煙氣濕煙羽產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及其解決方法

陸生寬 孟 維

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 北京 100098）

引言

截至2015年底[1]，我國已投運(yùn)火的電廠煙氣脫硫機(jī)組容量大約8.2億千瓦，占全國煤電機(jī)組容量的91.20%；其中石灰石-石膏、海水和氨法等濕法脫硫裝置占95%以上。濕法脫硫共同特點(diǎn)是脫硫工藝需要將煙氣溫度降低到水的露點(diǎn)溫度（50℃左右），以最大程度地去除SO2，因此運(yùn)用濕法脫硫工藝的凈煙氣是處于飽和狀態(tài)的濕煙氣，其排放會(huì)出現(xiàn)“煙囪雨”（俗稱“石膏雨”）和“白霧”或稱（“白色煙羽”）現(xiàn)象[2-3]，如圖 1。

圖1 煙囪雨及有色煙羽

20世紀(jì)80年代左右，為了治理“煙囪雨”和“白霧”現(xiàn)象，德國和日本規(guī)定煙氣的排放溫度不得低于72～75℃，主要做法是在脫硫裝置上裝煙氣加熱器（GGH）來提高凈煙氣的溫度，此時(shí)歐盟和美國對煙氣的排放溫度則沒有限制，從2002年德國開始采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)，不再限制煙氣的排放溫度。

2005年以后，我國建設(shè)的濕法脫硫裝置大多不再安裝煙氣加熱器，一部分電廠早期建設(shè)的回轉(zhuǎn)式煙氣加熱器（GGH）也由于堵塞和磨損也拆除了，凈煙氣以濕煙氣形式排放。最近幾年的運(yùn)行表明，電廠出現(xiàn)“煙囪雨”和“白霧”現(xiàn)象，使得部分人對濕煙氣排放產(chǎn)生了懷疑，部分電廠又有裝煙氣加熱器（GGH）的趨勢，因此正確認(rèn)識火電廠濕煙氣排放及白霧現(xiàn)象并找到如何簡單高效解決“煙囪雨”的方法是擺在我們面前的一個(gè)新問題。

1 煙氣濕煙羽產(chǎn)生的機(jī)理

上海市環(huán)保局在《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術(shù)要求（試行）》中，將石膏雨和有色煙羽給出了定義：石膏雨，即為濕法脫硫系統(tǒng)吸收塔出口的凈煙氣處于濕飽和狀態(tài)，由于在流經(jīng)煙道和煙囪排入大氣過程中，因煙氣溫度降低，煙氣中的部分汽態(tài)水和污染物會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，并在一定區(qū)域內(nèi)飄落下來，沉降到地面上干燥后呈白色石膏斑點(diǎn)，稱之石膏雨。有色煙羽：濕法脫硫后的飽和濕煙氣在排放過程中溫度降低，煙氣中的部分汽態(tài)水和污染物會(huì)發(fā)生凝結(jié)，形成霧狀水汽，其因觀察角度、天空光照等原因發(fā)生顏色的細(xì)微視覺變化，形成“有色煙羽”。

脫硫后的飽和濕煙氣經(jīng)煙囪排放后形成“白煙”，造成視覺污染，特別是在寒冷時(shí)節(jié)會(huì)形成較嚴(yán)重的煙囪雨，會(huì)在設(shè)備附近掉落，造成周邊設(shè)備腐蝕等安全隱患，同時(shí)煙氣攜帶的雨滴溶解有大量鹽類，在電廠附近沉降后也會(huì)導(dǎo)致局部環(huán)境污染等問題。

“白色煙羽”形成的原因，是因?yàn)闈穹摿蚝蟮娘柡蜐駸煔膺M(jìn)入煙囪后，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，飽和濕煙氣中的水分會(huì)凝結(jié)出來，形成“白色煙羽”。

濕法脫硫出口煙氣溫度越高飽和煙氣含水量越高，如下圖2所示：

圖2 溫度與飽和狀態(tài)含水量的曲線圖

圖2中曲線[4]表示飽和狀態(tài)含水量隨溫度變化的曲線，假設(shè)F點(diǎn)為周圍空氣參數(shù)，A點(diǎn)為煙囪出口煙氣參數(shù)，煙氣剛排出煙囪時(shí)處于未飽和狀態(tài)，隨著空氣的混入及煙氣與空氣進(jìn)行換熱，煙氣參數(shù)沿著AB線變化直至達(dá)到狀態(tài)F。煙氣由未飽和狀態(tài)到達(dá)B點(diǎn)的飽和狀態(tài)，煙氣繼續(xù)沿著BDE曲線變化，過量的水蒸氣則凝結(jié)為霧滴即白色煙羽。

2 消除白色煙羽方法

減少白煙現(xiàn)象的出現(xiàn)一般有三種解決方法[4]，如圖3：

（1）煙氣冷凝，降低煙氣溫度，將冷凝后的水分提出，既減少了排煙水分又縮小了煙氣與周邊環(huán)境空氣溫差，煙氣變化曲線與飽和曲線不相交或相交段減少，此法可減輕或徹底消除冒白煙現(xiàn)象。

