火电厂湿法脱硫石膏雨和白雾治理措施及效果分析

周洪光，李延兵

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)

0 引言

目前全国90%以上的燃煤机组都安装有烟气脱硫装置，其中湿法烟气脱硫装置占95%以上。火电厂燃煤锅炉的烟气经过湿法脱硫装置后，烟气中含有粉尘、石膏、石灰石等固体颗粒物和液态水，烟气温度一般为50℃左右，处于饱和状态。烟气在经过烟道和烟囱排入大气时，由于与外界存在散热其温度会进一步降低，汽态水凝结后会析出更多的液态饱和水，其中部分直径较大的固体颗粒物：液态水在烟囱周围飘落下来形成石膏雨，一些细微固态颗粒物、液态水与汽态水飘入空中，在大气中凝结成细小的液态水珠形成“白雾”[1-2]。

1 石膏雨及白雾现象的表现形态

石膏雨是指烟气从烟囱排出来后飘落下来的雨中含有固体颗粒物的现象，这些固体颗粒物不单纯指石膏(CaSO4·2H2O)，还包括一些粉尘和石灰石。石膏雨按严重程度可分为轻微石膏雨和严重石膏雨。对于轻微石膏雨而言，在烟囱周围能明显看见雨滴飘落现象，但肉眼看不见雨滴中的固体颗粒物；对于严重石膏雨而言，在烟囱周围不但能明显看见雨滴飘落现象，而且肉眼能看见雨滴中的固体颗粒物。白雾是指烟气从烟囱排出来后形成的白色烟雾。白雾是烟气中处于湿饱和状态的蒸汽在排出烟囱时遇冷凝结而形成的细微水珠现象。

2 石膏雨及白雾的形成途径

石膏雨主要来自烟气在吸收塔中未除净的固体物、液态水和烟气在烟道及烟囱中降温的冷凝水。形成“石膏雨”现象的原因主要有吸收塔内除雾效果不好，净烟气携带石膏浆液和液态水、烟囱中冷凝水的“二次夹带”和环境气象条件三个方面。

2.1 吸收塔内除雾效果不好，净烟气携带石膏浆液和液态水

湿法烟气脱硫系统中，吸收塔出口净烟气温度一般为50℃(烟煤)或55℃(褐煤)。烟气成分中固体状态的粉尘和石膏与烟气中液态水混合形成石膏浆液，以液体状态存在于烟气中，另外烟气成份中还包括气体状态的CO2、NOx、SO2、O2和H2O等。烟气最重要的特性是处于湿饱和状态，由于环境温度总是低于烟气温度，因此当烟气排入大气时会因环境吸热而造成烟气湿度增加，甚至降温析出饱和水。

锅炉排出的烟气在脱硫吸收塔中经石灰石浆液洗涤，脱硫工艺水蒸发使净烟气中含水量增加，同时携带大量的石膏浆液，除雾器前其固液含量高达10g/m3左右。以一台600MW机组为例，除雾器前净烟气中气态水约220t/h，液态水17～18t/h，固体颗粒物约2.5～2.7t/h。以一台1000MW机组为例，除雾器前净烟气中汽态水约350t/h，液态水量27～30t/h，固体颗粒物约4t/h(见表1)。

表1燃煤机组净烟气(除雾器入口)含水量计算值t/h

项 目600MW机组1000MW机组A电厂B电厂C电厂D电厂汽态水217.80222.10345.80354.60液态水16.8017.8026.6027.80固体(石膏+粉尘)2.522.673.994.17

为了去除烟气中的石膏浆液，一般在吸收塔出口或净烟道上安装有除雾器。虽然大部分的石膏浆液或液滴能被除雾器去除，但还是有一部分石膏浆液或液滴随烟气排出。特别是在烟气流场不均、流速过高或除雾器型式、布置不合理、除雾器效果变差时，净烟气中留存的石膏浆液或液滴会更多。净烟气中的这些石膏浆液和液态水是形成“石膏雨”现象的根本原因。

2.2 烟囱中冷凝水的“二次夹带”

处于湿饱和状态的净烟气在流经烟囱的过程中，会在烟囱的内壁上产生凝结水，单机600MW机组净烟气冷凝水约15t/h，单机1000MW机组净烟气冷凝水约20t/h(见表2)，其中一部分凝结水顺壁面向下排除，另一部分凝结水由于烟囱形状、内壁不光滑和烟速高等原因被烟气“二次夹带”排入大气，在烟囱的周围形成“石膏雨”。

表2 燃煤机组净烟气(烟囱出口)含水量计算 t/h

2.3 环境气象条件

环境气象条件主要是指环境温度和相对湿度对石膏雨的影响。由于湿法烟气脱硫后烟气处于湿饱和状态，环境温度越低，散热量越大，烟气中汽态水就会凝结得越多，更易形成“石膏雨”现象。因此，对我国而言，南方地区一般只会在冬天出现“石膏雨”现象，而在北方地区由于环境温度较低，出现的“石膏雨”现象的几率相对较大。

