煙氣濕法脫硫系統(tǒng)中的白煙現(xiàn)象及治理

湯君軍 徐俊

1．上海長(zhǎng)興島熱電有限責(zé)任公司

2．上海上電電力運(yùn)營(yíng)有限公司

0 前言

長(zhǎng)興島熱電有限責(zé)任公司2×12MW機(jī)組采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫裝置采用一爐一塔的方案，單套脫硫裝置的煙氣處理能力為一臺(tái)鍋爐100%BMCR工況時(shí)的煙氣量，脫硫效率在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)不小于95%。系統(tǒng)在超低排放改造后，新增漿液冷卻系統(tǒng)，出現(xiàn)系統(tǒng)水平衡被破壞、可用于除霧器沖洗的水量受限等問(wèn)題。以該脫硫裝置改造前后各系統(tǒng)水量變化為依據(jù)，對(duì)脫硫裝置的水平衡進(jìn)行分析，并提出切實(shí)有效的調(diào)整措施。

1 煙氣白煙概述

目前，國(guó)內(nèi)燃煤電廠及其它化工行業(yè)的煙氣在排放前都進(jìn)行了濕法脫硫，煙氣溫度被降至45℃～55℃，此時(shí)的煙氣通常是飽和濕煙氣。煙氣中的水蒸汽含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵、微塵等。當(dāng)煙氣由煙囪直接排出，進(jìn)入溫度較低的環(huán)境空氣時(shí)，由于環(huán)境空氣的飽和濕度較低，在煙氣溫度降低過(guò)程中，煙氣中的水蒸汽會(huì)凝結(jié)形成濕煙羽，造成對(duì)大氣的污染。

1.1 有色煙羽的視覺(jué)影響

因有色煙羽會(huì)對(duì)周圍居民生活造成困擾，許多配備濕法煙氣脫硫裝置的企業(yè)把消除“白色煙羽”作為超低排放改造的重要內(nèi)容之一。國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院調(diào)研了全國(guó)95個(gè)火電廠，涉及235臺(tái)機(jī)組，在所調(diào)研的122個(gè)煙囪中，有107個(gè)出現(xiàn)濕煙羽，占88%，未出現(xiàn)濕煙羽的電廠多采用了半干法脫硫、煙氣加熱技術(shù)或“煙塔合一”技術(shù)。

1.2 有色煙羽的污染問(wèn)題

一般而言，煙氣經(jīng)過(guò)脫硫脫硝除塵處理后，已達(dá)到了國(guó)家相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)。但有色煙羽的霧滴仍然夾帶著氮氧化物、硫化物、各種煙塵顆粒物、SO3氣溶膠、NH3氣溶膠、超細(xì)結(jié)晶鹽顆粒物等污染物，對(duì)煙氣進(jìn)行脫白處理，在脫除大部分霧滴的同時(shí)，可以脫除大量污染物，有利于減輕霧霾。

1.3 煙氣脫白有利于節(jié)能節(jié)水

對(duì)于濕法脫硫工藝，煙氣排放的同時(shí)，由于高溫原煙氣經(jīng)多層噴淋降溫，會(huì)帶走大量氣態(tài)水和液態(tài)霧滴。據(jù)估算，按照全國(guó)的燃煤量，全國(guó)每年因燃煤煙氣帶入大氣的水分高達(dá)幾十億t。因此進(jìn)行煙氣脫白，可以回收大量寶貴的水資源。

2 機(jī)理

濕法脫硫之所以會(huì)產(chǎn)生白煙,是因?yàn)樵跐袷矫摿蛳到y(tǒng)中,脫硫劑溶液和高溫?zé)煔庵苯咏佑|,使煙氣被增濕冷卻,而脫硫劑溶液中的水分則吸熱汽化,導(dǎo)致煙氣中的水蒸氣總量增加。隨著脫硫過(guò)程的進(jìn)行,煙氣溫度逐漸降低。煙氣溫度的降低使煙氣攜帶蒸汽的能力降低,60℃時(shí)的煙氣達(dá)到飽和的情況下所能攜帶的水蒸汽量為0．130 2kg/m3(煙氣),90℃時(shí)的煙氣達(dá)到飽和的情況下攜帶的水蒸汽量為0．423 5 kg/m3(煙氣),可見(jiàn)煙氣溫度由90℃降低到60℃,單位體積煙氣的水蒸汽攜帶能力降低了近70%,如蒸汽總量超出了煙氣的攜帶能力,就會(huì)有大量的水蒸汽凝結(jié)為小水滴,煙氣中的水滴在風(fēng)機(jī)葉輪上凝結(jié),造成風(fēng)機(jī)帶水,濕煙氣直接排放形成白煙。

