导语：与300MW以上大型火力发电锅炉相比，数量巨大的中小锅炉、烧结机、焦炉煤气、陶瓷炉窑等废气源，存在气源成分复杂、负荷变化大、烟尘颗粒物含量高的特点，成为烟尘颗粒物深度治理的瓶颈。以流体力学为原理构造相互叠加的微旋流环境，达到超细烟尘颗粒物高速碰撞、集结、脱除的高效除尘装置，已在国内一些中小型燃煤锅炉电厂运投使用，不但除尘效果良好，运投成本也十分经济。
一、研发背景
(一)政策导向
2014年09月12日 ,国家发展改革委、环境保护部、国家能源局关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的通知，就燃煤发电行业的节能减排提出了新的要求和升级改造“时间表”。一系列的战略举措表明，基于更加严格排放标准的超洁净排放将成为燃煤发电行业的“新常态”。
“严控大气污染物排放”是该《行动计划》的核心内容。值得关注的是，本次《行动计划》是“十二五”期间对燃煤发电机组大气污染物排放要求的第三次提升：要求在京津冀、长三角、珠三角等“三区十群”19个省(区、市)47个地级及以上城市执行大气污染特别排放限值;此次《行动计划》则明确要求东部地区基本达到燃气轮机组排放限值。
为推动央企节能减排任务的实现，国家能源局发布了《关于印发2015年中央发电企业煤电节能减排升级改造目标任务的通知》，对八大中央发电企业提出了明确的节能减排升级改造任务。为落实国家能源局关于大气污染防治和煤电节能减排升级改造的目标要求，各省均加强污染物排放监测监管力度。山东省排出了燃煤机组超洁净排放改造时间表：2018年年底前，10万千瓦及以上的燃煤机组全部完成超洁净排放改造任务。
“十三”五期间，面对国家全面提升燃煤锅炉污染物排放标准，超细颗粒烟尘排放的治理面临时间紧、任务重、技术壁垒高的现实问题。一般的中小企业不具备研究开发新技术的人员优势、经济实力，能够从中脱颖而出的也是为数不多的、具有技术和经济实力的少数企业。
(二)适用技术匮乏
现有的技术路线：对SO2<50mg/Nm3、尘<20mg/Nm3排放要求，可采取静电除尘器、脱硫塔、除雾器改造的方式实现;对SO2<35mg/Nm3、尘<5mg/Nm3排放要求，普遍采用增加湿式电除尘器的技术路线。但存在投资高、运行费用高、改造工期长、改造难度大的局限。
(三)至清时光优势
立足电力环保高端市场，至清时光拥有完全自主研发、自主知识产权的湿法脱硫技术;2008年开发的双回路竖喷湿法脱硫工艺系统取得国家专利(专利号：200820109213.8)，并得到广泛应用;具有自主知识产权的“高效微旋流除尘除雾装置”(4H高效微旋流除尘除雾技术)，以下简称“4H技术”或“4H装置”，已获国家实用新型专利(专利号：201520594074.2)。
二、技术介绍
(一)研究开发问题的提出
传统的燃煤锅炉颗粒物烟尘控制设备，普遍采用电除尘器、布袋除尘器、电袋一体除尘器，在较好的工况下，颗粒物烟尘排放可控制在30mg/Nm3左右。最近新兴的湿式电除尘器，可使烟尘排放低于30mg/Nm3，但不能完全达到“50355”要求，而且面临改造周期长、改造投资高、运行费用多的客观瓶颈。
开发一种结构相对简单、投资相对较低、运营费用经济、改造周期短、稳定达到国家超洁净烟尘排放标准的高效除尘除雾装置，在国家大力提倡节能减排、超洁净排放的今天，具有广泛的实用价值和明显的现实意义。
(二)超细烟尘颗粒的流体力学特征
燃煤锅炉排放的超细烟尘颗粒处于多相流环境，具有以下特点：
1、颗粒是分散相，粒径大小不一，运动规律各异;
2、由于固体颗粒与液体介质的运动惯性不同，颗粒与液体介质存在着运动速度的差异，即相对速度;
3、颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互碰撞和摩擦对运动有较大影响;
4、湍流条件下，气流的脉动对颗粒的运动规律以及颗粒的存在对气流的脉动速度均有相互影响;
5、由于流场中压力和速度梯度的存在、颗粒形状不规则、颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互作用等原因，会产生颗粒的旋转，从而产生升力效应。
(三)燃煤锅炉烟尘的湿润性特征
烟尘颗粒与液体接触后能否相互附着的难易程度性质，称为烟尘的湿润性。根据被水湿润的程度，烟尘分为疏水性烟尘和亲水性烟尘两大类。疏水性烟尘与液体接触时，接触面趋于缩小而不能附着，烟尘不易湿润。随着烟尘粒径的减小、压力降低、温度升高，烟尘的湿润性降低。
