燃煤电厂湿烟囱白烟机理及治理方法研究

2018-10-19单永华

中国资源综合利用 2018年9期

单永华

（河北国华定州发电有限责任公司，河北保定 073000）

烟囱排出的饱和湿烟气与温度较低的环境空气接触时，在烟气降温过程中，烟气中所含水蒸气过饱和凝结，凝结水滴对光线产生折射、散射，从而使烟羽呈现出白色或者灰色，其被称为“湿烟羽”[1]。

我国大部分烟气脱硫采用湿法脱硫工艺，尤其是石灰石-石膏法工艺。烟气通过吸收塔净化后烟温降低到45～55℃，烟气从高温干烟气变为低温饱和湿烟气，经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，产生“白色烟羽”。单纯的白色烟羽对环境质量没有直接的影响，但会对周围居民生活造成困扰。

1 白色烟羽排放的影响因素及消除机理

1.1 白色烟羽的形成机理及影响因素

烟囱内的烟气处于饱和状态，饱和烟气遭遇温度较低的大气后会急剧冷却，烟气中水蒸气冷凝成液态，烟气透射光率下降，从而表现出烟囱冒白烟现象。随着烟气在大气中的进一步扩散，水蒸气在大气中的浓度降低，阳光透射率提高，并且水蒸气分压力下降、饱和温度下降，导致其重新蒸发，使得白烟逐步减少直至消失。

标准大气压下，在不同温度下相对湿度为100%的饱和烟气含湿量曲线如图1所示，其中数据取自常用的空气密度表（-20～60℃）。烟气经吸收塔净化后为低温饱和湿烟气（或近似于饱和），烟气从烟囱出口排放后，因环境温度较低，烟气中水蒸气发生相变冷凝成液态，此时白色烟羽产生；在烟气温度不断降低的过程中，其含湿量处于过饱和状态，冷凝液不断产生，当烟气温度逐渐降至环境温度，含湿量处于非饱和状态时，白色烟羽消失[2]。

白色烟羽排放的影响因素主要为环境温度、环境相对湿度、烟囱出口烟气温度、环境风速以及烟气速度等。其中，环境温度越低，烟羽排放现象越明显，烟羽治理难度越大；环境湿度越大，烟羽中的水分难以及时扩散，造成烟羽影响范围增大，湿烟羽治理难度越大；烟囱出口烟气温度越低，湿烟羽长度越小，采用降温措施可以在一定程度上减弱或消除湿烟羽现象；环境风速越高，湿烟羽飘散的距离越远；烟气速度越大，湿烟羽的长度越大，表明燃煤机组负荷和烟囱出口直径也是影响湿烟羽排放的重要因素[3]。

图1 烟囱出口烟羽排放的产生机理

1.2 白色烟羽的消除机理

从图1可知，烟囱出口出现烟羽的原因是烟气中的水蒸气在降温过程中出现了过饱和状态，发生相变析出冷凝水。若消除白色烟羽，就需要保证烟气含湿量在降温过程中始终低于饱和含湿量值，保证烟气中的水蒸气始终处于气相状态，不发生相变析出冷凝水。烟囱出口烟羽的消除机理如图2所示，数据取自常用的空气密度表（-20～60℃）。在降温过程中，烟气若不进行处理就会出现图1中的水蒸气相变冷凝过程，产生白色烟羽[4]。因此，在外界环境状态不变的情况下，需要对吸收塔净化后的烟气进行处理才可消除白色烟羽。

图2 烟囱出口烟羽的消除机理

2 白色烟羽治理方案

白色烟羽的消除机理主要是改变吸收塔的出口烟温，进而改变烟气中的含湿量。升高烟气温度，可降低烟气中的相对含湿量；降低烟气温度，可降低烟气中的绝对含湿量或者提高外界环境温度。

2.1 烟气加热技术

烟气加热技术分两种形式，一种是间接换热加热方式，一种是烟气混合加热方式。

2.1.1 间接换热加热方式

间接换热加热方式主要有回转式GGH、管式GGH、MGGH、热管换热器、蒸汽换热加热等。

（1）回转式GGH。我国初期建设的电厂烟气脱硫装置均安装了GGH，主要采用的就是回转式GGH。设置回转式GGH的系统，一般利用锅炉出口的高温烟气加热吸收塔洗涤后的净烟气，净烟气被加热到80℃左右后，经过烟囱向大气排放。

