4H高效微旋流除塵除霧技術(shù)介紹

（北京至清時(shí)光環(huán)保工程技術(shù)有限公司總經(jīng)理 ?李玢）

提要 與300MW以上大型火力發(fā)電鍋爐相比，數(shù)量巨大的中小鍋爐、燒結(jié)機(jī)、焦?fàn)t煤氣、玻璃爐窯、陶瓷爐窯等廢氣源，存在氣源成分復(fù)雜、負(fù)荷變化大、煙塵顆粒物含量高的特點(diǎn)，成為煙塵顆粒物深度治理的瓶頸。4H高效微旋流除塵除霧技術(shù)，以流體力學(xué)為原理構(gòu)造相互疊加的微旋流環(huán)境，達(dá)到超細(xì)煙塵顆粒物高速碰撞、集結(jié)、脫除的高效除塵裝置，已在國內(nèi)一些中小型燃煤鍋爐電廠運(yùn)投使用，不但除塵效果良好，運(yùn)投成本也十分經(jīng)濟(jì)。

一、研發(fā)背景

（一）政策導(dǎo)向

2014年09月12日 ,國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃（2014—2020年）》的通知，就燃煤發(fā)電行業(yè)的節(jié)能減排提出了新的要求和升級改造“時(shí)間表”。一系列的戰(zhàn)略舉措表明，基于更加嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的超潔凈排放將成為燃煤發(fā)電行業(yè)的“新常態(tài)”。

“嚴(yán)控大氣污染物排放”是該《行動計(jì)劃》的核心內(nèi)容。值得關(guān)注的是，本次《行動計(jì)劃》是“十二五”期間對燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放要求的第三次提升：要求在京津冀、長三角、珠三角等“三區(qū)十群”19個(gè)?。▍^(qū)、市）47個(gè)地級及以上城市執(zhí)行大氣污染特別排放限值；此次《行動計(jì)劃》則明確要求東部地區(qū)基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。

為推動央企節(jié)能減排任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)2015年中央發(fā)電企業(yè)煤電節(jié)能減排升級改造目標(biāo)任務(wù)的通知》，對八大中央發(fā)電企業(yè)提出了明確的節(jié)能減排升級改造任務(wù)。為落實(shí)國家能源局關(guān)于大氣污染防治和煤電節(jié)能減排升級改造的目標(biāo)要求，各省均加強(qiáng)污染物排放監(jiān)測監(jiān)管力度。山東省排出了燃煤機(jī)組時(shí)間表：2018年年底前，10萬千瓦及以上的燃煤機(jī)組全部完成超潔凈排放改造任務(wù)。

“十三”五期間，面對國家全面提升燃煤鍋爐污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，超細(xì)顆粒煙塵排放的治理面臨時(shí)間緊、任務(wù)重、技術(shù)壁壘高的現(xiàn)實(shí)問題。一般的中小企業(yè)不具備研究開發(fā)新技術(shù)的人員優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)實(shí)力，能夠從中脫穎而出的也是為數(shù)不多的、具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的少數(shù)企業(yè)。

（二）適用技術(shù)匱乏

現(xiàn)有的技術(shù)路線：對SO2＜50mg/Nm3、塵＜20mg/Nm3排放要求，可采取靜電除塵器、脫硫塔、除霧器改造的方式實(shí)現(xiàn)；對SO2＜35mg/Nm3、塵＜5mg/Nm3排放要求，普遍采用增加濕式電除塵器的技術(shù)路線。但存在投資高、運(yùn)行費(fèi)用高、改造工期長、改造難度大的局限。
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（三）至清時(shí)光優(yōu)勢

立足電力環(huán)保高端市場，至清時(shí)光擁有完全自主研發(fā)、自主知識產(chǎn)權(quán)的濕法脫硫技術(shù)；2008年開發(fā)的雙回路豎噴濕法脫硫工藝系統(tǒng)取得國家專利（專利號：200820109213.8），并得到廣泛應(yīng)用；具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“高效微旋流除塵除霧裝置”（4H高效微旋流除塵除霧技術(shù)），以下簡稱“4H技術(shù)”或“4H裝置”，已獲國家實(shí)用新型專利（專利號：201520594074.2）。

