1 000 MW機組煙囪石膏雨的研究

許 靜， 段鈺鋒， 馮琰磊， 孫堅榮

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 華東電力設計院， 上海 200063； 3. 上海電力學院， 上海 200090)

環保技術

1 000 MW機組煙囪石膏雨的研究

許 靜1， 段鈺鋒1， 馮琰磊2， 孫堅榮3

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 華東電力設計院， 上海 200063； 3. 上海電力學院， 上海 200090)

為研究“石膏雨”產生的原因并消除該現象，針對某1 000 MW電廠的運行參數，計算了不同環境溫度、不同機組負荷下煙囪內的冷凝液量，得出較高負荷和較低環境溫度會使煙囪內生成更多的冷凝液量。計算了采用管式GGH裝置的煙囪不發生白煙的煙氣排放溫度，分析得出白煙現象的發生溫度受環境溫度的影響很大，冬季要解決白煙問題除GGH裝置外還需引入其他熱源。

火電機組； 石膏雨； 濕煙囪； 冷凝液量； 白煙

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

我國300 MW以上的火電機組基本上都采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(WFGD)技術。石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔出口煙氣溫度在45～60 ℃，煙囪排煙溫度較低，屬于濕飽和狀態，容易出現夾帶石膏漿液的情況，導致正常天氣情況下，電廠周圍地區經常出現降下小液滴的現象，這種現象被稱為“石膏雨”現象[1-2]。含有一定量的 SO2、SO3及石膏漿液的小液滴呈酸性，會對電廠附近的設備、設施和建筑物造成一定的腐蝕損害，對電廠的正常運行和周圍居民的生活產生了很大的影響[3]。在煙囪內未冷凝的酸性液體，擴散到大氣中就會形成“石膏雨”。為研究及分析白煙和“石膏雨”的生成規律，并提出防治措施，筆者對某電廠1 000 MW機組在不同負荷、不同環境溫度下煙囪內的冷凝液量和采用管式GGH裝置后不發生白煙的溫度進行了計算。通過對“石膏雨”形成的研究找出解決方案，以減少環境污染。

1 “石膏雨”的形成機理

1.1 形成因素

“石膏雨”主要來自煙氣中未除凈的液滴和冷凝水。形成“石膏雨”現象的原因主要有三個方面[4-5]：

(1) 凈煙氣的特性。經過濕法煙氣脫硫系統的煙氣會攜帶大量的液滴，煙氣在排入大氣的過程中，溫度會不斷降低，濕飽和蒸汽區的煙氣會不斷生成冷凝液，這是“石膏雨”形成的最根本原因。

(2) 煙囪的結構形式。煙囪的高度、煙囪壁面的平整程度、煙囪的內襯材料，以及導流板的布置等都會對“石膏雨”的形成產生很大影響。

(3) 環境的氣象條件。主要指環境溫度、相對濕度和大氣壓力，這些因素是形成“石膏雨”現象的外部原因。

1.2 解決方法

針對“石膏雨”形成的原因，需要在 WFGD 的設計和建設過程中充分考慮煙氣通過吸收塔后凈煙氣溫度、水分含量，采取改進措施[6-7]。一方面可增強除霧效果、減少煙氣中的霧滴攜帶，除霧器設計上需對入口煙氣量與設計參數的偏差、煙氣流速的大小、除霧器的選型等方面進行充分考慮，合理布置除霧器，減少煙氣對液滴的夾帶量；另一方面可提高煙溫，合理地布置煙氣加熱裝置，強化煙氣的抬升和擴散，減弱甚至消除火電廠周邊區域的“石膏雨”現象。

2 脫硫系統和煙氣系統

2.1 脫硫系統

煙氣脫硫設備采用石灰石-石膏濕法、一爐一塔脫硫裝置。脫硫率在設計煤種BMCR工況下不小于95%。每套煙氣脫硫裝置的出力在鍋爐BMCR工況的基礎上設計，脫硫系統處理的煙氣體積流量872 m3/s(濕態、標準狀況、鍋爐設計煤種)最小可調能力與單臺爐不投油最低穩燃負荷(30% BMCR工況，燃用設計煤種的煙氣流量)相適應；煙氣脫硫裝置應能在鍋爐BMCR工況下進煙溫度加10 K裕量條件下安全連續運行。脫硫效率按設計煤種100% BMCR工況下不低于95%設計。脫硫系統設置100%煙氣旁路，不設置GGH。

2.2 煙氣系統

煙氣系統的流程為：鍋爐爐膛產生煙氣→脫硝SCR反應器→空氣預熱器→除塵器→引風機→脫硫增壓風機→脫硫吸收塔→煙囪。每臺鍋爐配備兩臺50%容量的靜葉可調引風機和兩臺50%容量的動葉可調增壓風機，用于克服煙氣在鍋爐煙氣系統及WFGD裝置系統內造成的煙氣壓降。引風機和增壓風機串聯布置，均設計在WFGD裝置進口原煙氣側高溫煙氣側運行。

