濕法脫硫系統(tǒng)“石膏雨”問題的成因及解決對策

翁衛(wèi)國，張軍，李存杰

（浙江大學(xué)熱能工程研究所，能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（WFGD）技術(shù)被認(rèn)為是最有效的燃煤機(jī)組SO2控制技術(shù)[1]，是我國應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)，截至2012年底占我國煙氣脫硫技術(shù)的90%以上。早期安裝的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)都配套有煙氣換熱裝置（GGH），以提高煙氣抬升高度，利于煙氣擴(kuò)散排放，同時(shí)還能有效減少煙氣中過飽和水汽冷凝[2-3]。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，GGH 部件常出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕、換熱元件堵塞等問題，影響了WFGD 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。新建濕法煙氣脫硫機(jī)組大多采用了不裝設(shè)GGH 的方案[2-6]，原有的WFGD 系統(tǒng)也開始取消GGH 裝置[3]。無GGH 裝置的WFGD 系統(tǒng)投產(chǎn)后，雖不存在吸收塔后GGH 堵塞的問題，但由于無煙氣再熱措施，排煙溫度降低，帶有飽和水的凈煙氣在排出過程中部分冷凝形成液滴，排出后難以有效抬升，充分?jǐn)U散到大氣中，煙氣中攜帶的石膏漿液聚集在煙囪附近，落到地面形成“石膏雨”，雨滴蒸發(fā)后形成較難清理的固體痕跡，不僅嚴(yán)重影響電廠周邊環(huán)境與居民生活，甚至腐蝕設(shè)備[6]。隨著國家污染物控制標(biāo)準(zhǔn)及地方法規(guī)日益嚴(yán)格，石膏雨的控制已成為燃煤電廠亟需解決的難題之一。

1 “石膏雨”的成因分析及檢測

1.1 “石膏雨”的成因分析

石膏雨是由石膏漿滴、飛灰、霧滴組成復(fù)雜的混合物，主要包括未能被除霧器除去的石膏漿液及凈煙氣中飽和水形成的冷凝液滴。

吸收塔出口凈煙氣中的石膏漿液主要來源于噴淋層噴嘴霧化后的細(xì)微漿液滴。程永新等[7-9]研究表明，石膏漿液經(jīng)噴嘴霧化后霧滴直徑一般在900～3000μm，經(jīng)碰撞后會產(chǎn)生少量直徑在15μm左右霧滴，粒徑小于15μm 的霧滴難以在除霧器中被捕集，進(jìn)入煙囪后會形成“石膏雨”。

凈煙氣中的冷凝液滴即“雨”主要是來至煙氣飽和水蒸氣。濕煙氣中水蒸氣在煙囪上升過程中，由于煙氣壓力降低，絕熱膨脹后促使煙氣降溫，形成非常細(xì)小的水滴（直徑＜1μm），而且在煙囪內(nèi)部，由于受慣性力的作用，煙氣夾帶的水滴撞到煙道和煙囪壁上，并與壁上冷凝液結(jié)合，并受氣流影響重新被帶入煙氣，這些重新被帶出的液滴直徑通常在100～500μm[10]。

飛灰也是石膏雨的重要組成部分。董雪峰等[11]研究表明，“石膏雨”中固體雜質(zhì)的主要成分為CaSO4·2H2O（44.02%）、SiO2（34.88%）、Al2O3（5.58%）和CaCO3（3.05%），結(jié)果表明“石膏雨”的固體成分中不僅只含有石膏本身，而且還有很大一部分的以SiO2和Al2O3為主的固體雜質(zhì)顆粒，而這些固體雜質(zhì)又是顆粒物的重要組成部分。

