TSD脫白技術在中小型鍋爐上的應用

王銳

（湖南宏福環保股份有限公司，長沙 410205）

引言

鍋爐后端加裝濕法脫硫系統后，脫硫循環漿液與高溫煙氣直接接觸，發生傳熱傳質。水分蒸發，增加了煙氣的含濕量，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸汽的能力降低。煙氣達到飽和狀態后，會攜帶部分石膏漿液的小液滴。這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經脫硫塔上部的除霧器除去絕大部分液滴后，經煙囪排入大氣，當環境溫度低于煙氣溫度時，煙氣中的霧滴（含有石膏）凝聚長大并自然沉降至周邊區域形成“石膏雨”，在降溫過程中，濕煙氣所含的水蒸汽飽和凝結，凝結水霧滴對光線產生折射、散射，從而形成白色或灰色的濕煙羽，對周邊居民的生活及生產造成了不良影響。

近年來，各地環保行政管理部門先后制定了煙囪白煙排放的控制指標，主要是要求去除煙氣中的霧滴顆粒、降低煙氣濕度和從感官上消除白煙。2017年6月《上海市燃煤發電機組環保排序辦法》指出：“2017年環保排序計算方法：二氧化硫、氮氧化物、煙塵權重分別為0.2、0.3、0.2；完成消除石膏雨飄落及有色煙羽的機組賦值0，未完成的機組賦值1，權重為0.1；煤場全部密封的機組賦值0，未完成的機組賦值1，權重為0.2”；2017年8月，原浙江省環保廳在消除石膏雨、有色煙羽等情況征求意見稿強調：“位于城市主城區及環境空氣敏感區的燃煤發電鍋爐應采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現象”；2017年10月，原邯鄲市環保局、原天津市環保局先后印發通知，明確了火電、鋼鐵等重點行業開展“石膏雨、有色煙羽”治理工作的重點，并明確了有色煙羽的定義。許多燃煤電廠由于加裝了石灰石-石膏濕法脫硫系統，更是將消除“白色煙羽”作為超低排放改造的重要內容之一。

本文以某公司TSD脫白技術在廣東省某電廠的75t/h循環流化床鍋爐改造項目上的應用為例，在已有的濕法脫硫系統上進行局部改造，以滿足環保脫白排放要求。

1 TSD脫白系統改造原則

1）改造應利用現有的環保設施進行局部改造，且改造不對周邊環境和設施造成影響；2）基于經濟成本和施工難度及工期考慮，改造主要在脫硫塔上部進行，當脫硫塔整體強度或穩定性不足時，應進行局部加固處理；3）現有環保設施的改造和調整不應影響原系統的運行要求；4）脫白系統的設備布置應滿足場地實際情況和工藝系統布置及功能需要；5）脫白系統應不影響現有脫硫系統的水平衡，不增加廢水系統的處理負荷，不產生二次污染；6）脫白系統應最大程度地利用現有廠區資源，達到節能減排的效果；7）脫白系統應盡量減少污染物地擴散范圍，降低對周邊環境的影響。

2 TSD脫白系統改造方案

2.1 工藝設計相關數據（表1）

表1 脫白系統工藝設計參數

2.2 TSD脫白改造方案

2.2.1 TSD脫白技術原理分析

圖1為相對濕度為100%的空氣中含濕量隨溫度的變化趨勢曲線，表2為一定溫度下飽和濕煙氣的濕度和焓值數據。A點為排放濕煙氣的初始狀態（溫度50℃、濕度79g/kg、焓值2591.8kJ/kg），B點、C點為不同的環境空氣狀態，AB、AC分別與飽和濕度曲線相交于B1、C1點。濕煙氣從煙囪口排出后是否會出現白煙及出現白煙的長度，不僅與煙氣本身含濕量的多少、煙氣的溫度（A點位置）有關，而且與它周圍環境空氣的溫度、濕度（即B、C點在圖1上的位置）也有關。

A點狀態的濕煙氣從煙囪口排出后，沿飽和濕度曲線變化到B1點，在這個過程中濕煙氣與環境空氣進行熱交換，同時濕煙氣中的水分凝結成小液滴，也即形成“白色煙羽”，然后由B1點沿直線變化到環境狀態B點，在這個過程中“白色煙羽”消失。由A點變化到環境溫度更低的C點的過程也類似，只不過“白色煙羽”的長度更長。因此，只要濕煙氣的初始狀態點與環境狀態點的連線與飽和濕度曲線相交，就會產生“白色煙羽”。并且環境溫度越低、濕度越大、“白色煙羽”越長。

因此“白色煙羽”的消除可通過調整A點的位置，使其更趨近于環境空氣狀態點（如B點），即通過降低脫硫后濕煙氣的溫度和濕度，以縮短A、B兩點間的距離，從而減少煙囪排放濕煙氣的白煙產生量和長度。同時通過對濕煙氣進行熱交換，從而提升低溫濕煙氣的溫度和焓值，形成較高溫度的不飽和煙氣，即使A點位于飽和濕度線以下，使AB線與飽和濕度線不相交或相交點B1接近B點，以達到消除“白色煙羽”的目的。

圖1 溫濕圖上煙氣狀態變化

表2 飽和濕煙氣濕度和焓值數據[1]