圖1中的曲線為濕空氣的飽和曲線，假設(shè)濕煙氣在煙囪出口處的狀態(tài)位于A點(diǎn)，而環(huán)境空氣的狀態(tài)位于F點(diǎn)，煙氣在離開(kāi)煙囪時(shí)處于未飽和狀態(tài)。濕煙氣與環(huán)境空氣混合過(guò)程開(kāi)始沿AB線變化，達(dá)到B點(diǎn)后煙氣變?yōu)轱柡蜐駸煔?，此后濕空氣與環(huán)境空氣的混合沿著曲線BDE變化，而多余的水蒸汽將凝結(jié)成液態(tài)小水滴，形成濕煙羽。

圖1 濕煙羽形成機(jī)理

3 脫白目的和作用

3.1 霧霾治理

以濕法脫硫后的工業(yè)煙氣為例，工業(yè)煙氣經(jīng)濕法脫硫后，煙氣含濕量一般高達(dá)13%～15%，甚至達(dá)到20%，煙氣溫度較低（50℃～65℃），脫硫后的煙氣進(jìn)入大氣，當(dāng)煙氣中的水蒸氣處于過(guò)飽和狀態(tài)，部分水蒸氣冷凝結(jié)霧，形成霧化的細(xì)小液滴，會(huì)出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象，此外還伴隨著能源浪費(fèi)。

濕法脫硫后的工業(yè)煙氣，具有很高的濕度，通過(guò)煙囪排放時(shí)，主要是以霧滴的形式被釋放到大氣中。工業(yè)煙氣中的霧滴，溶解著大量硫酸鹽、硝酸鹽塵以及脫硫劑和脫硝劑等溶質(zhì)物質(zhì)，當(dāng)這些霧滴在大氣中失去水分后，鹽堿類物質(zhì)便析出形成微小的鹽堿類顆粒物。從空氣當(dāng)量學(xué)角度看，這些微小的鹽堿類顆粒物粒徑微小，通常小于PM2．5（空氣當(dāng)量學(xué)直徑），比表面積大，比重輕，長(zhǎng)期漂浮空氣中，即通常講的二次顆粒物。出現(xiàn)空氣濕度大的天氣，二次顆粒物吸水長(zhǎng)大并形成富集時(shí)，霧霾降臨。

濕法脫硫后的工業(yè)煙氣是霧霾的主要來(lái)源，已被大多數(shù)環(huán)保治理業(yè)界認(rèn)同，“煙氣脫白”就是很好的印證，但也不否定其它諸多霧霾源的存在。

3.2 實(shí)現(xiàn)真正意義上的超低排放

一方面，我們不可忽視達(dá)標(biāo)排放的工業(yè)煙氣中依然含有殘余的NOx、SO2和煙塵。盡管滿足了排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，但仍會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。另一方面，現(xiàn)有針對(duì)性的檢測(cè)設(shè)備尚不能檢測(cè)到隨白色煙氣排放到大氣中的污染物。因此應(yīng)對(duì)經(jīng)除塵脫硫脫硝等環(huán)保處理后的工業(yè)煙氣施以末端凈化的脫白處理，進(jìn)一步提高工業(yè)煙氣的凈化程度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的超低排放。

3.3 節(jié)能降耗

其一，經(jīng)環(huán)保治理的工業(yè)煙氣排放前溫度約為45℃～80℃，這部分的熱能是可以充分回收利用的能源。其二，降低溫度有利于冷凝脫白工藝效率的提高和成本降低。其三，回收水資源直接關(guān)系經(jīng)濟(jì)效益。

4 常用處理工藝

南北東西地域的不同，氣候條件相差很大，平均溫度、濕度，極端溫度相差很大，采用的方法技術(shù)也不盡相同。各企業(yè)的工藝流程條件不同、余熱資源不同、投資要求不同，采取的脫硫消白方法不同等因素，以致工藝方案千變?nèi)f化有很大的差別,但滿足用戶要求是技術(shù)方案的根本要求。根據(jù)濕煙羽形成及消散的機(jī)理，目前常用的方法歸納為：