煙氣經(jīng)過WFGD 系統(tǒng)后至吸收塔出口時(shí)，凈煙氣溫度在45～55℃，已達(dá)到濕飽和狀態(tài)，此時(shí)煙氣中的二氧化硫、三氧化硫等酸性氣體以及煙氣中各種固態(tài)顆粒物與水蒸氣和從除霧器中逃逸的霧滴發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，易形成氣溶膠，當(dāng)這些氣溶膠被煙氣夾帶后，也可以隨煙氣排放到周圍環(huán)境中，因此氣溶膠也是“石膏雨”中不容忽視的組成部分。同時(shí)在沒有GGH 的情況下，進(jìn)入煙囪的煙氣溫度較低，造成煙氣排出溫度偏低，而較低的排出溫度使得凈煙氣抬升高度相對較低、擴(kuò)散能力相對較差，其中一些來不及擴(kuò)散、蒸發(fā)的大液滴就會降落至煙囪周邊，形成“石膏雨”[12]。

根據(jù)對無煙氣再熱系統(tǒng)的“濕煙囪”的調(diào)研及理論計(jì)算表明，可察覺的液滴的沉降區(qū)域通常在以煙囪為中心、半徑為800 m 的范圍內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 理論計(jì)算的煙囪出口霧滴沉降軌跡

目前國內(nèi)火電機(jī)組WFGD 裝置的設(shè)計(jì)中，凈煙氣側(cè)霧滴濃度保證值一般是75mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6% O2），然而關(guān)于煙氣霧滴濃度限值的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、霧滴濃度測試技術(shù)較為薄弱，其監(jiān)管、約束能力受到限制。表1 是國內(nèi)部分脫硫機(jī)組凈煙氣中霧滴濃度的現(xiàn)場測試值。

從表1 中可以看出，實(shí)際電廠凈煙氣中霧滴濃度波動范圍較大，在69～355mg/m3，600MW 及以上機(jī)組霧滴濃度排放未能達(dá)到75mg/m3要求的比例較大。目前我國新建機(jī)組的裝機(jī)容量一般以600MW 及其以上為主，因此如不加以控制，未來火電機(jī)組WFGD 的霧滴排放達(dá)標(biāo)率可能會繼續(xù)下降，“石膏雨”問題將持續(xù)突出。因此需及時(shí)出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、推廣相關(guān)技術(shù)約束WFGD 的霧滴排放，以有效控制“石膏雨”問題。

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為“石膏雨”的形成與GGH、除霧器、煙囪等設(shè)備因素以及吸收塔煙氣量與煙氣流速、液氣比、排煙溫度等設(shè)計(jì)或運(yùn)行因素有關(guān)；另外，環(huán)境氣候、天氣變化和季節(jié)等因素也對“石膏雨”的形成有一定關(guān)系。按照影響因素可以分為設(shè)備設(shè)計(jì)及運(yùn)行、操作參數(shù)及外界環(huán)境3 種原因，如表2 所示。

表1 國內(nèi)部分電廠WFGD 凈煙氣側(cè)霧滴濃度

（1）WFGD 系統(tǒng)取消GGH 后，煙氣排煙溫度降低，煙氣抬升及擴(kuò)散能力減弱，易導(dǎo)致煙氣攜帶的石膏漿液液滴在煙囪附近落地，這是形成石膏雨的主要原因。

（2）除霧器入口煙氣分布不均，加重局部除霧器堵塞現(xiàn)象，煙氣流動通道變小，煙氣流速增加，攜帶石膏漿液能力進(jìn)一步加強(qiáng)。

（3）煙氣在吸收塔內(nèi)的流速超過設(shè)計(jì)值，除霧器的效果將大大降低，甚至失效，除霧器也會在高速的煙氣下發(fā)生二次攜帶現(xiàn)象，石膏漿液將會隨煙氣被帶入煙囪，形成凈煙氣帶漿現(xiàn)象。

