濕法脫硫煙氣“消白”工藝探索

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(武漢都市環保工程技術股份有限公司，湖北 武漢 430205)

濕法脫硫后排放的煙氣攜帶大量水蒸氣，濕煙氣進入溫度較低的環境大氣中，不僅造成大量水資源的浪費，還會形成“白煙”現象，產生視覺污染，為企業帶來巨大的社會輿論壓力。

當前，國內85%以上的燃煤電廠和鋼鐵燒結采取了濕法脫硫工藝，排放的濕煙氣溫度在45～55℃，含濕量介乎近飽和狀態[1]。低溫飽和濕煙氣直接經煙囪排放，與溫度較低的環境大氣混合，煙氣中大量的水蒸氣遇冷凝結為小液滴，經光線的折射或散射作用，濕煙氣呈現白色或者灰色，即所謂的“白煙”[2，3]。近年來，無論是電力行業還是鋼鐵行業，普遍實施了煙氣脫硫、脫硝、除塵等超低排放標準，主要污染物如顆粒物、SO2、NOX排放量都大幅度降低，而霧霾卻比十多年前更嚴重了。部分學者認為，霧霾出現的元兇是濕法脫硫后排放的高濕度煙氣以及排煙水分中溶解性顆粒物[4，5]。

如能有效解決濕法脫硫后煙氣除濕消白，不僅可以減輕“白煙”這種視覺污染，而且還是治理大氣霧霾污染的有效途徑之一，同時回收煙氣中的水分和余熱，可兼顧解決環境與發展的矛盾。

1 濕煙氣除濕消白機理

煙氣壓力和飽和溫度決定了濕煙氣的飽和含濕量，含濕量隨煙氣的壓力、飽和溫度的升高而增加[6]。通常煙囪出口處的壓力為幾百帕的微正壓，可近似等同恒定大氣壓，故濕煙氣的飽和含濕量只是其飽和溫度的函數。為便于討論濕煙氣“白煙”形成和消散機理，將濕煙氣的飽和含濕量與飽和溫度的關系進行示意(見圖1)。

圖1 濕煙氣的飽和含濕量與溫度的關系

圖中曲線a-e-b為濕煙氣的飽和曲線，狀態點a為濕法脫硫后煙氣的初始狀態，約55℃的飽和濕煙氣，狀態點c為某一環境大氣狀態。由煙囪排出的濕煙氣與大氣混合，擴散過程中發生傳質和傳熱，飽和濕煙氣的狀態點沿著曲線a-e-b變化，飽和濕煙氣的絕對含濕量隨煙氣的溫度降低而降低，濕煙氣處于過飽和狀態，大量水蒸氣凝結成霧滴，即形成一種視覺污染——“白煙”。濕煙氣繼續擴散，飽和濕煙氣的狀態點將由點b沿直線變化到點c，該過程為非飽和狀態，無小液滴析出，“白煙”逐漸消散?！鞍谉煛毕У臓顟B點b為直線a-c與飽和曲線的交點。

過環境狀態點c作飽和曲線的切線cd交于e點，當濕煙氣的初始狀態點a落在飽和曲線a-e-b與直線cd之間時，煙氣在向大氣擴散的過程中總會或多或少的出現“白煙”，反之，當初始狀態點a落在直線cd之上或者下部時，直線a-b-c與飽和曲線不相交，即濕煙氣一直處于非飽和狀態，煙囪出口不會形成“白煙”。

由圖1可以發現，煙囪出口是否會出現“白煙”及“白煙”拖尾長度，不僅與煙氣本身含濕量、煙氣的溫度有關，還與大氣的溫度、相對濕度(即c點15℃，10%；c’點25℃，10%；c”點25℃，90%位置)有關。過狀態點c’、c”作飽和曲線的切線c’d’和c”d”。根據切線與飽和曲線的相對關系可以發現，大氣環境因素中，當環境溫度小于20℃時，環境溫度是“白煙”形成的主要因素，相對濕度對“白煙”的影響極??；當環境溫度大于20℃時，相對濕度對“白煙”的影響程度逐漸增強。

2 煙氣除濕消白的可行技術途徑

目前，針對濕煙氣除濕消白方面的研究相對較少，尚處于起步階段。常見技術途徑有升溫除濕[7]、冷凝除濕[8]、溶液除濕[9]和旋風除濕[10]等幾類方法。結合“白煙”的形成和消散機理，可設法改變濕煙氣排出時的初始狀態點，使濕煙氣在擴散過程中始終為非飽和狀態，才能徹底消除“白煙”現象。旋風除濕是在煙囪內部設置旋流葉片，在煙囪內部形成一個螺旋狀的流場，濕煙氣中的小液滴碰撞凝結變大，由離心作用脫除液態水滴，系統除濕消白效果有限，且增加整個系統的運行阻力，故本文不做詳細討論。結合濕煙氣除濕消白的機理分析，濕煙氣消白技術的示意見圖2。

