“煙塔合一”濕法脫硫工藝中煙囪飄雨的成因分析

張澤玉 任庚坡 嚴 紅 吳大偉 吳祥奎 鐘作倫 蘇錦燕

1. 深圳市格瑞斯達科技有限公司

2. 上海市節能監察中心

“煙塔合一”濕法脫硫工藝中煙囪飄雨的成因分析

張澤玉1任庚坡2嚴 紅1吳大偉1吳祥奎1鐘作倫1蘇錦燕1

1. 深圳市格瑞斯達科技有限公司

2. 上海市節能監察中心

采用煙塔合一的濕法煙氣脫硫系統中，由于未設置GGH，排煙溫度低，易在塔頂煙囪周圍飄落大量的細小液滴，形成“煙囪飄雨”，嚴重影響周圍環境和居民生活。文章詳述了“煙囪飄雨”的形成機理，從環境因素、煙氣特性、工藝設計、除霧器性能以及運行操作等五個方面行了系統分析，為其控制和預防提供借鑒。

煙塔合一；濕法脫硫；煙氣換熱器；除霧器；煙囪飄雨

國內大多數燃煤機組安裝了石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統（WFGD）對SO2進行減排控制。鑒于運行中GGH（煙氣換熱器）會引起嚴重的腐蝕和堵塞等問題，《火力發電廠煙氣脫硫設計技術規程》規定“在滿足環保要求且煙囪和煙道有完善的防腐和排水措施并經技術經濟比較合理時也可以不設煙氣換熱器”，所以70%以上的WFGD系統已不設置GGH[1]。這使得凈煙氣的排煙溫度較低（一般在50℃左右），從煙囪排出后不能有效抬升和擴散，極易出現大量細小液滴的攜帶排放，特別在當地溫度、氣壓較低或陰霆天氣的時間段，凈煙氣攜帶的細小顆粒聚集在煙囪附近，落到地面形成“煙囪飄雨”，對周圍的生態環境和居民生活帶來嚴重影響。為減小飽和濕煙氣對煙囪內壁的腐蝕，降低煙囪的防腐改造費用，中小燃煤鍋爐逐漸采用“煙塔合一”濕法脫硫工藝，即在脫硫塔頂部設置塔頂煙囪，脫硫除霧后的凈煙氣經塔頂煙囪排入大氣。對于采用“煙塔合一”工藝進行脫硫提效改造的項目而言，由于塔頂煙囪的有效高度較低，擴散距離較短，“煙囪飄雨”現象比較嚴重。因此，系統分析“煙囪飄雨”的形成機理和影響因素，尋找經濟有效的防治措施，最大程度地減少“煙囪飄雨”現象，對燃煤鍋爐的“超低排放”改造具有非常重要的指導和借鑒意義。

1 形成機理

WFGD系統通常采用逆流噴淋空塔，脫硫漿液通過霧化噴嘴向下噴出，原煙氣向上流動，氣液逆向接觸反應。在此過程中，攜帶一定漿液液滴的煙氣經噴淋區上方的除霧器除霧后，再經塔頂煙囪排入大氣，一般WFGD吸收塔出口凈煙氣攜帶的液滴含量要求保證≤75 mg/m3（干基）。目前除霧裝置主要為折流板除霧器，其對粒徑≥22μm的液滴去除率一般為99.99%，粒徑15～22 μm的液滴去除率為50%，粒徑≤15μm的液滴基本無法有效去除[2]；因此，脫硫后的凈煙氣中必然會攜帶有一定的漿液液滴。若除霧器效果不理想或除霧失效，勢必會導致凈煙氣中攜帶的漿液液滴增多。

凈煙氣中含有固態粉塵、石膏與液態水混合形成的類石膏漿液，還含有氣態CO2、NOx、殘余SO2、O2以及汽態水蒸汽等，由于大多WFGD系統未安裝GGH，凈煙氣溫度一般在50℃左右，低于煙氣露點溫度，基本處于濕飽和狀態（液態水與汽態水共存于凈煙氣中），與脫硫前的原煙氣溫度（100～120℃）相比，濕煙氣的抬升高度及擴散能力較差，很難及時擴散。處于濕飽和狀態的凈煙氣經塔頂煙囪排入大氣的過程中，因環境吸熱而使凈煙氣溫度進一步降低、濕度進一步增加，凈煙氣中汽態水進一步凝結，細小顆粒物粒徑也進一步增大，液態漿液量也隨之進一步增加，在煙氣抬升高度低和擴散距離短的情況下，降落到地面形成“煙囪飄雨”，同時伴隨著“白色煙羽”和 “石膏雨”兩種現象，或謂之“飄雨”和“飄漿”現象。

