电厂烟囱排烟形成水滴的原因分析

贺 雄，蒋 雷，甄文龙

(天津国投津能发电有限公司，天津 300480)



环保技术

电厂烟囱排烟形成水滴的原因分析

贺 雄，蒋 雷，甄文龙

(天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

介绍了火电厂“烟雨”的组成及形成机理，分析了形成“烟雨”的内外因素。结合环境温度变化、风速等不同因素下的数据分析，得出了“烟雨”形成的主、次要因素，并提出了针对性的措施。

火电厂； 烟雨； 环境温度； 烟气温度； 主机； 吸收塔

目前，火电厂烟气排放主要采用“湿烟囱”的排放方案，即不设置GGH等装置，净烟气以饱和状态直接从烟囱排出[1]。笔者针对这一现象进行了研究，通过对影响因素的数据分析，找到主次要因素，在不同阶段采取相应措施，可以有针对性地解决目前电厂出现的“烟雨”问题，进而解决厂区局部环境。

1 “石膏雨”及“烟雨”的形成机理

“石膏雨”现象是指由烟气中夹带的石膏浆液与冷凝水结合随烟气排放而滴落到附近地面的一种液滴沉降现象，它会对沉降区的生产、生活造成一定影响。在某电厂环保超低排放改造之前，除雾器采用水平卧式“Z形”除雾器，除雾效果差、堵塞频繁、烟气流速加快等，导致烟气夹带石膏液滴和凝结水的情况突出，同时由于除尘效率低、除雾效果差等原因导致排烟含尘量和气溶胶量也大，为水汽凝结提供了大量的初核，最终使得该电厂的“石膏雨”问题比较突出。“石膏雨”的最大特点是大部分液滴常因含有石膏而呈现淡黄色，超低排放改造以前，停在厂区内的车辆外壳、建筑物外壁上经常会看到带有石膏核的黄色液滴和污渍，这是对“石膏雨”最直观的印象。

2015年，某电厂一期2台机组先后进行了超低排放改造，增设了低温省煤器、二级脱硫塔和湿式电除尘装置，系统的除尘效率、脱硫效率等大幅提升，原脱硫塔出口的除雾器也更换为一级管式加两级屋脊式除雾器，管式除雾器用于去除液径较大的液滴，屋脊式除雾器烟气条件适应性强，进一步除去细小的液体。改造之后除雾器出口液滴携带量不大于50 mg/m3(实测在40 mg/m3以下)，除雾效果相比以前大幅度提高，石膏浆液夹带受到了遏制。同时，由于电除尘低温改造以及设置湿式电除尘器，系统的除尘、除雾能力也得到了提高，烟气中烟尘和气溶胶含量也大幅降低。因此，超低技改后某电厂的“石膏雨”现象已基本消失。

但同时发现，厂区局部地区仍时常会有“雨滴”掉落，这是由于排烟温度较低(通常在48～52 ℃)，脱硫吸收塔出口带有饱和水的净烟气在排出过程中部分冷凝形成液滴，烟气夹带部分冷凝液滴自烟囱口排出后遇周围空气烟气温度进一步下降，饱和水蒸气随之也不断凝结成水滴，烟气中的液滴不断长大最终滴落下来形成了所谓的“烟雨”。

“烟雨”由两部分组成：一是烟气中本身夹带的液滴，饱和净烟气流经烟道和烟囱通常会有2～4 K的温降，由下式可见这会形成大量的冷凝液，这部分冷凝液极易被高流速的烟气流夹带而形成“烟雨”；二是饱和烟气经烟囱口排出与周围空气混合降温后凝结的水，环境温度越低空气湿度越大，烟气与空气混合后的过饱和程度也就越大，也就越容易析出形成“烟雨”。就烟气的总含水量和水蒸气分布区域而言，相比之下第二部分要远大于第一部分。

Qm=0.026 41T2+0.034T+5.831 6

(1)

式中：Qm为每立方米饱和烟气中水蒸气含量，g/m3；T为饱和烟气温度，℃。

图1为“烟雨”的双分散模型。

A+B—夹带分散区；B+C—冷凝分散区；B—两区域的重叠部分。图1 “烟雨”的双分散模型

由烟气夹带所形成的这部分“烟雨”在烟气排出烟囱后会很快滴落，因此它的散落区域比较有限，称之为夹带分散区。随着烟气流速和风速的变化，这一分散区域的半径和最大沉降位置也会随之而改变；由饱和烟气降温凝结所形成的“烟雨”相对来说总量大、散落区域较广，散落区称之为冷凝分散区，影响冷凝分散的因素较多，故而这一分散区域的半径和最大沉降位置也不固定，但由于烟气经烟囱口排出后会很快降温凝结，因此其最大沉降位置通常离烟囱口不会太远，一般都在几十米范围内。冷凝分散区与夹带分散区的交叉区域B兼具有两种分散，“烟雨”现象通常会比较明显，如果两种分散的最大沉降位置均处于这一区域甚至重叠在一起，那么在这一区域便会形成较强的“烟雨”。

