湿法脱硫系统“石膏雨”问题的成因及解决对策

翁卫国，张军，李存杰

（浙江大学热能工程研究所，能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

石灰石-石膏湿法烟气脱硫（WFGD）技术被认为是最有效的燃煤机组SO2控制技术[1]，是我国应用最广泛的脱硫技术，截至2012年底占我国烟气脱硫技术的90%以上。早期安装的石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统都配套有烟气换热装置（GGH），以提高烟气抬升高度，利于烟气扩散排放，同时还能有效减少烟气中过饱和水汽冷凝[2-3]。但在实际运行过程中，GGH 部件常出现严重的腐蚀、换热元件堵塞等问题，影响了WFGD 系统的稳定性和经济性。新建湿法烟气脱硫机组大多采用了不装设GGH 的方案[2-6]，原有的WFGD 系统也开始取消GGH 装置[3]。无GGH 装置的WFGD 系统投产后，虽不存在吸收塔后GGH 堵塞的问题，但由于无烟气再热措施，排烟温度降低，带有饱和水的净烟气在排出过程中部分冷凝形成液滴，排出后难以有效抬升，充分扩散到大气中，烟气中携带的石膏浆液聚集在烟囱附近，落到地面形成“石膏雨”，雨滴蒸发后形成较难清理的固体痕迹，不仅严重影响电厂周边环境与居民生活，甚至腐蚀设备[6]。随着国家污染物控制标准及地方法规日益严格，石膏雨的控制已成为燃煤电厂亟需解决的难题之一。

1 “石膏雨”的成因分析及检测

1.1 “石膏雨”的成因分析

石膏雨是由石膏浆滴、飞灰、雾滴组成复杂的混合物，主要包括未能被除雾器除去的石膏浆液及净烟气中饱和水形成的冷凝液滴。

吸收塔出口净烟气中的石膏浆液主要来源于喷淋层喷嘴雾化后的细微浆液滴。程永新等[7-9]研究表明，石膏浆液经喷嘴雾化后雾滴直径一般在900～3000μm，经碰撞后会产生少量直径在15μm左右雾滴，粒径小于15μm 的雾滴难以在除雾器中被捕集，进入烟囱后会形成“石膏雨”。

净烟气中的冷凝液滴即“雨”主要是来至烟气饱和水蒸气。湿烟气中水蒸气在烟囱上升过程中，由于烟气压力降低，绝热膨胀后促使烟气降温，形成非常细小的水滴（直径＜1μm），而且在烟囱内部，由于受惯性力的作用，烟气夹带的水滴撞到烟道和烟囱壁上，并与壁上冷凝液结合，并受气流影响重新被带入烟气，这些重新被带出的液滴直径通常在100～500μm[10]。

飞灰也是石膏雨的重要组成部分。董雪峰等[11]研究表明，“石膏雨”中固体杂质的主要成分为CaSO4·2H2O（44.02%）、SiO2（34.88%）、Al2O3（5.58%）和CaCO3（3.05%），结果表明“石膏雨”的固体成分中不仅只含有石膏本身，而且还有很大一部分的以SiO2和Al2O3为主的固体杂质颗粒，而这些固体杂质又是颗粒物的重要组成部分。

烟气经过WFGD 系统后至吸收塔出口时，净烟气温度在45～55℃，已达到湿饱和状态，此时烟气中的二氧化硫、三氧化硫等酸性气体以及烟气中各种固态颗粒物与水蒸气和从除雾器中逃逸的雾滴发生复杂的物理化学反应，易形成气溶胶，当这些气溶胶被烟气夹带后，也可以随烟气排放到周围环境中，因此气溶胶也是“石膏雨”中不容忽视的组成部分。同时在没有GGH 的情况下，进入烟囱的烟气温度较低，造成烟气排出温度偏低，而较低的排出温度使得净烟气抬升高度相对较低、扩散能力相对较差，其中一些来不及扩散、蒸发的大液滴就会降落至烟囱周边，形成“石膏雨”[12]。

