火電廠濕法脫硫石膏雨和白霧治理措施及效果分析

周洪光，李延兵

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

0 引言

目前全國90%以上的燃煤機組都安裝有煙氣脫硫裝置，其中濕法煙氣脫硫裝置占95%以上?；痣姀S燃煤鍋爐的煙氣經(jīng)過濕法脫硫裝置后，煙氣中含有粉塵、石膏、石灰石等固體顆粒物和液態(tài)水，煙氣溫度一般為50℃左右，處于飽和狀態(tài)。煙氣在經(jīng)過煙道和煙囪排入大氣時，由于與外界存在散熱其溫度會進一步降低，汽態(tài)水凝結(jié)后會析出更多的液態(tài)飽和水，其中部分直徑較大的固體顆粒物：液態(tài)水在煙囪周圍飄落下來形成石膏雨，一些細微固態(tài)顆粒物、液態(tài)水與汽態(tài)水飄入空中，在大氣中凝結(jié)成細小的液態(tài)水珠形成“白霧”[1-2]。

1 石膏雨及白霧現(xiàn)象的表現(xiàn)形態(tài)

石膏雨是指煙氣從煙囪排出來后飄落下來的雨中含有固體顆粒物的現(xiàn)象，這些固體顆粒物不單純指石膏(CaSO4·2H2O)，還包括一些粉塵和石灰石。石膏雨按嚴(yán)重程度可分為輕微石膏雨和嚴(yán)重石膏雨。對于輕微石膏雨而言，在煙囪周圍能明顯看見雨滴飄落現(xiàn)象，但肉眼看不見雨滴中的固體顆粒物；對于嚴(yán)重石膏雨而言，在煙囪周圍不但能明顯看見雨滴飄落現(xiàn)象，而且肉眼能看見雨滴中的固體顆粒物。白霧是指煙氣從煙囪排出來后形成的白色煙霧。白霧是煙氣中處于濕飽和狀態(tài)的蒸汽在排出煙囪時遇冷凝結(jié)而形成的細微水珠現(xiàn)象。

2 石膏雨及白霧的形成途徑

石膏雨主要來自煙氣在吸收塔中未除凈的固體物、液態(tài)水和煙氣在煙道及煙囪中降溫的冷凝水。形成“石膏雨”現(xiàn)象的原因主要有吸收塔內(nèi)除霧效果不好，凈煙氣攜帶石膏漿液和液態(tài)水、煙囪中冷凝水的“二次夾帶”和環(huán)境氣象條件三個方面。

2.1 吸收塔內(nèi)除霧效果不好，凈煙氣攜帶石膏漿液和液態(tài)水

濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，吸收塔出口凈煙氣溫度一般為50℃(煙煤)或55℃(褐煤)。煙氣成分中固體狀態(tài)的粉塵和石膏與煙氣中液態(tài)水混合形成石膏漿液，以液體狀態(tài)存在于煙氣中，另外煙氣成份中還包括氣體狀態(tài)的CO2、NOx、SO2、O2和H2O等。煙氣最重要的特性是處于濕飽和狀態(tài)，由于環(huán)境溫度總是低于煙氣溫度，因此當(dāng)煙氣排入大氣時會因環(huán)境吸熱而造成煙氣濕度增加，甚至降溫析出飽和水。

鍋爐排出的煙氣在脫硫吸收塔中經(jīng)石灰石漿液洗滌，脫硫工藝水蒸發(fā)使凈煙氣中含水量增加，同時攜帶大量的石膏漿液，除霧器前其固液含量高達10g/m3左右。以一臺600MW機組為例，除霧器前凈煙氣中氣態(tài)水約220t/h，液態(tài)水17～18t/h，固體顆粒物約2.5～2.7t/h。以一臺1000MW機組為例，除霧器前凈煙氣中汽態(tài)水約350t/h，液態(tài)水量27～30t/h，固體顆粒物約4t/h(見表1)。

表1燃煤機組凈煙氣(除霧器入口)含水量計算值t/h

項 目600MW機組1000MW機組A電廠B電廠C電廠D電廠汽態(tài)水217.80222.10345.80354.60液態(tài)水16.8017.8026.6027.80固體(石膏+粉塵)2.522.673.994.17

為了去除煙氣中的石膏漿液，一般在吸收塔出口或凈煙道上安裝有除霧器。雖然大部分的石膏漿液或液滴能被除霧器去除，但還是有一部分石膏漿液或液滴隨煙氣排出。特別是在煙氣流場不均、流速過高或除霧器型式、布置不合理、除霧器效果變差時，凈煙氣中留存的石膏漿液或液滴會更多。凈煙氣中的這些石膏漿液和液態(tài)水是形成“石膏雨”現(xiàn)象的根本原因。

