骨質磷酸氫鈣車間煙氣除塵的工藝研究

胡滿深，李宇翔，郭彪，潘柏盛，馮劍峰，林榮灼

（江門市同力環保科技有限公司，廣東 江門 529100）

1 引言

據相關資料預測，至2024年，明膠行業在國內的市場規模將達36.43億元。良好的市場前景使得行業競爭日益增加，明膠生產企業面對價格競爭的壓力也越來越大。骨制磷酸氫鈣是明膠產業的重要副產物，并為明膠產業帶來巨大收益。但磷酸氫鈣在生產過程中會產生大量廢水、廢氣和固體廢物。在競爭日益激烈以及環保標準不斷趨嚴的行業大環境下，對磷酸氫鈣生產進行優化改造將是行業發展的必然趨勢。磷酸氫鈣生產優化最關鍵、最迫切需要解決的治理對象是生產廢氣中的粉塵[1、2]。

目前，煙氣除塵工藝的技術路線普遍采用除塵設備進行處理，根據除塵機理，可分為重力除塵器、旋風除塵器、袋式除塵器和電除塵器等幾大類。根據干濕分類，則可分為干式除塵和濕式除塵兩大類。

重力除塵器和旋風除塵器的維護、操作簡單，壓損小（100～1000Pa），但除塵率較低，特別是對細微塵粒（粒度＜5μm）的分離效率很低，無法達標排放；袋式除塵器的除塵率高，一般達98%以上，可捕獲0.1μm粒度的細微塵粒，但運行條件苛刻，除塵效率往往受濾袋性能的約束，在煙溫過高（＞300℃）、煙氣含油、帶腐蝕性或含濕量過高（＞20%）等情況下，會造成濾袋損壞或出現糊袋現象，影響設備壽命和運作性能；電除塵器的除塵率高達98%以上，可實現自動化控制，但對粉塵比電阻（適用于104～1011Ω·cm）有一定要求，具有選擇性[3]。

粉塵的濕潤性是選擇除塵方式的重要依據。潤濕性較好的親水性粉塵宜選用濕式除塵，而憎水性粉塵，則不宜選用濕法除塵方式。磷酸氫鈣的濕潤性較差，在普通濕法噴淋系統中的除塵效率較低。

明膠企業的骨制磷酸氫鈣生產煙氣中往往含有一定量的氯化鈣，其中氯離子屬于鹵素離子，在一定的條件下（濃度、溫度和濕度），會與大部分金屬材質發生電化學腐蝕作用，選用設備材質時須全面考慮[4]。

為解決磷酸氫鈣生產車間顆粒物減排問題，國內企業創新性地設計出一條“粉塵預荷電+三相紊流筒高效洗滌組合技術”煙氣除塵工藝路線[5～8]。本文以某明膠企業的9萬Nm3/h風量磷酸氫鈣車間煙氣除塵改造工程為例，為實現磷酸氫鈣生產優化及環保減排提供技術借鑒和工業參考。

2 項目概況

某明膠企業磷酸氫鈣生產車間，原配備有骨制磷酸氫鈣脫水生產線3條，采用一級真空吸濾機+二級熱風烘干組合工藝進行脫水處理。其中，一級真空吸濾機脫水效率為70%，二級熱風烘干脫水效率為25%，排放出口原配備有水霧除塵器及一個冷卻塔等收塵裝置。根據現場數據檢測分析，出口顆粒物不能滿足環保排放指標。

