燃煤電廠濕煙囪白煙機理及治理方法研究

單永華

（河北國華定州發電有限責任公司，河北 保定 073000）

煙囪排出的飽和濕煙氣與溫度較低的環境空氣接觸時，在煙氣降溫過程中，煙氣中所含水蒸氣過飽和凝結，凝結水滴對光線產生折射、散射，從而使煙羽呈現出白色或者灰色，其被稱為“濕煙羽”[1]。

我國大部分煙氣脫硫采用濕法脫硫工藝，尤其是石灰石-石膏法工藝。煙氣通過吸收塔凈化后煙溫降低到45～55℃，煙氣從高溫干煙氣變為低溫飽和濕煙氣，經煙囪進入大氣環境，遇冷凝結成微小液滴，產生“白色煙羽”。單純的白色煙羽對環境質量沒有直接的影響，但會對周圍居民生活造成困擾。

1 白色煙羽排放的影響因素及消除機理

1.1 白色煙羽的形成機理及影響因素

煙囪內的煙氣處于飽和狀態，飽和煙氣遭遇溫度較低的大氣后會急劇冷卻，煙氣中水蒸氣冷凝成液態，煙氣透射光率下降，從而表現出煙囪冒白煙現象。隨著煙氣在大氣中的進一步擴散，水蒸氣在大氣中的濃度降低，陽光透射率提高，并且水蒸氣分壓力下降、飽和溫度下降，導致其重新蒸發，使得白煙逐步減少直至消失。

標準大氣壓下，在不同溫度下相對濕度為100%的飽和煙氣含濕量曲線如圖1所示，其中數據取自常用的空氣密度表（-20～60℃）。煙氣經吸收塔凈化后為低溫飽和濕煙氣（或近似于飽和），煙氣從煙囪出口排放后，因環境溫度較低，煙氣中水蒸氣發生相變冷凝成液態，此時白色煙羽產生；在煙氣溫度不斷降低的過程中，其含濕量處于過飽和狀態，冷凝液不斷產生，當煙氣溫度逐漸降至環境溫度，含濕量處于非飽和狀態時，白色煙羽消失[2]。

白色煙羽排放的影響因素主要為環境溫度、環境相對濕度、煙囪出口煙氣溫度、環境風速以及煙氣速度等。其中，環境溫度越低，煙羽排放現象越明顯，煙羽治理難度越大；環境濕度越大，煙羽中的水分難以及時擴散，造成煙羽影響范圍增大，濕煙羽治理難度越大；煙囪出口煙氣溫度越低，濕煙羽長度越小，采用降溫措施可以在一定程度上減弱或消除濕煙羽現象；環境風速越高，濕煙羽飄散的距離越遠；煙氣速度越大，濕煙羽的長度越大，表明燃煤機組負荷和煙囪出口直徑也是影響濕煙羽排放的重要因素[3]。

圖1 煙囪出口煙羽排放的產生機理

1.2 白色煙羽的消除機理

從圖1可知，煙囪出口出現煙羽的原因是煙氣中的水蒸氣在降溫過程中出現了過飽和狀態，發生相變析出冷凝水。若消除白色煙羽，就需要保證煙氣含濕量在降溫過程中始終低于飽和含濕量值，保證煙氣中的水蒸氣始終處于氣相狀態，不發生相變析出冷凝水。煙囪出口煙羽的消除機理如圖2所示，數據取自常用的空氣密度表（-20～60℃）。在降溫過程中，煙氣若不進行處理就會出現圖1中的水蒸氣相變冷凝過程，產生白色煙羽[4]。因此，在外界環境狀態不變的情況下，需要對吸收塔凈化后的煙氣進行處理才可消除白色煙羽。

圖2 煙囪出口煙羽的消除機理

2 白色煙羽治理方案

白色煙羽的消除機理主要是改變吸收塔的出口煙溫，進而改變煙氣中的含濕量。升高煙氣溫度，可降低煙氣中的相對含濕量；降低煙氣溫度，可降低煙氣中的絕對含濕量或者提高外界環境溫度。

2.1 煙氣加熱技術

煙氣加熱技術分兩種形式，一種是間接換熱加熱方式，一種是煙氣混合加熱方式。

2.1.1 間接換熱加熱方式

間接換熱加熱方式主要有回轉式GGH、管式GGH、MGGH、熱管換熱器、蒸汽換熱加熱等。

（1）回轉式GGH。我國初期建設的電廠煙氣脫硫裝置均安裝了GGH，主要采用的就是回轉式GGH。設置回轉式GGH的系統，一般利用鍋爐出口的高溫煙氣加熱吸收塔洗滌后的凈煙氣，凈煙氣被加熱到80℃左右后，經過煙囪向大氣排放。

