燃煤電廠煙氣深度治理技術(shù)研究

段飛飛

（內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

1 前言

2017年以來，國內(nèi)多地發(fā)布地方標(biāo)準(zhǔn)和政策要求，對治理白色煙羽的具體指標(biāo)、完成時間等進(jìn)行了明確規(guī)定。如2017年6月6日《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術(shù)要求（試行）》發(fā)布，提出“有色煙羽污染是近年來上海地區(qū)關(guān)注的環(huán)境影響因子。測試有色煙羽適宜的環(huán)境條件：場地地面環(huán)境濕度低于60%，溫度高于17℃。”；2017年8月28日浙江省《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）要求：“城區(qū)及環(huán)境空氣敏感區(qū)的燃煤電廠應(yīng)采取有效措施消除石膏雨飄落、白色煙羽現(xiàn)象”；2018年3月《唐山市2018年“十項重點工作”工作任務(wù)：生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作》 指出，“2018年完成17家燃煤電廠（含自備電廠、煤和其他能源混燒電廠）濕法脫硫煙氣“脫白”治理”。各地政府相繼出臺的消白煙政策，表明消除煙囪冒白煙已成為發(fā)電企業(yè)急需解決的問題。

2 煙羽的形成

發(fā)電廠煙囪中排放出來的煙氣，外形呈羽毛狀，因而得名“煙羽”。 煙氣在煙囪口排入大氣的過程中因溫度降低，煙氣中部分氣態(tài)水和污染物會發(fā)生凝結(jié)，在煙囪口形成霧狀水汽，霧狀水汽會因天空背景色和光照、觀察角度以及SO3氣溶膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)等原因發(fā)生顏色的細(xì)微變化，形成“有色煙羽”。通常為白色、灰白色或淡藍(lán)色。

濕法脫硫的燃煤發(fā)電機(jī)組在取消GGH（煙氣再熱系統(tǒng)）后，煙囪排煙溫度在45℃～60℃，處于濕飽和狀態(tài)。脫硫除霧器不能有效去除煙氣中小于22μm的霧滴，而霧化后的石灰石漿液經(jīng)碰撞后會產(chǎn)生少量直徑在15μm左右的霧滴，因此，煙氣中不可避免地會攜帶石膏漿液。單純的白色/有色煙羽現(xiàn)象只是水汽凝結(jié)后形成的現(xiàn)象，對環(huán)境影響較小，相當(dāng)于冷卻塔出口的霧氣；有危害的是煙氣中攜帶的各種氣體以及氣體與水分及細(xì)微煙塵凝聚的氣溶膠。而與SO3形成的硫酸氣溶膠會在大氣中形成PM2.5，導(dǎo)致霧霾現(xiàn)象加重。如果形成“石膏雨”則會對周邊居民的生活及電廠的生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響。

3 影響煙羽形態(tài)的因素

3.1 環(huán)境溫度

隨著環(huán)境溫度降低，煙羽的長度呈指數(shù)關(guān)系增加，表明環(huán)境溫度越低，濕煙羽治理難度越大，如圖1。

圖1 環(huán)境溫度對白煙長度的影響

3.2 環(huán)境相對濕度

在環(huán)境相對濕度較高時，濕煙羽中的水分難以及時擴(kuò)散，濕煙羽的長度呈指數(shù)關(guān)系急劇增大，煙羽影響范圍增大，濕煙羽治理難度增大，如圖2。

圖2 環(huán)境濕度對白煙長度的影響

4 消除煙羽的技術(shù)路線

高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入吸收塔之前處于不飽和狀態(tài)。 進(jìn)入吸收塔后，煙氣與漿液除了在接觸過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外，還伴隨著混合傳熱過程，煙氣冷卻釋放熱量，將漿液中的水分蒸發(fā)成水蒸汽吸收熱量。隨著傳熱過程的繼續(xù)，煙氣中的水蒸汽含量增加，直到其在出口煙氣溫度達(dá)到接近飽和狀態(tài)。 因此，吸收塔入口處的煙氣溫度越高，釋放的熱量越多，并且由于漿料的熱吸收產(chǎn)生更多的水蒸汽。煙氣蒸發(fā)水量與入口煙氣量、出口煙溫和含濕量有直接關(guān)系。吸收塔內(nèi)蒸發(fā)水量的計算式如下[4]∶