（4）漿液pH 值高，漿液中碳酸鈣濃度增大，易在除霧器表面形成結(jié)垢，造成除霧器的堵塞，從而形成“石膏雨”。

表2 “石膏雨”形成的影響因素

（5）煙囪壁面粗糙造成夾帶液滴量增加。

（6）當(dāng)?shù)販囟?、氣壓較低或在陰霾天氣時(shí)，“石膏雨”現(xiàn)象會更嚴(yán)重。

1.2 “石膏雨”的檢測

“石膏雨”是由多種組分組成的復(fù)雜的混合物，目前國內(nèi)外還沒有專門針對“石膏雨”的檢測方法，本文通過綜述國內(nèi)外霧滴、以SO3為首的氣溶膠及固體顆粒物3 種石膏雨主要組成的測試方法來探討“石膏雨”的檢測方法，具體內(nèi)容見表3。

從表3 中可以看出，檢測“石膏雨”可采用的方法主要包括兩種技術(shù)路線，一是采樣后的化學(xué)分析法，另一種是電荷法或光學(xué)法等物理化學(xué)法。兩種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如化學(xué)法雖然簡單、方便但其精度偏低，容易受到采樣及操作人員的影響，且只能間歇式檢測；光學(xué)法精度高，受干擾因素小，能實(shí)時(shí)檢測等優(yōu)點(diǎn)，但儀器復(fù)雜，成本高，且缺少相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)等缺點(diǎn)。

2 “石膏雨”問題解決對策

通過對“石膏雨”形成影響因素分析表明采取合理的措施，可以從除霧器選型優(yōu)化布置、脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、增設(shè)濕式靜電除塵器及煙氣再加熱等方式減輕甚至消除“石膏雨”現(xiàn)象。目前“石膏雨”的解決途徑主要有以下幾方面。

2.1 除塵設(shè)備及脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行優(yōu)化

脫硫系統(tǒng)中通過對除霧器的選型及布置優(yōu)化可以保證除霧器性能的良好發(fā)揮。此外，除塵器規(guī)范化運(yùn)行有利于降低脫硫設(shè)施原煙氣中粉塵含量，為脫硫塔運(yùn)行提供保證。除霧器的定時(shí)定量沖洗、控制煙氣流速、規(guī)范化運(yùn)行脫硫設(shè)施，也有利于石膏雨現(xiàn)象的緩解和治理。

2.1.1 除霧器選型

平板式除霧器設(shè)計(jì)流速一般在3.5～4.5m/s 左右，屋脊式除霧器設(shè)計(jì)流速一般為3.8～7m/s 左右，屋脊式除霧器具有更寬的煙氣流速的適應(yīng)范圍。煙氣通過屋脊式除霧器內(nèi)葉片法線的流速小于塔內(nèi)水平截面的平均流速，由于流通面積增大而使得煙氣流速減小，煙氣帶漿量減少。此外，屋脊型除霧器的結(jié)構(gòu)較平板型除霧器更穩(wěn)定，可以耐受的溫度較高，因此吸收塔宜選用能有效減少漿液夾帶和安全性更好的屋脊式除霧器。

在設(shè)計(jì)除霧器沖洗系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮沖洗面選擇、沖洗水壓力、沖洗強(qiáng)度、噴嘴角度、沖洗頻率、沖洗水水質(zhì)等。在設(shè)計(jì)上對漿液循環(huán)泵至噴嘴入口處的管道、噴淋層及管件等沿程阻力應(yīng)詳細(xì)計(jì)算，確定準(zhǔn)確的循環(huán)泵揚(yáng)程，保證噴嘴的霧化效果[7]。

2.1.2 除霧器布置優(yōu)化

在吸收塔設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加大除霧器底部與最高層噴淋層的間距，漿液經(jīng)噴嘴霧化后的細(xì)小液滴團(tuán)聚形成直徑較大的液體，通過重力沉降進(jìn)入漿液池內(nèi)。屋脊式除霧器底部與最高層噴淋層中心線的距離一般要求在2～2.5m。吸收塔出口底緣與除霧器頂部的距離根據(jù)廠家要求至少大于1m，一般取1.5m 左右[14]，通過加大除霧器與其他設(shè)備的舉例，提高除霧器內(nèi)的流場均勻性，減少局部流速超限，減少石膏漿液的“二次攜帶”現(xiàn)象，減輕“石膏雨”現(xiàn)象。

