燃煤锅炉脱硫湿烟羽脱白可行性研究

2021-10-18周峰支晓欢沈达江建军邹建徐海涛李强梁银春

发电技术 2021年5期

周峰，支晓欢，沈达，江建军，邹建，徐海涛，李强，梁银春

（1．南通醋酸纤维有限公司，江苏省南通市 226008； 2．南京工业大学环境科学与工程学院，江苏省南京市 211800）

0 引言

随着国家超低排放的推进，大部分电厂的脱硫采取湿法脱硫工艺，经过吸收塔之后，出口烟气温度一般为45~55 ℃，烟气中水蒸气含量高，多数处于饱和状态。饱和湿烟气直接排入大气的方式称为湿烟气排放[1-2]。当环境空气温度较低，直接排放的饱和湿烟气在大气中扩散与冷空气混合的过程中，烟气中所含的水蒸气会饱和凝结，凝结水滴对光线产生折射、散射现象，从而使烟羽在视觉上呈现出白色或者灰色，称为“湿烟羽”(俗称“大白烟”)[3-4]。

部分发达国家早就提出了相关要求来解决燃煤锅炉湿法脱硫后烟气排放产生的白烟问题，主要采用干烟囱技术，即规定烟囱出口最低的排烟温度。德国规定排烟温度应超过 72 ℃，英国规定排烟温度不得低于80 ℃，日本规定排烟温度为 90～100 ℃[5]。近年来，国内对湿烟羽排放问题越来越重视，各地政府先后出台相关政策要求对白色烟羽进行控制。2017 年上海市规定排烟温度应持续稳定达到 75 ℃以上，冬季(每年11月至来年2月)和重污染预警启动时排放烟温应持续稳定达到 78 ℃以上，采取烟气冷凝再热技术且能达到消除石膏雨和白色羽同等效果的，正常工况下排放烟温必须持续稳定达到 54 ℃以上，冬季排烟温度应达到56 ℃以上[6]。

当前湿烟羽治理的技术路线主要有烟气直接加热法、烟气冷凝法、烟气先冷凝再热法3种[7-11]。具体项目应根据烟羽治理的具体要求及项目本身的烟气、气象、场地、冷热源等条件综合分析，然后确定经济可行的技术方案[12-13]。本文以南通某燃煤锅炉湿法脱硫白色烟羽脱除工程为例，通过分析南通地区的气象数据，进而对脱白路径和设计点进行选择分析，并确定了工艺路线和参数选择[14]，可为燃煤机组湿法脱硫后白烟的消除提供理论参考。

1 白色烟羽的形成机理

图1为相对湿度为100%的空气中含湿量随温度的变化曲线。A点为排放湿烟气的初始状态，C1、C2为不同的环境空气状态，从C1、C2作饱和曲线的切线分别形成切点M1和M2。当大气环境为C1状态时，烟囱排放的烟气A会不断地逼近C1状态点，即沿着A—C1的连线逼近。从A—M1点的变化过程中，排烟与大气的局部混合气体一直处于过饱和状态，因此沿饱和湿度曲线变化到M1点，饱和湿烟气中水蒸气发生相变冷凝成液态，冷凝液不断产生，湿烟气中的水分凝结成小液滴，也即形成“白色烟羽”；过了M1点后，排烟与大气的局部混合气体处于不饱和状态，因此由M1点沿直线变化到环境状态C1点，排烟的温湿度逐渐变化至环境温湿度，白色烟羽消失，可见白烟的长度取决于A—M1饱和线的长度；同样地，由A点变化到环境温度更低的C2点的过程也类似，只不过“白色烟羽”的长度更长。由此可见，湿烟气从烟囱排出后是否会出现白烟及出现白烟的长度，不仅与烟气的温度及含湿量(A 点位置)有关，而且与它周围环境空气的温度、湿度(即C1，C2点位置)有关[15-16]，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，环境温度越低、湿度越大，白色烟羽越长。

图1 饱和湿空气的温湿图 Fig. 1 Humidity temperature map of saturated humid air

2 白色烟羽的消除机理

从白色烟羽的形成机理可知，要消除白色烟羽，需使得湿烟气初始状态点与环境状态点的连线与饱和湿度曲线不相交，其临界点便是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切。

2.1 烟气加热法

对脱硫出口的湿饱和烟气进行加热，使得烟气相对湿度远离饱和湿度曲线的方法称为烟气加热法。采取的主要方法[17]有：

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。

湿烟气再加热到能消除白色烟羽的具体温度不仅与环境空气的温度和湿度密切相关，而且与湿烟气的起始温度也密切相关。湿烟羽直接加热消除白烟机理如图2所示，湿烟气初始状态位于A点，经过加热后按A—M升温，再沿M—C掺混、冷却至环境状态点C，整个A—M—C变化过程均与饱和湿度曲线不相交，因此不产生湿烟羽。由于M—C与饱和线相切，此为不产生白烟的临界点，实际升温应超过M点。