2 影响“烟雨”形成与分布的因素

经查阅相关资料，结合双分散模型和高斯扩散模式，总结出影响“烟雨”形成与分布的因素主要是烟气提升高度、“白烟”长度和最大凝结量，而这些因素又受到环境温度、环境湿度、风速、气压、温度递减率、烟气温度等的影响[2]。

2.1 外部因素

2.1.1 环境温度

当环境温度高时，烟气提升高度会下降，达到最大高度的距离也会缩短，观察到的“白烟”长度也会变短(见图2中的“烟囱2”)，分散区变小。同时，由于环境温度与烟温的温差小，凝结水量也会变少，所以此时不太可能出现“烟雨”，即使出现也是集中在烟囱附近的很小区域。

图2 不同环境温度下烟雨形态的比较

当环境温度低时，烟气与空气混合后的温降大，混合后的过饱和程度也就越大，经计算，环境温度由30 ℃降至10 ℃，烟气的最大凝结水质量分数将会由0.137%升至0.43%，且由于其“白烟”长度长，冷凝分散区大，“烟雨”的影响范围也会变大。这也就是为什么冬季的“烟雨”长、“烟雨”大的原因。

2.1.2 环境湿度

当环境湿度增大时，烟气与空气混合后的过饱和程度也就越大，烟气的最大凝结水量会适当增加。同时，环境湿度越大，烟气提升高度与达到最大高度的距离也同时增加，观察到的“白烟”长度也相应变长(见图3中的“烟囱4”)，“烟雨”的影响范围变大，这主要是由于环境湿度大、烟气的凝结量加大，水蒸气凝结时释放的潜热多，使烟气受到的浮力变大所致。

图3 不同环境湿度下烟雨形态的比较

图4是以国内某600 MW机组为测算实例得到的不同湿度下的水蒸气凝结曲线图。由图4可以获得如下信息：

(1) 烟气离开烟囱后，凝结水量便增大到最大值，而后较为迅速地减小，最大凝结水量一般出现在烟囱下风口的几十米处。

(2) 环境的相对湿度越大，凝结水量增大到最大值后减小的速率越小，相对减小的越缓慢。

(3) 当环境的相对湿度较低时，凝结水量在300 m以内即减小到0。可见一般情况下冷凝分散区也不会太大，而且考虑到只有较大的液滴才会形成明显的“烟雨”，故而“烟雨”的主要影响范围应该约在烟囱下风口几十米至二百米之间，只有当环境湿度比较大时，才会增大到300 m左右。

(4) 当环境湿度接近于饱和状态时，凝结水质量分数随距离减小而降低到大约0.05%以后将维持在该值附近，不再有明显变化。

图4 45 ℃湿烟气在不同湿度下的水汽凝结曲线

通常夜间“烟雨”现象较白天明显，尤其是昼夜温差较大的夏秋之际更为凸显，这是由于夜间气温低、水的饱和蒸汽压相对较小，导致夜间的空气湿度相对较大所致。

2.1.3 风速

风速变大，烟气总含水量和扩散过程中的最大含水量都没有明显变化，但在扩散过程中最大含水量出现的位置会变远，同时烟气的提升高度会下降，烟气达到最大高度的距离将增加，白烟变长(见图5中的“烟囱2”)，“烟雨”的影响范围变大。可见风速对“烟雨”的形成影响程度不大，一般情况下只对其影响范围起作用。

图5 不同风速下烟雨形态的比较

2.1.4 气压

当环境气压相对较低时不易于烟气的扩散，烟气的总含水量不变，但是扩散过程中的最大凝结水量会有所增加，同时由于气流上升使得烟气的提升高度也会稍有提高(见图6中的“烟囱4”)，总体上缩小了双分散区，这时一般就会在烟囱附近形成较明显的“烟雨”。

图6 不同气压下烟雨形态的比较

2.1.5 温度递减率

当温度递减率增大时，烟气提升高度与达到最大高度的距离同时增加，最大凝结水量也会稍有增加，但增加的幅度都不大，故而温度递减率是形成较明显“烟雨”的辅助性因素，而非主要因素。

