磷復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，石學勇，焦士杰，王金剛

（中國-阿拉伯化肥有限公司，河北 秦皇島 066003）

近10 年我國電力行業對排放尾氣進行了深度治理，燃煤發電裝置基本達到尾氣超凈排放。從2016 年開始，我國磷復肥行業也走上了尾氣深度治理之路，在現有標準GB 16297—1996 對顆粒物最高允許質量濃度120 mg/m3的基礎上，將指標大幅度降低到30 mg/m3以下。2019年行業提出更高目標，開始研究消除有色煙羽（俗稱大白煙）難題，目標是無可視排煙生產。電廠尾氣治理歷經濕法脫硫脫硝、干法深度除塵、換熱升溫消白、綜合治理幾個階段，有許多可借鑒的技術。但磷復肥生產有自身的特點，如脫硫脫硝不是重點、沒有可利用的高溫熱氣、燃煤粉塵和肥料粉塵差異大等，因此磷復肥行業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方案，以及最經濟合理的消除大白煙方法。筆者通過比較幾種主要技改方案，根據企業自身情況，對技改方案選擇提出建議，為磷復肥尾氣深度治理提供參考。

1 技改思路

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

減排的關鍵是將兩級洗滌后的尾氣在排空前再進行一次除塵處理，尾氣處理由兩級變為三級。靜電除塵是大幅度降低粉塵的有效設備，針對洗滌后的尾氣，濕式靜電除霧器（以下簡稱濕電）是最佳選擇。在電力行業廣泛使用的管束除塵技術（以下簡稱管束）成熟，效率較高，也可選用。聯合使用濕電和管束，可確保達到尾氣超凈排放。減排可以單獨用濕電，也可聯合管束混合除塵。

消白的關鍵是降低排氣飽和度，使其遠離露點。尾氣在離開煙囪與大氣混合的降溫及稀釋過程中，不到露點則不會析出冷凝液；如果極短時間觸碰到露點，少量析出冷凝液來不及匯聚成白色煙霧，也能達到消白效果。現有二級洗滌尾氣實際上都是飽和狀態，升高尾氣溫度就能降低飽和度。電廠普遍采用余熱升溫，磷復肥裝置沒有余熱就用蒸汽加熱。鑒于磷復肥裝置排放尾氣溫度普遍比電廠尾氣低，通過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稀釋尾氣，也可以降低飽和度，達到消白效果。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，大部分磷復肥裝置都要進行減排技改。如還要消白，則需要進行消白技改。尾氣深度治理可以分步實施，也可一步到位，進行除塵和消白綜合治理，但設備較多，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，真實地減少了排放到大氣中的顆粒物，保護大氣。濕電捕集顆粒物的原理是向電場空間輸送直流負高壓，通過空間氣體電離，煙氣中粉塵顆粒和霧滴顆粒荷電后在電場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不斷的下降水膜將粉塵沖洗去除。

濕電特點：除霧、除塵效率高，一般可達到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；運行穩定。

現在工業化應用的濕電主要分為管式及板式兩種，優劣比較如下。

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。因為板式靜電除霧器陰極和陽極的間距是不均勻的（如圖1），這導致電場不均勻，進而造成了電場強度的不均勻，效率降低。而管式陰極和陽極間距差距小，形成的電場強度相對均勻，除霧效率更高。

圖1 濕電陰極和陽極的布置方式

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，設備體積更大。

②板式靜電除霧器運行時耗水量大。因為板式陽極管主要依靠其表面的一層均勻水膜進行保護，水膜需要連續噴淋而成，從而增加了額外的水量消耗。新設計的微分板式靜電除霧器，結構復雜，阻力較大。

③板式靜電除霧器優點：陽極板平整，不易結垢且方便清理；適合大風量除塵；金屬材料陽極板設備強度高，不易損壞或漏氣，維護工作量較小。

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

2.2 管束和濕電聯合除塵方案

管束除塵由3 層洗滌和離心分離兩部分組成。尾氣先經噴淋層洗滌去除粒徑較大的粉塵，減少進入后工序的粉塵總量；然后到達塔中部離心管束式除塵裝置，進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、導流環、匯流環及外層管束等構成［1］。

管束除塵能實現對粒徑1～10 μm的顆粒物的脫除，對于粒徑2.5 μm 以上的顆粒物脫除效率達到95%以上，對小粒徑的脫除效率則大幅度下降，總體脫除效率70%以上。當入口ρ（粉塵）為100 mg/m3時，出口ρ（粉塵）可降至30 mg/m3。

以2.1 節復合肥裝置為例，主要設備選型計算結果：洗滌塔直徑6 m，高24 m，3臺噴淋循環泵流量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。系統總阻力1 800 Pa，增壓風機功率280 kW。

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

采用管束和濕電聯合除塵方案，當入口粉塵含量不高時，管束除塵就夠用，可不開濕電除塵，以節省運行費用。此方案聯合除塵效率高，超凈排放效果好，但系統阻力和設備投資較大。

2.3 冷卻再混消白除塵方案

磷復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（經常達到100%相對濕度），后者正好相反。磷復肥尾氣溫度一般為30 ～70 ℃，攜帶大量水分，如果能將尾氣冷卻，則會析出約1/3 的水分。析出的大量水分會形成較大液滴，對粉塵形成捕捉作用，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象。如果用自然空氣作為冷源，在冷卻尾氣的同時，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高12 ℃以上，則煙囪排放尾氣不再凝結出水分，實現消白。

