烟气湿烟羽产生机理、影响因素及其解决方法

陆生宽 孟 维

（大唐环境产业集团股份有限公司 北京 100098）

引言

截至2015年底[1]，我国已投运火的电厂烟气脱硫机组容量大约8.2亿千瓦，占全国煤电机组容量的91.20%；其中石灰石-石膏、海水和氨法等湿法脱硫装置占95%以上。湿法脱硫共同特点是脱硫工艺需要将烟气温度降低到水的露点温度（50℃左右），以最大程度地去除SO2，因此运用湿法脱硫工艺的净烟气是处于饱和状态的湿烟气，其排放会出现“烟囱雨”（俗称“石膏雨”）和“白雾”或称（“白色烟羽”）现象[2-3]，如图 1。

图1 烟囱雨及有色烟羽

20世纪80年代左右，为了治理“烟囱雨”和“白雾”现象，德国和日本规定烟气的排放温度不得低于72～75℃，主要做法是在脱硫装置上装烟气加热器（GGH）来提高净烟气的温度，此时欧盟和美国对烟气的排放温度则没有限制，从2002年德国开始采用欧盟标准，不再限制烟气的排放温度。

2005年以后，我国建设的湿法脱硫装置大多不再安装烟气加热器，一部分电厂早期建设的回转式烟气加热器（GGH）也由于堵塞和磨损也拆除了，净烟气以湿烟气形式排放。最近几年的运行表明，电厂出现“烟囱雨”和“白雾”现象，使得部分人对湿烟气排放产生了怀疑，部分电厂又有装烟气加热器（GGH）的趋势，因此正确认识火电厂湿烟气排放及白雾现象并找到如何简单高效解决“烟囱雨”的方法是摆在我们面前的一个新问题。

1 烟气湿烟羽产生的机理

上海市环保局在《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求（试行）》中，将石膏雨和有色烟羽给出了定义：石膏雨，即为湿法脱硫系统吸收塔出口的净烟气处于湿饱和状态，由于在流经烟道和烟囱排入大气过程中，因烟气温度降低，烟气中的部分汽态水和污染物会出现凝结现象，并在一定区域内飘落下来，沉降到地面上干燥后呈白色石膏斑点，称之石膏雨。有色烟羽：湿法脱硫后的饱和湿烟气在排放过程中温度降低，烟气中的部分汽态水和污染物会发生凝结，形成雾状水汽，其因观察角度、天空光照等原因发生颜色的细微视觉变化，形成“有色烟羽”。

脱硫后的饱和湿烟气经烟囱排放后形成“白烟”，造成视觉污染，特别是在寒冷时节会形成较严重的烟囱雨，会在设备附近掉落，造成周边设备腐蚀等安全隐患，同时烟气携带的雨滴溶解有大量盐类，在电厂附近沉降后也会导致局部环境污染等问题。

“白色烟羽”形成的原因，是因为湿法脱硫后的饱和湿烟气进入烟囱后，当外界环境温度较低时，饱和湿烟气中的水分会凝结出来，形成“白色烟羽”。

湿法脱硫出口烟气温度越高饱和烟气含水量越高，如下图2所示：

图2 温度与饱和状态含水量的曲线图

图2中曲线[4]表示饱和状态含水量随温度变化的曲线，假设F点为周围空气参数，A点为烟囱出口烟气参数，烟气刚排出烟囱时处于未饱和状态，随着空气的混入及烟气与空气进行换热，烟气参数沿着AB线变化直至达到状态F。烟气由未饱和状态到达B点的饱和状态，烟气继续沿着BDE曲线变化，过量的水蒸气则凝结为雾滴即白色烟羽。

2 消除白色烟羽方法

减少白烟现象的出现一般有三种解决方法[4]，如图3：

（1）烟气冷凝，降低烟气温度，将冷凝后的水分提出，既减少了排烟水分又缩小了烟气与周边环境空气温差，烟气变化曲线与饱和曲线不相交或相交段减少，此法可减轻或彻底消除冒白烟现象。

控制变量选择主要参考已有的研究文献，根据都阳等(2009)[21]、王阳(2012)[22]、王芳等(2014)[23]等的研究，将控制变量分为企业特征和所在地区特征。企业特征的控制变量选择企业规模、企业年龄和国有资本比例，所在地区特征的控制变量选择人均产出、第二产业增加值比重、第三产业增加值比重、人口、高校数量和高校招生规模。

（2）烟气加热，提升烟气温度，使得烟囱出口烟气参数远离饱和曲线。

（3）先冷凝再加热，既可减少排烟水分又可使得烟囱出口烟气参数远离饱和曲线。

图3 烟气消白烟变化曲线图

2.1 烟气冷凝

假设烟囱出口烟气为A点，环境空气为C点。将烟气由A点冷凝至D点，随着温度的降低烟气中水蒸气部分冷凝为液态水，烟气与空气混合变化曲线为DFC，几乎消除白色烟羽现象。

2.2 烟气加热

烟气从A点加热至B点，烟气中的水分含量不变，温度提高，此时，烟气混合空气的曲线变化为BGC，不与饱和曲线有交集。当利用热能加热烟气时，烟气由A点变为G点，烟气混合空气沿GEC变化，不与饱和曲线相交。

2.3 先冷凝再加热

烟气由A点先冷凝至D点，然后由D点加热至E点，烟气混合空气沿EC变化，与饱和曲线无相交。由图可知，加热量相比较直接由A点加热至B点要小的多。

根据各地相关政策，普遍要求先冷凝后加热工艺，即烟气冷凝+MGGH或GGH。

脱硫后的烟气为饱和湿烟气，一般温度约为46～52℃，含湿率约为10%～14%，烟气冷凝需要冷源，冷源常规为厂区循环冷却水。冷凝方式可分为直接冷凝和间接冷凝，直接冷凝为喷淋冷凝，是利用冷却水直接喷淋烟气进行降温冷凝。间接冷凝利用冷却水冷却脱硫塔浆液，然后利用冷却后的浆液喷淋烟气从而冷凝烟气。

3 烟气湿烟羽的影响因素

环境温度：外界环境温度越低，湿烟羽越长，治理难度越大。

环境湿度：环境相对湿度越高，有色烟羽中的水分越难以及时扩散，造成烟羽影响范围增大，烟羽治理难度增大。

环境风速：环境风速越高，有色烟羽飘散的距离越远。

烟气温度：烟气温度越低，有色烟羽长度越小，采用降温措施可以在一定程度上减弱或消除湿烟羽现象。

烟气速度：烟气速度越大，有色烟羽的长度越大。

结语

目前我国对于湿烟羽治理缺少统一的要求和规范，对于我国不同地区湿烟羽消除的条件也没有指导性意见，现在一般仅对脱硫装置出口净烟气进行温度和湿度的限制。湿烟羽治理的设计计算也缺少规范和公认的计算模型。基于此种情况，需要这些方面进行科学的规范。在湿烟羽治理工艺路线选择上，也不要呆板机械的选择，应根据不同条件，比如气候、地点、污染物扩散、节水减排等因素，进行综合考虑，科学选择合适工艺。一般来说，南方地区，由于环境温度较高，可采用常规烟气再热方式；中部地区和北部地区环境温度较低，特别是在冬季，宜采用烟气冷凝再热复合技术。具体的设计方案仍需详细准确的计算，充分考虑气候变化、负荷高低对湿烟羽治理的影响，最终确定经济可行方案。