圖2 濕煙氣消白技術示意

由圖2可知，濕煙氣的初始狀態點可通過4種有效的技術進行改變，使濕煙氣向大氣擴散過程中始終為非飽和狀態：①煙氣升溫。煙氣直接或間接升溫，可以使濕煙氣的初始狀態點由a變為d，降低濕煙氣的相對含濕量，排出的濕煙氣向大氣擴散過程中，直線cd與飽和曲線不相交，濕煙氣始終處于非飽和狀態，不會出現“白煙”現象；②煙氣降溫再熱。對濕煙氣先進行降溫處理，水蒸氣凝結析出，減少濕煙氣的絕對含濕量，煙氣再熱可以降低濕煙氣的相對含濕量，采用降溫再熱途徑，可將濕煙氣的狀態點由a變為g，濕煙氣在狀態點g變為狀態點c的過程中始終為非飽和狀態，不會出現“白煙”現象；③煙氣冷凝降溫。直接對飽和濕煙氣降溫，將濕煙氣的狀態點由a變為b(b為直線ac與飽和曲線的交點)，排出的濕煙氣向大氣擴散過程中，直線bc與飽和曲線不相交，濕煙氣始終處于非飽和狀態，不會出現“白煙”現象；④溶液除濕。基于除濕溶液與濕煙氣的水蒸氣分壓差，推動水蒸氣由濕煙氣向溶液中遷移，溶液除濕可以降低濕煙氣的絕對含濕量，可將濕煙氣的狀態點由a變為h，濕煙氣向大氣擴散的過程中始終為非飽和狀態，不會出現“白煙”現象。

2.1 煙氣升溫消白技術

煙氣再熱的目的是升高煙溫，降低煙囪出口濕煙氣的相對含濕量，如圖2中ad段。為減輕“白煙”現象，一些發達國家對濕煙氣升溫后排放作為硬性規定，如德國規定排煙溫度需高于72℃，英國規定排煙溫度需高于80℃，日本規定排煙溫度在90～100℃[11]。煙氣再熱方法可以分為直接法和間接法[12]。直接法是將高溫氣體與脫硫后飽和濕煙氣直接混合，實現濕煙氣的升溫；煙塔合一技術[13]也是一種直接升溫消白的方法，通過煙道將冷卻塔連通，脫硫后飽和濕煙氣與冷卻塔巨大的熱濕空氣直接混合，達到“消白”的目的，該技術主要用于火力發電站。陳蓮芳等[14]用溫濕圖對脫硫濕煙氣冒白煙問題的機理進行了解析，并提出將一部分未脫硫的高溫原煙氣與脫硫后濕煙氣進行混合，達到抬升出口煙溫的目的。不足之處是原煙氣中SO2含量高，直接混合排放，降低了系統的脫硫效率。將無塵無SO2的空氣加熱與脫硫后濕煙氣混合，系統的脫硫效率和除塵效率不受影響，易達到“消白”的目的。但高溫度的空氣一般來源于空氣預熱器，吸收了鍋爐煙氣的熱量，與煙氣混合排放浪費了能量，降低了鍋爐效率，另外，該措施增加了煙囪排煙負荷。直接加熱的技術雖一次投資較低，但因其熱源并非利用煙氣余熱，運行費用太高，作為濕煙羽治理的手段代價過大，在實際應用當中案例也極少。

間接法采用換熱器來加熱濕煙氣，通常利用現場余熱作為加熱熱源，改變煙囪出口的狀態點，達到消除白煙的目的。間接升溫除濕的代表技術為GGH、MGGH、蒸汽加熱器等[14]。GGH是利用脫硫前高溫煙氣的熱量來加熱脫硫后凈煙氣，該技術可降低進入脫硫塔的高溫煙氣溫度，有利于SO2吸收；可增加排煙溫度至80℃，降低飽和煙氣對煙囪腐蝕，有利于煙氣的抬升和擴散，降低白霧的發生。在實際應用中，采用GGH再熱器會造成換熱器堵塞、腐蝕、串煙導致排放超標等問題[15]，影響上游工序的正常運行。結垢影響換熱效果，增加換熱器阻力，是影響GGH安全運行的主要因素，所以從安全生產角度考慮，電廠新建火電機組基本不再采用GGH換熱。MGGH工藝是在脫硫塔前后設置2臺氟塑料換熱器，以水為傳熱介質，未脫硫的高溫原煙氣先經過1臺MGGH與循環水進行換熱，然后進行脫硫處理，脫硫塔出口的低溫飽和濕煙氣與升溫后的循環水在另一臺MGGH進行換熱，濕煙氣升溫后進入煙囪排放。MGGH與回轉式GGH相比，設置降溫和升溫兩組換熱器單獨布置，優點在于成功克服了串煙、堵塞的問題[16]，但設備造價高，占地面積大。