“白色煙羽”是指凈煙氣從塔頂煙囪排出后形成的白色煙霧現象，主要是處于濕飽和狀態的凈煙氣在排出過程中遇冷進一步冷凝成液滴，凈煙氣自塔頂煙囪排出后不能有效抬升、擴散到大氣中，從而形成冷凝水，出現“白色煙羽”現象。“石膏雨”是指凈煙氣從煙囪排出后不僅形成白色煙霧，在煙囪附近區域還飄落有大量的細小液滴，這些液滴包含著固形物或可溶物，主要是石灰石漿液吸收SO2后的生成物、過剩的脫硫劑以及未被捕集的粉塵，主要來源于吸收塔霧化噴淋后細小漿液液滴的攜帶和凈煙氣中過飽和水在石膏液滴及細小顆粒物表面的凝結。除霧器除霧效果的優劣和塔頂煙囪煙氣流速取值的適宜程度是評判“白色煙羽”和“石膏雨”的重要指標。

2 影響因素

WFGD反應是一個氣液交換過程，逆流噴淋空塔的氣液相互作用更為強烈，必然會產生脫硫漿液液滴的攜帶。“白色煙羽”和“石膏雨”主要就是由吸收塔內未去除干凈的液態水、凈煙氣在煙囪中降溫的冷凝水以及攜帶的漿液液滴隨煙氣排放落地面形成的。造成這種現象主要有環境因素、煙氣特性、工藝設計、除霧器性能以及運行操作因素等。

2.1 環境因素

環境因素主要指影響煙氣擴散能力和煙氣中水汽冷凝的因素，包括環境溫度、風速、氣壓和大氣相對濕度等。

（1）環境溫度

從直排煙囪排放的凈煙氣處于濕飽和狀態，環境溫度越高，其飽含的細小液滴越易氣化、擴散，不易形成“煙囪飄雨”；環境溫度越低，凈煙氣的排煙溫度和周圍環境的溫差就越大，凈煙氣排出煙囪后越易形成冷凝液，同時抬升能力變差，容易形成“石膏雨”現象。因此，我國南方地區一般在冬、春兩季易出現“石膏雨”現象，而北方地區由于環境溫度較低，出現的“石膏雨”現象的幾率相對較大。

（2）風速

凈煙氣抬升高度隨著煙囪出口風速的變大而降低。

（3）大氣壓力

凈煙氣的擴散能力隨著周圍環境壓力的降低而減弱，環境氣壓越低，越不易擴散。

（4）相對濕度

環境相對濕度的大小反映了環境空氣的飽和程度。空氣相對濕度越大，空氣越接近飽和，空氣的吸水能力越弱，越容易形成“煙囪飄雨”。因此，相對濕度越大的南方地區 ，容易形成“石膏雨”現象，而空氣相對干燥的北方地區，不易形成“煙囪飄雨”。

2.2 煙氣特性

由于凈煙氣的排煙溫度較低，基本處于濕飽和狀態，擴散能力較弱。同時，凈煙氣中含有固態粉塵、石膏與液態水混合形成的石膏漿液，還含有氣態CO2、NOx、殘余SO2、O2以及汽態水蒸汽等，攜帶的這些液滴一直處于動態變化，當凈煙氣流經塔頂煙囪時溫度將進一步降低，低于濕煙氣飽和溫度時，煙氣中的濕蒸汽會凝結成冷凝水滴夾帶煙氣中的細小顆粒物或粉塵，使得漿液不斷凝結長大，甚至在塔壁面冷凝，造成凈煙氣攜帶的漿液滴在煙囪附近區域降落而形成“煙囪飄雨”現象。

2.3 工藝設計

凈煙氣細小液滴的攜帶與吸收塔空塔流速、塔內煙氣流場分布、液氣比、脫硫漿液粒徑（噴嘴霧化性能）和塔頂煙囪設計等工藝條件密切相關，在高空塔流速、高液氣比、小脫硫漿液液滴粒徑的情況下，液滴攜帶尤為嚴重。

（1）取消GGH（煙氣換熱器）

取消GGH后，排煙溫度較低，凈煙氣濕度增加，從塔頂煙囪排放的飽和濕煙氣容易在煙囪內壁面冷凝成液滴，在不合理的煙氣流場下使得液滴攜帶更加嚴重，再加上煙氣擴散和抬升能力減弱，易在煙囪附近形成不同程度的“白色煙羽”或“石膏雨”現象。