二、技術(shù)介紹

（一）研究開發(fā)問題的提出

傳統(tǒng)的燃煤鍋爐顆粒物煙塵控制設(shè)備，普遍采用電除塵器、布袋除塵器、電袋一體除塵器，在較好的工況下，顆粒物煙塵排放可控制在30mg/Nm3左右。最近新興的濕式電除塵器，可使煙塵排放低于30mg/Nm3，但不能完全達(dá)到“50355”要求，而且面臨改造周期長、改造投資高、運(yùn)行費(fèi)用多的客觀瓶頸。

開發(fā)一種結(jié)構(gòu)相對簡單、投資相對較低、運(yùn)營費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、改造周期短、穩(wěn)定達(dá)到國家超潔凈煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)的高效除塵除霧裝置，在國家大力提倡節(jié)能減排、超潔凈排放的今天，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值和明顯的現(xiàn)實(shí)意義。

（二）超細(xì)煙塵顆粒的流體力學(xué)特征

燃煤鍋爐排放的超細(xì)煙塵顆粒處于多相流環(huán)境，具有以下特點(diǎn)：

1、顆粒是分散相，粒徑大小不一，運(yùn)動規(guī)律各異；

2、由于固體顆粒與液體介質(zhì)的運(yùn)動慣性不同，顆粒與液體介質(zhì)存在著運(yùn)動速度的差異，即相對速度；

3、顆粒之間及顆粒與器壁之間的相互碰撞和摩擦對運(yùn)動有較大影響；

4、湍流條件下，氣流的脈動對顆粒的運(yùn)動規(guī)律以及顆粒的存在對氣流的脈動速度均有相互影響；

5、由于流場中壓力和速度梯度的存在、顆粒形狀不規(guī)則、顆粒之間及顆粒與器壁之間的相互作用等原因，會產(chǎn)生顆粒的旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生升力效應(yīng)。

（三）燃煤鍋爐煙塵的濕潤性特征

煙塵顆粒與液體接觸后能否相互附著的難易程度性質(zhì)，稱為煙塵的濕潤性。根據(jù)被水濕潤的程度，煙塵分為疏水性煙塵和親水性煙塵兩大類。疏水性煙塵與液體接觸時(shí)，接觸面趨于縮小而不能附著，煙塵不易濕潤。隨著煙塵粒徑的減小、壓力降低、溫度升高，煙塵的濕潤性降低。

鍋爐煙塵中大多數(shù)屬于親水性煙塵，但少量的黑色碳顆粒、微量金屬片狀顆粒親水性差,表面不易被液體潤濕，成為煙塵超潔凈排放的障礙。

（四）研究開發(fā)遵循的原則

減少燃煤鍋爐顆粒物煙塵排放的最大難點(diǎn)，是如何實(shí)現(xiàn)對煙塵中超細(xì)煙塵顆粒（5um及以下）的控制。研究開發(fā)的目的，是在對煙塵中超細(xì)顆粒煙塵的物理特性、不同工況流體運(yùn)動中的狀態(tài)進(jìn)行充分研究分析基礎(chǔ)上，建立流體力學(xué)模型，探索適合控制超細(xì)煙塵顆粒（5um）的最佳裝置結(jié)構(gòu)。

研究開發(fā)遵循以下原則：1、旋流結(jié)構(gòu)下的湍流環(huán)境，有利于對超細(xì)煙塵顆粒的控制；2、旋流結(jié)構(gòu)下，運(yùn)動產(chǎn)生壓力差形成的流體加速度，對超細(xì)煙塵顆粒的控制起決定性作用。

（五）研究開發(fā)的環(huán)境基礎(chǔ)