环境相对湿度的大小反应了环境空气的饱和程度。对于相对湿度较大的南方地区，较易形成“石膏雨”现象，而对于北方地区，空气较干燥，较难形成“石膏雨”现象。

3 石膏雨及白雾现象治理要素分析

石膏雨及白雾现象从源头上细分来自吸收塔、烟道及烟囱和环境等三个环节，分六种情形：固体颗粒、液态水；烟道冷凝水、烟囱冷凝水；环境冷凝水和白雾(见表3)[3-4]。

表3石膏雨及白雾现象治理要素

项目吸收塔环节烟道及烟囱环节环境环节固体颗粒携带液态水烟道内壁冷凝水烟囱内壁冷凝水环境冷凝水白雾治理前形态吸收塔内的净烟气在进入除雾器前,其固液含量高达10g/m3,大部分颗粒粒径1000～2000μm,少部分15～20μm,是形成石膏雨的主要原因烟道及烟囱内壁冷凝物的不断增多使细小的液滴汇集成较大的液滴,混入烟气形成“二次夹带”进入烟气中,颗粒粒径大约1000～5000μm净烟气从烟囱排出后,遇冷降温后会形成直径大约1μm的细小水滴,这些细小水滴在环境温度低的时段或湿度大的地区会偶尔形成轻微石膏雨,在其他条件表现为白雾现象危害性对宏观环境无害,但局部有污染、腐蚀对宏观环境无害,但局部有污染、腐蚀对宏观环境无害,无污染、腐蚀治理措施吸收塔除雾、除尘烟道和烟囱有组织水气分离疏水,控制烟囱内流速;净烟气加热一般无需治理

石膏雨不会增加烟尘、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放总量，从宏观上讲不会对整个环境造成影响，但是由于石膏雨的pH值很低，其酸性较强，会对飘落范围内的建(构)筑物等设施造成局部污染，因此石膏雨现象是需要治理的。

4 石膏雨及白雾现象的治理措施

石膏雨及白雾现象的治理措施主要从吸收塔、烟道及烟囱2个环节着手。在吸收塔内，通常设置除雾器，可净化去除烟气中的固体颗粒物和液态水，从而减轻石膏雨及白雾现象。在烟道及烟囱内，通过去除净烟气中的凝结水来治理石膏雨，可采用两类方法：一类是对净烟气中的凝结水采取分离措施避免凝结水“二次夹带”；另一类则是采用加热汽化法，即选取某种热源，将脱硫后净烟气加热使其中的液态水变成汽态水，减轻石膏雨及白雾现象。上述2个环节是从两个不同侧面着手，必须同时采取措施。有的电厂石膏雨治理达不到理想的效果，其主要原因之一就是只片面提高吸收塔的除雾效果，而不去除净烟气中的凝结水。

当烟气从烟囱排出后因环境温度、湿度等原因产生的轻微石膏雨和白雾现象无法再采取专门的治理措施，但通过前面两个环节的治理，石膏雨和白雾现象会得到有效的抑制，以至于不再需要对第三个环节采取专门的治理措施。

4.1 吸收塔环节石膏雨治理措施

在吸收塔内通过提高除雾效果从源头去除烟气中的固体颗粒物和液态水，一般在设计时采取以下措施[4-5]：

(1)合理选择吸收的直径，控制吸收塔内空塔烟气流速不大于3.5m/s，对应除雾器处的烟气流速不大于5m/s，整体上有利于提高除雾器对粉尘和液滴的去除效率。

(2)优化除雾器进出口烟气流场，尽量使烟气均匀通过除雾器，避免局部烟气流速过高影响除雾器对粉尘和液滴的去除效率。

(3)选用两级或三级高效除雾器(屋脊式配管式除雾器)，使净烟气液滴含量由通常的75～100mg/m3降低到50mg/m3。

在运行上，控制吸收塔内浆液密度、液气比、pH值等参数保持在设计范围内，让石膏充分结晶，减少净烟气中细微石膏颗粒的携带。

600MW、1000MW机组净烟气(除雾器出口)含水量的计算值(净烟气液滴含量按50mg/m3计)见表4。从表4中可以看出，当除雾器效果较好时(净烟气液滴控制在50mg/m3以下)，单机600MW、1000MW机组除雾器出口净烟气液态水和固体浆液只有110或160kg/ h左右，石膏雨现象较轻。

表4燃煤机组净烟气(除雾器出口)含水量计算值t/h

项 目600MW机组1000MW机组A电厂B电厂C电厂D电厂汽态水217.80222.10345.80354.60液态水0.0930.0950.1430.148固体(石膏+粉尘)0.0170.0180.0250.026

4.2 烟道及烟囱环节石膏雨治理措施

在烟道及烟囱环节，通过去除净烟气中的凝结水来治理石膏雨及白雾现象。有两类方法可以通过技术经济比较后分别采用：一是采取凝结水分离措施避免凝结水“二次夹带”；二是对净烟气进行加热使凝结水汽化来治理石膏雨及白雾现象。

