湿法脱硫燃煤机组“白色烟羽”节能治理

2016-04-18王贵彦黄素华

综合智慧能源 2016年11期

关键词：湿法冷凝环境温度

王贵彦，黄素华

（1.中国华电集团公司上海分公司，上海 200003；2.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090）

湿法脱硫燃煤机组“白色烟羽”节能治理

王贵彦1，黄素华2

（1.中国华电集团公司上海分公司，上海 200003；2.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090）

利用温湿图分析了采用湿法脱硫工艺的燃煤机组烟囱出口容易形成“白色烟羽”的原因，指出目前普遍采用的直接加热法虽然能够消除“白色烟羽”，但会增加机组的运行能耗，最后提出采用先冷凝再加热的工艺是治理“白色烟羽”的有效节能措施。

白色烟羽；湿法脱硫；湿烟气；再加热；冷凝

0 引言

目前，我国大部分燃煤发电机组脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺［1，2］，该工艺可使烟气温度降低至45～55℃，这些低温饱和湿烟气直接经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，从而产生“白色烟羽”。

虽然单纯的“白色烟羽”对环境质量没有影响，但是影响环境感观，有时甚至会被误认为有毒、有害废气。湿烟气凝结形成的微小水滴虽然危害不大，但是会对周围居民生活造成一定的困扰，环保局就经常接到类似投诉。因此，许多燃煤电厂把消除“白色烟羽”作为超低排放改造的重要内容之一。

1 “白色烟羽”形成机理

湿法脱硫后的湿烟气直接排放之所以会产生“白色烟羽”，是因为在脱硫过程中，脱硫浆液与高温烟气直接接触，发生传热传质。一方面水分蒸发，增加烟气的含湿量；另一方面，烟气温度降低，烟气携带水蒸汽的能力降低。烟气达到饱和状态后，会携带部分小液滴。这些携带小液滴的饱和湿烟气经除雾器除去绝大部分液滴后，如果直接经烟囱排入大气，由于环境温度比烟气温度低，饱和湿烟气中的水分就会凝结成小液滴形成“白色烟羽”。

图1 温湿图上烟气状态变化

图1为相对湿度为100%的空气中含湿量随温度的变化趋势曲线，A点为排放湿烟气的初始状态，B点、C点为不同的环境空气状态，AB，AC分别与饱和湿度曲线相交于B1，C1点。湿烟气从烟囱口排出后是否会出现白烟及出现白烟的长度，不仅与烟气本身含湿量的多少、烟气的温度（A点位置）有关，而且与它周围环境空气的温度、湿度（即B，C点位置）有关。A点状态的湿烟气从烟囱口排出后，沿饱和湿度曲线变化到B1点，在这个过程中湿烟气中的水分凝结成小液滴，也即形成“白色烟羽”，然后由B1点沿直线变化到环境状态B点，在这个过程中“白色烟羽”消失。由A点变化到环境温度更低的C点的过程也类似，只不过“白色烟羽”的长度更长。因此，只要湿烟气初始状态点与环境状态点的连线与饱和湿度曲线相交，就会产生“白色烟羽”。并且环境温度越低、湿度越大“白色烟羽”越长。

大气环境因素中，环境温度、相对湿度、大气压力都对“白色烟羽”的形成有影响，其中环境温度的影响最大，所以这里仅讨论和分析环境温度的影响情况，假定大气压力为101.325 kPa、大气相对湿度为60%。

2 直接加热法

直接加热法就是将脱硫后45～55℃的湿烟气加热到70～80℃再排放。主要有［1，3］：

（1）利用锅炉二次风加热净烟气；

（2）利用原烟气加热净烟气（回转式气气换热器、管式气气换热器）；

（3）在烟囱底部利用清洁燃料来加热净烟气。

我国目前主要采用原烟气加热净烟气，而且主要是管式气气换热器。由于回转式气气换热器不可能完全密封，脏烟气侧会向净烟气侧泄漏粉尘和SO2，不符合目前超低排放的要求，而且运行中存在严重的腐蚀、堵塞问题，影响机组的可用率，已基本放弃。