原生產工藝及煙氣處理流程見圖1，原始煙氣參數見表1。

圖1 原生產工藝及煙氣處理流程圖

表1 原始煙氣參數

3 工藝流程設計

“粉塵預荷電+三相紊流筒高效洗滌組合技術”除塵減排工藝路線主要由：調質荷電器、WLT三相紊流筒高效洗滌塔、循環供輔系統三大部分組成。車間排出的含塵廢氣首先經過匯總煙道，自上而下通過荷電器，進行粒子調質。含塵粒子在荷電器內受電場力作用而迅速荷電，增大被水霧捕獲的幾率[9]。煙氣在荷電器內流速最高為12m/s，而停留時間僅為1.3～1.4s，荷電粒子未黏附在陽極筒壁放電前即被迅速帶走，隨煙氣從下部進入三相紊流筒高效洗滌塔。被調質的廢氣在三相紊流筒高效洗滌塔內經集能加速器及多級噴淋層處理，最終達標排放[10]。循環泵從循環池內抽取循環液，經洗滌塔噴淋捕塵后，由回流管引回沉淀池，經多級沉降，上清液回流循環池，如此往復。沉渣或帶水渣漿進行利舊處理。磷酸氫鈣車間粉塵處理工藝流程見圖2。

圖2 磷酸氫鈣車間粉塵處理工藝流程圖

4 關鍵技術、設備原理、特征及設計參數

4.1 “粉塵預荷電技術”原理

粉塵預荷電技術，是指在粉塵進入三相紊流筒高效洗滌塔之前通過預加電場使粉塵顆粒帶上電荷，當荷電粉塵顆粒進入洗滌塔與噴淋液相混合接觸時，水分子作為極性分子正負電中心會受到庫侖力作用，與荷電粉塵相互吸引，從而有效增加憎水性磷酸氫鈣粉塵被水霧捕獲的概率。同時預荷電還會使粉塵顆粒發生碰撞、接觸而黏附并聚合成較大顆粒的粒子，從而進一步增加粒子的荷電量及被水霧捕獲的概率，特別適用于粒度0.01～50μm微小粉塵捕集，更利于三相紊流筒高效洗滌塔除塵效率的提高[11、12]。

4.2 “粉塵預荷電技術”特征

（1）設備阻力小、總能耗低。荷電器的總能耗由設備阻力、供電裝置、熱風吹掃裝置、控制設備的能耗組成。荷電器的阻力損失一般為150～300Pa，在總能耗中所占的份額較低。一般處理1000Nm3/h的煙氣量需消耗電能0.2～0.8kW/h。

（2）處理能力強。荷電器結構易于模塊化，可根據工況所需選擇電場設計數量，因而可以實現裝置大型化，大幅提高煙氣的處理量。

（3）耐腐蝕。煙氣中含有一定量的氯化鈣，其中氯離子屬于鹵素離子，在一定條件下（濃度、溫度和濕度）與大部分金屬材質發生電化學腐蝕作用。因此，荷電器設備主體材質采用耐鹵素離子電化學腐蝕的2205材質。

4.3 “三相紊流筒高效洗滌凈化技術”原理

三相紊流筒高效洗滌技術，是一種高效氣體凈化技術，具有降溫、除塵等作用。其工作過程為：在圓形筒狀容器中，需凈化的煙氣經均氣加速裝置加速并均勻分散，形成多條高速旋轉上升的紊流氣流。第一噴淋層對其進行降溫和初步洗滌后，高速的紊流煙氣經過紊流液膜發生裝置時，與二層噴淋裝置噴出的吸收劑相碰，煙氣高速旋切自由落下的吸收劑，氣液兩相持續碰撞旋切而互相粉碎，進而充分混合，在紊流液膜發生裝置上的表面形成一層充滿極細氣泡的紊流液膜。由于含塵廢氣以極細氣泡形式在吸收劑中高速運動而被擠壓切割，氣液界面不斷更新，令氣膜不斷被打破的含塵分子濃度與液膜不斷被打破的吸收劑濃度接近氣液主體濃度，傳質阻力變小，氣液固三相以巨大的表面積和極小的界面阻力進行接觸傳質，從而將廢氣中的含塵分子充分捕獲，進入循環池進行多級沉降處理。

4.4 “三相紊流筒高效洗滌凈化技術”特征

（1）凈化效率高。在空化液層中，微小氣泡在洗滌液內處于高速運動狀態，在吸收區停留時間較長，氣液固三相有極高的傳質效率。

（2）傳質效果好，使用率高。三相紊流筒高效洗滌塔的塔體和所有塔內部件均采用耐磨蝕材料制造，無活動部件，煙氣流道及吸收液噴淋就能穩定運行，故障率極低。洗滌塔內的旋流除霧器無復雜構件，并具有防堵塞、高效率、易脫落、不凝結等特點。

