燃煤電廠濕煙囪白煙機理及治理方法研究

單永華

（河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 保定 073000）

煙囪排出的飽和濕煙氣與溫度較低的環(huán)境空氣接觸時，在煙氣降溫過程中，煙氣中所含水蒸氣過飽和凝結(jié)，凝結(jié)水滴對光線產(chǎn)生折射、散射，從而使煙羽呈現(xiàn)出白色或者灰色，其被稱為“濕煙羽”[1]。

我國大部分煙氣脫硫采用濕法脫硫工藝，尤其是石灰石-石膏法工藝。煙氣通過吸收塔凈化后煙溫降低到45～55℃，煙氣從高溫干煙氣變?yōu)榈蜏仫柡蜐駸煔?，?jīng)煙囪進(jìn)入大氣環(huán)境，遇冷凝結(jié)成微小液滴，產(chǎn)生“白色煙羽”。單純的白色煙羽對環(huán)境質(zhì)量沒有直接的影響，但會對周圍居民生活造成困擾。

1 白色煙羽排放的影響因素及消除機理

1.1 白色煙羽的形成機理及影響因素

煙囪內(nèi)的煙氣處于飽和狀態(tài)，飽和煙氣遭遇溫度較低的大氣后會急劇冷卻，煙氣中水蒸氣冷凝成液態(tài)，煙氣透射光率下降，從而表現(xiàn)出煙囪冒白煙現(xiàn)象。隨著煙氣在大氣中的進(jìn)一步擴散，水蒸氣在大氣中的濃度降低，陽光透射率提高，并且水蒸氣分壓力下降、飽和溫度下降，導(dǎo)致其重新蒸發(fā)，使得白煙逐步減少直至消失。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，在不同溫度下相對濕度為100%的飽和煙氣含濕量曲線如圖1所示，其中數(shù)據(jù)取自常用的空氣密度表（-20～60℃）。煙氣經(jīng)吸收塔凈化后為低溫飽和濕煙氣（或近似于飽和），煙氣從煙囪出口排放后，因環(huán)境溫度較低，煙氣中水蒸氣發(fā)生相變冷凝成液態(tài)，此時白色煙羽產(chǎn)生；在煙氣溫度不斷降低的過程中，其含濕量處于過飽和狀態(tài)，冷凝液不斷產(chǎn)生，當(dāng)煙氣溫度逐漸降至環(huán)境溫度，含濕量處于非飽和狀態(tài)時，白色煙羽消失[2]。

白色煙羽排放的影響因素主要為環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、煙囪出口煙氣溫度、環(huán)境風(fēng)速以及煙氣速度等。其中，環(huán)境溫度越低，煙羽排放現(xiàn)象越明顯，煙羽治理難度越大；環(huán)境濕度越大，煙羽中的水分難以及時擴散，造成煙羽影響范圍增大，濕煙羽治理難度越大；煙囪出口煙氣溫度越低，濕煙羽長度越小，采用降溫措施可以在一定程度上減弱或消除濕煙羽現(xiàn)象；環(huán)境風(fēng)速越高，濕煙羽飄散的距離越遠(yuǎn)；煙氣速度越大，濕煙羽的長度越大，表明燃煤機組負(fù)荷和煙囪出口直徑也是影響濕煙羽排放的重要因素[3]。

圖1 煙囪出口煙羽排放的產(chǎn)生機理

1.2 白色煙羽的消除機理

從圖1可知，煙囪出口出現(xiàn)煙羽的原因是煙氣中的水蒸氣在降溫過程中出現(xiàn)了過飽和狀態(tài)，發(fā)生相變析出冷凝水。若消除白色煙羽，就需要保證煙氣含濕量在降溫過程中始終低于飽和含濕量值，保證煙氣中的水蒸氣始終處于氣相狀態(tài)，不發(fā)生相變析出冷凝水。煙囪出口煙羽的消除機理如圖2所示，數(shù)據(jù)取自常用的空氣密度表（-20～60℃）。在降溫過程中，煙氣若不進(jìn)行處理就會出現(xiàn)圖1中的水蒸氣相變冷凝過程，產(chǎn)生白色煙羽[4]。因此，在外界環(huán)境狀態(tài)不變的情況下，需要對吸收塔凈化后的煙氣進(jìn)行處理才可消除白色煙羽。

