1 000 MW机组烟囱石膏雨的研究

许 静， 段钰锋， 冯琰磊， 孙坚荣

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096；2. 华东电力设计院， 上海 200063； 3. 上海电力学院， 上海 200090)

环保技术

1 000 MW机组烟囱石膏雨的研究

许 静1， 段钰锋1， 冯琰磊2， 孙坚荣3

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096；2. 华东电力设计院， 上海 200063； 3. 上海电力学院， 上海 200090)

为研究“石膏雨”产生的原因并消除该现象，针对某1 000 MW电厂的运行参数，计算了不同环境温度、不同机组负荷下烟囱内的冷凝液量，得出较高负荷和较低环境温度会使烟囱内生成更多的冷凝液量。计算了采用管式GGH装置的烟囱不发生白烟的烟气排放温度，分析得出白烟现象的发生温度受环境温度的影响很大，冬季要解决白烟问题除GGH装置外还需引入其他热源。

火电机组； 石膏雨； 湿烟囱； 冷凝液量； 白烟

Abstract： To research the formation mechanism of “gypsum rain” and eliminate the phenomenon, the volume of condensate water in wet chimney of a 1 000 MW coal-fired plant at different unit loads and environment temperatures was calculated according to the operating parameters. Results illustrate that more condensate water would be generated at higher loads and lower environment temperatures. The exhaust temperature at which vapor plume phenomenon shall not occur was also calculated when tubular GGH device is installed. Results show that the occurrence of vapor plume is significantly affected by ambient temperatures; besides GGH device, extra heat sources should be introduced to solve this problem in winter.

Keywords： coal-fired plant； gypsum rain； wet chimney； condensate water； vapor plume

我国300 MW以上的火电机组基本上都采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫(WFGD)技术。石灰石-石膏湿法脱硫吸收塔出口烟气温度在45～60 ℃，烟囱排烟温度较低，属于湿饱和状态，容易出现夹带石膏浆液的情况，导致正常天气情况下，电厂周围地区经常出现降下小液滴的现象，这种现象被称为“石膏雨”现象[1-2]。含有一定量的 SO2、SO3及石膏浆液的小液滴呈酸性，会对电厂附近的设备、设施和建筑物造成一定的腐蚀损害，对电厂的正常运行和周围居民的生活产生了很大的影响[3]。在烟囱内未冷凝的酸性液体，扩散到大气中就会形成“石膏雨”。为研究及分析白烟和“石膏雨”的生成规律，并提出防治措施，笔者对某电厂1 000 MW机组在不同负荷、不同环境温度下烟囱内的冷凝液量和采用管式GGH装置后不发生白烟的温度进行了计算。通过对“石膏雨”形成的研究找出解决方案，以减少环境污染。

1 “石膏雨”的形成机理

1.1 形成因素

“石膏雨”主要来自烟气中未除净的液滴和冷凝水。形成“石膏雨”现象的原因主要有三个方面[4-5]：

(1) 净烟气的特性。经过湿法烟气脱硫系统的烟气会携带大量的液滴，烟气在排入大气的过程中，温度会不断降低，湿饱和蒸汽区的烟气会不断生成冷凝液，这是“石膏雨”形成的最根本原因。

(2) 烟囱的结构形式。烟囱的高度、烟囱壁面的平整程度、烟囱的内衬材料，以及导流板的布置等都会对“石膏雨”的形成产生很大影响。

(3) 环境的气象条件。主要指环境温度、相对湿度和大气压力，这些因素是形成“石膏雨”现象的外部原因。

1.2 解决方法

针对“石膏雨”形成的原因，需要在 WFGD 的设计和建设过程中充分考虑烟气通过吸收塔后净烟气温度、水分含量，采取改进措施[6-7]。一方面可增强除雾效果、减少烟气中的雾滴携带，除雾器设计上需对入口烟气量与设计参数的偏差、烟气流速的大小、除雾器的选型等方面进行充分考虑，合理布置除雾器，减少烟气对液滴的夹带量；另一方面可提高烟温，合理地布置烟气加热装置，强化烟气的抬升和扩散，减弱甚至消除火电厂周边区域的“石膏雨”现象。

2 脱硫系统和烟气系统

2.1 脱硫系统

烟气脱硫设备采用石灰石-石膏湿法、一炉一塔脱硫装置。脱硫率在设计煤种BMCR工况下不小于95%。每套烟气脱硫装置的出力在锅炉BMCR工况的基础上设计，脱硫系统处理的烟气体积流量872 m3/s(湿态、标准状况、锅炉设计煤种)最小可调能力与单台炉不投油最低稳燃负荷(30% BMCR工况，燃用设计煤种的烟气流量)相适应；烟气脱硫装置应能在锅炉BMCR工况下进烟温度加10 K裕量条件下安全连续运行。脱硫效率按设计煤种100% BMCR工况下不低于95%设计。脱硫系统设置100%烟气旁路，不设置GGH。

