(guó)，黃榮廷，張 瑞，楊林軍*

(1.新疆天富集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000；2.新疆天富環(huán)?？萍加邢薰荆陆?石河子 832000；3.杭州蘊(yùn)澤環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000；4.能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué))，江蘇 南京 210096)

1 引言

隨著燃煤電廠超低排放改造的全面實(shí)施，我國(guó)大氣環(huán)境問題得到不斷改善。然而，由于我國(guó)以煤炭為主的能源格局短期內(nèi)將不會(huì)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(xì)顆粒物的排放，仍會(huì)導(dǎo)致霧霾現(xiàn)象的間歇性出現(xiàn)，特別是對(duì)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(xì)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(lán)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(xì)顆粒物的主要來源之一[6]。此外，近年來可凝結(jié)顆粒物的排放也受到人們?nèi)找骊P(guān)注，可凝結(jié)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(zhuǎn)化為液態(tài)或固態(tài)，形成污染環(huán)境的細(xì)顆粒物，或作為二次細(xì)顆粒物的前驅(qū)物，促進(jìn)大氣環(huán)境中細(xì)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(guó)內(nèi)外普遍采用濕法脫硫系統(tǒng)(WFGD)脫除SO2，但對(duì)小粒徑細(xì)顆粒物以及SO3硫酸霧脫除效果不理想，且水耗量大[9]。對(duì)于我國(guó)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(gè)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(yán)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(jié)成小液滴，在光的折射、散射作用下，呈現(xiàn)濕煙羽[10-11]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有消白技術(shù)主要包括煙氣加熱、冷凝復(fù)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(shù)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(shì)，在脫硫塔除霧器上方建立兩級(jí)冷凝循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)濕法脫硫后的煙氣進(jìn)行兩級(jí)深度冷凝(一級(jí)冷凝溫度約3～5℃，二級(jí)冷凝溫度約10～20℃)。通過對(duì)脫硫凈煙氣溫度的降低來建立過飽和水汽環(huán)境，從而達(dá)到對(duì)細(xì)顆粒物和SO3硫酸等多污染物協(xié)同脫除的效果[15]。測(cè)試分析了深度冷凝裝置對(duì)脫硫濕煙氣中可過濾顆粒物(Filterable particulate matter, FPM)、可凝結(jié)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(cè)試機(jī)組與冷凝凝并裝置

新疆某熱電廠機(jī)組裝機(jī)容量為330MW，WFGD進(jìn)口處煙氣量為120萬(wàn)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(jí)相對(duì)獨(dú)立的冷凝凝并循環(huán)系統(tǒng)，可對(duì)WFGD后的煙氣進(jìn)行兩級(jí)深度冷凝；下級(jí)冷凝裝置包括積液盤、噴淋層、除霧器和外循環(huán)箱，上級(jí)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(jí)冷凝系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，如圖1所示。安裝冷凝循環(huán)裝置對(duì)系統(tǒng)造成的壓降約為110Pa。在一級(jí)冷凝系統(tǒng)中，采用空冷機(jī)組為循環(huán)噴淋液提供冷源，對(duì)煙氣冷凝降溫3～5℃，一級(jí)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(duì)脫硫凈煙氣中的污染物進(jìn)行脫除；在二級(jí)冷凝系統(tǒng)中，采用自然通風(fēng)冷卻塔為系統(tǒng)提供冷源，使煙氣降溫10～20℃，二級(jí)冷凝水處理后回用，二級(jí)冷凝換熱介質(zhì)為工藝水。為保證二級(jí)冷凝水水質(zhì)，防止一級(jí)冷凝中含有大量溶解性鹽和顆粒物的霧滴進(jìn)入二級(jí)冷凝，在一級(jí)冷凝和二級(jí)冷凝之間的除霧器采用旋風(fēng)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(tái)330MW機(jī)組配套的冷凝凝并裝置收水量可達(dá)到100～110t/h，其中二段冷凝收水量約70～80t/h。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置與采樣方法

分別在濕法脫硫進(jìn)口、脫硫噴淋層后及二段冷凝凝并裝置出口設(shè)置測(cè)點(diǎn)，對(duì)煙氣中可過濾顆粒物、可凝結(jié)顆粒物、SO3及PM10的排放濃度進(jìn)行采樣分析。FPM與CPM的測(cè)試采用美國(guó)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(dòng)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(jìn)入CPM采樣組件，在冷凝器降溫至30℃以下，形成的可凝結(jié)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(jí)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(jié)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?dú)?，?4L/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(zhì)量，結(jié)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(cè)量，煙氣經(jīng)旋風(fēng)分離器去除粒徑>10μm的顆粒，經(jīng)稀釋冷凝后進(jìn)入ELPI+，可實(shí)時(shí)獲取煙氣中PM10的濃度及其粒徑分布。

3 結(jié)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(shí)，也會(huì)增強(qiáng)除霧器對(duì)煙氣中顆粒物的脫除效率。在濕法脫硫設(shè)備入口、脫硫噴淋層后及二級(jí)煙氣冷凝凝并裝置出口處分別對(duì)煙氣中可過濾顆粒物進(jìn)行采集測(cè)試，考察濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)煙氣中可過濾顆粒物的脫除效率以及煙氣冷凝系統(tǒng)對(duì)可過濾顆粒物脫除性能的增強(qiáng)效果，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 不同測(cè)點(diǎn)處可過濾顆粒物濃度