2.2 内部因素

2.2.1 烟气温度

对于湿烟气而言，烟气温度越高其总含水量越大，公式(1)很好地证明了这一点。而且，烟温高不仅总含水量大，其烟气扩散过程中的最大凝结水量也会变大。同时，烟温高、烟气的抬升力大，烟气的提升高度与达到最大高度的距离也增加，“烟雨”的影响范围也随之变大。经计算，烟囱排烟温度由45 ℃升至55 ℃，烟气的最大凝结水质量分数将会由0.43%升至0.829%，白烟长度将会增大2～3倍。此外，烟温高、烟气流速也快，烟气的夹带程度也变大，双分散模型中的B区变大，故而烟温越高越容易形成“烟雨”。

2.2.2 主机

主机方面主要是机组的负荷、煤质、燃烧调整以及低温省煤器的投运情况通过影响烟气量与排烟温度而影响着“烟雨”量及其分布。烟气量增加，烟气流速加快，我国的烟囱设计规范中规定烟囱内的烟气流速一般控制在18～20 m/s，当烟气流速大于18 m/s时烟气分散烟囱下部凝雾的能力很强(1 000 MW机组满负荷运行时烟囱内的烟气流速可达25.8 m/s)，凝雾被打散后相当一部分液滴被烟气所夹带，这便会增大烟气含水量和夹带分散区。

脱硫吸收塔进口烟温升高会使得净烟气温度升高，一般的进口烟温每升高5 K相应的净烟气温度会升高约0.4 K，同时吸收塔进口烟温升高还会使得塔内蒸发量变大，一般的进口烟温每升高5 K相应的每1 000 m3烟气将多蒸发2.62 kg水。

2.2.3 吸收塔

吸收塔方面对“烟雨”的形成和影响非常小，主要有可能的影响有两方面：一是液气比和浆液温度，液气比和浆液温度增大时会使得烟温和带水量稍有增加，但程度很小，液气比与浆液循环泵的运行台数有关，是由机组负荷和煤质所决定的，而浆液温度又是由气温、循环泵台数以及工艺水温度决定的，故而这方面因素又是无法调整的；二是吸收塔设计方面，超低排放改造后新增的二级塔相对于一级塔烟气流速较高，同时湍流器的设置也会增大烟气的含水量，但同时这方面因素的影响程度非常小，同时也是不可干预的。

2.2.4 湿式除尘器

湿式电除尘主要影响“烟雨”的夹带分散部分[3]，一期2台湿电的除雾滴能力在70%～85%，可以说基本除掉了直径在20 μm以上的雾滴，但二级塔的烟气流速是4.5 m/s，夹带能力有限，经过除雾器后，20 μm以上的雾滴量原本已经很少，而湿电对20 μm以下的雾滴去除能力一般在50%以下，因此湿电对夹带分散的影响也是比较有限的。

湿式电除尘在调试后厂家给出的参数设置建议是：1号机组湿电二次电流限值为600～1 000 mA，2号机组二次电流限值为1 200～1 600 mA，在此期间运行既可以保证对悬浮颗粒有较好去除效果又不至于消耗过多的电能，因此长期以来也是始终在这一范围内进行运行调整。近期尝试着将湿电参数调高来观察其对“烟雨”的影响，但没有观察到“烟雨”现象的明显变化[4]。2号机组湿电有2个电场因缺陷暂时无法处理而停运，但其故障停运的时间已经相当长，因此这些不是导致近期“烟雨”现象加重的原因。

此外，湿电冲洗也有可能会影响夹带分散；但湿电冲洗的冲洗时间短、冲洗周期相对较长，而且专业上对湿电冲洗的时间、频次都有着严格的规定，长期以来一直都是依照规定对湿电进行冲洗，近期并没有增加频次和冲洗时间等特殊操作。

湿电冲洗喷嘴脱落会影响烟气的夹带分散，但如果冲洗喷嘴有脱落，首先对应电场的运行参数应该会出现异常，而且湿电冲洗的水量也不是很大，单个喷嘴的水量则更低，如果一个或几个喷嘴脱落，对夹带分散所造成的影响相当有限，要是使“烟雨”现象明显变大，得需要有大面积的喷嘴脱落，这种情况可以说是基本不可能出现的。

2.2.5 除雾器

除雾器对“烟雨”的形成和影响主要体现在冲洗方面，当除雾器冲洗不及时时，除雾器通流面积变窄，烟气流速加快，除雾效果变差；当除雾器冲洗过于频繁(尤其是上两层冲洗)或压力过高时会使烟气夹带水量变大。查询历史曲线可见，近期除雾器压差始终维持在较低的200 Pa以下，且较为平稳(见图7)，除雾器的冲洗压力、冲洗频次也没有明显的突增(见图8)。虽然说近期机组负荷较高，为维持水平衡适当延长了除雾器的冲洗时间，但也是十分有限的，而且除雾器方面主要影响的是烟气夹带量，夹带分散区域有限，距离也较短，一般情况下只会影响烟囱附近区域的“烟雨”。除雾器冲洗喷嘴脱落的影响与湿电喷嘴的影响大同小异，不再复述。