锅炉烟尘中大多数属于亲水性烟尘，但少量的黑色碳颗粒、微量金属片状颗粒亲水性差,表面不易被液体润湿，成为烟尘超洁净排放的障碍。
(四)研究开发遵循的原则
减少燃煤锅炉颗粒物烟尘排放的最大难点，是如何实现对烟尘中超细烟尘颗粒(5um及以下)的控制。研究开发的目的，是在对烟尘中超细颗粒烟尘的物理特性、不同工况流体运动中的状态进行充分研究分析基础上，建立流体力学模型，探索适合控制超细烟尘颗粒(5um)的最佳装置结构。
研究开发遵循以下原则：1、旋流结构下的湍流环境，有利于对超细烟尘颗粒的控制;2、旋流结构下，运动产生压力差形成的流体加速度，对超细烟尘颗粒的控制起决定性作用。
(五)研究开发的环境基础
产品研发流体力学分析，建立在基于ANSYS的FULENT前处理环境基础上。在研发产品图纸基础上，提取开发产品的几何特征，建立开发产品的几何模型。由于开发产品大多不具有对称性，往往需要建立整体模型。ANSYS读入PRO/E的模型文件，进行网络划分及边界条件施加。鉴于模型的复杂性，选择ANSYS带中间节点的四面点单元SOLID92，以进行复杂边界的拟合、提高计算精度。FULENT读入ANSYS前处理文件，对边界条件进行修改、对模型进行缩放，最后进行模型的初始化完成求解。
(六)4H装置的流场模拟
四个工况流场模拟图，分别检验4H装置在其他条件不变的情况下，对粒径为15um、10um、8um、5um以下烟尘颗粒的脱除情况。如图所示，4H装置可以完全脱除粒径为15um、10um、8um的烟尘颗粒，粒径5um以下工况的烟尘脱除率达80%以上，按照重量百分比折算，远低于5mg/Nm3排放标准。
(七)4H装置的技术特点
4H装置具有高除尘效率、高除雾效率、高节水效率、高节能效率四大特点。入口烟尘不超过30mg/Nm3时，配备单套4H装置，排放烟尘可稳定控制在5mg/Nm3以下;净烟气雾滴含量可稳定控制在35mg/Nm3 以下;4H装置运行不耗电，阻力与除雾器相当，运行费用是常规技术的10%—20%。
(八)4H装置的结构特征
1、高效微旋流除尘除雾装置，结构包括不同螺距的微旋流叶片、内构部件、装置外壳。结构特征：外壳包裹着微螺旋叶片、内构件;外壳、微螺旋叶片总行程高度由设计条件确定。
2、遵循的流体力学理论特征：1、旋流结构下的湍流环境，有利于对超细烟尘颗粒的控制;2、旋流结构下，运动产生压力差形成的流体加速度，对超细烟尘颗粒的控制起决定性作用。
3、安装于燃煤锅炉湿法烟气脱硫系统吸收塔内。适应的湿法烟气脱硫系统工艺包括石灰石石膏法工艺、镁法工艺、氨法工艺、电石渣等废碱液工艺。
4、在吸收塔内位置特征：位于喷淋层上方。若干单元装置蜂窝布置成高效微旋流除尘除雾系统。
(九)冲洗水系统
高浓度烟尘工况的冲洗水系统
当入口烟尘超过50mg/Nm3时，4H装置设一套冲洗水循环系统，系统设备主要有:冲洗水箱、冲洗水泵、过滤水泵、膜式过滤器、冲洗水管道及喷嘴、冲洗水收集装置等。
烟气中的超细烟尘颗粒在通过除尘装置后被去除，需要定期进行冲洗以保证其持续高效的除尘除雾效果。上水室中的工艺水通过冲洗水泵加压后送至冲洗喷嘴，对除尘装置进行冲洗，冲洗水通过收集装置汇合，经回水管道流入冲洗水箱回水室，再通过过滤水泵和膜式过滤器处理，除去冲洗水中的固体颗粒，再进入冲洗水箱上水室得以重复利用。
根据不同项目的塔径，按照4H装置的需要来设计冲洗系统的冲洗管路布置，保证能够对4H微旋流除尘除雾装置进行全面冲洗，冲洗水母管的布置可以使每个喷嘴基本运行在平均水压。
三、试验装置
4H试验装置，着重对开发产品的质量及不同工况的阻力、结垢、除尘效率、除雾效率进行检验测试，检验测试结论作为研发及模具、产品生产的改进依据。
(一)试验装置
(二)结垢、冲洗试验分析
(三)系统阻力试验分析
四、产品生产
单元产品生产包括模具生产、批量产品注塑加工、微雕切割、塑料焊接组装、产品质量检验环节。
(一)模具生产
(二)焊接组装
五、工程应用
(一)保定工程业绩
至清时光承担了保定市东方家园、双彩、金昌三个小区锅炉烟气深化治理工程的承包建设工作，已竣工投运。第三方检测机构提供的监测报告显示，氮氧化物、二氧化硫、烟尘排放均优于合同规定的排放标准。
东方家园、双彩、金昌小区锅炉规模分别为3×20t/h、2×20t/h、2×20t/h的供热锅炉。深化治理工艺：烟气脱硫采用双碱法脱硫工艺;烟气脱硝采用SNCR脱硝工艺;末端除尘采用设置在塔顶的高效微旋流除尘除雾装置。
