中小容量锅炉湿法烟气净化装置及系统优化
0.前言
《火电厂大气污染物排放标准》、《中华人民共和国大气污染防治法》等标准和法规相继实施，给锅炉烟气排放提出新的环境整治目标。同时，它也给大量投运的除尘设备提出升级换代的要求。
本文通过对湿法烟气净化装置及系统的优化讨论，以期在提高烟气排放控制指标、完善烟气净化设备系统等方面有所裨益。
1.湿法烟气净化装置现状
水膜除尘器具有除尘、洗涤气体污染物的功效。六、七十年代，水膜除尘器发挥了足有成效的除尘功能；八十年代，酸雨化现象加剧，要求设备具有脱硫功能；九十年代，按照标准要求，必须向湿法除尘效率的极值挑战。
1.1水膜除尘器
七十年代初，曾对国内锅炉水膜除尘器进行综合调研〔1〕，发现洗涤栅式水膜除尘器水膜不稳，易粘灰、堵灰，直接威胁机组正常运行。拆除部分栅棒，却又导致除尘效率的恶化。生产与环境的矛盾，推动烟气除尘技术的发展。各种湿法、干法除尘器问世，缓解了两者矛盾。几种典型的水膜除尘器结构与特性列于表1。
表1 几种典型的水膜除尘器结构与特性
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1.1.1 除尘器型式对烟速的敏感性
文丘里式除尘器对烟速变化特别敏感。固定截面积的文丘里管喉口速度对除尘效率影响明显，当机组负荷100%降到75%时，该速度降低约25%，效率也由96.5%下降四个百分点。负荷越低，效率下降幅度越大。实际使用中，除尘效率差次不齐,一般在92-96%；另外，系统漏风或机组运行工况不佳，造成相当大的烟气压降。国外市场上可调喉口截面的文丘里管结构，通过调节装置，维持最佳的压降范围。图1为AirPol可调节型文丘里管装置。
斜棒式是洗涤栅除尘器的发展。它的斜棒以40~45○垂直倾斜布置在除尘器进口烟道内。当烟速不大于10m/s时，斜棒栅上可建立稳定的水膜层。机组负荷变化对除尘性能的影响较小，烟气压降小。
泡沫式对机组负荷的适应性好，筛板上维持一定的小孔流速，对烟气起到均流作用，又强化了气、液、固体的质量交换。
1.1.2 除尘器的气密性
除尘器的气密性差，是个普遍性的问题，客观上反映管理水平。如水平文丘里除尘器一例，检修前测得漏风率11%，设备完好后漏风率3%。
1.1.3 除尘器筒体结构
烟气量容积强度对净化性能指标影响较大。为此，国内对筒体干、湿段高度，烟气进、出口结构，水膜建立方式进行了大量实践。然而，空塔结构简单，空气动力场工况不佳，且普遍存在烟气带水。
1.1.4单位水耗
它是衡量设备运行经济性的指标之一。用高压雾化器取代低压雾化器，消除供水系统管道布置产生的水力偏差影响，提高除尘效率几个百分点，单位水耗一般在0.25%~0.37%间。
“开式”灰水系统水耗大，且造成二次污染。近年投运的机组虽配备“闭式”灰水回用系统，但由于多种原因弃而不用。这方面仍须加大整治力度。
在环境治理的可行性研究中，应对水污染与大气污染问题作全面综合考虑。
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图1 AirPol可调节型文丘里管装置
1.2 简易湿法烟气脱硫装置
用水洗涤的除尘器具较弱 的脱硫功能。实践表明：烟气SO2浓度低，灰水中SO2溶解微量，其溶解度与灰水温度、PH值有关，一般可脱硫~20%左右。泡沫式除尘器使用河水洗涤时，获得30%以上的脱硫效率。
在烟气SO2排放总量控制要求下，对湿法烟气净化器进行试验研究〔2〕，也引进了一些简易湿法FGD装置〔3〕。表2为国内一些简易湿法烟气脱硫装置的使用情况。
表2 国内简易湿法烟气脱硫装置
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1.2.1 简易湿法FGD工艺
市场推出的简易湿法脱硫系统大致有以下几种：
• 强化气、液质量交换方式，如喷泡型FGD，烟囱组合液柱塔FGD，气液乳化脱硫塔。