2.2 煙囪中冷凝水的“二次夾帶”

處于濕飽和狀態(tài)的凈煙氣在流經(jīng)煙囪的過程中，會在煙囪的內(nèi)壁上產(chǎn)生凝結(jié)水，單機600MW機組凈煙氣冷凝水約15t/h，單機1000MW機組凈煙氣冷凝水約20t/h(見表2)，其中一部分凝結(jié)水順壁面向下排除，另一部分凝結(jié)水由于煙囪形狀、內(nèi)壁不光滑和煙速高等原因被煙氣“二次夾帶”排入大氣，在煙囪的周圍形成“石膏雨”。

表2 燃煤機組凈煙氣(煙囪出口)含水量計算 t/h

2.3 環(huán)境氣象條件

環(huán)境氣象條件主要是指環(huán)境溫度和相對濕度對石膏雨的影響。由于濕法煙氣脫硫后煙氣處于濕飽和狀態(tài)，環(huán)境溫度越低，散熱量越大，煙氣中汽態(tài)水就會凝結(jié)得越多，更易形成“石膏雨”現(xiàn)象。因此，對我國而言，南方地區(qū)一般只會在冬天出現(xiàn)“石膏雨”現(xiàn)象，而在北方地區(qū)由于環(huán)境溫度較低，出現(xiàn)的“石膏雨”現(xiàn)象的幾率相對較大。

環(huán)境相對濕度的大小反應(yīng)了環(huán)境空氣的飽和程度。對于相對濕度較大的南方地區(qū)，較易形成“石膏雨”現(xiàn)象，而對于北方地區(qū)，空氣較干燥，較難形成“石膏雨”現(xiàn)象。

3 石膏雨及白霧現(xiàn)象治理要素分析

石膏雨及白霧現(xiàn)象從源頭上細分來自吸收塔、煙道及煙囪和環(huán)境等三個環(huán)節(jié)，分六種情形：固體顆粒、液態(tài)水；煙道冷凝水、煙囪冷凝水；環(huán)境冷凝水和白霧(見表3)[3-4]。

表3石膏雨及白霧現(xiàn)象治理要素

項目吸收塔環(huán)節(jié)煙道及煙囪環(huán)節(jié)環(huán)境環(huán)節(jié)固體顆粒攜帶液態(tài)水煙道內(nèi)壁冷凝水煙囪內(nèi)壁冷凝水環(huán)境冷凝水白霧治理前形態(tài)吸收塔內(nèi)的凈煙氣在進入除霧器前,其固液含量高達10g/m3,大部分顆粒粒徑1000～2000μm,少部分15～20μm,是形成石膏雨的主要原因煙道及煙囪內(nèi)壁冷凝物的不斷增多使細小的液滴匯集成較大的液滴,混入煙氣形成“二次夾帶”進入煙氣中,顆粒粒徑大約1000～5000μm凈煙氣從煙囪排出后,遇冷降溫后會形成直徑大約1μm的細小水滴,這些細小水滴在環(huán)境溫度低的時段或濕度大的地區(qū)會偶爾形成輕微石膏雨,在其他條件表現(xiàn)為白霧現(xiàn)象危害性對宏觀環(huán)境無害,但局部有污染、腐蝕對宏觀環(huán)境無害,但局部有污染、腐蝕對宏觀環(huán)境無害,無污染、腐蝕治理措施吸收塔除霧、除塵煙道和煙囪有組織水氣分離疏水,控制煙囪內(nèi)流速;凈煙氣加熱一般無需治理

石膏雨不會增加煙塵、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放總量，從宏觀上講不會對整個環(huán)境造成影響，但是由于石膏雨的pH值很低，其酸性較強，會對飄落范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物等設(shè)施造成局部污染，因此石膏雨現(xiàn)象是需要治理的。

4 石膏雨及白霧現(xiàn)象的治理措施

石膏雨及白霧現(xiàn)象的治理措施主要從吸收塔、煙道及煙囪2個環(huán)節(jié)著手。在吸收塔內(nèi)，通常設(shè)置除霧器，可凈化去除煙氣中的固體顆粒物和液態(tài)水，從而減輕石膏雨及白霧現(xiàn)象。在煙道及煙囪內(nèi)，通過去除凈煙氣中的凝結(jié)水來治理石膏雨，可采用兩類方法：一類是對凈煙氣中的凝結(jié)水采取分離措施避免凝結(jié)水“二次夾帶”；另一類則是采用加熱汽化法，即選取某種熱源，將脫硫后凈煙氣加熱使其中的液態(tài)水變成汽態(tài)水，減輕石膏雨及白霧現(xiàn)象。上述2個環(huán)節(jié)是從兩個不同側(cè)面著手，必須同時采取措施。有的電廠石膏雨治理達不到理想的效果，其主要原因之一就是只片面提高吸收塔的除霧效果，而不去除凈煙氣中的凝結(jié)水。