煙氣加熱技術(shù)、煙氣冷凝技術(shù)、煙氣先冷凝再加熱技術(shù)及各種方法的組合技術(shù)。

4.1 煙氣加熱技術(shù)

4.1.1 GGH（回轉(zhuǎn)式、管式、熱管式）

GGH，其作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙氣進(jìn)行加熱，使排煙溫度達(dá)到露點(diǎn)之上，減輕對(duì)進(jìn)煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴(kuò)散度；降低進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內(nèi)對(duì)防腐的工藝技術(shù)要求。

安裝了FGD系統(tǒng)之后從煙囪排出的煙氣處于飽和狀態(tài)，在環(huán)境溫度較低時(shí)凝結(jié)水汽會(huì)形成白色的煙羽。在我國(guó)南方城市，這種煙羽一般只會(huì)在冬天出現(xiàn)；而在北方環(huán)境溫度較低的地區(qū)，出現(xiàn)的幾率會(huì)更大。

安裝FGD之后出現(xiàn)白煙問(wèn)題將難以徹底解決。如要完全消除白煙，需將煙氣加熱到100℃以上。安裝GGH后排煙溫度在80℃左右，因此只能使煙囪出口附近的煙氣不產(chǎn)生凝結(jié)，使白煙在較遠(yuǎn)的地方形成。

目前，F(xiàn)GD系統(tǒng)較多的采用回轉(zhuǎn)式GGH，因此本文的討論主要針對(duì)這類GGH。對(duì)其它類型的GGH，如水媒式、蒸汽換熱器等，其結(jié)論也是適用的。

GGH設(shè)備本體以及由GGH引發(fā)的直接投資,包括煙道、支架和沖洗系統(tǒng)的費(fèi)用約是FGD總投資的15%。

GGH本體對(duì)煙氣的壓降約在1 000Pa，如考慮到由于安裝GGH而引起的煙道壓降，總的壓損約在1 200Pa左右。為了克服這些阻力，必須增加增壓風(fēng)機(jī)的壓力，使FGD系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用大幅增加。

GGH的原煙氣側(cè)向凈煙氣側(cè)的泄漏會(huì)降低系統(tǒng)的脫硫效率，盡管回轉(zhuǎn)式GGH的原煙氣側(cè)和凈煙氣側(cè)之間的泄漏可以達(dá)到1．0%以下，但這也是一種無(wú)謂的損失。

由于原煙氣在GGH中由130℃左右降低到酸露點(diǎn)以下的80℃，因此在GGH的熱側(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的粘稠的濃酸液。這些酸液不但對(duì)GGH的換熱元件和殼體有很強(qiáng)的腐蝕作用，而且會(huì)粘附大量煙氣中的飛灰。同時(shí)，穿過(guò)除霧器的微小漿液滴在換熱元件的表面上蒸發(fā)之后，也會(huì)形成固體的結(jié)垢物。上述這些固體物會(huì)堵塞換熱元件的通道，進(jìn)一步增加GGH的壓降。國(guó)內(nèi)已有電廠由于GGH粘污嚴(yán)重造成增壓風(fēng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大的前鑒。

GGH在運(yùn)行過(guò)程和停機(jī)后需用壓縮空氣、蒸汽和高壓水進(jìn)行沖洗，以去除換熱元件上的積灰和酸沉積物。因此需要提供相應(yīng)的壓縮空氣、沖洗水和蒸汽。GGH沖洗后的廢水含有很強(qiáng)的腐蝕性，必須進(jìn)行專門的處理之后進(jìn)行排放。

4.1.2 IMGGH

水媒體管式煙氣冷卻、再熱系統(tǒng)，吸收脫硫塔前煙氣熱量，加熱煙囪入口煙氣，可將進(jìn)入煙囪的煙氣溫度提升至80℃以上。以MGGH系統(tǒng)為基礎(chǔ)路線，與冷卻提水技術(shù)路線（回收濕煙氣冷凝放熱量和凝結(jié)下來(lái)的水）相結(jié)合，對(duì)除濕后的煙氣進(jìn)行升溫后排放，確保“脫白”效果。盡管對(duì)污染物濃度和排放量沒(méi)有影響，但是煙氣溫度升高可提高煙氣抬升高度和有效源高（有效源高等于抬升高度與煙囪幾何高度之和），一定程度上改善了煙氣擴(kuò)散條件。