（2）空塔流速過高

吸收塔設計流速一般為3.4～4.0 m/s，除霧器的設計流速略高于吸收塔的設計流速。若空塔內煙氣流速過高，煙氣通過除霧器的流速會更髙，當塔內煙氣流速設計值取上限值時，一旦機組高負荷或滿負荷運行，煙氣流速將超過設計值，除霧器將不能有效去除攜帶的漿液液滴，濕煙氣經塔頂煙囪擴散后就容易形成“石膏雨”。

（3）塔內流場分布不均勻

在逆流噴淋空塔中, 霧化噴嘴在空間上一般按均勻布置設計（見圖1），噴淋層的這種設置方式易使煙氣在近吸收塔壁面產生渦流，使得遠吸收塔壁面的煙氣流速大于近吸收塔壁面的流速，一方面會促進脫硫漿液與煙氣的接觸反應，另一方面則會破壞煙氣流場的均勻性，使得在吸收塔中心區域的流速較高，靠近塔壁區域的流速較低。而在霧化噴淋過程中，向下噴淋的脫硫漿液對煙氣有一定的阻礙作用，使吸收塔中心區域的流速更高、靠近塔壁區域的流速更低，加劇了吸收塔內流場分布的不均勻性，使得凈煙氣中的液滴攜帶量加大。

圖1 脫硫噴嘴均勻布置示意圖

（4）液氣比過大

液氣比（L/G）是指單位時間內吸收塔漿液噴淋量與吸收塔入口的標態濕煙氣體積流量比。液氣比是保證煙氣中SO2、SO3及煙塵有效脫除的關鍵指標之一，足夠高的液氣比是保證脫硫效率的前提，吸收塔的液氣比一般控制在13～18 L/m3，液氣比過高會使煙氣中的液滴攜帶量增多，增大除霧器的處理負荷。因此在保證脫硫效率的前提下，液氣比越小越好。

（5）脫硫漿液液滴粒徑

噴淋層脫硫噴嘴的壓力越高，脫硫漿液的霧化效果越好，漿液中小粒徑的比例就越多，粒徑15～22μm的液滴去除率僅50%、粒徑≤15μm的液滴基本無法有效去除。脫硫后的凈煙氣中必然會攜帶有一定的漿液液滴，細小液滴在高速煙氣流的攜帶下能夠穿過除霧器和塔頂煙囪形成“煙囪飄雨”。

（6）塔頂煙囪設計

煙囪的液滴攜帶與煙囪形狀、煙囪內壁平整度、煙囪直徑（取決于煙氣流速）、煙囪高度（影響煙氣抬升高度）有關。對于直筒型煙囪，凝結水會沿煙囪內壁向下流動；對于錐形煙囪，凝結水下流過程中，由于重力作用會脫離煙囪內壁混入所排放的煙氣中造成二次攜帶。內壁比較粗糙的煙囪，凝結水易飛濺造成二次攜帶，煙囪內壁比較平整、光滑則不會出現這種情況。煙塔合一脫硫工藝的塔頂煙囪一般為直筒型，采用玻璃鱗片防腐的內襯面比較光滑，流場較好，能有效收集煙氣帶入的較大液滴和防止煙囪內壁上的液體被二次攜帶。如果直排煙囪規格設計不合理，使煙氣流速過高或煙囪高度過低都會產生嚴重的“煙囪飄雨”現象。塔頂煙囪內的煙氣流速不得超過酸液液膜撕裂的臨界流速，綜合國內規程以及歐美國家的設計標準，煙囪筒內流速一般取值18～20 m/s，考慮實際運行中的煤質變化，流速取下限值；綜合考慮吸收塔+塔頂煙囪在風載、動載下的整體剛度、強度和穩定性，吸收塔+塔頂煙囪的總體高度一般取值45～55 m。

2.4 除霧器性能

WFGD系統中，安裝在吸收塔頂部的除霧器主要用于降低凈煙氣中的液滴含量，除霧器效率降低引起的大量液滴逃逸是排煙中液滴形成的直接原因。經噴嘴霧化后的石膏液滴粒徑約1500～3000μm，粒徑＜500μm的液滴會被煙氣攜帶進入除霧器[3]；由于粒徑＜15μm的霧滴基本不能被捕集，凈煙氣中必然含有一部分漿液液滴。除霧器對液滴的脫除效率以及液滴的二次攜帶與除霧器的氣流分布均勻性、煙氣在除霧器內的流速、除霧器結構、沖洗方式、除霧器與頂部噴淋層的間距存在較大關系，特別是當煙氣通過除霧器的氣流分布不均勻、流速過高以及沖洗不當造成除霧器堵塞情況下，會顯著降低除霧器的除霧效果，并導致已捕集霧滴的二次攜帶。