當(dāng)煙氣從煙囪排出后因環(huán)境溫度、濕度等原因產(chǎn)生的輕微石膏雨和白霧現(xiàn)象無法再采取專門的治理措施，但通過前面兩個環(huán)節(jié)的治理，石膏雨和白霧現(xiàn)象會得到有效的抑制，以至于不再需要對第三個環(huán)節(jié)采取專門的治理措施。

4.1 吸收塔環(huán)節(jié)石膏雨治理措施

在吸收塔內(nèi)通過提高除霧效果從源頭去除煙氣中的固體顆粒物和液態(tài)水，一般在設(shè)計時采取以下措施[4-5]：

(1)合理選擇吸收的直徑，控制吸收塔內(nèi)空塔煙氣流速不大于3.5m/s，對應(yīng)除霧器處的煙氣流速不大于5m/s，整體上有利于提高除霧器對粉塵和液滴的去除效率。

(2)優(yōu)化除霧器進出口煙氣流場，盡量使煙氣均勻通過除霧器，避免局部煙氣流速過高影響除霧器對粉塵和液滴的去除效率。

(3)選用兩級或三級高效除霧器(屋脊式配管式除霧器)，使凈煙氣液滴含量由通常的75～100mg/m3降低到50mg/m3。

在運行上，控制吸收塔內(nèi)漿液密度、液氣比、pH值等參數(shù)保持在設(shè)計范圍內(nèi)，讓石膏充分結(jié)晶，減少凈煙氣中細微石膏顆粒的攜帶。

600MW、1000MW機組凈煙氣(除霧器出口)含水量的計算值(凈煙氣液滴含量按50mg/m3計)見表4。從表4中可以看出，當(dāng)除霧器效果較好時(凈煙氣液滴控制在50mg/m3以下)，單機600MW、1000MW機組除霧器出口凈煙氣液態(tài)水和固體漿液只有110或160kg/ h左右，石膏雨現(xiàn)象較輕。

表4燃煤機組凈煙氣(除霧器出口)含水量計算值t/h

項 目600MW機組1000MW機組A電廠B電廠C電廠D電廠汽態(tài)水217.80222.10345.80354.60液態(tài)水0.0930.0950.1430.148固體(石膏+粉塵)0.0170.0180.0250.026

4.2 煙道及煙囪環(huán)節(jié)石膏雨治理措施

在煙道及煙囪環(huán)節(jié)，通過去除凈煙氣中的凝結(jié)水來治理石膏雨及白霧現(xiàn)象。有兩類方法可以通過技術(shù)經(jīng)濟比較后分別采用：一是采取凝結(jié)水分離措施避免凝結(jié)水“二次夾帶”；二是對凈煙氣進行加熱使凝結(jié)水汽化來治理石膏雨及白霧現(xiàn)象。

4.2.1 采取凝結(jié)水分離措施避免“二次夾帶”

(1)對煙囪及煙道內(nèi)煙氣流場進行分析，在煙囪或煙道內(nèi)壁設(shè)置凝結(jié)水分離槽，讓煙囪或煙道內(nèi)壁煙氣的凝結(jié)水有組織分離后排出，避免煙氣中冷凝水的“二次夾帶”。

(2)設(shè)計時合理選擇煙囪內(nèi)徑，控制煙囪內(nèi)部煙氣流速一般不超過18m/s(在煙囪出口處可采用縮口的辦法提高煙氣排放速度)，可有效抑制煙氣對液滴的攜帶量和二次夾帶，從而控制石膏雨。

4.2.2 凈煙氣加熱汽化法

(1)回轉(zhuǎn)式GGH加熱法。回轉(zhuǎn)式GGH加熱法是用原煙氣的熱量來加熱凈煙氣到80℃左右。但此方法會使煙氣阻力增加1000～1500Pa，折算增加煤耗0.5～1.0g/(kW·h)，缺點是系統(tǒng)復(fù)雜、投資高、易堵塞、故障率高，另外回轉(zhuǎn)式GGH有1%左右的漏風(fēng)率，降低脫硫效率。