式中：

其中出口含濕量：

式中：

在其他參數(shù)不變的情況下，蒸發(fā)水量與濕度成正比，濕度與出口溫度下飽和蒸氣壓成正比，與當(dāng)?shù)卮髿鈮汉臀账隹趦魺煔鈮毫χ统煞幢龋驗镻s值（0.5～2kPa）相對于Pa值（101.3kPa）較小，Ps對濕度的影響很小[3]。此外，PH2O是影響蒸發(fā)水量的主要因素，與溫度有關(guān)，脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線如圖3所示（橫坐標(biāo)為溫度、縱坐標(biāo)為含濕量）。圖3曲線的左側(cè)為煙氣過飽和狀態(tài)，即白煙產(chǎn)生區(qū)；右側(cè)為煙氣不飽和狀態(tài)，即無白煙區(qū)[4]。煙氣經(jīng)吸收塔凈化后為飽和濕煙氣（或近似于飽和），此時狀態(tài)位于曲線上。煙氣溫度在不斷降低的過程中，濕度下降慢，其含濕量一直處于過飽和狀態(tài)，冷凝液不斷產(chǎn)生，對應(yīng)曲線左側(cè)過飽和區(qū)。當(dāng)煙氣溫度逐漸降至環(huán)境溫度，含濕量下降至環(huán)境溫度下的飽和狀態(tài)以下及處于非飽和狀態(tài)時，此時白色煙羽消失。

圖3 脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線

脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線有如下五種消白煙技術(shù)路線。

4.1 煙氣加熱

（1）回轉(zhuǎn)式GGH（如圖4）。回轉(zhuǎn)式GGH是通過位于轉(zhuǎn)子中的傳熱元件在原煙氣吸收熱量，在凈煙氣釋放出熱量，通過轉(zhuǎn)子的緩慢連續(xù)旋轉(zhuǎn)，傳熱元件的交替吸收、釋放熱量，實現(xiàn)對凈煙氣的加熱。

該技術(shù)投資較高、阻力大（1000～1500Pa）；增加煤耗0.5～1.0g/kW·h；不能控制GGH進(jìn)出口煙氣溫度；高負(fù)荷時煙氣熱量浪費較多；存在約1%的泄漏率，對SO2超低排放影響大；漏風(fēng)率較高、原煙氣SO2濃度較高，影響SO2達(dá)標(biāo)排放，冬季氣溫低時不能消除大白煙，因此不推薦該技術(shù)。

圖4 回轉(zhuǎn)式GGH“消白”原理圖

（2）管式GGH（如圖5）。管式GGH利用除塵器出口至吸收塔的這段高溫?zé)煔猓?30℃～150℃）加熱脫硫后的凈煙氣。凈煙氣通常被加熱到80℃左右，然后排放。該技術(shù)投資較高、阻力大（500～600Pa）；增加煤耗0.6g/kW·h；不能控制GGH進(jìn)出口煙氣溫度；高負(fù)荷時煙氣熱量浪費較多；塑料換熱管與煙道接口存在泄漏，密封需要特殊設(shè)計，否則也有0.4%的漏風(fēng)率，冬季氣溫低時不能消除大白煙，因此不推薦該技術(shù)。

圖5 管式GGH“消白”原理圖

（3）MGGH，日本三菱公司開發(fā)的濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝采用無泄漏管式水媒體加熱器（MGGH）即原煙氣加熱水，然后用加熱后的水加熱脫硫后的凈煙氣。該技術(shù)不存在煙氣泄漏問題，技術(shù)成熟，應(yīng)用業(yè)績多，但投資高、阻力大（800～1000Pa）；增加煤耗0.8～1g/kW·h，需采用合理的材料和設(shè)計方式防止磨損和腐蝕。可通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，將部分熱量有效利用；低負(fù)荷時需要配套蒸氣加熱裝置；冬季氣溫低時不能消除大白煙，因此不推薦采用此技術(shù)。

（4）蒸氣換熱加熱，該技術(shù)阻力大（600Pa）；增加煤耗2g/kW·h；運行費用高，增加了氣機(jī)的熱耗，不經(jīng)濟(jì)，因此不推薦該技術(shù)。