1、 塔内装配施工
2、 工程竣工展示
3、 竣工标识展示
4、 工程验收
2016年3月31日，北京市、河北省、保定市环保局领导对我司总承包的燃煤锅炉烟气深化治理工程进行了现场验收。专家、领导认为：工程技术先进、布局合理、工期紧凑;第三方检测机构提供的监测报告显示，氮氧化物、二氧化硫、烟尘排放均优于合同规定的标准;“4H微旋流除尘除雾”装置在控制超细颗粒烟尘超洁净排放方面效果显著，极具推广价值。
(二) 高密工程业绩
1、项目概述
高密万仁热电有限公司北厂B塔锅炉烟气脱硫工程，一期采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，并于2014年12月投入运行。 2台130t/h锅炉烟气进入一台脱硫塔进行处理，其烟气处理能力为2×130t/h锅炉BMCR工况时的100%烟气量，入塔烟气量为340120Nm3/h (标况、湿态、实际O2 )，入口烟气SO2含量按4000mg/Nm3 设计，每台锅炉配制电除尘器，除尘器出口处烟尘排放浓度不大于50mg/Nm3。环保设施要求统一执行GB13223-2011《火电厂大气污染排放标准》中火力发电锅炉大气污染物排放的浓度限值要求，即脱硫后能够达到SO2≤100mg/Nm3(标态, 干基，6%O2)排放标准，预留远期SO2≤50mg/Nm3排放标准空间。
2、超低排放改造要求
2016年根据环保超低排放要求，高密万仁热电有限公司城北电厂进行脱硫除尘改造，二期脱硫除尘改造要求为脱硫后能够达到SO2≤35mg/Nm3，烟尘≤5mg/Nm3排放标准。
3、改造方案
经过招标，改造方案采用北京至清时光的专利技术脱硫除尘一体化“4H高效微旋流除尘除雾装置”，实现超低排放要求。
改造主要任务是提高原有脱硫系统的脱硫效率和除尘效率，使吸收塔出口烟气达到SO2浓度(6%O2，干态)≤35 mg/Nm3，烟尘浓度(6%O2，干态)≤5 mg/Nm3。改造主要涉及吸收塔本体、除雾器冲洗水系统和烟气系统，脱硫系统的其余设备保持不变。
吸收塔改造内容：在现有最下喷淋层下部增加一个4H烟气均布装置;拆除原吸收塔两级除雾器中位于底下的一级，同时在原位置安装一套高效微旋流除尘除雾装置，原吸收塔上冲洗水接口需要按实际需要改造。吸收塔改造完成后对吸收塔内部防腐进行检查并修复
除雾器冲洗水系统：深度除尘技术采用北京至清时光的专利技术“4H高效微旋流除尘除雾器”，此装置需要冲洗水，可利用原有除雾器冲洗水泵及其管道阀门以实现4H除尘除雾器的冲洗。
烟道系统：由于吸收塔改造其烟气阻力增加750pa，且原有引风机已经改造过再进行改造也无法满足运行需要，所以需要重新购买新引风机以满足运行需要(引风机购买及安装由业主负责);我司完成引风机出口后的烟道连接。
4、运行检测
改造后2016年8月2日投入运行，至今运行稳定，达到设计要求，业主方请专业的环保检测公司检测，脱硫入口含尘在70-72 mg/Nm3入口含硫2280 mg/Nm3的情况下，脱硫出口含尘为3.9-4.3 mg/Nm3出口含硫为21 mg/Nm3。
六、技术认证
(一)专利证书
2016年1月20日，至清时光自主研发的“高效微旋流除尘除雾装置”获国家实用新型专利证书。
(二)材质检验报告
(三)保定项目烟尘达标检测
改造前，保定市东方家园、双彩、金昌三个小区燃煤锅炉均采用水膜麻石塔除尘，吸收塔入口烟尘浓度高达300mg/Nm3 以上。改造中在吸收塔顶部安装一套“4H微旋流除尘除雾装置”。第三方检测机构提供的监测报告显示：出口烟尘浓度保持在15mg/Nm3 左右。
(四)保定项目烟尘超洁净排放检测
为获得准确的4H装置除尘效率数据、避免水膜麻石塔除尘效率低对检测数据的影响，委托保定环保监测站，利用改造后的保定双彩小区锅炉烟气脱硫装置，模拟锅炉运行状态、石灰石-石膏湿法脱硫工艺条件下采样检测，采用手动连续添加烟尘方式，利用4H装置对含尘废气进行处理。测试结果：入口烟尘浓度在20mg/Nm3 左右时，出口烟尘浓度在5mg/Nm3以下。
(五)潍坊市环保局烟尘超洁净排放检测报告
2016年8月中旬，潍坊市环保局对“高密万仁热电有限公司北厂B塔锅炉烟气脱硫除尘超低排放改造工程”进行烟尘排放达标检测。结果显示：在不同工况下，出口烟尘浓度稳定达到5mg/Nm3以下。