图7 1号、2号机组除雾器差压曲线

图8 1号、2号机组除雾器冲洗压力曲线

2.2.6 设备方面

设备方面比如说吸收塔内部构造、除雾器及湿电冲洗喷嘴，此外还有检修工艺和维护周期、烟道设计、设备本体漏风情况等，这部分因素主要是影响着烟气量、烟气流速场以及烟气夹带情况，对“烟雨”是有一定的影响，但一般情况下影响不大。

3 近期“烟雨”现象凸显的原因

总结“烟雨”现象内外两方面的影响因素，可以得出如下结论：

(1) “烟雨”受到多种原因的影响，是多种原因共同作用的结果，“烟雨”受到外因的影响大于内因，外因起着主要甚至是决定性的作用。

(2) 内因方面人为可调控的部分少，机组负荷、煤质以及烟温方面占主体。内因方面对夹带分散影响较大，外因方面对冷凝扩散影响较大，外因决定着扩散方向，主导着扩散范围。

(3) 由于在湿电冲洗与参数调整、低温省煤器和锅炉燃烧运行调整等方面，专业上都有对应的技术措施和规定，也有相应的指标管理，人为调整的余地不大，长期以来运行也比较稳定，近期更没有较大或异常操作，故而近期“烟雨”现象凸显的问题不应是这方面因素造成的。

(4) 正常情况下，影响“烟雨”的几个主要根本因素是环境温度、环境湿度和烟气温度，次要因素是机组负荷、气压和煤质。故当湿度大、环境温度低、气压低、烟温高、机组负荷高时，容易出现范围较大、较为明显的“烟雨”现象。

对照2016年8月下旬机组的负荷率与净烟气温度，统计见表1。

表1 近期天气情况与机组负荷、烟气温度对照表

统计此地区近期的天气情况发现，此地区8月下旬相比之前气温较低，月末稍有回升，空气相对湿度较大，平均处于60%以上，天气多以阴云为主，说明气压较低，风向是西北方向，这就使得烟气向东南扩散，覆盖该电厂的生活区部分，“烟雨”一旦出现更容易被感知。

表1中未处理部分表示有利于形成“烟雨”，加下划线部分表示不利于形成“烟雨”，加粗部分表示对“烟雨”形成的影响不明显。综合各种因素，将未处理部分相对较多的对应日期加下划线，表明这一天形成明显“烟雨”现象的概率较大，结果看到8月下旬利于“烟雨”形成的天数较多，可见，近期该电厂“烟雨”现象凸显的原因主要是环境气候和机组负荷等因素影响所致。

4 结语

对该电厂实际运行数据统计与分析，可以看出，影响“烟雨”的几个主要根本因素是环境温度、环境湿度和烟气温度，次要因素是机组负荷、气压和煤质。故当湿度大、环境温度低、气压低、烟温高、机组负荷高时，容易出现范围较大、较为明显的“烟雨”现象。

[1] WEILERT C V,PATTISON D C,RICHART S D. EPRI wet stacks design guide[J].SciTech Connect,1995.

[2] 陈牧. 湿法脱硫后烟囱出口烟气液滴夹带问题分析及解决[J]. 电力建设,2010,31(10): 80-83.

[3] 程水新. 湿法烟气脱硫系统中“石膏雨”问题的分析及对策[J]. 电力建设,2010,23(5): 27-30.

[4] 冯金煌,陈活虎. 脱硫喷淋塔除尘的影响因素及效果分析[J]. 环境工程,2010,28(3): 70-72,84.

Formation Mechanism of Water Droplets in Exhaust Chimney of Power Plants

He Xiong,Jiang Lei,Zhen Wenlong

(Tianjin SDIC Jinneng Electric Power Co.,Ltd.,Tianjin 300480,China)

An introduction is presented to the formation mechanism of “misty rains” in thermal power plants,including the internal and external influencing factors. Based on analysis of operation data obtained at different environmental temperatures and wind speeds,the primary and secondary causes leading to the formation of “misty rains” were found,to which corresponding countermeasures were proposed.

thermal power plant; misty rain; environmental temperature; gas temperature; main equipment; absorber

2016-09-20；

2016-11-28

贺 雄(1980—)，男，工程师，从事火力发电厂运行管理工作。

E-mail: 8407086@qq.com

X701

A

1671-086X(2017)04-0267-05