圖2 煙囪出口煙羽的消除機理

2 白色煙羽治理方案

白色煙羽的消除機理主要是改變吸收塔的出口煙溫，進(jìn)而改變煙氣中的含濕量。升高煙氣溫度，可降低煙氣中的相對含濕量；降低煙氣溫度，可降低煙氣中的絕對含濕量或者提高外界環(huán)境溫度。

2.1 煙氣加熱技術(shù)

煙氣加熱技術(shù)分兩種形式，一種是間接換熱加熱方式，一種是煙氣混合加熱方式。

2.1.1 間接換熱加熱方式

間接換熱加熱方式主要有回轉(zhuǎn)式GGH、管式GGH、MGGH、熱管換熱器、蒸汽換熱加熱等。

（1）回轉(zhuǎn)式GGH。我國初期建設(shè)的電廠煙氣脫硫裝置均安裝了GGH，主要采用的就是回轉(zhuǎn)式GGH。設(shè)置回轉(zhuǎn)式GGH的系統(tǒng)，一般利用鍋爐出口的高溫?zé)煔饧訜嵛账礈旌蟮膬魺煔?，凈煙氣被加熱?0℃左右后，經(jīng)過煙囪向大氣排放。

（2）管式GGH。管式GGH換熱原理與回轉(zhuǎn)式GGH相同，仍是氣氣換熱，原煙氣從管內(nèi)流動，凈煙氣在管外流動。其管材材質(zhì)主要分為金屬與非金屬兩種。

（3）MGGH。MGGH原理及工作流程：MGGH即無泄漏低低溫?zé)崦襟w煙氣換熱器，該技術(shù)一般配合除塵器使用，形成低低溫電除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)由“熱回收器+（電除塵器）+再加熱器”組成，其中熱回收器（MGGH-H/E）布置在空預(yù)器之后和電除塵器的入口端之間，再加熱器（MGGH-R/H）布置在脫硫吸收塔后與煙囪之間煙道上，如圖3所示。

該系統(tǒng)是在電除塵器入口布置熱回收器，使進(jìn)入電除塵器的煙氣溫度由130℃下降到90℃，同時通過水或?qū)嵊偷葻崦襟w經(jīng)過換熱對脫硫后凈煙氣進(jìn)行升溫處理，使煙氣溫度提高到80℃左右，從而達(dá)到煙氣余熱利用的目的，提高除塵和脫硫效率（無SO2泄露），提高凈煙氣排放溫度。其原理如圖4所示。

MGGH系統(tǒng)主要優(yōu)點及技術(shù)關(guān)鍵問題：MGGH為無泄漏式熱媒體煙氣換熱器，原、凈煙氣不直接接觸，不存在煙氣泄露造成的二氧化硫逃逸問題，高溫段熱回收器不存在煙氣帶水的影響，也不存在堵塞影響機組正常運行的現(xiàn)象，低溫段再熱器采用蒸汽吹灰方式（灰量很少），可有效地防止堵塞問題。

圖3 MGGH布置方式

圖4 MGGH工藝原理

MGGH主要存在的技術(shù)關(guān)鍵點是煙氣升溫段的低溫腐蝕問題，脫硫后凈煙氣仍含有部分酸性成分，會對換熱管形成酸性腐蝕。目前，國內(nèi)超低排放改造工程多設(shè)置了低溫段用以回收熱量加熱凝結(jié)水，設(shè)置高溫段的工程較少，高溫段對換熱管材防腐性能要求較高，多采用分段使用2205、316L、ND鋼管材的設(shè)計或采用氟塑料材質(zhì)。