4.2.1 采取凝结水分离措施避免“二次夹带”

(1)对烟囱及烟道内烟气流场进行分析，在烟囱或烟道内壁设置凝结水分离槽，让烟囱或烟道内壁烟气的凝结水有组织分离后排出，避免烟气中冷凝水的“二次夹带”。

(2)设计时合理选择烟囱内径，控制烟囱内部烟气流速一般不超过18m/s(在烟囱出口处可采用缩口的办法提高烟气排放速度)，可有效抑制烟气对液滴的携带量和二次夹带，从而控制石膏雨。

4.2.2 净烟气加热汽化法

(1)回转式GGH加热法。回转式GGH加热法是用原烟气的热量来加热净烟气到80℃左右。但此方法会使烟气阻力增加1000～1500Pa，折算增加煤耗0.5～1.0g/(kW·h)，缺点是系统复杂、投资高、易堵塞、故障率高，另外回转式GGH有1%左右的漏风率，降低脱硫效率。

(2)闭式循环水作介质的原烟气加热法。利用水作为换热介质，用原烟气的热量间接加热净烟气到80℃左右。该方法也会增加烟气阻力800～1000Pa，折算增加煤耗0.8～1g/(kW·h)。

(3)利用管式GGH原烟气直接加热法。通过管式GGH，用原烟气的热量加热净烟气到80 ℃左右。管式GGH会增加烟气阻力500～600Pa，折算约增加煤耗0.6g/(kW·h)。

(4)利用蒸汽加热净烟气的方法(SGGH)。采用压力4～10bar、温度在200 ℃左右蒸汽作为加热介质 ，通过管式GGH将净烟气加热到80 ℃左右。此系统运行费用高，需要一定的蒸汽，增加了汽机的热耗，SGGH也会增加烟气阻力600Pa左右，此方案约增加煤耗2g/(kW·h)。

(5)利用锅炉二次风直接加热净烟气的方法 。利用锅炉二次风直接将脱硫后的净烟气加热到80 ℃左右。此方法系统简单，初投资低，但需增加10～15%的二次风量，锅炉效率下降0.5%左右，煤耗增加1.5～2g/(kW·h)，同时二次风会携带粉尘，使净烟气的粉尘浓度增加。

5 石膏雨和白雾治理措施效果分析

石膏雨和白雾治理各项措施优缺点及效果分析见表5。治理效果以A、B、C、D、E五个等级表示，其中A为优秀，B为良好，C为有效，D为无效，E为无法采用。

表5石膏雨和白雾治理措施效果分析

治理措施吸收塔环节烟道及烟囱环节环境环节固体颗粒携带液态水烟道冷凝水烟囱冷凝水环境冷凝水白雾控制石膏结晶CCDDDD优化除雾器进出口烟气流场CCDDDD控制除雾器烟气流速(5m/s)CCDDDD高效除雾器或加一级管式除雾器CCDDDD在烟道上设湿式电除尘器CCCDDD烟道设凝结水分离槽CCCDDD烟囱内壁设置凝结水分离槽CCCCDD控制烟囱内烟气流速CCCCDD净烟气加热法EECCCC加热到80℃EEBBBB加热到100℃EEAAAA

总体效果评价：控制石膏结晶、优化除雾器进出口烟气流场、控制除雾器烟气流速(5m/s)、高效除雾器或加一级管式除雾器、在烟道上设湿式电除尘器、在烟道上设置凝结水分离槽、在烟囱内壁设置凝结水分离槽、控制烟囱内烟气流速等8条措施基本消除石膏雨，偶尔有酸雨，存在白雾现象；净烟气加热法加热到70℃左右石膏雨明显减轻，北方基本上一年四季有白雾，南方冬季有白雾；净烟气加热法加热到80℃左右基本消除石膏雨，北方冬季有白雾，南方冬季在烟囱远处有白雾；净烟气加热法加热到90℃左右消除石膏雨，南方北方基本上一年四季无白雾。

6 结语

在装有湿法烟气脱硫装置的电厂中普遍存在石膏雨及白雾现象。此现象形成的根本原因在于从吸收塔排出的净烟气中含有固体颗粒物和液态水以及汽态水在烟道和烟囱中的凝结。治理石膏雨的根本任务就是减少净烟气中的这些固体颗粒物和液态水。对于从吸收塔排出的净烟气中的固体颗粒物和液态水可以通过优化除雾器的效果来减轻；对于汽态水在烟道和烟囱中凝结的问题，可通过技术经济比较采用在烟道和烟囱中设置汽水分离装置或对净烟气加热的方法减轻石膏雨及白雾现象。由于对净烟气加热的办法初投资高、能耗大、故障率多，一般较少采用，建议采用在烟道和烟囱中设置汽水分离装置的方法，此方法不但能有效地减轻石膏雨，而且初投资和故障率均较低，无需能量消耗。

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