冷卻再混的關鍵設備是換熱器，其原理為氣-氣熱交換。飽和尾氣通過板式換熱器降溫后，凝結出大量的水分，同時利用水分凝結時放出大量的潛熱來加熱鼓入換熱器內的環境干空氣，使其溫度升高。然后再將升溫后的干空氣用風管引入煙囪末端與降溫脫水后的尾氣混合，混合尾氣相對濕度降低，從而降低其露點，使尾氣排出后很短時間內達不到露點，即短時間內沒有或很少尾氣水分凝結成水霧，實現消白。同時，冷凝析出的大量水分形成大液滴，捕捉尾氣中的有害物質，尾氣通過換熱器后，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 節復合肥裝置為例，冷卻再混消白方案，計算結果見圖2。

圖2 冷卻再混方案工藝流程及計算結果

由圖2 可知，冷卻再混方案混合后尾氣溫度33.7 ℃，較露點高12.7 ℃，實現消白。同時，內煙囪ρ（粉塵）降至≤50 mg/m3。

2.4 除塵消白綜合方案

如果要同時達到超凈排放和消白，則需要進行除塵消白綜合治理。通過冷卻-升溫的方式減少尾氣攜帶水分的同時降低其相對濕度，遠離露點實現消白；通過濕電除塵去除顆粒物，實現超凈排放。組合方式為冷卻-濕電-升溫-排放。

綜合治理中設置冷卻環節的原理：根據空氣溫度-含濕量圖（見圖3），尾氣冷卻降溫時會凝結出大量的水分，實質性減少尾氣攜帶的濕度。假設環境空氣溫度0 ℃，70%相對濕度；尾氣溫度40 ℃，飽和濕度。尾氣先冷卻到18 ℃，后續只要升溫到25 ℃即可遠離露點，實現消白，如圖3所示為A→D→E→C過程。如果沒有冷卻在先，單靠升溫來實現遠離露點，必須將尾氣加熱到112 ℃，才能消除白煙，如圖3所示為A→B→C過程。如此大的溫升必然消耗大量蒸汽，消白代價巨大。冷卻的真正價值體現在后續加熱升溫環節溫度升高較少，節省能耗。

圖3 尾氣單純升溫與冷卻后升溫過程

以2.1 節復合肥裝置為例，除塵消白綜合治理，冷卻環節計算結果為：尾氣冷卻到18 ℃，板式換熱器換熱面積2 500 m2，熱負荷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 ℃，循環冷卻水量1 500 m3/h，設置冷水塔，采用雙路供水管線，方便冬季和夏季不同的操作，循環水泵功率132 kW。后面加熱升溫到37 ℃，蒸汽消耗量低，實現冬季-10 ℃消白，基本做到四季無大白煙。

在冷卻后升溫前，配置一臺濕電，確保超凈排放，創造磷復肥生產既無拖尾又無大白煙的新景觀，尾氣排放達到世界先進水平。

本方案設備較多，一次性投資較高。冷卻器和濕電，會給系統增加較多阻力，需要增加1臺風機提供動力。系統運行中動力設備較多，電耗增加。在冬季惡劣條件下消白產生較多冷凝水，需要合理安排尾洗系統回用，做到不外排廢液。

3 技改方案綜合比較

以2.1 節復合肥裝置為例，從目標、效果、設備、運行成本和投資對4種尾氣深度治理方案進行綜合比較，詳見表1。

表1 復合肥尾氣深度治理技改方案綜合比較

由表1可知，各方案主要設備是濕電和板式換熱器，配套克服阻力的風機、給排氣升溫的加熱器、洗滌泵、循環水站。方案1 和方案3 設備較少，裝機容量也小。運行成本來自兩個方面，一是設備的用電費用，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。冷凝液來自濕電去除液和尾氣冷卻時析出的水分，方案1和方案2沒有尾氣冷卻，冷凝液較少，系統消化沒有壓力。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，系統消化最難。

綜合比較來看，方案3以消白為主要目標，裝機容量、系統阻力、運行成本、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，裝機容量較大，運行成本中等。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、裝機容量、運行成本都最大，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

對于廣大的磷復肥生產企業，選擇尾氣深度治理技改方案時需要考慮的因素包括當地政府對尾氣排放要求程度、當地氣候條件、生產裝置富裕壓力、洗滌液處理能力、投資與運行成本。企業可根據自身條件和當地政府要求，做出最適合的選擇，節省投資，降低運行成本。

（1）如果不追求超凈排放，但對視覺觀感比較敏感，則可以選擇方案3（投資最省，運行成本最低），以最少的投入獲得最佳的收益。尤其對南方企業，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。

（2）如果對減排要求高，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。缺點是運行費用較高，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，付出的代價是運行成本高。適合中型和大型企業，也可以作為尾氣治理分步實施的第一步，先達到減排要求，視情況再增加尾氣冷卻，轉變成方案4，實現完美消白效果。分步實施分散了投資，減少籌資壓力。

（3）如果對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，但運行費用中等。本方案可獲得一年四季消白的效果，同時ρ（顆粒物）有望達到低于5 mg/m3的超凈排放水平。對于有實力的企業，建議選擇本方案，一次性解決減排和消白問題，提前應對未來更嚴格的環保要求。

4.2 尾氣治理技改必須注意的兩個問題

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

（2）尾氣洗滌系統水平衡問題。消白過程中，可能有較多的水分從尾氣中冷凝下來或被濕電除下，造成洗滌液大幅度增加，超出現有裝置尾氣洗滌系統承受能力。需要在生產過程中精心調整，就地消化。在冬季最冷的時候，如無法消耗，則要在消白和水平衡中做出適當妥協，以保證廢液不外排。