控制變量選擇主要參考已有的研究文獻(xiàn)，根據(jù)都陽等(2009)[21]、王陽(2012)[22]、王芳等(2014)[23]等的研究，將控制變量分為企業(yè)特征和所在地區(qū)特征。企業(yè)特征的控制變量選擇企業(yè)規(guī)模、企業(yè)年齡和國有資本比例，所在地區(qū)特征的控制變量選擇人均產(chǎn)出、第二產(chǎn)業(yè)增加值比重、第三產(chǎn)業(yè)增加值比重、人口、高校數(shù)量和高校招生規(guī)模。

（2）煙氣加熱，提升煙氣溫度，使得煙囪出口煙氣參數(shù)遠(yuǎn)離飽和曲線。

（3）先冷凝再加熱，既可減少排煙水分又可使得煙囪出口煙氣參數(shù)遠(yuǎn)離飽和曲線。

圖3 煙氣消白煙變化曲線圖

2.1 煙氣冷凝

假設(shè)煙囪出口煙氣為A點(diǎn)，環(huán)境空氣為C點(diǎn)。將煙氣由A點(diǎn)冷凝至D點(diǎn)，隨著溫度的降低煙氣中水蒸氣部分冷凝為液態(tài)水，煙氣與空氣混合變化曲線為DFC，幾乎消除白色煙羽現(xiàn)象。

2.2 煙氣加熱

煙氣從A點(diǎn)加熱至B點(diǎn)，煙氣中的水分含量不變，溫度提高，此時(shí)，煙氣混合空氣的曲線變化為BGC，不與飽和曲線有交集。當(dāng)利用熱能加熱煙氣時(shí)，煙氣由A點(diǎn)變?yōu)镚點(diǎn)，煙氣混合空氣沿GEC變化，不與飽和曲線相交。

2.3 先冷凝再加熱

煙氣由A點(diǎn)先冷凝至D點(diǎn)，然后由D點(diǎn)加熱至E點(diǎn)，煙氣混合空氣沿EC變化，與飽和曲線無相交。由圖可知，加熱量相比較直接由A點(diǎn)加熱至B點(diǎn)要小的多。

根據(jù)各地相關(guān)政策，普遍要求先冷凝后加熱工藝，即煙氣冷凝+MGGH或GGH。

脫硫后的煙氣為飽和濕煙氣，一般溫度約為46～52℃，含濕率約為10%～14%，煙氣冷凝需要冷源，冷源常規(guī)為廠區(qū)循環(huán)冷卻水。冷凝方式可分為直接冷凝和間接冷凝，直接冷凝為噴淋冷凝，是利用冷卻水直接噴淋煙氣進(jìn)行降溫冷凝。間接冷凝利用冷卻水冷卻脫硫塔漿液，然后利用冷卻后的漿液噴淋煙氣從而冷凝煙氣。

3 煙氣濕煙羽的影響因素

環(huán)境溫度：外界環(huán)境溫度越低，濕煙羽越長，治理難度越大。

環(huán)境濕度：環(huán)境相對濕度越高，有色煙羽中的水分越難以及時(shí)擴(kuò)散，造成煙羽影響范圍增大，煙羽治理難度增大。

環(huán)境風(fēng)速：環(huán)境風(fēng)速越高，有色煙羽飄散的距離越遠(yuǎn)。

煙氣溫度：煙氣溫度越低，有色煙羽長度越小，采用降溫措施可以在一定程度上減弱或消除濕煙羽現(xiàn)象。

煙氣速度：煙氣速度越大，有色煙羽的長度越大。

結(jié)語

目前我國對于濕煙羽治理缺少統(tǒng)一的要求和規(guī)范，對于我國不同地區(qū)濕煙羽消除的條件也沒有指導(dǎo)性意見，現(xiàn)在一般僅對脫硫裝置出口凈煙氣進(jìn)行溫度和濕度的限制。濕煙羽治理的設(shè)計(jì)計(jì)算也缺少規(guī)范和公認(rèn)的計(jì)算模型。基于此種情況，需要這些方面進(jìn)行科學(xué)的規(guī)范。在濕煙羽治理工藝路線選擇上，也不要呆板機(jī)械的選擇，應(yīng)根據(jù)不同條件，比如氣候、地點(diǎn)、污染物擴(kuò)散、節(jié)水減排等因素，進(jìn)行綜合考慮，科學(xué)選擇合適工藝。一般來說，南方地區(qū)，由于環(huán)境溫度較高，可采用常規(guī)煙氣再熱方式；中部地區(qū)和北部地區(qū)環(huán)境溫度較低，特別是在冬季，宜采用煙氣冷凝再熱復(fù)合技術(shù)。具體的設(shè)計(jì)方案仍需詳細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)算，充分考慮氣候變化、負(fù)荷高低對濕煙羽治理的影響，最終確定經(jīng)濟(jì)可行方案。