濕法脫硫超低排放改造工藝對細顆粒物遷移轉化特性影響分析

臧吳琪，侯大偉,2，楊林軍

（1.東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院，安徽 合肥 230000）

目前，煤炭仍是我國主要消耗的化石能源之一，燃煤電廠是SO2、細顆粒物主要排放源之一[1-3]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（WFGD）工藝具備高效[4]、氣液反應率快[5]、適應范圍廣等優勢[6-7]，可高效脫除煙氣中SO2，在燃煤電廠中應用廣泛。但研究發現，濕法脫硫工藝后細顆粒物的質量濃度反而升高[8]，脫硫塔出口的細顆粒物是初級PM2.5的潛在來源[9-10]。Jiang 等人[10]發現細顆粒物特性受煙溫的影響，煙溫由低到高過程中會產生固體球、空心球和散射顆粒3 種不同形式的細顆粒物，入口煙溫在120 ℃下為宜。Wu 等人[11]研究表明塔出口顆粒主要由細顆粒物組成，2.5 μm 以下的細顆粒物占96%以上，塔入口顆粒粒徑、質量濃度以及液氣比還影響出口細顆粒物的化學成分及形貌。

燃煤電廠為提高脫硫效率開展了超低排放改造，如優化噴淋層、托盤塔以及雙循環技術[12-14]。魏宏鴿等[15]對11 臺雙塔雙循環機組的測試結果顯示顆粒物的脫除效率達52.07%，比單塔雙循環系統高30%左右。徐威等[16]通過檢測數據分析出在雙塔雙循環系統后增設濕式電除塵，出口細顆粒物質量濃度可維持在1 mg/L 左右。

目前，對細顆粒物的研究多集中于單一WFGD工藝，缺少對幾種超低排放工藝脫硫除塵效果的對比分析。隨著國家超低排放標準的實施，研究超低排放工藝對細顆粒物脫除性能影響十分必要。

本文基于自行搭建的濕法脫硫超低排放工藝實驗臺及實際燃煤電廠測試數據，考察了入口煙溫對細顆粒物排放質量濃度的影響，并對比分析各超低排放改造工藝下細顆粒物脫除效率及粒徑分布的差異，以期為優化WFGD 工藝實現同步高效脫硫除塵提供參考。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗臺

圖1 為燃煤濕法脫硫系統實驗臺示意，鍋爐的額定煙氣量定為350 m3/h（標況），產生的煙氣經緩沖罐處理后進入電除塵器去除大顆粒物最后進入脫硫塔。脫硫塔高為5 750 mm，塔徑為200 mm，外層包裹保溫棉；脫硫塔上部設有絲網除霧器，用來攔截部分含塵液滴。

圖1 燃煤濕法脫硫系統實驗臺示意Fig.1 Schematic diagram of the coal-fired wet desulfurization system

1.2 實驗方法

實驗臺中脫硫塔共設有5 層噴淋，用以噴淋層數及噴淋方法改造；實驗所用脫硫漿液由燃煤電廠的脫硫石膏配制而成，充分模擬實際工況。實驗設有2 座脫硫塔：單塔雙循環系統氧化區、吸收區pH值為4.5、6.5；雙塔雙循環系統第1、2 級脫硫塔pH值為5.2、6.0。后續依據不同實驗條件，可對脫硫塔進行噴淋層、有無托盤及雙循環系統改造。雙塔雙循環系統工藝原理如圖2 所示。

圖2 雙塔雙循環工藝原理Fig.2 Schematic diagram of double-tower double-cycle system

1.3 測試方法與儀器

監測細顆粒物質量濃度、粒徑分布的儀器為電稱低壓沖擊器（ELPI+），分別在脫硫塔進出口處使用ELPI+的采樣槍采集煙氣進行在線監測分析。

2 結果與討論

2.1 塔入口煙溫對細顆粒物排放的影響

脫硫漿液中含有石膏、碳酸鈣等顆粒[17]，受塔內氣體溫度影響，漿液滴會經過干燥然后破裂[10]，破裂后液滴包裹的細顆粒物隨之脫落，因此認為煙溫對凈煙氣中細顆粒物質量濃度亦會有影響。實驗中液氣比、空塔氣速分別設定為15 L/m3、3.5 m/s。煙溫與細顆粒物排放數量的關系如圖3 所示。由圖3 可見，入口煙氣溫度由70 ℃升至150 ℃過程中，總顆粒物和夾帶產生細顆粒物的數量均增加，分別由3.26×106、2.48×106個/cm3增至4.22×106、3.31×106個/cm3。