根据对无烟气再热系统的“湿烟囱”的调研及理论计算表明，可察觉的液滴的沉降区域通常在以烟囱为中心、半径为800 m 的范围内，如图1 所示。

图1 理论计算的烟囱出口雾滴沉降轨迹

目前国内火电机组WFGD 装置的设计中，净烟气侧雾滴浓度保证值一般是75mg/m3（标态、干基、6% O2），然而关于烟气雾滴浓度限值的相关国家标准、雾滴浓度测试技术较为薄弱，其监管、约束能力受到限制。表1 是国内部分脱硫机组净烟气中雾滴浓度的现场测试值。

从表1 中可以看出，实际电厂净烟气中雾滴浓度波动范围较大，在69～355mg/m3，600MW 及以上机组雾滴浓度排放未能达到75mg/m3要求的比例较大。目前我国新建机组的装机容量一般以600MW 及其以上为主，因此如不加以控制，未来火电机组WFGD 的雾滴排放达标率可能会继续下降，“石膏雨”问题将持续突出。因此需及时出台相关标准、推广相关技术约束WFGD 的雾滴排放，以有效控制“石膏雨”问题。

国内外学者普遍认为“石膏雨”的形成与GGH、除雾器、烟囱等设备因素以及吸收塔烟气量与烟气流速、液气比、排烟温度等设计或运行因素有关；另外，环境气候、天气变化和季节等因素也对“石膏雨”的形成有一定关系。按照影响因素可以分为设备设计及运行、操作参数及外界环境3 种原因，如表2 所示。

表1 国内部分电厂WFGD 净烟气侧雾滴浓度

（1）WFGD 系统取消GGH 后，烟气排烟温度降低，烟气抬升及扩散能力减弱，易导致烟气携带的石膏浆液液滴在烟囱附近落地，这是形成石膏雨的主要原因。

（2）除雾器入口烟气分布不均，加重局部除雾器堵塞现象，烟气流动通道变小，烟气流速增加，携带石膏浆液能力进一步加强。

（3）烟气在吸收塔内的流速超过设计值，除雾器的效果将大大降低，甚至失效，除雾器也会在高速的烟气下发生二次携带现象，石膏浆液将会随烟气被带入烟囱，形成净烟气带浆现象。

（4）浆液pH 值高，浆液中碳酸钙浓度增大，易在除雾器表面形成结垢，造成除雾器的堵塞，从而形成“石膏雨”。

表2 “石膏雨”形成的影响因素

（5）烟囱壁面粗糙造成夹带液滴量增加。

（6）当地温度、气压较低或在阴霾天气时，“石膏雨”现象会更严重。

1.2 “石膏雨”的检测

“石膏雨”是由多种组分组成的复杂的混合物，目前国内外还没有专门针对“石膏雨”的检测方法，本文通过综述国内外雾滴、以SO3为首的气溶胶及固体颗粒物3 种石膏雨主要组成的测试方法来探讨“石膏雨”的检测方法，具体内容见表3。

从表3 中可以看出，检测“石膏雨”可采用的方法主要包括两种技术路线，一是采样后的化学分析法，另一种是电荷法或光学法等物理化学法。两种方法都有各自的优缺点，比如化学法虽然简单、方便但其精度偏低，容易受到采样及操作人员的影响，且只能间歇式检测；光学法精度高，受干扰因素小，能实时检测等优点，但仪器复杂，成本高，且缺少相关检测标准等缺点。

2 “石膏雨”问题解决对策

通过对“石膏雨”形成影响因素分析表明采取合理的措施，可以从除雾器选型优化布置、脱硫系统设计优化、增设湿式静电除尘器及烟气再加热等方式减轻甚至消除“石膏雨”现象。目前“石膏雨”的解决途径主要有以下几方面。

2.1 除尘设备及脱硫系统的设计运行优化

脱硫系统中通过对除雾器的选型及布置优化可以保证除雾器性能的良好发挥。此外，除尘器规范化运行有利于降低脱硫设施原烟气中粉尘含量，为脱硫塔运行提供保证。除雾器的定时定量冲洗、控制烟气流速、规范化运行脱硫设施，也有利于石膏雨现象的缓解和治理。