脱硫后的湿烟气要再加热到多高的温度才能消除“白色烟羽”，不仅与环境空气的温度和湿度密切相关，而且与脱硫塔出口的湿烟气温度也密切相关［4］。对于50℃的湿烟气，在10℃的环境温度下只要加热到71.4℃以上就可消除“白色烟羽”，而在5℃的环境温度下则需要加热到86.2℃以上。对于脱硫塔出口温度较高的湿烟气，则需要再加热的温度更高一些。例如，在10℃的环境温度下，对于45℃的湿烟气只要加热到57.9℃以上就能消除“白色烟羽”，而对于 55℃的湿烟气，则需要加热到87.9℃以上才能达到目的。

如图2所示，将脱硫塔出口饱和湿烟气从A状态加热到A1状态后，A1B1与饱和湿度曲线不再相交，表明当环境温度为B1（30℃）时，不会有“白色烟羽”产生；而A1B2与饱和湿度曲线还是相交，表明当环境温度为B2（15℃），温度较低时，仍然有“白色烟羽”产生，但是“白色烟羽”长度已经缩短。因此，在较低的环境温度下，要完全消除“白色烟羽”，还要将湿烟气加热到更高的温度，直到最后的状态点与环境温度点的连线不再与饱和湿度曲线相交。

图2 湿烟气加热后排放状况

将脱硫塔出口的湿饱和烟气直接加热到一定温度后再排放能够消除“白色烟羽”，但是会增加发电机组的能耗。

3 先冷凝再加热法

如图3所示，A点湿烟气的初始温度为55℃，C点环境温度为20℃。如果采用直接加热法，需要将A点的湿烟气加热到A1点的72℃以上才能消除“白色烟羽”，温差为17℃；而如果先将A点湿烟气冷凝到B点（50℃）除去湿烟气中的部分水分，然后再从B点加热到B1点（60℃），就能消除“白色烟羽”，而其温差仅为10℃。通过这种先冷凝再加热湿烟气的方法，一方面可以在冷凝过程中回收湿烟气冷凝放热量和凝结下来的水；另一方面由于冷凝后湿烟气需要再加热的温度降低，而且水分析出后湿烟气的定压比热降低，因此冷凝后湿烟气需要再加热的热量大为减少。

图3 湿烟气先冷凝再加热过程

这里以某超临界600MW机组为例来分析计算先冷凝再加热工艺的能耗情况。假定脱硫塔出口湿烟气温度为55℃，利用凝结水将其冷凝到50℃，加热后的凝结水回到＃8低压加热器的出口。

超临界600MW机组额定工况下，脱硫塔出口湿烟气量约为2200 t/h，而标准大气压下55℃、50℃饱和湿烟气的含湿量分别约为114.6 g/kg（烟气）和86.4 g/kg（烟气），湿烟气比热约为1.1 kJ/kg·K。因此，湿烟气从55℃冷凝到50℃，凝结水的速率约为62.11 t/h，放热量速率约为159.4GJ/h（包含部分潜热放热）；而假定环境温度为20℃，为消除“白色烟羽”将冷凝后的湿烟气通过管式气气换热器加热到60℃每小时需要的热量仅为35.3GJ。而直接加热法将55℃的湿烟气加热到72℃每小时需要的热量为53.2GJ。因此，通过先冷凝再加热工艺，不仅每小时可回收62.11 t的水和159.4GJ的余热，而且每小时还可节约17.9GJ的能耗。尽管这些余热由于温度较低，做功能力不强，但是可以弥补因烟气冷凝而增加的风机损耗；回收的冷凝水则可以加以综合利用。因此，对脱硫塔出口湿烟气先冷凝再加热不失为一种“白色烟羽”的节能治理模式［5-9］。