產(chǎn)品研發(fā)流體力學(xué)分析，建立在基于ANSYS的FULENT前處理環(huán)境基礎(chǔ)上。在研發(fā)產(chǎn)品圖紙基礎(chǔ)上，提取開發(fā)產(chǎn)品的幾何特征，建立開發(fā)產(chǎn)品的幾何模型。由于開發(fā)產(chǎn)品大多不具有對稱性，往往需要建立整體模型。ANSYS讀入PRO/E的模型文件，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分及邊界條件施加。鑒于模型的復(fù)雜性，選擇ANSYS帶中間節(jié)點(diǎn)的四面點(diǎn)單元SOLID92，以進(jìn)行復(fù)雜邊界的擬合、提高計(jì)算精度。FULENT讀入ANSYS前處理文件，對邊界條件進(jìn)行修改、對模型進(jìn)行縮放，最后進(jìn)行模型的初始化完成求解。

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（六）4H裝置的流場模擬

四個(gè)工況流場模擬圖，分別檢驗(yàn)4H裝置在其他條件不變的情況下，對粒徑為15um、10um、8um、5um以下煙塵顆粒的脫除情況。如圖所示，4H裝置可以完全脫除粒徑為15um、10um、8um的煙塵顆粒，粒徑5um以下工況的煙塵脫除率達(dá)80%以上，按照重量百分比折算，遠(yuǎn)低于5mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)。

（七）4H裝置的技術(shù)特點(diǎn)

4H裝置具有高除塵效率、高除霧效率、高節(jié)水效率、高節(jié)能效率四大特點(diǎn)。入口煙塵不超過30mg/Nm3時(shí)，配備單套4H裝置，排放煙塵可穩(wěn)定控制在5mg/Nm3以下；凈煙氣霧滴含量可穩(wěn)定控制在35mg/Nm3 ?以下；4H裝置運(yùn)行不耗電，阻力與除霧器相當(dāng)，運(yùn)行費(fèi)用是常規(guī)技術(shù)的10%—20%。
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（八）4H裝置的結(jié)構(gòu)特征

1、高效微旋流除塵除霧裝置，結(jié)構(gòu)包括不同螺距的微旋流葉片、內(nèi)構(gòu)部件、裝置外殼。結(jié)構(gòu)特征：外殼包裹著微螺旋葉片、內(nèi)構(gòu)件；外殼、微螺旋葉片總行程高度由設(shè)計(jì)條件確定。

2、遵循的流體力學(xué)理論特征：1、旋流結(jié)構(gòu)下的湍流環(huán)境，有利于對超細(xì)煙塵顆粒的控制；2、旋流結(jié)構(gòu)下，運(yùn)動產(chǎn)生壓力差形成的流體加速度，對超細(xì)煙塵顆粒的控制起決定性作用。

3、安裝于燃煤鍋爐濕法煙氣脫硫系統(tǒng)吸收塔內(nèi)。適應(yīng)的濕法煙氣脫硫系統(tǒng)工藝包括石灰石石膏法工藝、鎂法工藝、氨法工藝、電石渣等廢堿液工藝。

4、在吸收塔內(nèi)位置特征：位于噴淋層上方。若干單元裝置蜂窩布置成高效微旋流除塵除霧系統(tǒng)。

（九）沖洗水系統(tǒng)

高濃度煙塵工況的沖洗水系統(tǒng)

當(dāng)入口煙塵超過50mg/Nm3時(shí)，4H裝置設(shè)一套沖洗水循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備主要有:沖洗水箱、沖洗水泵、過濾水泵、膜式過濾器、沖洗水管道及噴嘴、沖洗水收集裝置等。