煙囪出口是否會出現“白煙”及“白煙”拖尾長度，不僅與煙氣本身含濕量、煙氣的溫度有關，還與大氣的溫度、相對濕度有關[17]。馬修元[18]采用數值計算的方法，研究了不同濕煙氣“消白”的技術特點。針對煙氣直接加熱“消白”的技術特點，討論了煙氣升溫幅度隨環境溫度和環境相對濕度的變化規律。指出隨著環境溫度升高，濕煙氣再升溫幅度呈指數關系急劇減?。浑S著環境相對濕度增大，升溫幅度增大。另外，討論了煙氣直接加熱“消白”過程中煙氣溫度的變化規律，結果表明，環境相對濕度增大會導致“消白”難度大幅上漲，能耗增大。在環境溫度低于10℃、環境相對濕度大于40%時，加熱后的煙氣溫度高于100℃，很難通過煙氣直接加熱進行“消白”。

2.2 煙氣降溫冷凝消白技術

煙氣降溫冷凝消白技術采用冷源介質對脫硫塔出口的飽和濕煙氣進行冷卻，煙氣沿著飽和濕度曲線降溫，煙氣達到過飽和狀態，大量水蒸氣冷凝析出，該過程煙氣的絕對含濕量大幅下降。濕煙羽消除機理如圖2中a-e-b-c所示，濕煙氣初始狀態位于點a，經過降溫后按ab冷凝，再沿bc摻混、冷卻至環境狀態點c，狀態點b為濕煙氣出塔的狀態點，bc過程不與飽和曲線相交，因此不產生“白煙”現象。

現在較為成熟的冷凝消白技術有以下幾種：煙氣節能減排一體化技術、相變凝聚器技術、冷凝析水器技術、脫硫零補水技術等[19]。其中，根據煙氣冷凝換熱方式的差異，冷凝消白技術主要分為2大類：直接換熱和間接換熱。煙氣與冷媒直接換熱主要采用空塔噴淋工藝，冷媒與飽和濕煙氣直接接觸，進行劇烈的傳熱傳質，換熱效率高，系統較復雜。間接換熱多采用氟塑料換熱器作為換熱設備，冷媒與飽和濕煙氣不直接接觸，系統較簡單。對脫硫后飽和濕煙氣進行冷凝除濕消白處理，濕煙氣達到過飽和狀態，大量水蒸氣凝結為小液滴，該過程能夠進一步捕捉微細顆粒物、SO3等多種污染物。因此，煙氣冷凝消白技術在治理濕煙羽的過程中，不但可以顯著改善“白煙”這種視覺污染，還可以達到濕法脫硫過程中多污染物聯合脫除的目的，同時，冷凝下來的水可用于脫硫系統的補水[20]。

濕煙氣冷凝除濕脫白技術與升溫除濕技術雖然溫差變化接近，但由于濕煙氣中所含水蒸氣的冷凝潛熱，冷凝所需的冷量卻是升溫所需熱量的近6倍。同樣冷凝除濕從技術層面是沒有問題的，并且有多種不同冷凝工藝可供選用，關鍵也是投資和運行成本是否經濟。研究表明，要使冷凝除濕脫白技術經濟可行，首先必須解決大量廉價冷源，其次是低溫余熱和冷凝水必須得到充分利用，第三是換熱器的選擇需要合理實用。常用的煙氣冷源有：水冷源、空氣冷源和其他人工冷源[21]。對于90℃以下的低溫濕煙氣，所含余熱量大部分是水蒸氣的冷凝潛熱，冷卻方式可以比較選擇：直接膨脹式熱泵蒸發器、低溫空調冷水間接換熱或噴淋冷卻，需要結合用戶的冷源種類和余熱用途綜合優化選擇。

黃運波[8]指出，“白煙”現象產生的主要原因是濕法脫硫后煙氣的絕對含濕量增大，導致露點溫度升高，提出用降低吸收液溫度的方法來解決濕法脫硫中存在的“白煙”現象。馬修元[18]在研究煙氣直接冷凝降溫“消白”的過程中，探討了煙氣降溫幅度隨環境溫度和環境相對濕度的變化規律。研究表明，隨著環境溫度升高，降溫幅度呈線性關系減?。浑S著環境相對濕度增大，降溫幅度增大。在環境溫度低于10℃、環境相對濕度大于40%時，達到“消白”效果，降溫幅度大于30℃，很難通過煙氣直接降溫進行“消白”。