（1）除霧器煙氣分布

噴淋反應區煙氣流場分布不均勻影響進入除霧器的煙氣分布，會使除霧器各區域的煙氣流通量不均，導致進入除霧器局部區域的漿液量增多，使凈煙氣中攜帶的固體懸浮物增多，造成除霧器局部區域堵塞，從而使煙氣流動通道變小，流速增加，攜漿能力進一步增大。

（2）除霧器煙氣流速

一般應用于脫硫的是物理式除霧器，基于煙氣通過除霧器葉片所形成的彎曲流道后形成離心力，將氣液進行分離，分離后的霧滴撞擊葉片表面，變成液膜受到重力回落，從而將霧滴去除。氣流速度的增加會增加對小直徑液滴的捕捉，提高除霧效果，但氣流速度過高，容易使已經被捕捉下來的液滴重新被破碎，造成二次攜槳，降低除霧效率，同時也會造成WFGD系統阻力大、能耗高。機組高負荷或滿負荷運行時，煙氣流量大、流速高，攜漿能力明顯增強，煙氣流速過高也會將煙囪壁面的冷凝水滴帶出，造成二次攜帶。但通過除霧器斷面的流速過低，不利于氣液分離，容易使部分粒徑小的水霧隨煙氣繞過障礙物而不被除去，同樣不利于提高除霧效率；此外設計的流速低，吸收塔斷面尺寸就會加大，投資也隨之增加。設計煙氣流速應接近于臨界流速，根據不同除霧器葉片結構及布置形式，設計流速一般選定在3.5～7.5 m/s之間[4]。煙氣流速高于設計值，除霧器在高速的煙氣下發生二次攜帶，大量的漿液液滴經塔頂煙囪形成凈“煙囪飄雨”現象。

折流板除霧器工作示意圖見圖2。

（3）除霧器結構

除霧面積、除霧器葉片間距、除霧器形式等影響除霧后煙氣的液滴含量。除霧面積越大，對液滴的捕捉效果就越好；屋脊式除霧器的可流通面積以及對煙氣流速的適應范圍優于平板式除霧器，其除霧效果好于平板式除霧器。除霧器葉片間距的大小對保證除霧效率、維持除霧系統穩定運行至關重要。葉片間距偏大，除霧效率則低，凈煙氣攜漿嚴重；減小除霧器葉片間距，可有效提高除霧器的除霧效率，但若葉片間距偏小，一方面將增大除霧阻力，造成WFGD系統能耗增大，另一方面，除霧器的流通面積減小，沖洗效果將下降，葉片易結垢、堵塞。因此，選擇合理的葉片間距，可大大提高除霧器的除霧效果，減少煙氣攜帶漿液液滴量，避免出現“石膏雨”。葉片間距一般設計取值20～50 mm。除霧器效率與葉片間距的關系示意圖見圖3。

圖2 折流板除霧器工作示意圖

（4）除霧器沖洗方式

沖洗方式是保證除霧器高效運行的重要手段。沖洗效果的好壞取決于沖洗水量、沖洗周期、沖洗壓力。沖洗周期過長易使除霧器結垢，增大煙氣流速，加劇煙氣中霧滴的攜帶量；沖洗過于頻繁會使煙氣帶水量加大，形成“白色煙羽”；沖洗壓力過大，從噴嘴出來的沖洗水易霧化，削弱了沖洗力度，容易使除霧器沖洗不充分而結垢。

（5）除霧器與噴淋層間距[5]

圖3 除霧器效率與葉片間距關系示意圖

除霧器與噴淋層間距過小也會導致“石膏雨”現象。噴淋空塔內，脫硫漿液經噴嘴霧化與煙氣逆向接觸反應，細小霧滴被煙氣攜帶進入除霧器，如果噴淋層距除霧器較遠，細小霧滴會有足夠時間聚集成較大的霧滴顆粒，然后通過重力沉降進入漿液池。如果噴淋層距離除霧器太近，進入除霧器的漿液量會大大增加，加快除霧器堵塞、增大進入除霧器的煙氣流速，從而在煙囪出口形成“煙囪飄雨”現象。