圖3 不同入口煙氣溫度下細顆粒物排放數量Fig.3 The number of emitted fine particles at different inlet flue gas temperatures

入口煙溫升高導致煙氣與脫硫漿液間的溫差變大，氣液相間蒸發作用增強，脫硫漿液的蒸發夾帶作用增強。一方面造成漿液液滴直徑減小，不易被攔截捕捉；另一方面則導致了夾帶的細顆粒物數量增加。Jiang 等人[10]研究結果顯示，與40 ℃時相比入口煙氣溫度140 ℃時細顆粒物數量增大，最大可達1.4×108個/cm3，這是由于漿液滴蒸發速率低于顆粒移動速度，顆粒物吸附在漿液滴上落入塔內被除去，所以溫度是WFGD 過程中細顆粒物形成的主要控制因素之一。此外，入口煙溫變化過程中燃煤產生的細顆粒物數量沒有明顯影響，保持在2.3×106個/cm3附近，這表明煙氣溫度的變化主要對WFGD 過程產生影響。故可認為增加的細顆粒物主要是漿液蒸發夾帶產生的新細顆粒物，主要為脫硫過程產生的碳酸鈣、硫酸鈣以及氫氧化鈣等新化合物[18]。

2.2 噴淋層優化對細顆粒物排放的影響

2.2.1 增加噴淋層數

考慮阻力與能耗，燃煤電廠中脫硫塔內的噴淋層數一般為3～5 層。圖4 顯示了3 層、5 層噴淋層數下細顆粒物排放質量濃度。由圖4 可見，隨著噴淋層數的增加，細顆粒物的數量和質量濃度均有所下降，分別由2.52×106個/cm3、37 mg/m3降至2.33×106個/cm3、33 mg/m3，相應去除效率分別提升11.5%、18.9%左右。由2.1 節結論可知，總細顆粒物由燃煤細顆粒物和夾帶細顆粒物組成，漿液液滴數量隨著噴淋層數的增加而增加，蒸發夾帶及細小液滴的排放會增加細顆粒物排放量；但同時塔內液滴間的碰撞、聚集的可能性變大[19]，使其重力和慣性越大，漿液液滴又對燃煤煙氣具有洗滌作用。后兩者的作用比夾帶作用更明顯，從而降低了出口細顆粒物數量。

圖4 不同噴淋層數下細顆粒物排放數量Fig.4 The number of emitted fine particles under conditions with different number of spray layers

另外，脫硫漿液對大顆粒物的捕集作用更為明顯[20]，而大顆粒物質量占比更大，所以凈煙氣中細顆粒物質量濃度去除效率提高的更多。圖5 顯示了不同噴淋條件下粒徑10.00 μm 以下顆粒的數量分布。

圖5 不同噴淋層數下細顆粒物粒徑分布情況Fig.5 Size distribution of fine particles under conditions with different number of spray layers

由圖5 可見，相較于3 層噴淋，5 層噴淋對粒徑0.04～0.26 μm 的顆粒物去除量增加明顯，其中粒徑0.07 μm 左右的細顆粒物數量減少最為明顯，約減少了0.25×106個/cm3。可見，增加噴淋層數有利于亞微米級及以下細顆粒物的脫除，而WFGD 過程中產生的細顆粒物也集中在亞微米級[20]，所以增設噴淋層對凈煙氣中細顆粒物的脫除具有重要作用。

2.2.2 增設清水噴淋層

清水噴淋層對燃煤飛灰有良好的洗滌效果[21]，實驗將第5 層噴淋層設為清水噴淋層，探究增設清水噴淋層對細顆粒物的洗滌效率影響，結果如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可見：增設清水噴淋層后細顆粒物的數量和質量濃度分別平均減少了0.31×106個/cm3、6.7 mg/m3；對粒徑0.10 μm以下細顆粒物的去除效率最高。增設清水噴淋層的細顆粒物去除效果要優于5 層脫硫漿液噴淋系統，細顆粒物數量和質量濃度的脫除效率分別提高了5.77%、8.39%。由于脫硫漿液是由燃煤電廠的石膏漿液配制而成，含有石膏顆粒[17]，而脫硫漿液經噴頭霧化形成的小液滴容易被蒸發夾帶出脫硫塔，因此會出現總細顆粒物數量和質量濃度高于燃煤產生的細顆粒物的情況（2.1 節）。頂部加設1 層清水噴淋層同時起到了洗滌漿液液滴和煙氣的作用，增加對細顆粒物的洗滌強度，從而降低了其數量和質量濃度。

圖6 漿液噴淋與清水噴淋下細顆粒物排放特性Fig.6 Emission characteristics of fine particles with slurry spraying and clean water spraying