（3）運行成本低。三相紊流筒高效洗滌塔通過其液膜發生裝置令煙氣與噴淋液充分而高效混合，大幅降低運行所需的液氣比，進而降低運行能耗，縮小設備占地面積，減少投資成本。

（4）特種材質。洗滌塔塔體、噴淋管件及液膜發生裝置均采用特種玻璃鋼材質，該材質具備多項優異屬性：1）質輕質強，相對密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/5～1/4，而拉伸強度則接近甚至超過碳鋼，且強度與高級合金鋼相近，而拉伸、彎曲和壓縮強度均能達到400MPa以上；2）耐腐蝕，FRP是良好的耐腐材料，對一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力，在采用金屬材料時，可避免材料與鹵素離子發生電化學反應影響結構強度；3）可設計性好，可根據需要，靈活設計出各種產品結構，從而滿足使用要求，且工藝簡單，可一次成型，使產品有很好的整體性，縮減加工工序，經濟效果突出[13]。

4.5 主體設備參數

（1）荷電器：設備尺寸Φ2.5m×3.2m；設備運行參數40kV、100mA，約等于5kW；設備材質為不銹鋼2205；配套功能為陽極管反沖洗。

（2）高效洗滌除塵設備：設備尺寸Φ3.4m×15m；設備技術參數為處理風量9萬m3/h，出口粉塵濃度小于等于120mg/m3；設備材質為耐磨耐溫特種玻璃鋼；配套功能為除霧器反沖洗。

設備的主要參數見表2。

表2 磷酸氫鈣車間煙氣除塵設備主要參數表

5 效益分析

骨制磷酸氫鈣車間的廢氣排放根據《廣東省大氣污染物排放限值》（DB44/T 27—2001）中“位于二類控制區的污染源執行二級標準”，以及“2002年1月1日起建設項目第二時間段限值；第二時間段建設項目的工藝廢氣執行表2規定的限值”，原則上，處理后顆粒物的排放指標需達到排放濃度≤120mg/Nm3，排放速率≤4.8kg/h。“粉塵預荷電+三相紊流筒高效洗滌組合技術”的工藝技術應用后的顆粒物排放指標遠低于目前廣東省內執行的排放限值。工藝技術應用后的煙氣參數見表3。

表3 洗滌塔排氣筒煙氣參數

6 結語

（1）“粉塵預荷電+三相紊流筒高效洗滌組合技術”煙氣除塵工藝路線高效可靠。以某明膠企業的9萬Nm3/h風量磷酸氫鈣車間改造工程為例，該工程項目實現了排放煙氣顆粒物濃度≤80mg/Nm3，顆粒物排放速率＜1kg/h除塵效果，優于省內排放限值。聯合設備除塵率達98%以上，可消除排放筒大量揚塵現象，改善生產環境。

（2）經濟效益顯著。配套設備簡單有效，吸收液為清水，同時配合液膜發生器進行氣液混合，噴淋覆蓋率高達300%，液氣比低至6L/Nm3，具備布置靈活、操作簡單、能耗低和占地面積小等特點。

（3）配套設備使用壽命長。荷電器的主體材質采用2205兩相不銹鋼，可有效對抗煙氣中氯化鈣鹵素離子導致的電化學反應腐蝕，整機使用壽命達20年，極板極線壽命根據現場實際工況而定。三相紊流筒高效洗滌塔主體材質采用特種玻璃鋼，耐磨蝕、耐腐蝕且結構、管路簡單流暢，可有效避免堵塞現象，在＜100℃工況條件下，整機使用壽命達25年。

綜上，通過結合分析煙塵性質和行業特點，采用“粉塵預荷電+三相紊流筒高效洗滌組合技術”煙氣除塵工藝路線，具備顯著的環保減排效益和降低能耗的經濟效益，并能長期保證設備的高效穩定。該工藝可為廣東省乃至全國的明膠企業骨制磷酸氫鈣生產實現減排優化提供一種可行可靠的技術參考和工藝借鑒。