2.5 運行操作因素

WFGD裝置與機組同步運行過程中，實際運行煙氣量偏大、除塵效率低下、吸收塔漿液品質差、漿液pH 值低、鍋爐尾部煙道漏風嚴重以及鍋爐排煙溫度高等都會加劇“煙囪飄雨”現象。

（1）實際運行煙氣量偏大

“煙囪飄雨”多出現在鍋爐高負荷運行期間，這與煙氣流量有關。鍋爐實際燃用煤質與設計煤質的差異（如實際燃用煤質發熱量低于設計值），使得FGD系統入口煙氣量和入口煙溫大于設計值，造成吸收塔內的煙氣流速偏高，當煙氣通過除霧器時的煙氣流速超過其極限流速時，產生已被去除細小漿液液滴的“二次攜帶”，被高速煙氣帶走的漿液液滴一部分從塔頂煙囪排出，隨著飽和蒸汽冷凝水滴落，從而造成“石膏雨”現象。

（2）除塵因素

除塵器出口煙氣粉塵濃度超標，含有大量堿性物質（Al3+、Fe3+）的雜質進入吸收塔后，使得吸收塔漿液堿性物質（Al3+、Fe3+）含量增高，漿液表面張力增加，使漿液表面起泡，泡沫上揚，加劇了“煙囪飄雨”的形成。

（3）漿液品質因素

鍋爐燃燒不充分或在運行過程中投油，飛灰中部分未燃盡物質（包括碳顆粒或焦油）隨煙氣進入吸收塔，使吸收塔漿液中的有機物含量增加，在漿液表面形成油膜，吸收塔漿液起泡[ ]。此外，石灰石中含有MgO，MgO超標不僅會惡化漿液品質、影響脫硫效率，還會與SO42-在漿液池中反應產生大量泡沫，對“石膏雨”的形成都起促進作用。

（4）漿液pH值[2]

漿液pH值對“石膏雨”的形成有很大的影響。WFGD系統運行過程中，pH值一般控制在5.6～5.8范圍內。調高漿液pH值，能提高脫硫效果，但會增大漿液中的CaCO3濃度，容易在WFGD系統的流通表面結垢，除霧器表面的結垢會造成除霧器堵塞，進而引起嚴重的漿液液滴攜帶。因此，漿液pH值應在設計值范圍內進行調整，不宜以提高pH值來提高脫硫效率。

（5）漿液密度[2,7]。脫硫裝置中漿液密度會隨石灰石中的碳酸鎂含量變化，一般情況漿液密度控制在1.15 kg/L，所對應漿液固含量在20%左右。漿液密度高，漿液的粘度會有所提高， 易附著在除霧器表面形成結垢，因此運行時，漿液密度應控制在設計范圍內。

3 結語

取消GGH后，WFGD系統普遍存在“煙囪飄雨”現象，其根本原因在于從吸收塔排出的凈煙氣中含有的固體顆粒物、液態水以及汽態水，主要來源于除霧器逃逸和凈煙氣中細小液滴的二次攜帶，排煙溫度過低是形成“煙囪飄雨”的直接原因，要從造成“煙囪飄雨”現象的環境因素、煙氣特性、工藝設計、除霧器性能以及運行操作等因素著手采取相應的防治措施來減小凈煙氣中的這些固體顆粒物、液態水。

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[6] 呂宏俊.石灰石/石灰—石膏濕法脫硫漿液溢流問題研究[J].電力環境保護, 2009, 25(6):22-24．

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Analysis on Chimney Raining from ‘Smoke Tower into One’Wet Method Desulphurization Process

Zhang Zheyu1, Ren Gengpo2, Yan Hong1, Wu Dawei1, Wu Xiangkui1, Zhong Zuolun1, Su Jingyan1
1.Shenzhen Geruisida Technology Co.,Ltd
2.Shanghai Energy Saving Inspection Center

Wet method desulphurization system applies smoke tower into one mode, but its exhaust smoke temperature is low and causes large small liquid drops around tower chimney without GGH, which is also called ‘chimney raining’ and influences environment and residents life. The article introduces ‘chimney raining’ formation mechanism and analyzes five aspects, such as environment factor, smoke characteristics, process design, mist eliminator performance and operation method to give reference to control and prevent it.

; Smoke Tower into One, Wet Method Desulphurization, Flue Gas Heat Exchanger, Mist Eliminator, Chimney Raining

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.009

張澤玉（1982.6-），女，本科，從事環境污染治理與研究，已發表論文多篇。