煙氣濕法脫硫系統中的白煙現象及治理

湯君軍 徐俊

1．上海長興島熱電有限責任公司

2．上海上電電力運營有限公司

0 前言

長興島熱電有限責任公司2×12MW機組采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫裝置采用一爐一塔的方案，單套脫硫裝置的煙氣處理能力為一臺鍋爐100%BMCR工況時的煙氣量，脫硫效率在燃用設計煤種時不小于95%。系統在超低排放改造后，新增漿液冷卻系統，出現系統水平衡被破壞、可用于除霧器沖洗的水量受限等問題。以該脫硫裝置改造前后各系統水量變化為依據，對脫硫裝置的水平衡進行分析，并提出切實有效的調整措施。

1 煙氣白煙概述

目前，國內燃煤電廠及其它化工行業的煙氣在排放前都進行了濕法脫硫，煙氣溫度被降至45℃～55℃，此時的煙氣通常是飽和濕煙氣。煙氣中的水蒸汽含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵、微塵等。當煙氣由煙囪直接排出，進入溫度較低的環境空氣時，由于環境空氣的飽和濕度較低，在煙氣溫度降低過程中，煙氣中的水蒸汽會凝結形成濕煙羽，造成對大氣的污染。

1.1 有色煙羽的視覺影響

因有色煙羽會對周圍居民生活造成困擾，許多配備濕法煙氣脫硫裝置的企業把消除“白色煙羽”作為超低排放改造的重要內容之一。國電環境保護研究院調研了全國95個火電廠，涉及235臺機組，在所調研的122個煙囪中，有107個出現濕煙羽，占88%，未出現濕煙羽的電廠多采用了半干法脫硫、煙氣加熱技術或“煙塔合一”技術。

1.2 有色煙羽的污染問題

一般而言，煙氣經過脫硫脫硝除塵處理后，已達到了國家相關的排放標準。但有色煙羽的霧滴仍然夾帶著氮氧化物、硫化物、各種煙塵顆粒物、SO3氣溶膠、NH3氣溶膠、超細結晶鹽顆粒物等污染物，對煙氣進行脫白處理，在脫除大部分霧滴的同時，可以脫除大量污染物，有利于減輕霧霾。

1.3 煙氣脫白有利于節能節水

對于濕法脫硫工藝，煙氣排放的同時，由于高溫原煙氣經多層噴淋降溫，會帶走大量氣態水和液態霧滴。據估算，按照全國的燃煤量，全國每年因燃煤煙氣帶入大氣的水分高達幾十億t。因此進行煙氣脫白，可以回收大量寶貴的水資源。

2 機理

濕法脫硫之所以會產生白煙,是因為在濕式脫硫系統中,脫硫劑溶液和高溫煙氣直接接觸,使煙氣被增濕冷卻,而脫硫劑溶液中的水分則吸熱汽化,導致煙氣中的水蒸氣總量增加。隨著脫硫過程的進行,煙氣溫度逐漸降低。煙氣溫度的降低使煙氣攜帶蒸汽的能力降低,60℃時的煙氣達到飽和的情況下所能攜帶的水蒸汽量為0．130 2kg/m3(煙氣),90℃時的煙氣達到飽和的情況下攜帶的水蒸汽量為0．423 5 kg/m3(煙氣),可見煙氣溫度由90℃降低到60℃,單位體積煙氣的水蒸汽攜帶能力降低了近70%,如蒸汽總量超出了煙氣的攜帶能力,就會有大量的水蒸汽凝結為小水滴,煙氣中的水滴在風機葉輪上凝結,造成風機帶水,濕煙氣直接排放形成白煙。

圖1中的曲線為濕空氣的飽和曲線，假設濕煙氣在煙囪出口處的狀態位于A點，而環境空氣的狀態位于F點，煙氣在離開煙囪時處于未飽和狀態。濕煙氣與環境空氣混合過程開始沿AB線變化，達到B點后煙氣變為飽和濕煙氣，此后濕空氣與環境空氣的混合沿著曲線BDE變化，而多余的水蒸汽將凝結成液態小水滴，形成濕煙羽。

