管束式除尘器与德国Munter公司DS8200旋流板气液分离器的 比较与分析
2014年以来，为了加快雾霾的解决，我国各地陆续提出了燃煤烟气“超低/超净/近零”排放的要求，即达到或者低于燃气轮机“50355”（NOx≤50mg/Nm3、SO2≤35 mg/Nm3、烟尘≤5 mg/Nm3）的排放限值。 自2012年1月1日开始施行的新《火电厂大气污染物排放标准》颁布后，我国火电厂新建或升级改造的电除尘器/电袋除尘器/布袋除尘器，大多按照出口烟尘排放值≤30 mg/Nm3的排放标准设计，但由于布置在除尘器之后的石灰石石膏湿法脱硫（以下简称“湿法脱硫”）对烟尘的脱除效率一般为50%左右[1,2]，且对微米级烟尘细颗粒的除尘效率不足20%[3]。因此，对于除尘器出口一次烟尘浓度值在30mg/Nm3的烟气，经过湿法脱硫吸收塔排向大气后，仅一次烟尘排放浓度这一项必定超过5 mg/Nm3。 此外，由于烟气经湿法脱硫后将携带一定量的浆液雾滴，湿法脱硫塔顶通常设置以机械惯性分离为原理的波纹板除雾器（以德国Munter公司的产品为代表），来减少脱硫浆液雾滴对外排放。按照湿法脱硫的设计规范，我国屋脊式布置的波纹板除雾器出口浆液雾滴浓度的设计规范值为≤75 mg/m3，而脱硫浆液的含固量为15%~20%，因此，湿法脱硫除雾器后的浆液固体颗粒物浓度最大值可以达到15mg/Nm3。这部分经除雾器脱除后仍然存留在烟气携带浆液雾滴中的固体颗粒物，将额外增加经湿法脱硫后的烟气烟尘排放浓度。
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根据湿法脱硫后的烟气性质分析，目前经湿法脱硫后的烟气要实现“超低/超净/近零”排放要求的烟尘浓度≤5 mg/Nm3的指标和解决“脱硫石膏雨”问题，最有效的是通过在湿法脱硫后增设高效湿式电除尘（雾）器的方法。
但湿式静电除尘器的占地大，投资、运行和维护费用高，以及存在运行中极板及金属部件易腐蚀和需废水处置等问题，许多电力企业在具体实施湿式电除尘器中遇到了很多的困难。
然而在2014年底，市场上突然横空出现了一种所谓的“30进5出的管束式除尘器”，宣称用其替代常规湿法脱硫屋脊式除雾器，无需设置湿式电除尘器，就能满足烟尘排放≤5mg/Nm3的超低排放要求。（所谓的30进5出，指的是只要进入湿法脱硫的一次烟尘浓度≤30mg/Nm3，管束式除尘器就可以保证湿法脱硫出口总烟尘浓度小于5mg/Nm3）。
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经过一系列眼花缭乱的网络媒体宣传，以及一些“专家”和“环保监测”为“管束式除尘器”站台后，所谓的比湿电节省成本70%以上、无需额外占地、改造工期大幅缩短的
“30进5出的管束式除尘器”霎时间红遍了大江南北。
一些正规脱硫厂家在“劣币驱逐良币”的严酷市场压力面前，也只好纷纷跟进效仿。一时间各种改头换面的号称可以实现“超低排放”的“高效”湿法脱硫机械除雾器层出不穷，原本世界上迄今最严的烟尘浓度排放≤5 mg/Nm3环保指标被中国人轻易地“攻克”了！
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管束式除尘器的真实情况是怎样？真有这么神奇的超净效果吗？为什么屡有采用管束式除尘器后反而下起更严重“烟囱雨”的议论出现？下面通过管束式除尘器与德国Munter公司的机械旋流板汽水分离器的结构对比分析来挖掘真相。
通常的单根“管式旋流机械除尘器”采用三级机械旋流板气液分离器中间夹两个文丘里管组合而成，再沿湿法脱硫塔的横截面“束”在一起，所以简称为“管束式除尘器”，如下图1（a）所示。
机械旋流板汽水分离器是国际著名的除雾器生产厂家德国Munter公司（世界湿法脱硫屋脊式波纹除雾器的主要供应商，也是我国大多数湿法脱硫波纹除雾器生产厂家模仿的对象）开发的一种气液分离的设备，其型号为DS8200，直径一般为2 m。德国Munter公司的DS8200机械旋流板除雾器主要用于化工行业的气液分离。
“管束式除雾器”与德国Munter公司的DS8200旋流板气液分离器的内部结构示意图及对比如下图1所示。
图1（a）单根管式旋流机械除尘器；（b）Munter公司的旋流板气液分离器
从图1可以对比看出，“管式机械旋流除尘器”实现气液分离的旋流片结构及分离原理，与德国Munter公司的DS8200旋流板气液分离器一致，主要不同的是德国DS8200旋流板气液分离器，其分离后含有颗粒物的液体落入旋流板上方的直径扩大腔室，脱离与向上气体的接触，避免了气液的二次夹带，同时扩大段内收集的液体经底部溢出口排出，也避免了富集的液体被二次夹带。