圖7 漿液噴淋與清水噴淋下細顆粒物粒徑分布Fig.7 Size distribution of fine particles with slurry spraying and clean water spraying

2.3 增設托盤促進細顆粒物脫除

在脫硫塔噴淋層下加設托盤形成的托盤塔系統是目前重要超低排放改造工藝。圖8 顯示了添加孔隙率為35%的圓形開孔托盤前后細顆粒物脫除性能。由圖8 可見，托盤塔系統凈煙氣中細顆粒物數量和質量濃度均明顯低于傳統脫硫塔，去除率分別提升19.5%、38.1%左右。塔內氣流流場不均時，更多的漿液會隨煙氣一起排出[22]。增設托盤后，塔內自下而上流動的煙氣經過托盤塔被其上篩孔分成均勻的一股股氣流，脫硫液滴經噴頭噴出下落到托盤上，并可形成具有一定高度的液層[23]，這增加了托盤上氣液兩相接觸時間及面積，增強了氣液兩相之間的傳質作用[19]，提高了對細顆粒物的洗滌、攔截效果。

圖8 托盤塔系統對細顆粒物脫除性能影響Fig.8 Effect of tray tower system on emission characteristics of fine particles

2.4 雙循環系統促進細顆粒物脫除

圖9 顯示了傳統脫硫系統與雙循環系統凈煙氣中的細顆粒物數量和質量濃度。

圖9 雙循環系統細顆粒物的脫除性能Fig.9 Emission characteristics of fine particles in the double-cycle system

由圖9 可見，在初始細顆粒物質量濃度相近情況下，雙塔雙循環系統2 級脫硫塔對細顆粒物去除效率最高，約為72.1%，出口的細顆粒物質量濃度低至8.77 mg/m3。

圖10 為雙循環系統細顆粒物的粒徑分布。由圖10 可以看出，雙塔雙循環系統對不同粒徑細顆粒物的攔截去除效率均最佳。雙循環系統脫硫除塵效果好是因為系統內實行pH值分區。煙氣先進入低pH值的氧化區，有利于碳酸鈣中和及亞硫酸鈣氧化[24]、粗顆粒物脫除，且有利于石膏結晶，結晶析出的石膏晶粒粗大；因此煙氣再進入高pH值區后可提高脫硫效率且減弱漿液夾帶作用[13,24]。因而在雙塔雙循環系統中煙氣經過2 次噴淋洗滌[25]，在2 級塔中液滴與顆粒物的碰撞幾率變大[20]，故細顆粒物脫除效率進一步得到提高。

圖10 雙循環系統細顆粒物的粒徑分布Fig.10 Size distribution of fine particles in the double-cycle system

2.5 燃煤電廠雙循環系統細顆粒物排放情況

在實際某燃煤電廠雙循環系統中測試凈煙氣中細顆粒物的質量濃度分布，實際運行參數見表1，塔入口細顆粒物質量濃度為35.8 mg/m3時測試結果如圖11 所示。由圖11 可見，雙塔2 級塔出口煙氣中細顆粒物質量濃度最低，對細顆粒物的脫除效率接近80%，比單塔雙循環系統效率高20%以上，實現了對SO2和細顆粒物同步高效去除。因此，在場地面積及工程投資允許的情況下，使用雙塔雙循環系統是同步脫硫除塵的最佳方式。

表1 某燃煤電廠雙循環系統設計參數Tab.1 Design parameters of the doulbe-cycle system of an actual coal-fired power plant

圖11 某燃煤電廠細顆粒物排放測試結果Fig.11 Test results of fine particles emission from an actual coal-fired power plant

3 結論

1）入口煙氣溫度與凈煙氣中細顆粒物數量呈正相關，煙溫升高使得蒸發夾帶的脫硫漿液數量增加，則夾帶產生的細顆粒物數量增加。

2）增設噴淋層以及增加清水噴淋層均可以提高細顆粒物的脫除效果，特別是粒徑0.10 μm 左右細顆粒物的去除效果提升明顯，相比之下加設清水噴淋層的效果更佳。

3）脫硫塔內加設托盤通過均化塔內流場和形成持液層，提高脫硫除塵的效果。與常規濕法脫硫相比，托盤塔系統對細顆粒物數量與質量濃度的去除率分別提升19.5%、38.1%左右。

4）雙循環系統超低排放工藝利用pH值分區原理促進細顆粒物的脫除，其中煙氣在雙塔雙循環系統中經過2 次噴淋洗滌后凈煙氣細顆粒物質量濃度最低。