2.2 尾部煙道設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2.1 凈煙氣再熱

提高排煙溫度可有效提高凈煙氣抬升高度，以減少或消除“石膏雨”。電廠GGH 是抬升煙氣溫度的最有效方法，能使WFGD 出口煙溫從45～55℃提高到80℃左右；而對于沒有GGH 的機(jī)組，可以通過鍋爐空氣的熱二次風(fēng)對凈煙氣進(jìn)行提溫，采用熱二次風(fēng)加熱脫硫后凈煙氣具有投資小、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但鍋爐熱效率略有降低。

國華臺山發(fā)電有限公司臺山電廠在滿足鍋爐正常運(yùn)行的前提下，通過抽取部分熱二次風(fēng)注入脫硫后凈煙氣，提升排煙溫度，以減少或消除“石膏 雨”[16]。Lü 等[27]在某2×300MW 機(jī)組上使用熱二次空氣對凈煙氣進(jìn)行加熱，并使用軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果證明熱二次空氣進(jìn)入凈煙氣管道，并與之混合，迅速提升凈煙氣溫度，使煙氣抬升高度升高，“石膏雨”的現(xiàn)象消除。

2.2.2 凈煙道/煙囪的相關(guān)改造

陳牧等[7，12]對濕法脫硫后煙囪出口煙氣液滴夾帶進(jìn)行了充分的分析，提出通過控制煙囪內(nèi)煙氣流速、采用合理的筒型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)液滴回收裝置等措施，解決出口煙氣液滴夾帶問題。為實(shí)現(xiàn)在“濕煙囪”內(nèi)有效收集煙氣帶入的液滴及防止煙囪內(nèi)壁上的液體被二次攜帶，要求內(nèi)筒形線及內(nèi)襯表面應(yīng)盡可能地平滑，煙囪排煙筒內(nèi)煙氣流速不得超過酸液液膜撕裂的臨界流速[7]。德國標(biāo)準(zhǔn)對“濕煙囪”內(nèi)的煙氣臨界流速提出了嚴(yán)格的要求，規(guī)定機(jī)組滿負(fù)荷下煙囪煙氣流速不能超過16m/s。美國電力研究院也對各種內(nèi)壁材料的二次夾帶臨界速度的研究，提出了煙囪筒內(nèi)煙氣流速推薦值，如表4 所示。

表3 石膏雨的測量方法

表4 對不同煙囪內(nèi)壁材料選型建議的煙氣流速

除此之外，采用較小液氣比、除霧器壓差控制、漿液pH 值控制、漿液密度以及運(yùn)行上的優(yōu)化均能不同程度減輕甚至消除“石膏雨”的現(xiàn)象。

2.3 增設(shè)濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器（WESP）除了能有效去除煙氣中煙塵和石膏漿液顆粒，由于其沖洗水對煙氣有洗滌作用，在SO3和硫酸霧等氣溶膠的去除上也有良好的應(yīng)用效果。WFGD 飽和煙氣中攜帶的水滴在通過高壓電場時(shí)可被捕獲，降低煙氣中總攜帶水量，從而進(jìn)一步減小“石膏雨”的形成概率。國際上，WESP 已被廣泛應(yīng)用于制酸和冶金等行業(yè)酸霧和細(xì)微顆粒物控制，日本中部電力碧南電廠五臺機(jī)組使用WESP 后，顆粒物的排放濃度長期穩(wěn)定在2～5 mg/m3，表明WESP 能高效地除去煙氣中的煙塵和石膏雨微液滴[28]；美國Bruce Mansfield Plant的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示，WESP 對SO3酸霧的去除效率可達(dá)76%～92%，Deepwater 電廠對非酸顆粒的控制效率在95%～97%，對硫酸的脫除效率高于90%，NB 電力的Coleson Cove 電廠WESP 將硫酸排放控制在5μL/L(干氣)以下（3%O2的情況下）[29-30]。WESP 能有效地去除石膏漿液液滴、SO3酸霧、水滴和PM2.5等顆粒物，而上述這些物質(zhì)是組成“石膏雨”的主要成分，因此，WESP 是未來控制“石膏雨”問題的有效方法。