• 常规湿法脱硫系统简化方式，如旁路1/3烟气量掺合尾部烟气，省去烟气预热器。
• 文丘里管内喷注+捕滴器回用碱性溶液方式，如喷石灰浆、烧碱废液等。
AirPol公司推出的可调节文丘里管+吸收塔也属此类，采用Ca(OH)2时，脱硫效率>75%。
从表2可见，上述各种FGD工艺的脱硫效率均可达70%─80%的水平。
1.2.2 液气比
液气比对FGD性能影响明显，它反映着有限空间内气、液两相碰撞的程度和化学反应的有效性。如文丘里管液气比(按Ca/S为0.47-O.53的洗涤剂)由0.2L/Nm3增加至0.27 L/Nm3，文丘里管脱硫率达37-42%，捕滴器液气比1.23 L/Nm3时，可达63%-70%。当喷注废碱液(NaOH)从0增至5t/h，塔内依旧喷淋废碱液+灰水时，液气比由0.35 L/Nm3提高到0.51 L/Nm3，脱硫效率由56.9%上升到72.1%。
2. 湿法烟气净化技术
重新审视烟气净化装置的设计思想，完善烟气净化工艺，降低能耗、水耗，充分利用废碱液及廉价的吸收剂资源，寻找烟气净化技术指标与经济的平衡点，实现监控操作管理，这对于简易湿法烟气净化技术的推广应用十分必要。
2.1 任务与要求
烟气污染物排放标准与法规，对烟气净化装置性能指标有着明确的规定性：
•挑战湿法烟尘净化极限，相应新建或改造的煤粉锅炉除尘率必须提高到98%以上，对高灰分燃料，除尘率要求99%以上。
•根据烟气S02 排放总量控制的原则，要求S02 达标排放。
•要求改变落后的手操管理模式为监控管理。
2.2 除尘脱硫一体化
实践证明：简易湿法烟气净化器有着很大的发展潜力。
2.2.1 工作特点
文丘里管，烟气速度高。气流穿越喷雾水膜层，受水膜拦截、进行降温除尘脱硫的过程。通过切向管或蜗壳引入捕滴器，甩出灰粒，实现二次除尘脱硫。
斜棒栅式，则利用内置烟道的斜棒栅管 将烟气分割成多束片状气流，实现除尘脱硫。斜棒栅管通道覆盖率增加，水膜过滤烟气、捕获灰粒的机率相应提高。烟速适当时，管束上形成稳定厚度的水膜，获得低阻、高效的效果。
泡沫式，依靠多层筛板将烟气分割成多股细柱状小流束，气流冲撞筛板上的水层，形成泡沫，产生强烈的传热传质过程，实现降温、除尘、脱硫。它具有自清洗功能。
流化床净化器属填料型结构，除筛网上放置流化用的小球外，其特点同泡沫式。
气动脱硫除尘塔以气液乳化为特征，它利用旋涡动力学原理将吸收剂溶液粉碎成气溶胶状态，悬浮在塔内，烟气通过多管并联的气动乳化过滤器，实现除尘脱硫的过程。
2.2.2 多级净化组合方式
要提高设备的烟气净化能力，多级烟气净化组合是个好办法。客观上，除尘、脱硫一体化符合设备自身的发展规律。各种净化原理组合应用时，必须受到两个条件的约束。
• 设备烟气压降及外形尺寸必须在现有系统允许的范围内
• 设备同比投资费用小，运行费用低
2..3 净化指标分析
2.3.1净化指标
目前使用的湿法净化器以文丘里管式的居多，斜棒栅式及泡沫式次之，其综合性能见表3
表3 烟气净化综合指标
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由表3可见，烟气压降：斜棒栅式最小，泡沫式次之，文丘里管烟压降最大。烟气带水：斜棒栅式不带水，其它两种带水严重。湿法净化，温降均为严重。
2.3.2 烟气带水与温降
烟气带水与烟气净化机理有着密切联系。斜棒栅式，烟速低，在除尘工况下，捕滴器烟速5.6m/s时仍不发生带水现象。文丘里管式、泡沫式均存在水滴飞扬的问题。尽管用提高捕滴器干段高度，改变烟气引出方式，效果仍不令人满意。因而，人们意识到装除雾器的重要性。
烟气严重温降是湿法烟气净化方法普遍的现象。然而，加装气-气热交换器，投资费用大，尚未被国内市场认可。
总之，对现有湿法烟气净化器，应剔除其缺陷，优化组合烟气净化级，它不失为一种经济、有效的节能环保产品。
3.系统优化讨论