2.3 煤種分析和鍋爐性能

設計煤種的工業分析及元素分析見表1，鍋爐性能見表2。

表1 設計煤種的工業分析及元素分析

表2 鍋爐性能

3 煙囪冷凝液量

3.1 計算過程

3.1.1 煙囪溫降

根據文獻[8]進行煙囪溫降的計算。

(1) 煙囪的熱力學溫降Δθth。

煙氣在煙囪中上升流動過程中，因海拔高度降低所產生的溫降為熱力學溫降Δθth。

(1)

式中：H為煙囪排煙筒幾何高度，m；θgs為煙囪入口煙氣溫度， ℃。

(2) 煙囪的散熱溫降Δθh。

以傳熱學方程的計算結果為準，也可按經驗公式近似地估算。

① 經驗公式。

(2)

式中：A為經驗系數，對磚排煙筒A=0.2(大型)，A=0.4(小型)，對于鋼內筒A=0.8(有內襯)，A=2(無內襯)；D為所有接入該煙囪鍋爐的額定蒸發量總和，t/h；β為煙囪的負荷率，在火力發電廠大氣污染物排放計算中，取β=1.0。

② 傳熱學方法。

將煙囪簡化為等直徑的圓柱形管道，假設鋼表面的溫度，算出鋼外表面與環境的換熱Q1后，可根據傳熱量等于煙氣進出口總焓值的變化算出煙氣在煙囪出口處的溫度，進而算出煙氣對鋼的內表面的傳熱量Q2，校核Q1與Q2的相對誤差不超過0.2%，認為計算合格。根據計算出的煙氣溫降算出煙氣冷凝液的放熱量，將冷凝液的放熱量迭代到Q2重新計算煙氣在煙囪出口的溫度，當煙氣溫降與上一次迭代溫降的相對誤差小于0.5%，認為結果收斂[9]。

由于經驗公式法有一定的適用條件，為了得到較為準確的結果，采用傳熱學方程計算作為計算煙囪散熱溫降的方法。

(3) 煙囪的漏風溫降Δθle。

當煙囪或煙囪入口煙道呈負壓運行而存在漏風時，所引起的漏風溫降為:

(3)

式中：ΔLs為漏風率；ta為環境溫度， ℃。

由于計算的煙囪為鋼內襯，無漏風，所以漏風溫降Δθle=0 K。

3.1.2 煙囪內冷凝液量

(1) 公式法。

濕煙氣的冷凝液量以排煙筒熱工計算所得到總溫降Δθgs為基礎，按熱平衡方程來估計濕煙囪內的冷凝液生成量[2]：

ΔGgs=1.43cp″·Vgs·Δθgs

(4)

式中：ΔGgs為飽和濕煙氣在排煙筒內所形成的冷凝液量，kg/h；Vgs為流經排煙筒的飽和濕煙氣量，m3/s；Δθgs為排煙筒總溫降，K；cp″為增濕煙氣的比定壓熱容,kJ/(m3·K)。

(2) 根據煙氣的特性。

根據脫硫塔計算準則算出煙囪進口處煙氣的含濕量，由煙氣出口溫度和煙囪出口濕飽和參數，可以算出煙囪出口處煙氣含濕量，進出口含濕量的差值則是在煙囪內煙氣的冷凝液量。

由于公式法有特定的使用范圍，只適用于磚內襯的小煙囪，不適合用于百萬機組的鋼內襯煙囪；且公式法中的冷凝液量是指煙囪內疏水裝置收集起來的凝結量，并不是實際冷凝的凝結液量。為了得到更為準確的結果，筆者根據煙氣特性來計算冷凝液量。

3.2 結果分析

不同工況、不同環境溫度下煙囪內冷凝液量變化見圖1。

圖1 不同工況、不同環境溫度下煙囪內冷凝液量

由圖1可以得出：在同一工況下，煙囪內的冷凝液量隨環境溫度的降低而明顯增多，冬季冷凝液量>過渡季冷凝液量>夏季冷凝液量。冷凝液量取決于煙囪內的總溫降，其中由于煙囪無漏風，所以漏風溫降為零，溫降是由大氣壓力隨高度的變化而引起的熱力學溫降和煙氣散熱引起的散熱溫降組成。不同工況和不同環境溫度下，熱力學溫降相差并不大，所以對煙囪冷凝量影響最大的是煙囪的散熱溫降。冬季的環境溫度較低，較低環境溫度導致煙氣流經煙囪時的散熱較多，散熱溫降較大，所以冬季冷凝量明顯多于過渡季和夏季。夏季的環境溫度較高，流經煙囪的煙氣與外界環境的溫壓較小，散熱少，冷凝液量也較少。

由圖1同樣可以得出：在同一環境溫度下，不同負荷下煙囪內冷凝液量也明顯不同。THA工況冷凝液量>75% THA工況冷凝液量> 50%THA工況冷凝液量>30%BMCR工況冷凝液量。主要原因是：在高負荷時，燃煤量增多，冷凝液量較多；其次，煙氣流量隨著負荷的升高而增大，在較高負荷時，煙囪內的煙氣流量增大，煙氣流速增加，換熱效果較好，散熱量多，散熱溫降較大，總溫降主要也是受散熱溫降的影響較大。所以，煙囪內的冷凝液量隨負荷的升高而增多。