2.2 烟气系统

烟气系统的流程为：锅炉炉膛产生烟气→脱硝SCR反应器→空气预热器→除尘器→引风机→脱硫增压风机→脱硫吸收塔→烟囱。每台锅炉配备两台50%容量的静叶可调引风机和两台50%容量的动叶可调增压风机，用于克服烟气在锅炉烟气系统及WFGD装置系统内造成的烟气压降。引风机和增压风机串联布置，均设计在WFGD装置进口原烟气侧高温烟气侧运行。

2.3 煤种分析和锅炉性能

设计煤种的工业分析及元素分析见表1，锅炉性能见表2。

表1 设计煤种的工业分析及元素分析

表2 锅炉性能

3 烟囱冷凝液量

3.1 计算过程

3.1.1 烟囱温降

根据文献[8]进行烟囱温降的计算。

(1) 烟囱的热力学温降Δθth。

烟气在烟囱中上升流动过程中，因海拔高度降低所产生的温降为热力学温降Δθth。

(1)

式中：H为烟囱排烟筒几何高度，m；θgs为烟囱入口烟气温度， ℃。

(2) 烟囱的散热温降Δθh。

以传热学方程的计算结果为准，也可按经验公式近似地估算。

① 经验公式。

(2)

式中：A为经验系数，对砖排烟筒A=0.2(大型)，A=0.4(小型)，对于钢内筒A=0.8(有内衬)，A=2(无内衬)；D为所有接入该烟囱锅炉的额定蒸发量总和，t/h；β为烟囱的负荷率，在火力发电厂大气污染物排放计算中，取β=1.0。

② 传热学方法。

将烟囱简化为等直径的圆柱形管道，假设钢表面的温度，算出钢外表面与环境的换热Q1后，可根据传热量等于烟气进出口总焓值的变化算出烟气在烟囱出口处的温度，进而算出烟气对钢的内表面的传热量Q2，校核Q1与Q2的相对误差不超过0.2%，认为计算合格。根据计算出的烟气温降算出烟气冷凝液的放热量，将冷凝液的放热量迭代到Q2重新计算烟气在烟囱出口的温度，当烟气温降与上一次迭代温降的相对误差小于0.5%，认为结果收敛[9]。

由于经验公式法有一定的适用条件，为了得到较为准确的结果，采用传热学方程计算作为计算烟囱散热温降的方法。

(3) 烟囱的漏风温降Δθle。

当烟囱或烟囱入口烟道呈负压运行而存在漏风时，所引起的漏风温降为:

(3)

式中：ΔLs为漏风率；ta为环境温度， ℃。

由于计算的烟囱为钢内衬，无漏风，所以漏风温降Δθle=0 K。

3.1.2 烟囱内冷凝液量

(1) 公式法。

湿烟气的冷凝液量以排烟筒热工计算所得到总温降Δθgs为基础，按热平衡方程来估计湿烟囱内的冷凝液生成量[2]：

ΔGgs=1.43cp″·Vgs·Δθgs

(4)

式中：ΔGgs为饱和湿烟气在排烟筒内所形成的冷凝液量，kg/h；Vgs为流经排烟筒的饱和湿烟气量，m3/s；Δθgs为排烟筒总温降，K；cp″为增湿烟气的比定压热容,kJ/(m3·K)。

(2) 根据烟气的特性。

根据脱硫塔计算准则算出烟囱进口处烟气的含湿量，由烟气出口温度和烟囱出口湿饱和参数，可以算出烟囱出口处烟气含湿量，进出口含湿量的差值则是在烟囱内烟气的冷凝液量。

由于公式法有特定的使用范围，只适用于砖内衬的小烟囱，不适合用于百万机组的钢内衬烟囱；且公式法中的冷凝液量是指烟囱内疏水装置收集起来的凝结量，并不是实际冷凝的凝结液量。为了得到更为准确的结果，笔者根据烟气特性来计算冷凝液量。