（2）管式GGH。管式GGH换热原理与回转式GGH相同，仍是气气换热，原烟气从管内流动，净烟气在管外流动。其管材材质主要分为金属与非金属两种。

（3）MGGH。MGGH原理及工作流程：MGGH即无泄漏低低温热媒体烟气换热器，该技术一般配合除尘器使用，形成低低温电除尘系统，该系统由“热回收器+（电除尘器）+再加热器”组成，其中热回收器（MGGH-H/E）布置在空预器之后和电除尘器的入口端之间，再加热器（MGGH-R/H）布置在脱硫吸收塔后与烟囱之间烟道上，如图3所示。

该系统是在电除尘器入口布置热回收器，使进入电除尘器的烟气温度由130℃下降到90℃，同时通过水或导热油等热媒体经过换热对脱硫后净烟气进行升温处理，使烟气温度提高到80℃左右，从而达到烟气余热利用的目的，提高除尘和脱硫效率（无SO2泄露），提高净烟气排放温度。其原理如图4所示。

MGGH系统主要优点及技术关键问题：MGGH为无泄漏式热媒体烟气换热器，原、净烟气不直接接触，不存在烟气泄露造成的二氧化硫逃逸问题，高温段热回收器不存在烟气带水的影响，也不存在堵塞影响机组正常运行的现象，低温段再热器采用蒸汽吹灰方式（灰量很少），可有效地防止堵塞问题。

图3 MGGH布置方式

图4 MGGH工艺原理

MGGH主要存在的技术关键点是烟气升温段的低温腐蚀问题，脱硫后净烟气仍含有部分酸性成分，会对换热管形成酸性腐蚀。目前，国内超低排放改造工程多设置了低温段用以回收热量加热凝结水，设置高温段的工程较少，高温段对换热管材防腐性能要求较高，多采用分段使用2205、316L、ND钢管材的设计或采用氟塑料材质。

（4）热管换热器。热管由管壳和内部工质组成。如图5所示，热管受热段吸收热量，传递给管内工质，工质吸热后沸腾和蒸发，转变为蒸汽，蒸汽在压差的作用下上升至放热段；受管外冷流体的冷却作用，蒸汽冷凝并向外放出凝结潜热，冷流体获得热量，冷凝液则依靠重力回到受热段。如此周而复始，热流体的热量便传给冷流体，使冷流体得到加热。分离式热管原理如图6所示，整体式热管换热器外形和分离式热管换热器外形分别如图7、图8所示。

图5 热管原理

图6 分离式热管原理

（5）蒸汽换热加热。在吸收塔出口烟道内安装蒸汽换热器，利用高温蒸汽（从电厂引接厂用辅助蒸汽作为气源）加热吸收塔出口低温净烟气，使净烟气温度升高。

2.1.2 直接换热加热方式

（1）热二次风混合加热。利用锅炉热二次风的裕量，从空预器后二次风风道中抽取热二次风，注入净烟道，与净烟气混合，提升烟气温度，提高烟囱排烟的抬升高度。

（2）其他混合加热技术。除了常用的热二次风混合加热外，还有燃气直接加热和热空气混热加热方式。但是，目前这些混合加热技术在国内没有相关工程应用，仅日本的部分燃油机组有相关应用。

图7 整体式热管换热器外形

图8 分离式热管换热器外形

2.2 烟气冷凝技术

由于国家对烟囱出口有色烟羽的消除未做强制性的要求，目前对吸收塔出口的净烟气进一步冷凝的技术较少，且业绩少，运行时间较短。烟气冷凝技术分两种形式，一种是间接换热冷凝方式，一种是直接换热冷凝方式。