4 機組不發生白煙的溫度

4.1 工程背景

擬采用管式GGH方案[10]來防止白煙的發生。為了校核煙氣的熱量是否能夠使煙囪出口溫度達到不發生白煙的溫度，以確定是否需要引入其他熱源來保證不發生白煙，所以需計算該工程不發生白煙的溫度，其主要工藝系統圖見圖2。

圖2 管式GGH的系統流程圖

該系統中設置了兩臺煙氣-水換熱器：煙氣冷卻器和煙氣加熱器。以水為媒介，原煙氣首先進入煙氣冷卻器，冷卻到90 ℃左右，進入脫硫吸收塔；從脫硫塔出來50 ℃左右的凈煙氣再通過煙氣加熱器升溫到80 ℃左右進入煙囪。水媒介在煙氣冷卻器中升溫，通過水泵送入煙氣加熱器降溫，循環運行。

4.2 結果分析

夏季、冬季和過渡季由于環境溫度和大氣壓力的不同，所以飽和等濕摩爾曲線略有不同，但基本相似。環境濕度都在80%左右，影響不大，對環境狀態點影響最大的因素是環境溫度。由于算出白煙不發生溫度的原理是由環境狀態點向濕度為100%的等濕摩爾曲線作切線，所以冬季的較低溫度導致作出切線的斜率較小，從而可能得出較高的不發生白煙的溫度。不同工況、不同環境溫度下白煙不發生的溫度變化見圖3。

圖3 不同工況、不同環境溫度下白煙不發生的溫度

由圖3可以得出：采取吸收塔出口的煙氣與未經處理的煙氣混合，或與高溫燃燒氣混合和設置管式GGH的方案都能有效防止白煙發生。相對夏季和過渡季，冬季由于環境溫度較低，極易發生白煙現象。所以，在采取防止白煙發生的措施時，計算出冬季不發生白煙的溫度很高，達到了130 ℃左右；而夏季只要吸收塔出口煙氣溫度達到60～70 ℃就可以有效防止白煙的發生。若對已有的濕煙囪進行改造來防止白煙發生，可對比幾種方案的實用性和經濟性進行選擇。采用管式GGH的方案效果較好，但運行中也存在嚴重的積灰和腐蝕問題。采用管式GGH后的煙氣出口溫度在70～80 ℃，在夏季和過渡季可防止白煙發生，但在冬季需要引入其他熱源來防止白煙現象的發生。

5 結語

(1) 濕煙氣在煙囪中生成冷凝液主要是由于煙氣的溫降引起的，機組在高負荷下運行時，煙氣量較多使得煙囪內生成的冷凝液量較多；不同環境溫度下的散熱溫降相差較大，導致不同環境溫度下的冷凝液量有很大的不同，所以冬季冷凝液量高于過渡季和夏季。

(2) 由于白煙的發生受環境溫度影響很大，設置管式GGH在夏季和過渡季能有效防止白煙現象的發生，但是由于冬季不發生白煙現象所需要的煙氣排放溫度較高，僅靠管式GGH并不能滿足要求，需要根據實際情況綜合多項因素以其他方式引入熱源來消除白煙。

[1] 付昱,何金起. 火力發電廠濕法脫硫“石膏雨”治理方法討論[J]. 黑龍江電力,2009,31(5):374-376.

[2] LIU Q Z, SUN Y J, SUN Y. Cause analysis and countermeasure of gypsum rain in coal-fired power plants[J]. Journal of Environmental Protection, 2013, 4: 1-4.

[3] 程永新. 濕法煙氣脫硫系統中“石膏雨”問題的分析及對策[J]. 華中電力,2010,31(5):27-30.

[4] 吳春華,顏儉,柏源,等. 無GGH濕法煙氣脫硫系統煙囪石膏雨的影響因素及策略研究[J]. 電力科技與環保,2013,29(3):15-17.

[5] 李春雨. 火電廠濕法煙氣脫硫中“石膏雨”問題分析[J]. 能源工程,2012(1):43-47,53.

[6] 郭長仕. 石灰石-石膏濕法脫硫“石膏雨”現象原因分析及治理措施[J]. 環境工程,2012,30(S2):221-223.

[7] 郭程程,李娜. 火電廠石膏雨治理方案的研究與應用[J]. 電力科技與環保,2013,29(2):28-30.

[8] 國家能源局. 火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程:DL/T 5240—2010[S].北京:中國電力出版社,2010.

[9] 楊世銘,陶文銓. 傳熱學[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[10] 吳炬,鄒天舒,冷杰,等. 采用混合式煙氣再熱技術治理火電廠“石膏雨”[J]. 中國電力,2012,45(12):26-30,41.

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

許 靜(1992—)，女，在讀碩士研究生，研究方向為燃煤大氣污染物控制技術。

E-mail: 220140360@seu.edu.cn

X513

A

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