3.2 结果分析

不同工况、不同环境温度下烟囱内冷凝液量变化见图1。

图1 不同工况、不同环境温度下烟囱内冷凝液量

由图1可以得出：在同一工况下，烟囱内的冷凝液量随环境温度的降低而明显增多，冬季冷凝液量>过渡季冷凝液量>夏季冷凝液量。冷凝液量取决于烟囱内的总温降，其中由于烟囱无漏风，所以漏风温降为零，温降是由大气压力随高度的变化而引起的热力学温降和烟气散热引起的散热温降组成。不同工况和不同环境温度下，热力学温降相差并不大，所以对烟囱冷凝量影响最大的是烟囱的散热温降。冬季的环境温度较低，较低环境温度导致烟气流经烟囱时的散热较多，散热温降较大，所以冬季冷凝量明显多于过渡季和夏季。夏季的环境温度较高，流经烟囱的烟气与外界环境的温压较小，散热少，冷凝液量也较少。

由图1同样可以得出：在同一环境温度下，不同负荷下烟囱内冷凝液量也明显不同。THA工况冷凝液量>75% THA工况冷凝液量> 50%THA工况冷凝液量>30%BMCR工况冷凝液量。主要原因是：在高负荷时，燃煤量增多，冷凝液量较多；其次，烟气流量随着负荷的升高而增大，在较高负荷时，烟囱内的烟气流量增大，烟气流速增加，换热效果较好，散热量多，散热温降较大，总温降主要也是受散热温降的影响较大。所以，烟囱内的冷凝液量随负荷的升高而增多。

4 机组不发生白烟的温度

4.1 工程背景

拟采用管式GGH方案[10]来防止白烟的发生。为了校核烟气的热量是否能够使烟囱出口温度达到不发生白烟的温度，以确定是否需要引入其他热源来保证不发生白烟，所以需计算该工程不发生白烟的温度，其主要工艺系统图见图2。

图2 管式GGH的系统流程图

该系统中设置了两台烟气-水换热器：烟气冷却器和烟气加热器。以水为媒介，原烟气首先进入烟气冷却器，冷却到90 ℃左右，进入脱硫吸收塔；从脱硫塔出来50 ℃左右的净烟气再通过烟气加热器升温到80 ℃左右进入烟囱。水媒介在烟气冷却器中升温，通过水泵送入烟气加热器降温，循环运行。

4.2 结果分析

夏季、冬季和过渡季由于环境温度和大气压力的不同，所以饱和等湿摩尔曲线略有不同，但基本相似。环境湿度都在80%左右，影响不大，对环境状态点影响最大的因素是环境温度。由于算出白烟不发生温度的原理是由环境状态点向湿度为100%的等湿摩尔曲线作切线，所以冬季的较低温度导致作出切线的斜率较小，从而可能得出较高的不发生白烟的温度。不同工况、不同环境温度下白烟不发生的温度变化见图3。

图3 不同工况、不同环境温度下白烟不发生的温度

由图3可以得出：采取吸收塔出口的烟气与未经处理的烟气混合，或与高温燃烧气混合和设置管式GGH的方案都能有效防止白烟发生。相对夏季和过渡季，冬季由于环境温度较低，极易发生白烟现象。所以，在采取防止白烟发生的措施时，计算出冬季不发生白烟的温度很高，达到了130 ℃左右；而夏季只要吸收塔出口烟气温度达到60～70 ℃就可以有效防止白烟的发生。若对已有的湿烟囱进行改造来防止白烟发生，可对比几种方案的实用性和经济性进行选择。采用管式GGH的方案效果较好，但运行中也存在严重的积灰和腐蚀问题。采用管式GGH后的烟气出口温度在70～80 ℃，在夏季和过渡季可防止白烟发生，但在冬季需要引入其他热源来防止白烟现象的发生。

5 结语

(1) 湿烟气在烟囱中生成冷凝液主要是由于烟气的温降引起的，机组在高负荷下运行时，烟气量较多使得烟囱内生成的冷凝液量较多；不同环境温度下的散热温降相差较大，导致不同环境温度下的冷凝液量有很大的不同，所以冬季冷凝液量高于过渡季和夏季。

(2) 由于白烟的发生受环境温度影响很大，设置管式GGH在夏季和过渡季能有效防止白烟现象的发生，但是由于冬季不发生白烟现象所需要的烟气排放温度较高，仅靠管式GGH并不能满足要求，需要根据实际情况综合多项因素以其他方式引入热源来消除白烟。

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ResearchonGypsumRainReductionofa1000MWCoal-firedPlantChimney

Xu Jing1， Duan Yufeng1， Feng Yanlei2， Sun Jianrong3

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China； 2. East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China; 3. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

2016-12-02；

2016-12-23

许 静(1992—)，女，在读硕士研究生，研究方向为燃煤大气污染物控制技术。

E-mail: 220140360@seu.edu.cn

X513

A

1671-086X(2017)05-0344-04