(2)閉式循環(huán)水作介質(zhì)的原煙氣加熱法。利用水作為換熱介質(zhì)，用原煙氣的熱量間接加熱凈煙氣到80℃左右。該方法也會增加煙氣阻力800～1000Pa，折算增加煤耗0.8～1g/(kW·h)。

(3)利用管式GGH原煙氣直接加熱法。通過管式GGH，用原煙氣的熱量加熱凈煙氣到80 ℃左右。管式GGH會增加煙氣阻力500～600Pa，折算約增加煤耗0.6g/(kW·h)。

(4)利用蒸汽加熱凈煙氣的方法(SGGH)。采用壓力4～10bar、溫度在200 ℃左右蒸汽作為加熱介質(zhì) ，通過管式GGH將凈煙氣加熱到80 ℃左右。此系統(tǒng)運行費用高，需要一定的蒸汽，增加了汽機的熱耗，SGGH也會增加煙氣阻力600Pa左右，此方案約增加煤耗2g/(kW·h)。

(5)利用鍋爐二次風(fēng)直接加熱凈煙氣的方法 。利用鍋爐二次風(fēng)直接將脫硫后的凈煙氣加熱到80 ℃左右。此方法系統(tǒng)簡單，初投資低，但需增加10～15%的二次風(fēng)量，鍋爐效率下降0.5%左右，煤耗增加1.5～2g/(kW·h)，同時二次風(fēng)會攜帶粉塵，使凈煙氣的粉塵濃度增加。

5 石膏雨和白霧治理措施效果分析

石膏雨和白霧治理各項措施優(yōu)缺點及效果分析見表5。治理效果以A、B、C、D、E五個等級表示，其中A為優(yōu)秀，B為良好，C為有效，D為無效，E為無法采用。

表5石膏雨和白霧治理措施效果分析

治理措施吸收塔環(huán)節(jié)煙道及煙囪環(huán)節(jié)環(huán)境環(huán)節(jié)固體顆粒攜帶液態(tài)水煙道冷凝水煙囪冷凝水環(huán)境冷凝水白霧控制石膏結(jié)晶CCDDDD優(yōu)化除霧器進出口煙氣流場CCDDDD控制除霧器煙氣流速(5m/s)CCDDDD高效除霧器或加一級管式除霧器CCDDDD在煙道上設(shè)濕式電除塵器CCCDDD煙道設(shè)凝結(jié)水分離槽CCCDDD煙囪內(nèi)壁設(shè)置凝結(jié)水分離槽CCCCDD控制煙囪內(nèi)煙氣流速CCCCDD凈煙氣加熱法EECCCC加熱到80℃EEBBBB加熱到100℃EEAAAA

總體效果評價：控制石膏結(jié)晶、優(yōu)化除霧器進出口煙氣流場、控制除霧器煙氣流速(5m/s)、高效除霧器或加一級管式除霧器、在煙道上設(shè)濕式電除塵器、在煙道上設(shè)置凝結(jié)水分離槽、在煙囪內(nèi)壁設(shè)置凝結(jié)水分離槽、控制煙囪內(nèi)煙氣流速等8條措施基本消除石膏雨，偶爾有酸雨，存在白霧現(xiàn)象；凈煙氣加熱法加熱到70℃左右石膏雨明顯減輕，北方基本上一年四季有白霧，南方冬季有白霧；凈煙氣加熱法加熱到80℃左右基本消除石膏雨，北方冬季有白霧，南方冬季在煙囪遠處有白霧；凈煙氣加熱法加熱到90℃左右消除石膏雨，南方北方基本上一年四季無白霧。

6 結(jié)語

在裝有濕法煙氣脫硫裝置的電廠中普遍存在石膏雨及白霧現(xiàn)象。此現(xiàn)象形成的根本原因在于從吸收塔排出的凈煙氣中含有固體顆粒物和液態(tài)水以及汽態(tài)水在煙道和煙囪中的凝結(jié)。治理石膏雨的根本任務(wù)就是減少凈煙氣中的這些固體顆粒物和液態(tài)水。對于從吸收塔排出的凈煙氣中的固體顆粒物和液態(tài)水可以通過優(yōu)化除霧器的效果來減輕；對于汽態(tài)水在煙道和煙囪中凝結(jié)的問題，可通過技術(shù)經(jīng)濟比較采用在煙道和煙囪中設(shè)置汽水分離裝置或?qū)魺煔饧訜岬姆椒p輕石膏雨及白霧現(xiàn)象。由于對凈煙氣加熱的辦法初投資高、能耗大、故障率多，一般較少采用，建議采用在煙道和煙囪中設(shè)置汽水分離裝置的方法，此方法不但能有效地減輕石膏雨，而且初投資和故障率均較低，無需能量消耗。

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