2.1.1 除雾器选型

平板式除雾器设计流速一般在3.5～4.5m/s 左右，屋脊式除雾器设计流速一般为3.8～7m/s 左右，屋脊式除雾器具有更宽的烟气流速的适应范围。烟气通过屋脊式除雾器内叶片法线的流速小于塔内水平截面的平均流速，由于流通面积增大而使得烟气流速减小，烟气带浆量减少。此外，屋脊型除雾器的结构较平板型除雾器更稳定，可以耐受的温度较高，因此吸收塔宜选用能有效减少浆液夹带和安全性更好的屋脊式除雾器。

在设计除雾器冲洗系统时应考虑冲洗面选择、冲洗水压力、冲洗强度、喷嘴角度、冲洗频率、冲洗水水质等。在设计上对浆液循环泵至喷嘴入口处的管道、喷淋层及管件等沿程阻力应详细计算，确定准确的循环泵扬程，保证喷嘴的雾化效果[7]。

2.1.2 除雾器布置优化

在吸收塔设计时适当加大除雾器底部与最高层喷淋层的间距，浆液经喷嘴雾化后的细小液滴团聚形成直径较大的液体，通过重力沉降进入浆液池内。屋脊式除雾器底部与最高层喷淋层中心线的距离一般要求在2～2.5m。吸收塔出口底缘与除雾器顶部的距离根据厂家要求至少大于1m，一般取1.5m 左右[14]，通过加大除雾器与其他设备的举例，提高除雾器内的流场均匀性，减少局部流速超限，减少石膏浆液的“二次携带”现象，减轻“石膏雨”现象。

2.2 尾部烟道设计优化

2.2.1 净烟气再热

提高排烟温度可有效提高净烟气抬升高度，以减少或消除“石膏雨”。电厂GGH 是抬升烟气温度的最有效方法，能使WFGD 出口烟温从45～55℃提高到80℃左右；而对于没有GGH 的机组，可以通过锅炉空气的热二次风对净烟气进行提温，采用热二次风加热脱硫后净烟气具有投资小、维护费用低、运行可靠性高等优点，但锅炉热效率略有降低。

国华台山发电有限公司台山电厂在满足锅炉正常运行的前提下，通过抽取部分热二次风注入脱硫后净烟气，提升排烟温度，以减少或消除“石膏 雨”[16]。Lü 等[27]在某2×300MW 机组上使用热二次空气对净烟气进行加热，并使用软件进行三维数值模拟，结果证明热二次空气进入净烟气管道，并与之混合，迅速提升净烟气温度，使烟气抬升高度升高，“石膏雨”的现象消除。

2.2.2 净烟道/烟囱的相关改造

陈牧等[7，12]对湿法脱硫后烟囱出口烟气液滴夹带进行了充分的分析，提出通过控制烟囱内烟气流速、采用合理的筒型设计和设计液滴回收装置等措施，解决出口烟气液滴夹带问题。为实现在“湿烟囱”内有效收集烟气带入的液滴及防止烟囱内壁上的液体被二次携带，要求内筒形线及内衬表面应尽可能地平滑，烟囱排烟筒内烟气流速不得超过酸液液膜撕裂的临界流速[7]。德国标准对“湿烟囱”内的烟气临界流速提出了严格的要求，规定机组满负荷下烟囱烟气流速不能超过16m/s。美国电力研究院也对各种内壁材料的二次夹带临界速度的研究，提出了烟囱筒内烟气流速推荐值，如表4 所示。