2.2.2 TSD脫白工藝介紹

TSD煙氣脫白系統包括濕煙氣冷凝、煙羽回收和煙氣換熱三個部分，可與濕法脫硫塔采用一體化設計，亦可進行獨立設置。濕煙氣冷凝段，設置有工藝水噴淋系統、工藝水收集系統、工藝水循環系統和工藝水冷卻系統，通過工藝水的循環利用，降低系統運行的水耗量。煙羽回收段，設置有多相微孔接觸器、列管式分離器、折流板式分離器和集管式分離器等設備，可根據濕法脫硫系統的設備配置以及項目運行的實際情況進行選配，回收的煙羽可進入脫硫系統進行循環使用，不產生二次污染。煙氣換熱段，一般考慮采用兩種方式，一種為只設置管式換熱器，采用脫硫塔前端的原煙氣直接加熱后端的凈煙氣；另一種為設置管式換熱器和換熱風機，采用脫硫塔前端的原煙氣加熱冷空氣，然后將熱空氣與脫硫塔后端的低溫凈煙氣進行混合，通過提升后端凈煙氣的露點減少濕煙羽的攜帶量，同時由于抬升了煙氣排放高度，減少了污染物擴散。

2.2.3 TSD脫白方案

根據脫白技術原理，綜合考慮項目的地域環境平均溫度為21.8℃，因此無需將濕煙氣降至較低，且脫硫塔后端的凈煙氣只需升至較高溫度即可實現環保要求。脫硫系統的循環漿液含固量一般控制在15%～20%[2]，而二級平板式除霧器后部的霧滴顆粒濃度值一般≤75mg/Nm3[3]，因此只需將脫硫后的濕煙氣降溫至40℃并形成飽和煙氣，然后再加熱至50℃形成不飽和煙氣，即可實現脫白要求。綜合利用脫硫前的熱空氣加熱小風量的冷空氣，進行混熱處理是最為經濟性的選擇。

該項目TSD脫白方案將脫硫塔前端的熱煙氣經過換熱處理后進入脫硫塔進行脫硫處理，經二級平板式除霧器先進行初級除霧處理，然后進入TSD脫白系統的濕煙氣冷凝段去除煙氣中的“煙羽”，再進入煙羽回收段形成低溫飽和濕煙氣，濕煙氣經脫硫塔后端的煙道與熱風混合后達到脫白效果，具體工藝流程見圖2。

圖2 TSD脫白工藝流程

2.3 TSD脫白系統的特點

（1）TSD脫白系統與現有脫硫塔采用一體化結構設計，可減少設備占地面積，提高鋼結構利用率。

（2）煙氣冷凝系統采用逆向噴淋結構，進行管網式復合噴淋結構設計，布置于現脫硫塔二級平板式除霧器上方，以提高冷凝水的比表面積，實現冷凝水與煙氣的最大接觸，從而有效地去除煙氣中的可溶性污染物，同時回收水分和余熱；采用外循環冷卻和內循環噴淋相結合的工作方式，在滿足系統水平衡的前提下減少系統水耗量，同時可適應煙氣負荷的變化。冷凝水收集系統采用交錯式管渠結構設計，可有效收集噴淋冷凝水和煙氣中的凝結水，避免影響原脫硫系統的水平衡。外循環冷卻水與電廠內的冷卻塔系統連接，減少了系統耗水量。

（3）煙羽回收系統采用分級回收方式，一級粗處理利用現有的二級平板式除霧器，二級處理采用集管式分離器布置于煙氣冷凝系統上方，同時采用集束式分區結構設計，通過內部文丘里管等結構形成煙氣旋流，以達到深度去除煙氣中可溶性污染物的目的，同時可適應煙氣負荷的變化，在利用現有設備和結構的同時可最大限度地實現煙羽回收。

（4）煙氣換熱系統配置有管式換熱器和換熱風機，管式換熱器布置于脫硫塔的原煙氣煙道與凈煙氣煙道之間，采用換熱風機將冷空氣與脫硫塔前端的熱煙氣進行換熱，升溫后的熱空氣與脫白后的低溫濕煙氣進行混合后進入煙囪排放，在利用現有熱源的基礎上降低了系統能耗；將熱空氣與低溫濕煙氣進行混熱處理，可提升煙氣換熱效率，通過提升凈煙氣的露點溫度以減少濕煙羽的攜帶量，同時抬升煙氣排放高度，有利于煙氣的高空擴散；煙氣換熱系統與現有的煙氣煙道采用并聯方式，以實現設備的在線切換和檢修。

3 結論

（1）由于使用中小鍋爐設備的電廠廠區一般都較為狹窄，因此新增的系統和設備需要盡量利用現有設施場地，同時減少新增設備的占地面積。

（2）在脫白技術應用上，地域氣象情況是必須考慮的條件之一，綜合利用廠區的現有熱源，采用混熱這種較高熱傳遞效率的方式是較為經濟合理的選擇。

（3）采用冷凝-收集工藝流程，在降低脫硫后濕煙氣的溫度和濕度同時，也去除了一部分濕煙氣中夾帶的污染性物質，實現了煙氣的深度凈化，具有一定的環保效應。