图2 烟气加热消除白烟机理 Fig. 2 Elimination of white smoke by flue gas heating

2.2 烟气冷凝法

烟气冷凝技术是对湿饱和烟气进行冷却，使得烟气沿着饱和湿度曲线降温，在降温过程中含湿量大幅下降，其原理如图3所示。湿烟气初始状态位于A点，经过降温后按A—M冷凝，再沿M—C掺混、冷却至环境状态点C，M—C变化过程与饱和湿度曲线不相交，因此不产生湿烟羽。

烟气冷凝技术在冷却湿烟气，使得烟气中大量的气态水冷凝为液滴的过程中能够捕捉微细颗粒物、SO2等多种污染物[18]。烟气冷凝技术主要包括浆液冷凝和净烟气冷凝。浆液冷凝技术利用冷却水经换热器对浆液进行冷却，再由冷浆液对脱硫吸收塔内的烟气进行冷却，从而降低吸收塔出口净烟气温度和湿度，达到降温冷凝消白效果。

净烟气冷凝技术是利用换热器直接对脱硫吸收塔后的净烟气进行冷凝，凝出水分，从而减轻烟囱出口冒白烟的现象。

2.3 先冷凝再加热法

烟气冷凝再热技术是将烟气加热法和烟气冷凝法组合使用，其消除湿烟羽的机理如图4所示。湿烟气初始状态位于A点，经过降温后按A—M1冷凝，再沿M1—M2加热，然后沿M2—C掺混、冷却至环境状态点C，M2—C变化过程与饱和湿度曲线不相交，因此不产生湿烟羽。理论上，在给定的环境温湿度条件下，若不计代价，加热和冷凝都能实现湿烟羽的消除，但从经济性出发，单纯的加热和冷凝方式都有各自的限制，加热受到原烟气烟温条件的限制，冷凝受到环境空气、冷凝水温的限制。若采用冷凝再热技术，将加热和冷凝结合起来使用，则可扩大系统湿烟羽消除对环境温湿度的适应范围。

图4 烟气冷凝再热消除白烟机理 Fig. 4 Elimination of white smoke by flue gas cooling and reheating method

先冷凝再加热湿烟气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，因此冷凝后湿烟气再加热需要的热量大为减少。

3 脱白工艺路线和参数选择

3.1 南通地区气象数据分析

根据南通地区的气象数据显示，2014—2016年的平均气温约为19.4 ℃，其中，2014年为 20.65 ℃，2015年为19.45 ℃，2016年略低，为18.08 ℃。2014—2016年的平均相对湿度为71%，其中，2014年为65.15%，2015年为70.62%，2016年略高，为77.57%。每年夏季6—9月气温较高，冬季11月至第二年3月气温较低。

每隔30 min采集一个数据点的原始气象数据随时间变化的规律较难清楚显现，因此对数据进行了进一步处理，选取每天对脱白最为不利的点绘制在温湿图上，如图5所示。由图5可见，绝大部分的气象点的相对湿度为60%～100%，其中较多点接近饱和，2014—2016年均有部分天数湿度较低；2014年的最低气温接近0 ℃，而2015年和2016年最低气温较低，2016年甚至出现了-8.8 ℃的低温，给脱白造成了一定的困难。

图5 南通地区2014—2016年间每天对脱白最不利的气象数据图 Fig. 5 The most unfavorable meteorological data map of flue gas de-whitening in Nantong from 2014 to 2016

按照现有的排烟条件和气象参数，以2016年的分时段数据为例，若不采取任何额外措施，全年无白烟的次数(每次以30 min计)按月份分布如图6(a)所示。全年的合计有效数据点为17 568个，其中无白烟点共计为360个，占2.04%，主要分布在七八月份。将无白烟的点数按一天的时间跨度划分，如图6(b)所示，可见白天次数较多，夜晚较少，早晚较少，正午较多，其中13:00—16:00 为无白烟出现最多的时间区间。

图6 无白烟次数按月份及按时段分布情况 Fig. 6 Distribution of no white smoke times by month and by period