表3 石膏雨的测量方法

表4 对不同烟囱内壁材料选型建议的烟气流速

除此之外，采用较小液气比、除雾器压差控制、浆液pH 值控制、浆液密度以及运行上的优化均能不同程度减轻甚至消除“石膏雨”的现象。

2.3 增设湿式静电除尘器

湿式静电除尘器（WESP）除了能有效去除烟气中烟尘和石膏浆液颗粒，由于其冲洗水对烟气有洗涤作用，在SO3和硫酸雾等气溶胶的去除上也有良好的应用效果。WFGD 饱和烟气中携带的水滴在通过高压电场时可被捕获，降低烟气中总携带水量，从而进一步减小“石膏雨”的形成概率。国际上，WESP 已被广泛应用于制酸和冶金等行业酸雾和细微颗粒物控制，日本中部电力碧南电厂五台机组使用WESP 后，颗粒物的排放浓度长期稳定在2～5 mg/m3，表明WESP 能高效地除去烟气中的烟尘和石膏雨微液滴[28]；美国Bruce Mansfield Plant的现场测试数据显示，WESP 对SO3酸雾的去除效率可达76%～92%，Deepwater 电厂对非酸颗粒的控制效率在95%～97%，对硫酸的脱除效率高于90%，NB 电力的Coleson Cove 电厂WESP 将硫酸排放控制在5μL/L(干气)以下（3%O2的情况下）[29-30]。WESP 能有效地去除石膏浆液液滴、SO3酸雾、水滴和PM2.5等颗粒物，而上述这些物质是组成“石膏雨”的主要成分，因此，WESP 是未来控制“石膏雨”问题的有效方法。

3 “石膏雨”的监管

对于“石膏雨”问题的控制来说，一方面需要防治技术的不断提升，另一方面则需要相关监管政策。目前国内火力发电机组WFGD 系统的“石膏雨”监督管理方面还处在空白期，因此尽早确立相关规章制度，积极开展“石膏雨”监督检查工作：①建议把WFGD 排放烟气中雾滴含量指标纳入发电企业常规监测项目，并明确“石膏雨”的归口管理；②如技术上可行，建议在烟气排放连续监测系统上增设雾滴测试项，进行日常监督管理，或者定期安排专责人员进行现场取样及分析测试；③定期对除雾器及GGH 的垢样、石灰石、燃煤进行化学分析，为“石膏雨”问题的解决提供科学理论依据；④根据雾滴监测浓度，制定运行设备反馈控制规程，如根据排放烟气中雾滴含量的变化，调整除雾器、GGH、FGD、烟囱及后续WESP 等设备的运行和维护；⑤对“石膏雨”产生影响的运行参数，如浆液pH、烟气量、烟气流速、排烟温度等参数密切监视，保证系统在正常参数下稳定运行。

4 结 语

“石膏雨”问题由于对电厂及周边环境产生严重污染，逐渐引起社会各界的关注，通过对石膏雨的成因及影响因素、排放现状和相关检测方法的调研，分析目前国内面临“石膏雨”问题的解决对策，在FGD 系统设计和运行中，可以通过除尘设备及脱硫设备运行优化、尾部烟道设计优化及增设WESP 等方法，解决“石膏雨”问题，在此基础上提出“石膏雨”现象的监管建议。

（1）WFGD 系统取消GGH 导致排烟温度降 低，是产生“石膏雨”现象的重要原因，设备设计及运行、操作参数变化及外界环境对“石膏雨”的形成也有一定的影响。根据对实际电厂的调研，净烟气雾滴排放浓度在69～355 mg/m3，未能达到75 mg/m3要求的比例较大，未来“石膏雨”问题将持续突出，因此需要及时出台相关政策、标准，更新污染物减排技术约束雾滴排放。

（2）目前国内外没有专门针对“石膏雨”的检 测方法，通过对雾滴、SO3为主的气溶胶、固体颗粒物的测试方法来探讨“石膏雨”的检测方法，检测方法主要包括采样后的化学分析法及电荷法或光学法等物理化学法。

（3）通过对石膏雨的形成因素分析表明，已建或新建电厂可以通过除尘设备及脱硫系统的设计运行优化、尾部烟道设计优化及增设湿式静电除尘器为主的三种方法实现石膏雨的有效控制，WFGD后加装WESP 装置是有效控制石膏浆液颗粒等细颗粒物的一项重要手段。

（4）对“石膏雨”问题的控制，一方面需要防治技术的不断提升，另一方面需要相关的监管政策。国家应尽快确定相关规章制度，积极开展“石膏雨”监督检查工作。

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