3.1 问题提出
FGD产业是项新兴产业，又同基础产业紧密关联。虽然常规湿法FGD工艺较为成熟，但是价格昂贵，其系统至今仍欠完善。
简易湿法烟气净化器存在的种种问题，究其原因，大致归于两类：
• 管理理念
缺乏环境综合治理理念。不明产品适应范围和作用。
•工艺系统设计
燃煤品种、成分多变；再则，设备运行、设备完好程度，导致处理烟气量宝很大波动，大大超越了产品的设计范围。这是产生诸问题的症结。
湿法烟气净化器运行性能的优次，在相当程度上取决于工艺技术的成熟度、系统完善性和管理水平。
3.2 FGD的多样化
中小容量燃煤锅炉量大、面广，必须优先发展资源综合利用的FGD工艺；在经济平衡点下，抛弃法也相适宜。简易湿法FGD的吸收剂应因地制宜，比如废氨水、废碱液、电石渣、锅炉冲灰渣水，可有效降低运行费用。
根据统计：常规湿法FGD工艺中，吸收剂费占10-20%，耗电费约占60%之多，且吨SO2的费用高。对广泛应用的石灰石(石灰)-石膏法，为了获取高的脱硫效率，唯有提高液气比。对于中小容量燃煤锅炉，没有必要追求高效，只求有效，高的经济性才是努力的目标。从一些FGD装置的运行看，采用脱硫效率70~80%左右是适宜的。
湿法FGD，酸碱中和；原理简单，工艺多多。选择中小容量锅炉FGD工艺的主要原则：可靠，经济，有效。FGD的多样化是现实的必然结果。
3.3 改善烟气带水与温降
简易湿法烟气净化装置可不配备气-气热交换器，有利于节省投资，但必须设置烟气除雾器。因为，高效除尘和有效脱硫是改善锅炉尾部辅助设备的运行条件。从另外角度看，在除尘脱硫一体化装置系统上，启用灰水零排放，可提高回用灰水的温度。在脱硫净化系统上，可利用锅炉排污水或低压蒸汽预热洗涤剂，减弱降温的幅度。
3.4 洗涤液及副产品处理
在采用石灰石/石灰法FGD的一体化设备上，宜分别设置灰水槽与浆槽，利于提高洗涤效果，灰水槽仍保持气密封作用。浆槽储存浆料，由循环泵连续向喷嘴供料。因为浆液的PH值变化对脱硫和亚硫酸钙的氧化有着明显的影响,合用一个槽，不利于烟气分级净化。
副产品处理方式取决于其纯度和应用价值。目前，石灰石(石灰)-石膏法的副产品纯度低，除一家供给水泥厂使用处，均按抛弃法处理。氨水脱硫的副产品─硫酸铵有一定市场需要，但量少且涉及到复合肥料的生产管理等问题。因此，提高副产品纯度是系统优化的内容之一。尽管市场推出除尘器+氨水喷淋塔的FGD工艺装置，可产铵肥，但烟气中氨气残余排放量会引起二次污染的问题，值得注意。
3.5 控制与检测
湿法烟气净化装置的运行状态受外部因素变化而变化。用手操的管理模式已不适应环保排放控制，设置一套简易自控系统十分必要。
检测是实施排放监控的手段。对于中小机组，在线SO2检测设备的价格尚难接受。为此可采取加强管理，定时检测，以人机对话方式对系统监控。
4.结论
通过对现有湿法除尘器的适当改造，实现除尘脱硫一体化，可满足排放标准与法规对大气污染物的控制。它不失为一种经济、有效的节能、节水的环保产品。
归纳如下几点：
• 加强环保意识、综合治理大气污染，是一条节资、节能、节水的必然捷径。
• 中小容量锅炉湿法烟气净化器，可采取相宜的烟气净化组合方式，实现排放标准的要求，即除尘效率η≥98%，脱硫效率η=70-80%。
• 充分利用本地域的各种资源，提高副产品的经济价值。充分利用废碱性液，比如电石泥、锅炉排污水、冲灰渣水等，有效降低运行费用。
• 应用简易烟气排放监控装置，是湿法除尘、脱硫一体化装置双达标的有力保证。
[参考文献]
1)水电部环保办，电力工业环境保护科技成果汇编，1988年4月
2)王小明、李仁刚，文丘里湿式除尘器脱硫工艺研究，《洁净煤燃烧与发电技术》1998 No1
3)国家计委、化工部等，简易排烟脱硫技术报告会预稿集》1997年2月
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