（2）管式GGH。管式GGH換熱原理與回轉式GGH相同，仍是氣氣換熱，原煙氣從管內流動，凈煙氣在管外流動。其管材材質主要分為金屬與非金屬兩種。

（3）MGGH。MGGH原理及工作流程：MGGH即無泄漏低低溫熱媒體煙氣換熱器，該技術一般配合除塵器使用，形成低低溫電除塵系統，該系統由“熱回收器+（電除塵器）+再加熱器”組成，其中熱回收器（MGGH-H/E）布置在空預器之后和電除塵器的入口端之間，再加熱器（MGGH-R/H）布置在脫硫吸收塔后與煙囪之間煙道上，如圖3所示。

該系統是在電除塵器入口布置熱回收器，使進入電除塵器的煙氣溫度由130℃下降到90℃，同時通過水或導熱油等熱媒體經過換熱對脫硫后凈煙氣進行升溫處理，使煙氣溫度提高到80℃左右，從而達到煙氣余熱利用的目的，提高除塵和脫硫效率（無SO2泄露），提高凈煙氣排放溫度。其原理如圖4所示。

MGGH系統主要優點及技術關鍵問題：MGGH為無泄漏式熱媒體煙氣換熱器，原、凈煙氣不直接接觸，不存在煙氣泄露造成的二氧化硫逃逸問題，高溫段熱回收器不存在煙氣帶水的影響，也不存在堵塞影響機組正常運行的現象，低溫段再熱器采用蒸汽吹灰方式（灰量很少），可有效地防止堵塞問題。

圖3 MGGH布置方式

圖4 MGGH工藝原理

MGGH主要存在的技術關鍵點是煙氣升溫段的低溫腐蝕問題，脫硫后凈煙氣仍含有部分酸性成分，會對換熱管形成酸性腐蝕。目前，國內超低排放改造工程多設置了低溫段用以回收熱量加熱凝結水，設置高溫段的工程較少，高溫段對換熱管材防腐性能要求較高，多采用分段使用2205、316L、ND鋼管材的設計或采用氟塑料材質。

（4）熱管換熱器。熱管由管殼和內部工質組成。如圖5所示，熱管受熱段吸收熱量，傳遞給管內工質，工質吸熱后沸騰和蒸發，轉變為蒸汽，蒸汽在壓差的作用下上升至放熱段；受管外冷流體的冷卻作用，蒸汽冷凝并向外放出凝結潛熱，冷流體獲得熱量，冷凝液則依靠重力回到受熱段。如此周而復始，熱流體的熱量便傳給冷流體，使冷流體得到加熱。分離式熱管原理如圖6所示，整體式熱管換熱器外形和分離式熱管換熱器外形分別如圖7、圖8所示。

圖5 熱管原理

圖6 分離式熱管原理

（5）蒸汽換熱加熱。在吸收塔出口煙道內安裝蒸汽換熱器，利用高溫蒸汽（從電廠引接廠用輔助蒸汽作為氣源）加熱吸收塔出口低溫凈煙氣，使凈煙氣溫度升高。

2.1.2 直接換熱加熱方式

（1）熱二次風混合加熱。利用鍋爐熱二次風的裕量，從空預器后二次風風道中抽取熱二次風，注入凈煙道，與凈煙氣混合，提升煙氣溫度，提高煙囪排煙的抬升高度。

（2）其他混合加熱技術。除了常用的熱二次風混合加熱外，還有燃氣直接加熱和熱空氣混熱加熱方式。但是，目前這些混合加熱技術在國內沒有相關工程應用，僅日本的部分燃油機組有相關應用。

圖7 整體式熱管換熱器外形

圖8 分離式熱管換熱器外形

2.2 煙氣冷凝技術

由于國家對煙囪出口有色煙羽的消除未做強制性的要求，目前對吸收塔出口的凈煙氣進一步冷凝的技術較少，且業績少，運行時間較短。煙氣冷凝技術分兩種形式，一種是間接換熱冷凝方式，一種是直接換熱冷凝方式。