（4）熱管換熱器。熱管由管殼和內(nèi)部工質(zhì)組成。如圖5所示，熱管受熱段吸收熱量，傳遞給管內(nèi)工質(zhì)，工質(zhì)吸熱后沸騰和蒸發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，蒸汽在壓差的作用下上升至放熱段；受管外冷流體的冷卻作用，蒸汽冷凝并向外放出凝結(jié)潛熱，冷流體獲得熱量，冷凝液則依靠重力回到受熱段。如此周而復(fù)始，熱流體的熱量便傳給冷流體，使冷流體得到加熱。分離式熱管原理如圖6所示，整體式熱管換熱器外形和分離式熱管換熱器外形分別如圖7、圖8所示。

圖5 熱管原理

圖6 分離式熱管原理

（5）蒸汽換熱加熱。在吸收塔出口煙道內(nèi)安裝蒸汽換熱器，利用高溫蒸汽（從電廠引接廠用輔助蒸汽作為氣源）加熱吸收塔出口低溫凈煙氣，使凈煙氣溫度升高。

2.1.2 直接換熱加熱方式

（1）熱二次風(fēng)混合加熱。利用鍋爐熱二次風(fēng)的裕量，從空預(yù)器后二次風(fēng)風(fēng)道中抽取熱二次風(fēng)，注入凈煙道，與凈煙氣混合，提升煙氣溫度，提高煙囪排煙的抬升高度。

（2）其他混合加熱技術(shù)。除了常用的熱二次風(fēng)混合加熱外，還有燃?xì)庵苯蛹訜岷蜔峥諝饣鞜峒訜岱绞?。但是，目前這些混合加熱技術(shù)在國內(nèi)沒有相關(guān)工程應(yīng)用，僅日本的部分燃油機組有相關(guān)應(yīng)用。

圖7 整體式熱管換熱器外形

圖8 分離式熱管換熱器外形

2.2 煙氣冷凝技術(shù)

由于國家對煙囪出口有色煙羽的消除未做強制性的要求，目前對吸收塔出口的凈煙氣進(jìn)一步冷凝的技術(shù)較少，且業(yè)績少，運行時間較短。煙氣冷凝技術(shù)分兩種形式，一種是間接換熱冷凝方式，一種是直接換熱冷凝方式。

2.2.1 間接換熱冷凝方式

圖9 相變凝聚提水提質(zhì)技術(shù)系統(tǒng)

目前，間接換熱冷凝方式主要是在吸收塔與煙囪之間的煙道處設(shè)置一級冷凝換熱器。如圖9所示，冷凝器本體由數(shù)量眾多的管排組成，其原理是通過對進(jìn)入冷凝器的飽和濕煙氣進(jìn)行降溫，使得飽和煙氣中的水蒸氣發(fā)生相變，由氣態(tài)冷凝成液態(tài)，從而增加局部區(qū)域內(nèi)的霧滴濃度，冷凝器設(shè)置收集水處理系統(tǒng)，冷凝后的霧滴部分會被煙氣帶走，因此在冷凝器后設(shè)置一級煙道除霧器深度去除冷凝霧滴[5]。

2.2.2 直接換熱冷凝方式

目前，直接換熱冷凝方式主要采用噴淋降溫方式。

（1）三區(qū)相變凝聚節(jié)能減排技術(shù)。通過對脫硫塔頂層漿液泵出口或入口串入漿液冷卻換熱器，對頂層噴淋層的漿液降溫，降溫后的噴淋漿液與煙氣接觸，使煙氣溫度降低（一般降低3～5℃），降溫后的冷凝煙氣經(jīng)過塔內(nèi)除霧器除霧后排出，如圖10所示。該技術(shù)在天津國電津能熱電有限公司及上海長興島二電得到了成功應(yīng)用。

漿液冷卻換熱器采用寬流道板式換熱器，冷卻水從板內(nèi)流動，漿液從板外流動?？紤]到板式換熱器易堵塞的問題，漿液冷卻換熱器采取以下應(yīng)對措施。

一是采用寬流道板式換熱器。常規(guī)板式換熱器通道僅有2～5 mm，易堵塞，漿液冷卻換熱器板間距按不小于30 mm設(shè)計，板間距可根據(jù)吸收塔實際運行情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。吸收塔漿液循環(huán)泵入口濾網(wǎng)孔徑一般在30 mm左右，漿液中的大塊固體在漿液進(jìn)入換熱器前可通過入口濾網(wǎng)攔截。