而作为“管束式除尘器”单元的“管式机械旋流除尘器”，虽然烟尘与雾滴随气流经过旋流板时，一同被惯性甩至文丘里圆锥壁面，且其中一部分烟尘与壁面上雾滴富集所形成的液膜接触而进入到液膜中，但由于向上的烟气与向下的液膜逆向接触，导致已经被液膜捕集的烟尘，一部分又随被气流二次夹带的雾滴而重新回到烟气中。
（发明管束式除尘器的脱硫公司称烟尘被液膜收集这种现象为“湮灭”，是一种低水平“忽悠”的典型。见下图2所示。因为所谓的“湮灭”，在物理学上有明确的定义，指的是正物质与反物质相撞后，整个物质消失全部转换为能量。而在湿法脱硫塔中，烟气携带的部分烟尘经管束式除尘器惯性分离后，只是进入到液膜中，显然没有消失。而且如果分离措施不当，还将与液膜中的浆液固体颗粒物一同被烟气二次携带排到大气中。）
图2 管束式除尘器所谓的“湮灭”原理介绍
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管束式除尘器的第一个典型的错误是，通过的烟气易二次携带经旋流收集的浆液，导致除雾效率下降。如上图1所示，与德国Munter公司的DS8200旋流板气液分离器不同是，管束式除尘器内旋流甩到筒体内壁面上，形成的向下不断流动的液体同所含的烟尘，仍与向上的气流逆向直接接触，另外由于旋流板上部文丘里的喉口流速的提高和液膜在文丘里自制路由器天线
束口的富集，使大量已分离的含尘浆液易被气流二次夹带进入下一级的旋流板，直至排出到烟囱。这就是为什么“管式机械旋流除尘器”采用三级旋流板，反而出现更严重“脱硫烟囱雨”的原因。
管束式除尘器第二个典型的错误是，旋流除雾效率与二次烟气携液量互为矛盾，除雾效果差。根据Muters公司DS8200的试验数据，最低气液惯性分离流速是5m/s，低于这一流速，将由于旋流惯性分离能力不足，而导致大颗粒浆液被携带穿过管束式除尘器。不考虑阻力损失，气流速度越高，旋流惯性分离能力越强，除雾效果越好。但由于管束式除尘器没有DS8200所特有的气液分离扩大腔（专利产品），而是在旋流板后直接串接一个缩口提速文丘里管，加剧了烟气二次携液量，大大抵消了旋流除雾的效率。
管束式除尘器第三个典型的错误是，束在一起的“管式机械旋流除尘器”，对脱硫塔截面的气流分布均匀性要求非常高。德国Munter公司的DS8200气液分离器在化工行业应用一般都是对应单根大约2m直
径的大管。而一台百万机组的“管束式除尘器”却是将上千根约400mm直径较小的“管式机械旋流除尘器”（如下图3所示），沿湿法脱硫塔横截面“束”在一起，这就存在气流分布不均影响气液分离效率的问题。因为每根“管式机械旋流除尘器”所通过的气流不可能完全一致，每根“管式机械旋流除尘器”的气液分离效率和阻力可能因气流分布的不均而大不相同，进而导致整体除雾效果下降。
图3管束式除尘器顶视照片
管束式除尘器对机组负荷变化的适应性差。按照满负荷烟气量设计，则低负荷时，可能由于旋流片惯性分离力不足，导致除雾效果大幅下降；按照低负荷烟气量设计，则高负荷时，除了阻力大幅增加外，由于二次携液量提高，同样导致除雾效果下降。
因此，从以上对比及分析可以看出，“管束式除尘器”是一种错误“山寨”德国Munter 公司DS8200气液分离器的低效湿法脱硫除雾器，既不可能实现烟尘小于5mg/Nm3的超低排放指标，且还加剧了“脱硫烟囱雨”和细微颗粒物的排放。
参考文献：
[1] M.T. Nielsen, H. Livbjerg, C. L. Fogh, et al. Formation and emission of fine particles from two coal-fired power plants[J]. Combustion science and technology, 2002, 174(2): 79-113.
[2] 王珲, 宋蔷, 姚强, 陈昌和. 电厂湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物脱除作用的实验研究[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(5): 1-7.
[3] 鲍静静, 刘杭, 潘京, 马明雪, 王健行, 杨宏旻, 杨林军. 石灰石-石膏法脱硫烟气PM2.5排放特性[J]. 热力发电. 2014, 43(10): 1-7.
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