煙羽消白技術在40 t/h燃煤工業鍋爐上的應用

武廣龍，趙 靜，何海軍

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引言

自2017年上海開始進行煙羽消白治理以來，浙江、天津、河北和陜西等地也陸續頒布了煙羽消白治理的政策文件。根據《河北省大氣污染防治工作領導小組辦公室文件》以及《保定市打贏藍天保衛戰三年行動方案》等文件要求：“2019年底前，全省35蒸噸/小時以上燃煤鍋爐全部達到超低排放標準要求(煙塵≤10 mg/Nm3、SO2≤35 mg/Nm3、NOX≤50 mg/Nm3)，同時開展濕法脫硫有色煙羽和石膏雨脫除治理工程，基本消除冒‘白煙’現象。”[1]

白色煙羽出現的主要原因是燃煤鍋爐大都采用成熟的濕法脫硫工藝來對煙氣進行脫硫以滿足鍋爐煙氣超低排放標準的要求，在脫硫塔中，煙氣由脫硫前溫度120～130 ℃、水蒸氣體積分數6%～8%的狀態變為脫硫后溫度55～60 ℃、水蒸氣體積分數11%～13%的濕飽和狀態，煙氣攜帶的大量水分在通過煙囪排入大氣之后冷凝結成霧滴，在光的折射和散射作用下在煙囪附近形成白煙現象，同時煙氣中攜帶的可溶性鹽類、粉塵等物質也會在白煙形成過程中被霧滴捕集進而形成有色煙羽和石膏雨(采用石灰石-石膏脫硫工藝)[2-6]。

在煙羽消白技術的實際應用中，由于現場情況復雜、消白技術的影響因素較多，故在具體工藝和技術上并沒有統一標準，一般都需要根據實際情況進行針對性地設計[7-8]。本文主要對某供熱中心2×40 t/h燃煤工業鍋爐的煙羽消白改造項目的工藝方案設計、系統運行效果以及存在的問題等內容進行介紹和討論分析，為后期同類型的改造項目提供工程解決方案和數據支撐。

1 煙羽消白技術

1.1 煙羽消白原理

對于達到超低排放的鍋爐來講，白色煙羽的主要成分主要是水霧，其中還有部分被水霧捕集下來的細微粉塵、可溶性鹽類。因此，煙羽消白的機理就是消除水霧，也就是將脫硫塔出口的濕飽和煙氣變為不飽和煙氣，使得煙氣在排入大氣后受冷也不會出現霧滴，造成白煙現象。

1.2 煙羽消白技術發展現狀

目前，煙羽消白技術有煙氣加熱、煙氣冷卻、煙氣冷凝再熱、旋流除濕、溶液除濕、陶瓷膜法除濕等[9-11]。煙氣加熱法是對脫硫后的濕飽和煙氣直接加熱，具體的工藝如MGGH、GGH等，由于煙氣中水分含量高使得該種方法的運行成本較高；煙氣冷卻法則是對利用低溫冷源對脫硫后的煙氣進行冷卻，在冷卻過程中，煙氣中的水分會凝結成冷凝水從煙氣中分離出來達到煙羽消白的效果，但是由于該方法會使得煙氣溫度降低，同時也降低了煙氣在煙囪中的抬升力，煙氣的擴散效果變差，而且該方法還需要足夠低溫的冷源才能達到完全的消白效果。為解決上述問題，在煙氣冷卻法的基礎上發展了煙氣冷凝再熱法，煙氣經過冷卻，其中的水分冷凝分離后，再將煙氣進行加熱，達到一定溫度后再進入煙囪排入大氣，該技術可以達到完全消白的效果。溶液吸收法、旋流除濕法、陶瓷膜法除濕法等技術則是利用吸收或機械作用，使得煙氣中的水蒸氣、水霧凝聚，從而降低煙氣的含濕量，但是該類技術目前只能減弱白煙現象，當大氣環境溫度比較低時，無法保證完全煙羽消白[12-16]。

2 煙羽消白技術的選擇

某供熱中心現有2×40 t/h燃煤工業蒸汽鍋爐，配套“SCR脫硝+布袋除塵+濕法脫硫”的環保工藝達到煙氣污染物的超低排放要求。根據政府主管單位相關要求，該供熱中心需要在現有超低排放的基礎上進行煙羽消白改造，消除煙囪冒“白煙”現象。