IMGGH特點(diǎn)：采取先冷凝可使換熱器設(shè)計(jì)體積縮??；減少入塔熱量，降低水蒸發(fā)量，降低煙氣含濕量。降低脫硫塔流速有利于脫硫，熱量回用至出口，排煙溫度高，煙氣提升能力強(qiáng)；視覺(jué)污染消除效果好；煙氣側(cè)阻力增加較大；運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用低；成本較高。

煙氣脫白是實(shí)現(xiàn)超低排放、節(jié)約能源的有效手段。山東保藍(lán)環(huán)保工程有限公司的電磁脫白技術(shù)具有效率高、運(yùn)行成本低、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的GGH/MGGH技術(shù)更適合實(shí)際工況。

4.1.3 蒸汽加熱、電加熱

蒸汽加熱是一種間接加熱技術(shù),使用飽和蒸汽在蒸汽-煙氣換熱器(steam-gasheater,SGH)內(nèi)與煙氣進(jìn)行熱交換，可用于冷凝再加熱技術(shù)的加熱段,或與MGGH串聯(lián)組合使用,也可單獨(dú)使用去除白霧（見(jiàn)圖2）。單獨(dú)使用時(shí),將煙氣溫度升到85℃左右，遠(yuǎn)高于煙氣的水露點(diǎn)溫度,從而使煙囪出口的煙氣遠(yuǎn)離飽和態(tài),基本看不到白霧現(xiàn)象。盡管對(duì)污染物濃度和排放量沒(méi)有影響,但是煙氣溫度升高可提高煙氣抬升高度和有效源高,一定程度上改善了煙氣擴(kuò)散條件。蒸汽加熱技術(shù)的工藝流程如圖2所示。該技術(shù)工藝流程中使煙氣在SGH加熱后排入煙囪,蒸汽在換熱后排入除氧器進(jìn)行收集。DCS控制系統(tǒng)設(shè)置換熱后煙氣溫度(TIC103)的目標(biāo)值(如80℃,夏天可調(diào)低),通過(guò)PID調(diào)節(jié),電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(LV)自動(dòng)運(yùn)行的開(kāi)度變化引起流量(FIQRC)變化,跟蹤加熱后煙氣溫度,使該溫度趨近于目標(biāo)值。

圖2

4.1.4 熱泵（吸收式溴化鋰熱泵）

溴化鋰吸收式技術(shù)通常應(yīng)用在制冷機(jī)領(lǐng)域，利用熱能（甚至廢熱）進(jìn)行制冷，其制冷工質(zhì)為自然界的天然物質(zhì)，因此具有節(jié)電環(huán)保的特點(diǎn)。將溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的參數(shù)改變到適合采暖的要求，從而應(yīng)用在城市供暖換熱站中以替代傳統(tǒng)板式換熱器，使一次水的出水溫度甚至可以低于二次水的回水溫度，以大幅度增加換熱站的供熱能力。

4.2 煙氣降溫冷凝

4.2.1 噴淋直接降溫

采用噴霧的方法將水或水霧直接噴向高溫?zé)煔猓怪c高溫?zé)煔庵苯舆M(jìn)行熱交換；利用水的汽化潛熱，將高溫?zé)煔饫鋮s到所要求的溫度。根據(jù)除塵凈化方式和冷卻器方式的不同，一般可分為飽和冷卻與蒸發(fā)冷卻兩種。

（1）飽和冷卻

通過(guò)向高溫?zé)煔獯罅繃娝?，使高溫?zé)煔庠谒查g冷卻到相應(yīng)的飽和溫度，該冷卻方法稱之為飽和冷卻。其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、噴嘴壽命短、投資省，需增加污水污泥處理設(shè)備。

（2）蒸發(fā)冷卻

根據(jù)煙氣溫度和煙氣量的變化情況，通過(guò)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算出合適的噴水量，同時(shí)保證所噴入的水全部霧化，使煙氣出口溫度控制在要求的溫度。要求霧化后的水滴顆粒能在很短時(shí)間內(nèi)全部汽化，并被煙氣再加熱而形成一種不飽和氣體，其相對(duì)濕度一般為10%～20%左右，該噴霧冷卻方法稱之為蒸發(fā)冷卻。