3.2 脱白路径和设计点选择分析

如前所述，脱白的控制机理在于如何通过一定的温湿度调节手段，控制湿烟气初始状态点与环境状态点的连线与饱和湿度曲线不相交。在图5所示的各个气象点基础上，在每个气象点对饱和线作切线，切线的右下侧即为脱白控制区，烟气调节至该区域便可达到优于上述特点气象点时的脱白效果，脱白控制线与饱和线在低温侧围成的区域则构成脱白天数控制区，落在该区域内的点数即为发生白烟的天数，通过调整不同的斜率，便可实现不同比例天数的脱白，如图7所示。

图7 脱白天数控制机理 Fig. 7 Control mechanism of no white smoke days in flue gas

以一年365天中每天最差的点为基础，过该点作温湿曲线的切线，形成一系列的切线簇，并且将各切线的斜率进行排序，可以得到kA1＜kA2＜…＜kAi＜kA(i+1)＜…＜kA365。其斜率最小的切线为最严格的白烟控制线，对应该状态下的脱白天数控制区即为100%无白烟天数控制区，对应的切线为100%无白烟天数控制线，该状态下脱白天数控制区内部无气象数据点。kA36就是90%控制斜率，对应的切线为90%无白烟天数控制线；kA73是80%控制斜率，对应的切线为80%无白烟天数控制线。

根据以上机理，可分别绘制各年100%、90%、80%无白烟天数控制线，如图8所示。可见，控制的要求越高，斜率越小，不同的气象条件导致不同的最低斜率，环境温度越低、湿度越大，越难控制。

图8 各年100%、90%及80%无白烟天数控制线 Fig. 8 Control line of 100%, 90% and 80% days without white smoke in each year

同样地，分别绘制各年每天最小斜率及平均斜率的变化规律，并将100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%无白烟天数的最低斜率叠加在逐日最低斜率分布图中，如图9所示。由图9可知，夏季斜率较大，冬季斜率较小，说明夏天白烟较易控制，冬季则较难；要达到100%无白烟的控制要求代价较大，而90%的控制目标经济性显著上升，80%与90%比较接近，此后每降低10%几乎呈等比例下降。

图9 2014—2016年40%~100% 无白烟天数最低斜率控制线 Fig. 9 Minimum slope control line for 40% to 100% days without white smoke from 2014 to 2016

3年的数据基本处于同一区域，但2015年较2014年多了部分低温天数，2016年更甚，在同等的控制要求下2016年的控制斜率要比2015年低，2015年要比2014年低，由此选定气象条件最差的2016年控制线作为设计基准，控制白烟时温降与温升的关系如图10所示。

图10 控制白烟时温降与温升的关系 Fig. 10 Relationship between temperature drop and temperature rise without white smoke

可见在同等的控制条件下，脱白设计的温降越大，降温后烟气湿度饱和点离脱白控制线和气液平衡线的切点越接近，该点需要升温到脱白控制线的温升幅度越小，反之亦然。假设脱硫塔出口烟气温度为50 ℃，当采用直接升温时，100% 控制线的升温幅度约为196 ℃，90%控制线的升温幅度约为109.6 ℃，而80%控制线的升温幅度约为85 ℃，能耗差别较大。

冷凝2 ℃后，即排烟温度降至48 ℃时，100%控制线的升温幅度约为173 ℃，90%控制线的升温幅度约为95.8 ℃，而80%控制线的升温幅度约为73.9 ℃，分别较直接升温法减少温升23、13.8和11.1 ℃，升温幅度比不冷凝时分别下降11.7%、12.6%和13.1%，降温对其升温幅度的影响显著，对100%控制线尤为如此。

冷凝5 ℃后，即排烟温度降至45 ℃时，100%控制线的升温幅度约为143 ℃，90%控制线的升温幅度约为77 ℃，而80%控制线的升温幅度约为59 ℃，分别较直接升温法减少温升53、32.6和26 ℃，升温幅度比不冷凝时分别下降26.5%、29.2%和30.6%。

冷凝10 ℃后，即排烟温度降至40 ℃时，100%控制线的升温幅度约为102℃，90%控制线的升温幅度约为52.83 ℃，而80%控制线的升温幅度约为39.29 ℃，分别较直接升温法减少温升94、56.8和45.7 ℃，升温幅度比不冷凝时分别下降48.0%、51.1%和52.9%；当冷凝20 ℃后，即排烟温度降至30 ℃时，100%控制线的升温幅度约为46 ℃，90%控制线的升温幅度约为20.6 ℃，而80%控制线的升温幅度约为14 ℃，分别较直接升温法减少温升150、89和71 ℃，升温幅度比不冷凝时分别下降76.0%、81.1%和83.5%。

可见当温度降得很低时，升温幅度显著降低，由此分析可选定“烟气冷凝+升温”作为脱白工艺路线，这也是目前上海、浙江、天津等地的主导工艺路线。