2.2.1 間接換熱冷凝方式

圖9 相變凝聚提水提質技術系統

目前，間接換熱冷凝方式主要是在吸收塔與煙囪之間的煙道處設置一級冷凝換熱器。如圖9所示，冷凝器本體由數量眾多的管排組成，其原理是通過對進入冷凝器的飽和濕煙氣進行降溫，使得飽和煙氣中的水蒸氣發生相變，由氣態冷凝成液態，從而增加局部區域內的霧滴濃度，冷凝器設置收集水處理系統，冷凝后的霧滴部分會被煙氣帶走，因此在冷凝器后設置一級煙道除霧器深度去除冷凝霧滴[5]。

2.2.2 直接換熱冷凝方式

目前，直接換熱冷凝方式主要采用噴淋降溫方式。

（1）三區相變凝聚節能減排技術。通過對脫硫塔頂層漿液泵出口或入口串入漿液冷卻換熱器，對頂層噴淋層的漿液降溫，降溫后的噴淋漿液與煙氣接觸，使煙氣溫度降低（一般降低3～5℃），降溫后的冷凝煙氣經過塔內除霧器除霧后排出，如圖10所示。該技術在天津國電津能熱電有限公司及上海長興島二電得到了成功應用。

漿液冷卻換熱器采用寬流道板式換熱器，冷卻水從板內流動，漿液從板外流動。考慮到板式換熱器易堵塞的問題，漿液冷卻換熱器采取以下應對措施。

一是采用寬流道板式換熱器。常規板式換熱器通道僅有2～5 mm，易堵塞，漿液冷卻換熱器板間距按不小于30 mm設計，板間距可根據吸收塔實際運行情況進行適當調整。吸收塔漿液循環泵入口濾網孔徑一般在30 mm左右，漿液中的大塊固體在漿液進入換熱器前可通過入口濾網攔截。

二是漿液換熱器一般串聯在漿液循環泵的出口豎直漿液管段上，豎直布置，漿液流向與換熱器板片平行布置，漿液側流速在2 m/s以上，運行過程中可避免漿液中細小固體沉積的問題。

三是漿液換熱器停運時，排漿過程中會出現部分石膏沉積現象，設置自動清洗系統，清洗換熱器表面。

四是漿液換熱器漿液側出入口均裝有壓力測試元件，若出現堵塞現象，可以通過設置壓力報警提前預測，在線采用人工清洗的方法解決，無需停機。若當地環保政策對吸收塔出口煙氣溫度有要求，可設置一套備用漿液換熱器，在人工清洗過程中切換至備用漿液換熱器，保證吸收塔出口煙氣溫度滿足環保要求。

圖10 三區相變凝聚節能減排技術系統

（2）煙氣冷卻除水技術。在傳統脫硫吸收塔后串聯冷卻凝結塔的方式，回收脫硫凈煙氣中的飽和水汽。其基本原理為：脫硫吸收塔排出的飽和凈煙氣進入冷卻凝結塔，經過旋匯耦合裝置與噴淋的冷卻循環水實現換熱降溫冷凝，冷凝液被循環噴淋水捕集直接進入冷凝塔底水池，其余的細小液滴被管束式除塵除霧器捕集后進入水池。當塔底水池液位超過溢流液位時，冷凝水通過溢流管轉移至緩沖箱。緩沖箱設置循環冷卻水泵，將箱內的冷凝水泵送至空冷器降溫后，噴淋到冷凝塔內，實現冷凝水系統的循環工作[6]。多余的冷凝水通過緩沖箱冷凝外排水泵，或者緩沖箱溢流收集，最終實現冷凝水回收。自脫硫吸收塔來的凈煙氣經過循環冷卻水降溫，熱量轉移至冷凝塔塔底水池內的冷凝循環水，該循環水轉移至循環水箱后，由空冷器降溫，最后熱量轉移至環境空氣，此過程實現系統熱量循環。此工藝主要目的是節水，同時也減緩了白色煙羽的排放，目前已在大唐托克托電廠進行了熱態試驗。

2.3 其他技術

煙囪出口有色煙羽的形成主要是因為水滴對光線產生折射、散射，呈現出白色或者灰色煙羽。因此，治理有色煙羽除了改變煙囪出口煙溫進而改變煙氣中的含濕量，避免水蒸氣發生相變生成水滴外，煙氣在排放前還需要盡可能減少本身攜帶的液滴。例如，在吸收塔內及凈煙道上設置多級高性能屋脊式（板式）除霧器或其他高性能的除霧裝置，在吸收塔出口至煙囪之間設置濕式電除塵器，在煙囪上設置冷凝液收集裝置等。

3 結語

目前對濕煙囪消白的治理方案缺少統一的規范和要求，選擇治理技術時，人們應該根據不同地區的氣候、冷源、環保要求以及機組的經濟性等因素統一進行考慮。