3 “石膏雨”的監(jiān)管

對于“石膏雨”問題的控制來說，一方面需要防治技術(shù)的不斷提升，另一方面則需要相關(guān)監(jiān)管政策。目前國內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組WFGD 系統(tǒng)的“石膏雨”監(jiān)督管理方面還處在空白期，因此盡早確立相關(guān)規(guī)章制度，積極開展“石膏雨”監(jiān)督檢查工作：①建議把WFGD 排放煙氣中霧滴含量指標(biāo)納入發(fā)電企業(yè)常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目，并明確“石膏雨”的歸口管理；②如技術(shù)上可行，建議在煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)上增設(shè)霧滴測試項(xiàng)，進(jìn)行日常監(jiān)督管理，或者定期安排專責(zé)人員進(jìn)行現(xiàn)場取樣及分析測試；③定期對除霧器及GGH 的垢樣、石灰石、燃煤進(jìn)行化學(xué)分析，為“石膏雨”問題的解決提供科學(xué)理論依據(jù)；④根據(jù)霧滴監(jiān)測濃度，制定運(yùn)行設(shè)備反饋控制規(guī)程，如根據(jù)排放煙氣中霧滴含量的變化，調(diào)整除霧器、GGH、FGD、煙囪及后續(xù)WESP 等設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)；⑤對“石膏雨”產(chǎn)生影響的運(yùn)行參數(shù)，如漿液pH、煙氣量、煙氣流速、排煙溫度等參數(shù)密切監(jiān)視，保證系統(tǒng)在正常參數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語

“石膏雨”問題由于對電廠及周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，逐漸引起社會各界的關(guān)注，通過對石膏雨的成因及影響因素、排放現(xiàn)狀和相關(guān)檢測方法的調(diào)研，分析目前國內(nèi)面臨“石膏雨”問題的解決對策，在FGD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，可以通過除塵設(shè)備及脫硫設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、尾部煙道設(shè)計(jì)優(yōu)化及增設(shè)WESP 等方法，解決“石膏雨”問題，在此基礎(chǔ)上提出“石膏雨”現(xiàn)象的監(jiān)管建議。

（1）WFGD 系統(tǒng)取消GGH 導(dǎo)致排煙溫度降 低，是產(chǎn)生“石膏雨”現(xiàn)象的重要原因，設(shè)備設(shè)計(jì)及運(yùn)行、操作參數(shù)變化及外界環(huán)境對“石膏雨”的形成也有一定的影響。根據(jù)對實(shí)際電廠的調(diào)研，凈煙氣霧滴排放濃度在69～355 mg/m3，未能達(dá)到75 mg/m3要求的比例較大，未來“石膏雨”問題將持續(xù)突出，因此需要及時(shí)出臺相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)，更新污染物減排技術(shù)約束霧滴排放。

（2）目前國內(nèi)外沒有專門針對“石膏雨”的檢 測方法，通過對霧滴、SO3為主的氣溶膠、固體顆粒物的測試方法來探討“石膏雨”的檢測方法，檢測方法主要包括采樣后的化學(xué)分析法及電荷法或光學(xué)法等物理化學(xué)法。

（3）通過對石膏雨的形成因素分析表明，已建或新建電廠可以通過除塵設(shè)備及脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行優(yōu)化、尾部煙道設(shè)計(jì)優(yōu)化及增設(shè)濕式靜電除塵器為主的三種方法實(shí)現(xiàn)石膏雨的有效控制，WFGD后加裝WESP 裝置是有效控制石膏漿液顆粒等細(xì)顆粒物的一項(xiàng)重要手段。

（4）對“石膏雨”問題的控制，一方面需要防治技術(shù)的不斷提升，另一方面需要相關(guān)的監(jiān)管政策。國家應(yīng)盡快確定相關(guān)規(guī)章制度，積極開展“石膏雨”監(jiān)督檢查工作。

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