圖1 濕煙羽形成機理

3 脫白目的和作用

3.1 霧霾治理

以濕法脫硫后的工業煙氣為例，工業煙氣經濕法脫硫后，煙氣含濕量一般高達13%～15%，甚至達到20%，煙氣溫度較低（50℃～65℃），脫硫后的煙氣進入大氣，當煙氣中的水蒸氣處于過飽和狀態，部分水蒸氣冷凝結霧，形成霧化的細小液滴，會出現“白煙”現象，此外還伴隨著能源浪費。

濕法脫硫后的工業煙氣，具有很高的濕度，通過煙囪排放時，主要是以霧滴的形式被釋放到大氣中。工業煙氣中的霧滴，溶解著大量硫酸鹽、硝酸鹽塵以及脫硫劑和脫硝劑等溶質物質，當這些霧滴在大氣中失去水分后，鹽堿類物質便析出形成微小的鹽堿類顆粒物。從空氣當量學角度看，這些微小的鹽堿類顆粒物粒徑微小，通常小于PM2．5（空氣當量學直徑），比表面積大，比重輕，長期漂浮空氣中，即通常講的二次顆粒物。出現空氣濕度大的天氣，二次顆粒物吸水長大并形成富集時，霧霾降臨。

濕法脫硫后的工業煙氣是霧霾的主要來源，已被大多數環保治理業界認同，“煙氣脫白”就是很好的印證，但也不否定其它諸多霧霾源的存在。

3.2 實現真正意義上的超低排放

一方面，我們不可忽視達標排放的工業煙氣中依然含有殘余的NOx、SO2和煙塵。盡管滿足了排放標準的要求，但仍會對環境造成一定的污染。另一方面，現有針對性的檢測設備尚不能檢測到隨白色煙氣排放到大氣中的污染物。因此應對經除塵脫硫脫硝等環保處理后的工業煙氣施以末端凈化的脫白處理，進一步提高工業煙氣的凈化程度，實現真正意義上的超低排放。

3.3 節能降耗

其一，經環保治理的工業煙氣排放前溫度約為45℃～80℃，這部分的熱能是可以充分回收利用的能源。其二，降低溫度有利于冷凝脫白工藝效率的提高和成本降低。其三，回收水資源直接關系經濟效益。

4 常用處理工藝

南北東西地域的不同，氣候條件相差很大，平均溫度、濕度，極端溫度相差很大，采用的方法技術也不盡相同。各企業的工藝流程條件不同、余熱資源不同、投資要求不同，采取的脫硫消白方法不同等因素，以致工藝方案千變萬化有很大的差別,但滿足用戶要求是技術方案的根本要求。根據濕煙羽形成及消散的機理，目前常用的方法歸納為：

煙氣加熱技術、煙氣冷凝技術、煙氣先冷凝再加熱技術及各種方法的組合技術。

4.1 煙氣加熱技術

4.1.1 GGH（回轉式、管式、熱管式）

GGH，其作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙氣進行加熱，使排煙溫度達到露點之上，減輕對進煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴散度；降低進入吸收塔的煙氣溫度，降低塔內對防腐的工藝技術要求。

安裝了FGD系統之后從煙囪排出的煙氣處于飽和狀態，在環境溫度較低時凝結水汽會形成白色的煙羽。在我國南方城市，這種煙羽一般只會在冬天出現；而在北方環境溫度較低的地區，出現的幾率會更大。

安裝FGD之后出現白煙問題將難以徹底解決。如要完全消除白煙，需將煙氣加熱到100℃以上。安裝GGH后排煙溫度在80℃左右，因此只能使煙囪出口附近的煙氣不產生凝結，使白煙在較遠的地方形成。

目前，FGD系統較多的采用回轉式GGH，因此本文的討論主要針對這類GGH。對其它類型的GGH，如水媒式、蒸汽換熱器等，其結論也是適用的。

GGH設備本體以及由GGH引發的直接投資,包括煙道、支架和沖洗系統的費用約是FGD總投資的15%。

GGH本體對煙氣的壓降約在1 000Pa，如考慮到由于安裝GGH而引起的煙道壓降，總的壓損約在1 200Pa左右。為了克服這些阻力，必須增加增壓風機的壓力，使FGD系統的運行費用大幅增加。