表2 不同設(shè)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(duì)可過濾顆粒物的脫除效率約為38%，而二級(jí)冷凝凝并裝置對(duì)煙氣中可過濾顆粒物的脫除效率可達(dá)61%，綜合濕法脫硫與二級(jí)冷凝裝置，其對(duì)可過濾顆粒物的綜合脫除效率高達(dá)75%，比單獨(dú)濕法脫硫系統(tǒng)其效率提高了約37%。這表明應(yīng)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(shí)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(huì)以顆粒物為凝結(jié)核在其表面發(fā)生非均相凝結(jié)，形成含塵液滴，進(jìn)而增大其粒徑與質(zhì)量，促進(jìn)除霧器對(duì)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(kuò)散泳力作用明顯，未被核化的細(xì)顆粒物或含塵液滴可在熱泳力、擴(kuò)散泳力作用下，向冷凝換熱壁面運(yùn)動(dòng)沉積，被冷壁面冷凝液膜捕集，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)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(cè)試了脫硫入口處以及二級(jí)冷凝凝并裝置出口煙氣中PM10濃度，結(jié)果如圖4所示?？梢?，脫硫系統(tǒng)進(jìn)口煙氣中PM10平均數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度分別約為1.2×107個(gè)/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(gè)/cm3、4.1mg/m3；這表明煙氣冷凝凝并裝置耦合濕法脫硫可對(duì)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(dá)到70%～98%，質(zhì)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(cè)試結(jié)果還表明，煙氣冷凝凝并裝置耦合濕法脫硫可對(duì)PM2.5的數(shù)量平均脫除效率約為86%，質(zhì)量平均脫除效率約為73%；對(duì)PM1數(shù)量脫除效率約為45%，質(zhì)量平均脫除效率約為37%。對(duì)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(duì)煙氣中PM10有更好的脫除促進(jìn)效果。特別是針對(duì)0.1～1μm區(qū)間內(nèi)的細(xì)顆粒物，該粒徑范圍內(nèi)細(xì)顆粒物數(shù)量占比較高，且慣性力與擴(kuò)散力作用不明顯，存在一個(gè)穿透區(qū)間[21]。當(dāng)應(yīng)用二級(jí)冷凝凝并裝置后，部分0.1～1μm區(qū)間內(nèi)的細(xì)顆粒物可在過飽和水汽環(huán)境中通過水汽的非均相凝結(jié)長(zhǎng)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(jìn)口以及二級(jí)冷凝出口煙氣中PM10的粒徑分布，對(duì)比可知，經(jīng)過脫硫洗滌以及二級(jí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)亞微米級(jí)顆粒物的有效控制，同時(shí)也可以看出，脫硫洗滌和二級(jí)冷凝脫除對(duì)粒徑小于0.1μm的超細(xì)顆粒物也有一定的脫除作用，這主要是由于熱泳力、擴(kuò)散泳力增強(qiáng)，促進(jìn)該粒徑范圍內(nèi)細(xì)顆粒物向冷凝壁面運(yùn)動(dòng)沉積所致[22]。

圖5 脫硫進(jìn)口煙氣中PM10粒徑分布

圖6 二級(jí)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(jié)顆粒物的性能

在不同測(cè)點(diǎn)處分別對(duì)煙氣中可凝結(jié)顆粒物的濃度進(jìn)行采樣測(cè)試，并計(jì)算相應(yīng)的脫除效率，結(jié)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(jìn)入兩級(jí)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(dá)70%左右，冷凝凝并裝置出口CPM濃度僅約為9.9mg/m3。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在濕法脫硫系統(tǒng)后加裝兩級(jí)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?zé)煔庵蠧PM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(dǎo)致大量氣態(tài)污染物冷凝形成CPM，并在熱泳力、擴(kuò)散泳力作用下運(yùn)動(dòng)沉積或碰撞，形成具有更大粒徑的顆粒物，進(jìn)而在噴淋洗滌、除霧攔截等作用下脫除。

圖7 各測(cè)點(diǎn)煙氣中可凝結(jié)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(jí)冷凝凝并裝置出口處分別采集煙氣中SO3濃度，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同測(cè)點(diǎn)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(jí)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(jí)冷凝凝并裝置對(duì)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?yàn)闊煔庠跐穹摿蛳到y(tǒng)以及冷凝凝并裝置中大幅降溫，溫度遠(yuǎn)低于酸露點(diǎn)，可確保所有SO3冷凝形成硫酸霧滴，進(jìn)而在與噴淋漿液滴接觸時(shí)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(zhì)，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(jié)長(zhǎng)大為大液滴，慣性力作用效果增強(qiáng)，有利于除霧器的進(jìn)一步脫除。

4 結(jié)語(yǔ)

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

(1)綜合濕法脫硫與二級(jí)冷凝凝并裝置對(duì)可過濾顆粒物脫除效率約為75%，比單獨(dú)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(duì)煙氣中PM10具有較好的脫除效果，平均脫除效率達(dá)到91%(數(shù)量濃度)、85%(質(zhì)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(duì)脫硫凈煙氣中可凝結(jié)顆粒物脫除效率約為84%，在濕法脫硫的基礎(chǔ)上提高了約36%，兩者結(jié)合可有效控制可凝結(jié)顆粒物排放。

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