基于排煙溫度動態調節的白色煙羽治理節能優化

姚國華，金 閃

(上海外高橋第二發電有限責任公司，上海 200137)

某發電廠兩臺900 MW超臨界直流燃煤鍋爐采用煙氣濕法脫硫技術進行SO2治理。該技術具有脫硫效果明顯、系統結構簡單并且成本合適等優點，但缺點是高溫煙氣經過脫硫吸收塔后被增濕冷卻，容易在煙囪出口處形成白色煙羽，而煙羽中所含有的少量硫酸鈣沉降到地面會引起石膏雨現象而造成污染[1]。上海外高橋第二發電有限責任公司于2015年底對鍋爐進行超凈排放改造，降低煙塵排放并消除白色煙羽現象。

1 白色煙羽生成機理

濕法脫硫工藝過程中，脫硫吸收塔內噴嘴向快速流動的高溫煙氣噴灑脫硫漿液，漿液與煙氣充分接觸后在其反應過程中煙氣被增濕冷卻，漿液的大量蒸發提高了煙氣含濕量。另外，煙氣飽和濕度隨著煙溫的迅速下降而降低，即使經過幾級除霧器有效過濾尾部煙道內濕煙氣仍然接近飽和，其含濕量超過大氣環境飽和濕度，一旦濕煙氣從煙囪出口排入大氣就會發生凝結霧化現象。

圖1 煙氣狀態變化溫濕圖展示

2 白色煙羽治理和存在問題

通過提高濕煙氣中水蒸汽飽和濕度即可避免產生白色煙羽，為保障脫硫效率和鍋爐熱效率，目前主要采用換熱加熱法消除白色煙羽[3]。其原理是通過加熱提高排煙初參數，將尾部煙溫從點A加熱到大于點E后再排出，圖1中擴散段ED位于濕煙氣飽和含濕量曲線之下，煙氣中水蒸汽在大氣中擴散時不會因達到飽和而凝結。換熱加熱法采用換熱器交換煙氣熱量，降低濕法脫硫工藝的熱量損失。目前，水汽換熱器應用最廣，設備簡單、長期投資小、熱效率高且易用維護。

該公司采用技術成熟的MGGH方法對鍋爐進行改造，煙氣流程圖見圖2。在靜電除塵器之前增加煙氣冷卻器，脫硫吸收塔出口增加煙氣加熱器，其以水為媒介，從而實現超凈排放項目整體設計中低低溫電除塵、高效脫硫以及白色煙羽治理，同時降低濕法脫硫工藝造成的熱損失。

圖2 煙氣流程圖

按照國家白色煙羽治理措施中規定采用煙氣加熱法的公司正常排煙溫度應維持在75℃以上，冬季低溫天氣和重污染預警啟動時煙溫維持在78℃以上。由于環境參數和機組運行工況是連續變化的，滿足一定條件時即使排煙溫度小于環保定值75℃也不會產生白色煙羽，如果要滿足75℃定值運行經常需要消耗大量的輔汽來彌補加熱器熱量，造成機組熱效率降低，運行成本上漲。

3 最小排煙溫度計算

為最大限度降低排煙損失并節約機組輔汽，需要計算出機組實際運行中大氣環境所對應的最小排煙溫度同時保證沒有白色煙羽產生，即圖1中擴散段ED與飽和水蒸汽分壓力下濕煙氣飽和含濕量曲線的切點。該溫度受到環境的溫度、相對濕度、壓力和排煙濕度等動態變量的影響。

為方便編程且保證計算準確性，選取Buck公式計算濕煙氣中飽和水蒸氣分壓力[4-5]：

(1)

含濕量公式為

(2)

式中φ——相對濕度，%。

排煙高度下大氣壓力為

p=101.325-ρgh，kPa

(3)

式中h——取煙囪幾何高度，m。

煙囪溫降[5]為

Δθ=Δθth+Δθh，℃

(4)

式中 Δθth——煙囪熱力學溫降；Δθh——散熱溫降，℃。

煙囪50 m處和脫硫吸收塔出口均安裝有測點，可測得煙氣濕度φ′和脫硫吸收塔出口溫度tout。依據尾部煙道含濕量不變為前提，可以計算兩種理論最小排煙溫度。因此，將環境溫度、相對濕度和煙囪出口壓力等各種已知參數代入式(1)～式(4)，用Matlab軟件計算出不同環境參數和運行工況條件下的所有理論最小排煙溫度。

在2017年下半年對兩臺機組實際運行中白色煙羽消失狀況進行記錄，并與計算得出理論最小排煙溫度數據進行對比，摘取有代表性的幾組統計數據見表1和表2。另外，計算過程中煙囪出口環境濕度減少量忽略不計。

由于煙氣濕度φ'測點僅為一個，正常運行中變化較大且兩臺機組φ'值有明顯差異，因此得出兩個理論最小排煙溫度值明顯不同。但當除霧器差壓高時，煙氣濕度明顯偏大，濕煙氣中含有液滴，因此φ'值波動能夠準確反應尾部煙氣濕度變化。脫硫吸收塔出口煙道溫度tout測點有6個，數據準確，當兩臺鍋爐燃燒工況一致時脫硫吸收塔出口溫度基本相同，以此計算得到的最小排煙溫度值接近。表1和表2計算結果說明，除霧器不能完全除去濕煙氣中凝結的液滴，需要兩種計算方式相結合，其準確率大于90%。因此，利用煙氣濕度φ'和脫硫吸收塔出口tout分別計算的結果可以設定排煙溫度，為實際運行中白色煙羽治理節能優化提供理論依據。

表1 5號爐煙羽觀察試驗

表2 6號爐煙羽觀察試驗

4 結語

上海外高橋第二發電有限責任公司目前已經按照理論最低排煙溫度計算結果設定了排煙溫度，并委托超凈排放控制系統制作公司將該算法應用到控制系統中，從而實現鍋爐在線排煙溫度設定自動化。應用該技術可在低負荷期間有效降低排煙溫度5℃，節約煤耗0.6 g/kWh，在保障環保指標的同時提高了熱效率，節約了發電成本。