4.2.2 間接換熱降溫（水冷、空冷）

利用水或空氣與高溫?zé)煔庠趽Q熱管或換熱片的內(nèi)外，進(jìn)行間接傳熱冷卻以達(dá)到降溫的目的。間接冷卻的方法可分為間接水冷和間接風(fēng)冷。

（1）間接水冷

利用水與高溫?zé)煔庠趽Q熱管或換熱片的內(nèi)外進(jìn)行間接傳熱冷卻的裝置。常用的冷卻設(shè)備有水冷套管和水冷密排管。

水冷套管也稱為水冷夾套，即冷卻水在套管加夾層內(nèi)通過(guò)并與在套管外通過(guò)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行間接傳熱冷卻。

水冷密排管以水冷管密排形式組成煙道。冷卻水在水冷管內(nèi)通過(guò)并與在管外通過(guò)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行間接傳熱冷卻。

（2）間接風(fēng)冷

利用空氣與高溫?zé)煔庠趽Q熱管或換熱片的內(nèi)外進(jìn)行間接傳熱冷卻，以達(dá)到降溫的目的。常用的冷卻設(shè)備有自然對(duì)流空氣冷卻和強(qiáng)制吹風(fēng)冷卻。

A．自然對(duì)流冷卻

采用無(wú)動(dòng)力的冷卻設(shè)備對(duì)換熱管道內(nèi)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行自然對(duì)流空氣冷卻。設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)能，但傳熱系數(shù)較低，設(shè)備鋼耗量大，且設(shè)備出口煙氣溫度不易控制。

B．強(qiáng)制吹風(fēng)冷卻

冷卻設(shè)備以風(fēng)機(jī)為動(dòng)力，利用空氣對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行強(qiáng)制吹風(fēng)冷卻。其特點(diǎn)是傳熱系數(shù)相對(duì)較高，設(shè)備出口溫度易于控制，但換熱管易堵塞。

4.3 先冷凝再加熱

4.3.1 噴淋直接降溫+熱泵（或其他余熱）

利用循環(huán)水將濕煙氣降溫，降溫后煙氣冷凝出一部分水分且接近飽和，然后再將煙氣升溫成為不飽和煙氣，外排以消除白霧。

煙氣降溫冷凝采用循環(huán)水降溫，升溫采用蒸汽加熱升溫。本項(xiàng)目原煙氣溫度較低，故不考慮利用原煙氣的余熱加熱處理后的凈煙氣，而采用蒸汽加熱煙氣，蒸汽冷凝水回收使用。

煙氣降溫冷凝及循環(huán)水系統(tǒng)：

主要是將流經(jīng)脫硫塔后的飽和濕煙氣進(jìn)行降溫除濕，除去煙氣中的一部分水汽，形成一個(gè)較低溫的飽和濕煙氣，水汽以凝水的形式，經(jīng)過(guò)汽水分離結(jié)構(gòu)分離，較低溫的飽和濕煙氣進(jìn)入后續(xù)的加熱操作單元;凝水則進(jìn)入凝水回收系統(tǒng)，循環(huán)水在此過(guò)程中充當(dāng)冷媒介質(zhì)。

4.3.2 間接降溫+熱泵（或其他余熱）

利用水或空氣與高溫?zé)煔庠趽Q熱管或換熱片的內(nèi)外，進(jìn)行間接傳熱冷卻以達(dá)到降溫的目的。

煙氣降溫冷凝采用循環(huán)水降溫，升溫采用蒸汽加熱升溫。本項(xiàng)目原煙氣溫度較低，故不考慮利用原煙氣的余熱加熱處理后的凈煙氣，而采用蒸汽加熱煙氣，蒸汽冷凝水回收使用。

5 總結(jié)

用濕煙氣的飽和含濕量與飽和溫度的關(guān)系闡述濕煙氣“白煙”的形成和消散的機(jī)理，提出煙氣直接升溫、煙氣直接冷卻、煙氣降溫再熱是目前濕法脫硫后“白煙”消除的有效途徑。

受環(huán)境溫度和濕度的影響，煙氣降溫再熱“消白”的適用范圍最大，煙氣直接加熱次之，煙氣直接降溫最小。各種方案各有利弊，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)綜合投資和運(yùn)行費(fèi)用選擇方案。