GGH的原煙氣側向凈煙氣側的泄漏會降低系統的脫硫效率，盡管回轉式GGH的原煙氣側和凈煙氣側之間的泄漏可以達到1．0%以下，但這也是一種無謂的損失。

由于原煙氣在GGH中由130℃左右降低到酸露點以下的80℃，因此在GGH的熱側會產生大量的粘稠的濃酸液。這些酸液不但對GGH的換熱元件和殼體有很強的腐蝕作用，而且會粘附大量煙氣中的飛灰。同時，穿過除霧器的微小漿液滴在換熱元件的表面上蒸發之后，也會形成固體的結垢物。上述這些固體物會堵塞換熱元件的通道，進一步增加GGH的壓降。國內已有電廠由于GGH粘污嚴重造成增壓風機振動過大的前鑒。

GGH在運行過程和停機后需用壓縮空氣、蒸汽和高壓水進行沖洗，以去除換熱元件上的積灰和酸沉積物。因此需要提供相應的壓縮空氣、沖洗水和蒸汽。GGH沖洗后的廢水含有很強的腐蝕性，必須進行專門的處理之后進行排放。

4.1.2 IMGGH

水媒體管式煙氣冷卻、再熱系統，吸收脫硫塔前煙氣熱量，加熱煙囪入口煙氣，可將進入煙囪的煙氣溫度提升至80℃以上。以MGGH系統為基礎路線，與冷卻提水技術路線（回收濕煙氣冷凝放熱量和凝結下來的水）相結合，對除濕后的煙氣進行升溫后排放，確保“脫白”效果。盡管對污染物濃度和排放量沒有影響，但是煙氣溫度升高可提高煙氣抬升高度和有效源高（有效源高等于抬升高度與煙囪幾何高度之和），一定程度上改善了煙氣擴散條件。

IMGGH特點：采取先冷凝可使換熱器設計體積縮小；減少入塔熱量，降低水蒸發量，降低煙氣含濕量。降低脫硫塔流速有利于脫硫，熱量回用至出口，排煙溫度高，煙氣提升能力強；視覺污染消除效果好；煙氣側阻力增加較大；運行可靠，維護費用低；成本較高。

煙氣脫白是實現超低排放、節約能源的有效手段。山東保藍環保工程有限公司的電磁脫白技術具有效率高、運行成本低、占地面積少等優點，比傳統的GGH/MGGH技術更適合實際工況。

4.1.3 蒸汽加熱、電加熱

蒸汽加熱是一種間接加熱技術,使用飽和蒸汽在蒸汽-煙氣換熱器(steam-gasheater,SGH)內與煙氣進行熱交換，可用于冷凝再加熱技術的加熱段,或與MGGH串聯組合使用,也可單獨使用去除白霧（見圖2）。單獨使用時,將煙氣溫度升到85℃左右，遠高于煙氣的水露點溫度,從而使煙囪出口的煙氣遠離飽和態,基本看不到白霧現象。盡管對污染物濃度和排放量沒有影響,但是煙氣溫度升高可提高煙氣抬升高度和有效源高,一定程度上改善了煙氣擴散條件。蒸汽加熱技術的工藝流程如圖2所示。該技術工藝流程中使煙氣在SGH加熱后排入煙囪,蒸汽在換熱后排入除氧器進行收集。DCS控制系統設置換熱后煙氣溫度(TIC103)的目標值(如80℃,夏天可調低),通過PID調節,電動調節閥(LV)自動運行的開度變化引起流量(FIQRC)變化,跟蹤加熱后煙氣溫度,使該溫度趨近于目標值。

圖2

4.1.4 熱泵（吸收式溴化鋰熱泵）

溴化鋰吸收式技術通常應用在制冷機領域，利用熱能（甚至廢熱）進行制冷，其制冷工質為自然界的天然物質，因此具有節電環保的特點。將溴化鋰吸收式制冷循環的參數改變到適合采暖的要求，從而應用在城市供暖換熱站中以替代傳統板式換熱器，使一次水的出水溫度甚至可以低于二次水的回水溫度，以大幅度增加換熱站的供熱能力。

4.2 煙氣降溫冷凝

4.2.1 噴淋直接降溫

采用噴霧的方法將水或水霧直接噴向高溫煙氣，使之與高溫煙氣直接進行熱交換；利用水的汽化潛熱，將高溫煙氣冷卻到所要求的溫度。根據除塵凈化方式和冷卻器方式的不同，一般可分為飽和冷卻與蒸發冷卻兩種。