2.3 煙氣降溫再熱消白技術

煙氣降溫再熱技術是前述兩種方式組合使用。其“白煙”消除機理如圖2所示，濕煙氣初始狀態位于點a，經過降溫后按af冷凝，再沿fg加熱，然后沿gc摻混、冷卻至環境狀態點c，gc變化過程與飽和濕度曲線不相交，因此不產生“白煙”。通過這種先降溫再加熱濕煙氣的方法，不僅可以在降溫過程中回收濕煙氣冷凝放熱量和凝結下來的水，而且將冷凝后濕煙氣需要再加熱的溫度降低，水分析出后濕煙氣的定壓比熱降低，故冷卻后濕煙氣需要再加熱的熱量大為減少。

李元廷[22]提出了利用燒結礦帶冷余熱的“低能耗混合干燥法”的工藝方法，對脫硫濕煙氣進行減速、降溫、冷凝處理，脫水后的煙氣經引風機送至混合塔，與帶冷機熱煙氣充分混合后，經混合塔煙囪排放，成功消除了80m2燒結機濕法脫硫后的“白煙”現象。

黃運波[8]指出，采用降低吸收液溫度的方法，可以降低濕煙氣的露點溫度，脫硫塔出口的“白煙”量減少了，但不能完全消除，可在降低吸收液溫度的同時，在吸收塔入口處設置氣-氣換熱器，使入塔前的高溫煙氣與出塔后的濕煙氣進行換熱，降低入塔煙氣溫度的同時，提高出口煙氣的溫度，能夠完全消除“白煙”。王貴彥[23]利用溫濕圖分析了濕法脫硫工藝的煙囪出口容易形成“白煙” 的原因，指出采用直接加熱法，雖然能夠消除“白煙”，但會增加系統運行能耗，提出采用先冷凝再加熱的工藝是煙氣除濕“消白”的有效節能措施。

2.4 溶液吸收法

溶液除濕(吸收法)技術基于除濕溶液與濕煙氣的水蒸氣分壓力差，推動水蒸氣在溶液與濕煙氣的遷移，該技術源自溫濕度獨立控制空調領域[24]。其“白煙”消除機理見圖2，濕煙氣初始狀態位于點a，經過溶液吸收、除濕后，煙氣含濕量按ah下降，然后沿hc摻混、冷卻至環境狀態點c，gc變化過程與飽和濕度曲線不相交，因此不產生“白煙”。由于除濕溶液較低的水蒸氣分壓，應用于煙氣除濕時的水回收潛力大，除濕后濕煙氣相對濕度低，近年來逐步得到了研究者的關注，并進行了有益探索。

魏璠等[25]采用CaCl2溶液和冷卻水對燃氣煙氣進行噴淋試驗研究，試驗表明，在相同的噴淋量下，CaCl2溶液的除濕率比冷卻水高5倍以上。路源[26]的研究表明，CaCl2溶液除濕工藝的水回收率遠高于冷卻水冷凝法，且煙氣余熱回收熱量品位較高(50℃以上)。呂揚等[9]采用絕熱型管式降膜除濕器，以CaCl2溶液為除濕劑，進行了降膜除濕的試驗研究，考察了溶液溫度、濃度、進口煙氣溫度等因素對除濕性能的影響，并與相同工況下的清水冷凝除濕進行了對比。研究表明，在滿足溶液不結晶的情況下，溶液溫度越低，除濕效率越高；當溶液溫度高于煙氣溫度時，除濕溶液仍具有除濕能力；相對于清水冷凝除濕21%～48%的除濕效率，相同工況下的溶液除濕效率為48%～69%，且出口煙氣相對濕度約60%，能夠避免煙氣在煙囪內部及其出口結露，為解決煙囪腐蝕、“白煙”及“煙囪雨”現象提供了可能。

3 結語

(1)用濕煙氣的飽和含濕量與飽和溫度的關系來示意濕煙氣“白煙”形成和消散機理，提出煙氣直接升溫、煙氣直接冷卻、煙氣降溫再熱和溶液除濕是目前濕法脫硫后“白煙”消除的有效途徑。

(2)受環境溫度和濕度的影響，煙氣降溫再熱“消白”的適用范圍最大，煙氣直接加熱次之，煙氣直接降溫最小。各種方案各有利弊，實際工程中應根據綜合投資和運行費用選擇方案。

(3)溶液除濕工藝在除濕“消白”的基礎上，可回收大量的水資源和濕煙氣潛熱，具有廣闊的工業應用前景。

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