二是漿液換熱器一般串聯(lián)在漿液循環(huán)泵的出口豎直漿液管段上，豎直布置，漿液流向與換熱器板片平行布置，漿液側(cè)流速在2 m/s以上，運行過程中可避免漿液中細(xì)小固體沉積的問題。

三是漿液換熱器停運時，排漿過程中會出現(xiàn)部分石膏沉積現(xiàn)象，設(shè)置自動清洗系統(tǒng)，清洗換熱器表面。

四是漿液換熱器漿液側(cè)出入口均裝有壓力測試元件，若出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，可以通過設(shè)置壓力報警提前預(yù)測，在線采用人工清洗的方法解決，無需停機。若當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策對吸收塔出口煙氣溫度有要求，可設(shè)置一套備用漿液換熱器，在人工清洗過程中切換至備用漿液換熱器，保證吸收塔出口煙氣溫度滿足環(huán)保要求。

圖10 三區(qū)相變凝聚節(jié)能減排技術(shù)系統(tǒng)

（2）煙氣冷卻除水技術(shù)。在傳統(tǒng)脫硫吸收塔后串聯(lián)冷卻凝結(jié)塔的方式，回收脫硫凈煙氣中的飽和水汽。其基本原理為：脫硫吸收塔排出的飽和凈煙氣進(jìn)入冷卻凝結(jié)塔，經(jīng)過旋匯耦合裝置與噴淋的冷卻循環(huán)水實現(xiàn)換熱降溫冷凝，冷凝液被循環(huán)噴淋水捕集直接進(jìn)入冷凝塔底水池，其余的細(xì)小液滴被管束式除塵除霧器捕集后進(jìn)入水池。當(dāng)塔底水池液位超過溢流液位時，冷凝水通過溢流管轉(zhuǎn)移至緩沖箱。緩沖箱設(shè)置循環(huán)冷卻水泵，將箱內(nèi)的冷凝水泵送至空冷器降溫后，噴淋到冷凝塔內(nèi)，實現(xiàn)冷凝水系統(tǒng)的循環(huán)工作[6]。多余的冷凝水通過緩沖箱冷凝外排水泵，或者緩沖箱溢流收集，最終實現(xiàn)冷凝水回收。自脫硫吸收塔來的凈煙氣經(jīng)過循環(huán)冷卻水降溫，熱量轉(zhuǎn)移至冷凝塔塔底水池內(nèi)的冷凝循環(huán)水，該循環(huán)水轉(zhuǎn)移至循環(huán)水箱后，由空冷器降溫，最后熱量轉(zhuǎn)移至環(huán)境空氣，此過程實現(xiàn)系統(tǒng)熱量循環(huán)。此工藝主要目的是節(jié)水，同時也減緩了白色煙羽的排放，目前已在大唐托克托電廠進(jìn)行了熱態(tài)試驗。

2.3 其他技術(shù)

煙囪出口有色煙羽的形成主要是因為水滴對光線產(chǎn)生折射、散射，呈現(xiàn)出白色或者灰色煙羽。因此，治理有色煙羽除了改變煙囪出口煙溫進(jìn)而改變煙氣中的含濕量，避免水蒸氣發(fā)生相變生成水滴外，煙氣在排放前還需要盡可能減少本身攜帶的液滴。例如，在吸收塔內(nèi)及凈煙道上設(shè)置多級高性能屋脊式（板式）除霧器或其他高性能的除霧裝置，在吸收塔出口至煙囪之間設(shè)置濕式電除塵器，在煙囪上設(shè)置冷凝液收集裝置等。

3 結(jié)語

目前對濕煙囪消白的治理方案缺少統(tǒng)一的規(guī)范和要求，選擇治理技術(shù)時，人們應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的氣候、冷源、環(huán)保要求以及機組的經(jīng)濟(jì)性等因素統(tǒng)一進(jìn)行考慮。