煙氣中的超細(xì)煙塵顆粒在通過除塵裝置后被去除，需要定期進(jìn)行沖洗以保證其持續(xù)高效的除塵除霧效果。上水室中的工藝水通過沖洗水泵加壓后送至沖洗噴嘴，對除塵裝置進(jìn)行沖洗，沖洗水通過收集裝置匯合，經(jīng)回水管道流入沖洗水箱回水室，再通過過濾水泵和膜式過濾器處理，除去沖洗水中的固體顆粒，再進(jìn)入沖洗水箱上水室得以重復(fù)利用。

根據(jù)不同項(xiàng)目的塔徑，按照4H裝置的需要來設(shè)計(jì)沖洗系統(tǒng)的沖洗管路布置，保證能夠?qū)?H微旋流除塵除霧裝置進(jìn)行全面沖洗，沖洗水母管的布置可以使每個(gè)噴嘴基本運(yùn)行在平均水壓。

三、工程應(yīng)用

（一）保定工程業(yè)績

至清時(shí)光承擔(dān)了保定市東方家園、雙彩、金昌三個(gè)小區(qū)鍋爐煙氣深化治理工程的承包建設(shè)工作，已竣工投運(yùn)。第三方檢測機(jī)構(gòu)提供的監(jiān)測報(bào)告顯示，氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放均優(yōu)于合同規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

東方家園、雙彩、金昌小區(qū)鍋爐規(guī)模分別為3×20t/h、2×20t/h、2×20t/h的供熱鍋爐。深化治理工藝：煙氣脫硫采用雙堿法脫硫工藝；煙氣脫硝采用SNCR脫硝工藝；末端除塵采用設(shè)置在塔頂?shù)母咝⑿鞒龎m除霧裝置。

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2016年3月31日，北京市、河北省、保定市環(huán)保局領(lǐng)導(dǎo)對我司總承包的燃煤鍋爐煙氣深化治理工程進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)收。專家、領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為：工程技術(shù)先進(jìn)、布局合理、工期緊湊；第三方檢測機(jī)構(gòu)提供的監(jiān)測報(bào)告顯示，氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放均優(yōu)于合同規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；“4H微旋流除塵除霧”裝置在控制超細(xì)顆粒煙塵超潔凈排放方面效果顯著，極具推廣價(jià)值。

（二）高密工程業(yè)績

1、項(xiàng)目概述

高密萬仁熱電有限公司北廠B塔鍋爐煙氣脫硫工程，一期采用石灰石石膏濕法脫硫工藝，并于2014年12月投入運(yùn)行。 2臺130t/h鍋爐煙氣進(jìn)入一臺脫硫塔進(jìn)行處理，其煙氣處理能力為2×130t/h鍋爐BMCR工況時(shí)的100%煙氣量，入塔煙氣量為340120Nm3/h (標(biāo)況、濕態(tài)、實(shí)際O2 )，入口煙氣SO2含量按4000mg/Nm3 ?設(shè)計(jì)，每臺鍋爐配制電除塵器，除塵器出口處煙塵排放濃度不大于50mg/Nm3。環(huán)保設(shè)施要求統(tǒng)一執(zhí)行GB132232011《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》中火力發(fā)電鍋爐大氣污染物排放的濃度限值要求，即脫硫后能夠達(dá)到SO2≤100mg/Nm3（標(biāo)態(tài), 干基，6%O2）排放標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留遠(yuǎn)期SO2≤50mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)空間。

2、超低排放改造要求

2016年根據(jù)環(huán)保超低排放要求，高密萬仁熱電有限公司城北電廠進(jìn)行脫硫除塵改造，二期脫硫除塵改造要求為脫硫后能夠達(dá)到SO2≤35mg/Nm3，煙塵≤5mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)。

3、改造方案

經(jīng)過招標(biāo)，改造方案采用北京至清時(shí)光的專利技術(shù)脫硫除塵一體化“4H高效微旋流除塵除霧裝置”，實(shí)現(xiàn)超低排放要求。