2.2.1 间接换热冷凝方式

图9 相变凝聚提水提质技术系统

目前，间接换热冷凝方式主要是在吸收塔与烟囱之间的烟道处设置一级冷凝换热器。如图9所示，冷凝器本体由数量众多的管排组成，其原理是通过对进入冷凝器的饱和湿烟气进行降温，使得饱和烟气中的水蒸气发生相变，由气态冷凝成液态，从而增加局部区域内的雾滴浓度，冷凝器设置收集水处理系统，冷凝后的雾滴部分会被烟气带走，因此在冷凝器后设置一级烟道除雾器深度去除冷凝雾滴[5]。

2.2.2 直接换热冷凝方式

目前，直接换热冷凝方式主要采用喷淋降温方式。

（1）三区相变凝聚节能减排技术。通过对脱硫塔顶层浆液泵出口或入口串入浆液冷却换热器，对顶层喷淋层的浆液降温，降温后的喷淋浆液与烟气接触，使烟气温度降低（一般降低3～5℃），降温后的冷凝烟气经过塔内除雾器除雾后排出，如图10所示。该技术在天津国电津能热电有限公司及上海长兴岛二电得到了成功应用。

浆液冷却换热器采用宽流道板式换热器，冷却水从板内流动，浆液从板外流动。考虑到板式换热器易堵塞的问题，浆液冷却换热器采取以下应对措施。

一是采用宽流道板式换热器。常规板式换热器通道仅有2～5 mm，易堵塞，浆液冷却换热器板间距按不小于30 mm设计，板间距可根据吸收塔实际运行情况进行适当调整。吸收塔浆液循环泵入口滤网孔径一般在30 mm左右，浆液中的大块固体在浆液进入换热器前可通过入口滤网拦截。

二是浆液换热器一般串联在浆液循环泵的出口竖直浆液管段上，竖直布置，浆液流向与换热器板片平行布置，浆液侧流速在2 m/s以上，运行过程中可避免浆液中细小固体沉积的问题。

三是浆液换热器停运时，排浆过程中会出现部分石膏沉积现象，设置自动清洗系统，清洗换热器表面。

四是浆液换热器浆液侧出入口均装有压力测试元件，若出现堵塞现象，可以通过设置压力报警提前预测，在线采用人工清洗的方法解决，无需停机。若当地环保政策对吸收塔出口烟气温度有要求，可设置一套备用浆液换热器，在人工清洗过程中切换至备用浆液换热器，保证吸收塔出口烟气温度满足环保要求。

图10 三区相变凝聚节能减排技术系统

（2）烟气冷却除水技术。在传统脱硫吸收塔后串联冷却凝结塔的方式，回收脱硫净烟气中的饱和水汽。其基本原理为：脱硫吸收塔排出的饱和净烟气进入冷却凝结塔，经过旋汇耦合装置与喷淋的冷却循环水实现换热降温冷凝，冷凝液被循环喷淋水捕集直接进入冷凝塔底水池，其余的细小液滴被管束式除尘除雾器捕集后进入水池。当塔底水池液位超过溢流液位时，冷凝水通过溢流管转移至缓冲箱。缓冲箱设置循环冷却水泵，将箱内的冷凝水泵送至空冷器降温后，喷淋到冷凝塔内，实现冷凝水系统的循环工作[6]。多余的冷凝水通过缓冲箱冷凝外排水泵，或者缓冲箱溢流收集，最终实现冷凝水回收。自脱硫吸收塔来的净烟气经过循环冷却水降温，热量转移至冷凝塔塔底水池内的冷凝循环水，该循环水转移至循环水箱后，由空冷器降温，最后热量转移至环境空气，此过程实现系统热量循环。此工艺主要目的是节水，同时也减缓了白色烟羽的排放，目前已在大唐托克托电厂进行了热态试验。

2.3 其他技术

烟囱出口有色烟羽的形成主要是因为水滴对光线产生折射、散射，呈现出白色或者灰色烟羽。因此，治理有色烟羽除了改变烟囱出口烟温进而改变烟气中的含湿量，避免水蒸气发生相变生成水滴外，烟气在排放前还需要尽可能减少本身携带的液滴。例如，在吸收塔内及净烟道上设置多级高性能屋脊式（板式）除雾器或其他高性能的除雾装置，在吸收塔出口至烟囱之间设置湿式电除尘器，在烟囱上设置冷凝液收集装置等。