（1）飽和冷卻

通過向高溫煙氣大量噴水，使高溫煙氣在瞬間冷卻到相應的飽和溫度，該冷卻方法稱之為飽和冷卻。其特點是設備簡單、噴嘴壽命短、投資省，需增加污水污泥處理設備。

（2）蒸發冷卻

根據煙氣溫度和煙氣量的變化情況，通過自動控制調節系統計算出合適的噴水量，同時保證所噴入的水全部霧化，使煙氣出口溫度控制在要求的溫度。要求霧化后的水滴顆粒能在很短時間內全部汽化，并被煙氣再加熱而形成一種不飽和氣體，其相對濕度一般為10%～20%左右，該噴霧冷卻方法稱之為蒸發冷卻。

4.2.2 間接換熱降溫（水冷、空冷）

利用水或空氣與高溫煙氣在換熱管或換熱片的內外，進行間接傳熱冷卻以達到降溫的目的。間接冷卻的方法可分為間接水冷和間接風冷。

（1）間接水冷

利用水與高溫煙氣在換熱管或換熱片的內外進行間接傳熱冷卻的裝置。常用的冷卻設備有水冷套管和水冷密排管。

水冷套管也稱為水冷夾套，即冷卻水在套管加夾層內通過并與在套管外通過的高溫煙氣進行間接傳熱冷卻。

水冷密排管以水冷管密排形式組成煙道。冷卻水在水冷管內通過并與在管外通過的高溫煙氣進行間接傳熱冷卻。

（2）間接風冷

利用空氣與高溫煙氣在換熱管或換熱片的內外進行間接傳熱冷卻，以達到降溫的目的。常用的冷卻設備有自然對流空氣冷卻和強制吹風冷卻。

A．自然對流冷卻

采用無動力的冷卻設備對換熱管道內的高溫煙氣進行自然對流空氣冷卻。設備簡單、節能，但傳熱系數較低，設備鋼耗量大，且設備出口煙氣溫度不易控制。

B．強制吹風冷卻

冷卻設備以風機為動力，利用空氣對高溫煙氣進行強制吹風冷卻。其特點是傳熱系數相對較高，設備出口溫度易于控制，但換熱管易堵塞。

4.3 先冷凝再加熱

4.3.1 噴淋直接降溫+熱泵（或其他余熱）

利用循環水將濕煙氣降溫，降溫后煙氣冷凝出一部分水分且接近飽和，然后再將煙氣升溫成為不飽和煙氣，外排以消除白霧。

煙氣降溫冷凝采用循環水降溫，升溫采用蒸汽加熱升溫。本項目原煙氣溫度較低，故不考慮利用原煙氣的余熱加熱處理后的凈煙氣，而采用蒸汽加熱煙氣，蒸汽冷凝水回收使用。

煙氣降溫冷凝及循環水系統：

主要是將流經脫硫塔后的飽和濕煙氣進行降溫除濕，除去煙氣中的一部分水汽，形成一個較低溫的飽和濕煙氣，水汽以凝水的形式，經過汽水分離結構分離，較低溫的飽和濕煙氣進入后續的加熱操作單元;凝水則進入凝水回收系統，循環水在此過程中充當冷媒介質。

4.3.2 間接降溫+熱泵（或其他余熱）

利用水或空氣與高溫煙氣在換熱管或換熱片的內外，進行間接傳熱冷卻以達到降溫的目的。

煙氣降溫冷凝采用循環水降溫，升溫采用蒸汽加熱升溫。本項目原煙氣溫度較低，故不考慮利用原煙氣的余熱加熱處理后的凈煙氣，而采用蒸汽加熱煙氣，蒸汽冷凝水回收使用。

5 總結

用濕煙氣的飽和含濕量與飽和溫度的關系闡述濕煙氣“白煙”的形成和消散的機理，提出煙氣直接升溫、煙氣直接冷卻、煙氣降溫再熱是目前濕法脫硫后“白煙”消除的有效途徑。

受環境溫度和濕度的影響，煙氣降溫再熱“消白”的適用范圍最大，煙氣直接加熱次之，煙氣直接降溫最小。各種方案各有利弊，實際工程中應根據綜合投資和運行費用選擇方案。