4.2 煙氣混合

（1）熱二次風(fēng)混合加熱，該技術(shù)阻力小、投資費用低；增加10%～20%的二次風(fēng)量；鍋爐效率下降0.5%左右，煤耗增加1.5～2g/kW·h；熱二次風(fēng)會攜帶部分煙塵，使凈煙氣的粉塵濃度增加，影響煙塵達(dá)標(biāo)排放和鍋爐效率，不推薦該技術(shù)。

（2）燃?xì)庵苯蛹訜幔\行費用高；會增加煙氣中的污染物，影響煙塵等污染物達(dá)標(biāo)排放、運行費用高，不推薦該技術(shù)。

4.3 煙氣冷凝

（1）噴淋降溫+除霧。該技術(shù)噴淋水會攜帶污染物，不宜直接排放，需要循環(huán)降溫，降溫幅度小時，消白效果不明顯，因此不推薦采用此技術(shù)。

（2）冷凝換熱器，煙氣在換熱器入口時處于過熱狀態(tài)，隨著煙氣溫度的降低，當(dāng)貼近壁面的煙氣局部溫度低于煙氣中水蒸汽飽和溫度的露點溫度時，水蒸汽由于過飽和而在壁面上發(fā)生凝結(jié)。冷凝下來的液滴不斷聚集，最終在壁面上形成一層液滴，匯集至提水收集器內(nèi)[2]。該技術(shù)需要降溫的幅度大，降溫幅度時間長，消白效果不明顯。

4.4 冷凝換熱器+煙氣再熱

技術(shù)適應(yīng)范圍廣。首先對凈煙氣進(jìn)行冷凝除濕，降低煙氣中含有的水分比例。然后再對煙氣適當(dāng)加熱再送入煙囪排放。加熱的方式，可選用GGH或者M(jìn)GGH，該技術(shù)需要循環(huán)降溫能節(jié)約大量水；煙氣升溫幅度低，特別是在冬季更加明顯；可完全消除大白煙現(xiàn)象。

直接加熱方案：凈煙氣從50℃升到78℃；冷凝+再熱方案：冷凝到45℃，再加熱到66℃，如圖6所示。

圖6 煙氣脫白計算

濕度飽和曲線左上方代表過飽和狀態(tài)（即會有大量的水析出，產(chǎn)生白煙或煙雨），右下方代表不飽和狀態(tài)，此時煙氣中的水分以氣態(tài)形式存在，不會產(chǎn)生白煙和煙雨的現(xiàn)象。偏離飽和曲線越遠(yuǎn)，煙雨和白煙現(xiàn)象消除的越好。故建議采用冷凝換熱器+煙氣再熱技術(shù)路線。

4.5 漿液冷卻技術(shù)+MGGH

漿液冷卻技術(shù)（如圖7）在噴淋層最頂層漿液循環(huán)泵入口增設(shè)板式換熱器，傳熱媒介水源采用循環(huán)水，傳熱媒介經(jīng)冷卻水塔進(jìn)行冷卻，漿液經(jīng)過板式換熱器冷卻后噴入脫硫塔，與煙氣進(jìn)行接觸反應(yīng)，煙溫降低5℃～10℃，可顯著減少白煙；同步增設(shè)MGGH，升溫8℃～15℃即可“脫白”，大幅節(jié)省換熱面積。

圖7 漿液冷卻技術(shù)+MGGH

采用漿液冷卻方案無論從造價、場地要求、系統(tǒng)總體能耗，運行維護(hù)工作量等方面皆優(yōu)于煙氣冷卻方案。但水平衡等問題需開發(fā)高效過濾回用系統(tǒng)，并在設(shè)計中采取優(yōu)化措施，存在板式換熱器堵管、循環(huán)水管道堵塞等問題有待解決，系統(tǒng)完善后將是消除煙羽的優(yōu)選技術(shù)路線。

5 結(jié)語

煙氣脫白技術(shù)建議采用冷凝換熱器+煙氣再熱和漿液冷凝+小型MGGH煙氣再熱技術(shù)將是未來實現(xiàn)消除有色煙羽的優(yōu)選技術(shù)路線。既能滿足環(huán)保指標(biāo)，又能滿足場地及經(jīng)濟(jì)性的制約，合理選擇煙氣脫白技術(shù)對發(fā)電廠具有重要的意義。