2.1 工藝選擇

為滿足“快速提高煙囪入口煙溫至80 ℃以上，夏季(4～10月)冷凝后出口煙溫應達到48 ℃以下，煙氣含濕量11.0%以下；冬季(11月～次年3月)冷凝后煙溫達到45 ℃以下，煙氣含濕量9.5%以下”的要求，本次改造選擇煙氣冷凝再熱技術[17]。在冷凝階段可采用的方法有換熱器間接冷凝、噴淋冷凝，再熱階段可采用的方法有氣-氣換熱、氣-蒸汽換熱和氣-水換熱。該供熱中心的鍋爐負荷由下游用汽企業決定，不能長時間停爐，而且負荷變化大，蒸汽量有富裕；廠區現場空間有限，采用換熱系數小、溫差小的方法，換熱設備體積大，一方面現場空間滿足不了安裝和施工要求，另一方面改造成本也會有所提高[12,18-21]。因此，基于上述分析，本次改造最終決定采用“噴淋冷凝+氣-汽換熱”的煙羽消白技術工藝。

工藝具體流程如圖1所示，新建一座消白塔和循環水降溫系統，消白塔內設有噴淋降溫層、除霧器以及蒸汽再熱器。噴淋用水為廠區工藝水，通過循環泵從清水池泵送至消白塔內，然后在從消白塔自流回清水池。清水池上設有一通風冷卻塔用于給噴淋水降溫，保障煙氣的降溫冷凝。蒸汽再熱器用的蒸汽引自鍋爐蒸汽分汽缸，經過換熱后的蒸汽引到鍋爐的軟水箱，進行二次利用。

圖1 煙羽消白技術工藝流程圖

2.2 方案設計

該供熱中心原有的脫硫塔采用“兩爐一塔”設計，因此在消白設計時也延續了該設計方法。消白具體設計參數的選取如下表1所示。消白塔的工藝設計參數(塔內煙氣流速、噴嘴類型、噴嘴角度、噴淋層覆蓋率等)基本參照濕法脫硫工藝進行選取。根據相關研究，在脫硫塔內煙氣溫降變化最大的位置在最底層噴淋層所在位置，消白塔噴淋降溫層共設計兩層，一用一備。在選取液氣比時，由于消白塔主要是用來對煙氣進行降溫，因此液氣比值要比脫硫塔的液氣比小很多。根據熱量守恒定律(噴淋水吸收的熱量=煙氣的顯熱降+冷凝水潛熱)并考慮一定的裕量，液氣比選取為2.5 L/Nm3[22]。煙羽消白系統輔機配置為新增一臺風冷塔、三臺循環泵(兩臺用于消白塔，一臺用于風冷塔)。現場施工完成后的實際照片如圖2所示。為防止設備腐蝕，消白塔和水池做了玻璃鱗片防腐處理，煙氣再熱器采用2205材質，噴淋降溫水管道選用玻璃鋼材質，循環水泵過流面采用全金屬[22-23]。

表1 煙羽消白塔設計參數

圖2 煙羽消白塔

2.3 改造效果

項目改造完成后，2×40 t/h燃煤鍋爐都實現了煙羽消白的目標。如圖2所示，消白系統投入使用后，煙囪出口無視覺白煙，解決了“冒白煙”的現象。消白系統中的煙氣冷凝溫度、出口溫度和濕度以及蒸汽流量情況如圖3所示。在較寬的鍋爐負荷范圍內，煙氣的冷凝溫度為30～42 ℃，煙氣濕度則在4.5%～7%范圍內；出口煙氣溫度(即煙氣再熱溫度)大于80 ℃，用于煙氣再熱的蒸汽流量根據鍋爐負荷在0.1～0.3 t/h范圍變化，各項技術參數都滿足了煙羽消白的排放指標。