改造主要任務(wù)是提高原有脫硫系統(tǒng)的脫硫效率和除塵效率，使吸收塔出口煙氣達(dá)到SO2濃度（6%O2，干態(tài)）≤35 mg/Nm3，煙塵濃度（6%O2，干態(tài)）≤5 mg/Nm3。改造主要涉及吸收塔本體、除霧器沖洗水系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)，脫硫系統(tǒng)的其余設(shè)備保持不變。

吸收塔改造內(nèi)容：在現(xiàn)有最下噴淋層下部增加一個(gè)4H煙氣均布裝置；拆除原吸收塔兩級除霧器中位于底下的一級，同時(shí)在原位置安裝一套高效微旋流除塵除霧裝置，原吸收塔上沖洗水接口需要按實(shí)際需要改造。吸收塔改造完成后對吸收塔內(nèi)部防腐進(jìn)行檢查并修復(fù)

除霧器沖洗水系統(tǒng)：深度除塵技術(shù)采用北京至清時(shí)光的專利技術(shù)“4H高效微旋流除塵除霧器”，此裝置需要沖洗水，可利用原有除霧器沖洗水泵及其管道閥門以實(shí)現(xiàn)4H除塵除霧器的沖洗。

煙道系統(tǒng)：由于吸收塔改造其煙氣阻力增加750pa，且原有引風(fēng)機(jī)已經(jīng)改造過再進(jìn)行改造也無法滿足運(yùn)行需要，所以需要重新購買新引風(fēng)機(jī)以滿足運(yùn)行需要（引風(fēng)機(jī)購買及安裝由業(yè)主負(fù)責(zé)）；我司完成引風(fēng)機(jī)出口后的煙道連接。

4、運(yùn)行檢測

改造后2016年8月2日投入運(yùn)行，至今運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，業(yè)主方請專業(yè)的環(huán)保檢測公司檢測，脫硫入口含塵在7072 mg/Nm3入口含硫2280 mg/Nm3的情況下，脫硫出口含塵為3.94.3 mg/Nm3出口含硫?yàn)?1 mg/Nm3。

四、技術(shù)認(rèn)證

（一）專利證書

2016年1月20日，至清時(shí)光自主研發(fā)的“高效微旋流除塵除霧裝置”獲家實(shí)用新型專利證書。
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?（二）材質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告

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（三）保定項(xiàng)目煙塵達(dá)標(biāo)檢測

改造前，保定市東方家園、雙彩、金昌三個(gè)小區(qū)燃煤鍋爐均采用水膜麻石塔除塵，吸收塔入口煙塵濃度高達(dá)300mg/Nm3 以上。改造中在吸收塔頂部安裝一套“4H微旋流除塵除霧裝置”。第三方檢測機(jī)構(gòu)提供的監(jiān)測報(bào)告顯示：出口煙塵濃度保持在15mg/Nm3 左右。

(四）保定項(xiàng)目煙塵超潔凈排放檢測

為獲得準(zhǔn)確的4H裝置除塵效率數(shù)據(jù)、避免水膜麻石塔除塵效率低對檢測數(shù)據(jù)的影響，委托保定環(huán)保監(jiān)測站，利用改造后的保定雙彩小區(qū)鍋爐煙氣脫硫裝置，模擬鍋爐運(yùn)行狀態(tài)、石灰石石膏濕法脫硫工藝條件下采樣檢測，采用手動連續(xù)添加煙塵方式，利用4H裝置對含塵廢氣進(jìn)行處理。測試結(jié)果：入口煙塵濃度在20mg/Nm3 左右時(shí)，出口煙塵濃度在5mg/Nm3以下。
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?（五）濰坊市環(huán)保局煙塵超潔凈排放檢測報(bào)告2016年8月中旬，濰坊市環(huán)保局對“高密萬仁熱電有限公司北廠B塔鍋爐煙氣脫硫除塵超低排放改造工程”進(jìn)行煙塵排放達(dá)標(biāo)檢測。結(jié)果顯示：在不同工況下，出口煙塵濃度穩(wěn)定達(dá)到5mg/Nm3以下。

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