圖3 消白塔內煙氣參數

在消白系統中，噴淋冷凝水會對脫硫后的煙氣進行二次洗滌凈化。在系統剛投運時，由于噴淋冷凝水比較純凈并呈弱酸性，此時，煙氣的SO2排放濃度可以達到零排放，粉塵濃度可以達到0～2 mg/Nm3。當消白系統運行一段時間后，脫硫后煙氣中攜帶的水份、SO2、可溶性鹽、粉塵等物質會逐漸轉移到噴淋冷凝水中，因此，冷凝水循環一段時間后會逐漸變渾濁、pH也越來越低，此時噴淋冷凝水的洗滌凈化作用會有所降低[17]。在系統達到穩定狀態時，鍋爐煙氣的粉塵、SO2排放濃度情況如下圖4所示。從圖4中可以看出，顆粒物的排放濃度在1.5～4 mg/Nm3，而SO2的排放濃度變化幅度較大，在2～28 mg/Nm3范圍內。在超低排放的基礎上，經過消白系統，粉塵的排放濃度由<10 mg/Nm3降低至<4 mg/Nm3，協同除塵的效率為60%；SO2的排放濃度影響較多，且出于運行經濟性考慮，其平均排放濃度值控制在19.4 mg/Nm3左右，因此消白系統的協同脫硫效率為35%，低于協同除塵效率。

圖4 消白塔出口煙氣粉塵、二氧化硫排放濃度

2.4 投資成本分析

本煙羽消白系統包含的主要設備有消白塔(包含其內部的噴淋層、除霧器、煙氣再熱器)、循環冷卻水泵、風冷塔及其循環水池，系統相對簡單。煙氣蒸汽再熱器費用約55萬元、消白塔費用約110萬元，循環冷卻系統(風冷塔、循環泵)及其附屬設備費用約65萬元，整個煙羽消白系統投資費用合計約230萬元，折合成本約2.875萬元/t蒸汽，設備投資較小。

3 運行問題

(1)煙氣冷凝水處理問題。脫硫后在消白塔降溫冷凝過程中，煙氣中的水份會冷凝下來進入噴淋降溫水系統。對于40 t/h燃煤鍋爐，大約有1～2 t/h煙氣冷凝水，冷凝水中含有協同凈化下來的SO2、HCl等酸類物質、粉塵、可溶性鹽等，因此隨著投運時間的增加，噴淋降溫水的pH會逐漸降低至2～3左右，為防止噴淋降溫水池外溢，在消白塔底部開設了一旁通水路，當水池液位過高時，系統自動打開閥門，將部分噴淋降溫水旁通到脫硫池中，通過脫硫的廢水處理系統對噴淋降溫水進行處理，維持脫硫和消白系統的水平衡。

(2)脫硫-消白系統水平衡問題。脫硫、消白系統雖然看似獨立地兩個系統，但是在系統實際運行過程中卻是一個連接非常緊密的整體。脫硫漿液中的水分在脫硫塔內被煙氣加熱蒸發并攜帶出脫硫塔，然后在消白塔內該部分水分大部分被冷凝下來最終又回到入脫硫漿液中，形成了一個循環。但是在補水量不變的情況下，失水量大幅度降低，脫硫池的水位逐漸上升，最終會導致系統的水平衡遭到破壞。為解決上述問題，一方面嚴格控制補水量，各類水泵的冷卻水、鍋爐排污水等不再排入脫硫池，同時優化脫硫塔、消白塔除霧器反沖洗，降低反沖洗頻率和時間；另一方面，增加脫硫廢水處理系統的廢水處理能力，將脫硫池的液位控制在合適的范圍內。

(3)軟化水箱振動和噪音問題。飽和蒸汽經過在消白塔煙氣再熱器內換熱后變為高壓的冷凝水，該冷凝水通過管道引至軟化水箱進行二次利用。為避免該高壓冷凝水在軟化水混合過程中引起軟化水箱振動和噪音問題，將帶壓管道在進入水箱后設計成盤管型式，在盤管末端加裝消音措施，在系統投運后，通過長期觀察發現效果良好，水箱未出現振動和噪音問題。

4 結論

(1)某供熱中心燃煤工業鍋爐煙氣煙羽消白改造完成后，煙氣的冷凝溫度基本為30～42 ℃，出口煙氣溫度大于80 ℃，煙氣濕度為4.5%～7%，各項技術參數都滿足了煙羽消白的排放指標要求，煙囪出口無視覺白煙，消白系統運行穩定。

(2)在煙氣協同脫硫除塵方面，煙羽消白系統的協同除塵效率約60%；由于考慮到運行經濟性的原因，二氧化硫排放濃度控制較高，因此煙羽消白系統的協同脫硫效率相對除塵效率較低，約35%。

(3)在運行過程中，煙羽消白系統帶來的最大問題就是對原有脫硫系統水平衡的影響，需要綜合考慮各方面因素來維持脫硫系統的水平衡。