燃煤電站煙羽消除計算方法及實驗驗證

李光英， 趙欽新， 鄧世豐， 李建軍， 趙 平， 王云剛， 邵懷爽

(1．西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049； 2．中國大唐集團科學技術研究院有限公司 西北電力試驗研究院，西安 710021； 3．廣西華磊新材料有限公司，廣西百色 531499)

我國是煤炭消費大國，隨著“雙碳”目標的提出，雖然煤炭消費占比逐年下降，但近50年內煤炭仍將是我國的支柱能源。煤炭燃燒時，煙氣排放中夾雜著細微顆粒物(PM)、SO2和NOx等多種污染物，因此國家要求對國內燃煤電廠進行“超低排放”改造，實現在基準氧體積分數為6%的條件下，PM、SO2和NOx排放質量濃度分別小于5 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3[1]。濕法脫硫技術(WFGD)脫硫效率高、運行可靠、機組負荷變化范圍大、對煙氣中的顆粒物具有一定捕捉作用，截至2016年底，WFGD在全國煤電機組的容量占比超過九成。WFGD會使尾部煙氣中含有大量飽和水蒸氣，產生粒徑小于5 μm的可溶性鹽氣溶膠及SO3/H2SO4、HF、HCl等酸性氣體。濕煙氣從煙囪頂部排出后與空氣接觸，折射、散射太陽光線，使大型燃燒設備尾部煙囪出口的煙羽呈現淺白色或灰白色。研究表明，濕飽和煙氣會促進逃逸的氨氣向銨鹽轉化、SO3氣溶膠形成、可溶性鹽及微細顆粒物等污染物吸濕等過程。低溫高濕煙氣還給各污染物的生成、氣溶膠的二次轉化提供了適宜的條件，并且不利于污染物的局部擴散，因此影響低空區域的空氣能見度，進而引發局部霧霾[2-4]。

考慮到濕煙羽對環境及人體造成的危害，各地相關部門陸續對鋼鐵廠和燃煤機組等擁有大型燃燒設備的尾部濕煙羽控制提出要求。上海市、浙江省各市區、邯鄲市和天津市等地區接連發布地方標準，通過嚴格控制排煙溫度及煙氣含濕量實現消除濕煙羽的目的。

針對是否需要改造系統以消除濕煙羽，社會上出現了不同的意見。一方面，許多環保人士和行業專家認為濕煙羽就是霧霾，并提出濕法脫硫是霧霾大爆發的直接導火索[5-7]；另一方面，許多專業學者認為濕煙羽中所含大部分物質為水蒸氣，超低排放實施后，排放煙氣中各類污染物較少，對于濕煙羽無需治理[8]。2020年初，新冠肺炎肆虐中國，除防疫相關企業，煤電機組、鋼鐵冶金等企業未停工外，社會大面積停工，交通出行急劇減少，但汾渭平原和京津冀地區仍出現了PM2.5高于200 μg/m3的重度霧霾污染天氣，說明目前的煙氣治理技術路線和排放標準仍有待完善，打贏最終的藍天保衛戰還有很長的路要走。

依據濕煙羽形成及消散機理，可將現有的煙羽消除技術分為煙氣冷凝技術、煙氣再熱技術和煙氣冷凝再熱技術[9-11]。煙氣冷凝技術通過對脫硫后濕煙氣冷卻降溫，降低煙氣的絕對含濕量。煙氣再熱技術通過對脫硫后濕煙氣進行加熱，使濕煙氣處于不飽和狀態，確保在濕煙羽擴散過程中水蒸氣遇冷不會形成液滴[12]。單一技術消除濕煙羽的優勢在于系統簡單，實際工程中便于改造，但是利用單一技術無法實現在低溫、高濕條件下對濕煙羽的消除。煙氣冷凝再熱技術將冷凝消除煙羽技術與再熱消除煙羽技術相結合，煙氣經過冷凝降溫后，利用較小溫升幅度就可以消除濕煙羽。從長遠角度來看，煙氣冷凝再熱技術不僅可以全天候實現濕煙羽的脫除，而且可以達到節能減排的目的。

目前，大量學者利用飽和濕煙氣公式切線法(以下簡稱切線法)對濕煙羽消除過程進行研究。目前針對濕煙羽消除的研究主要是利用切線法探究環境溫度和環境相對濕度對煙羽消除系統運行中熱工參數的影響[13-14]。筆者在1臺350 MW電站的脫硫塔后搭建實驗平臺,采用現場實驗與切線法計算相結合的研究方法，利用實驗結果驗證切線法計算的準確性，并利用切線法計算不同技術路線濕煙羽消除的臨界溫度，確定不同技術路線的適用條件及熱工參數。

1 實驗平臺及實驗過程

在廣西華磊新材料有限公司某自備電廠超臨界循環流化床2 號機組350 MW電站的脫硫塔后開展實驗。該機組型號為DG1242/25.4-∏1，汽輪機型號為CC350/328-24.2/7.0/1.0/566/566。該電廠煙氣出口PM、SO2和NOx排放質量濃度分別可控制在5 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3以下，達到超低排放標準。

廣西省平果市雖然地處南方，但是由于環境相對濕度較大，在環境溫度較高時仍能觀察到明顯的濕煙羽，而在低溫高濕的條件下更難消除濕煙羽。本文的目的之一是探討不同環境溫度和環境相對濕度對煙羽消除系統的影響。根據天氣網站數據整理，當地溫度和相對濕度的變化趨勢如圖1所示。

圖1 2019年平果市大氣條件趨勢Fig.1 The trend of atmospheric conditions of Pingguo City in 2019

實驗過程中，環境溫度最低為6 ℃、最高為22 ℃，環境相對濕度范圍為46.5%～94.4%，平均風力為3～5級。本實驗工況復雜，測量方式多樣，數據準確。實地環境溫度區間跨度大，環境平均相對濕度變化明顯，因此通過實驗所獲數據可以用來探究不同大氣條件對煙羽消除系統的影響，實驗結果具有普遍指導意義。

通過實地調研，記錄了某天脫硫塔在5 h運行時間內的運行參數，脫硫塔后尾部煙氣溫度如圖2所示。由圖2尾部煙氣溫度可以得出，脫硫塔的尾部煙氣溫度在55 ℃左右波動。干煙氣經過脫硫塔的噴淋過程，變成濕飽和煙氣。因此，在第4節的討論中，假定濕法脫硫塔尾部煙氣溫度為55 ℃，煙氣相對濕度為100%。

圖2 連續運行脫硫塔尾部煙氣溫度Fig.2 The temperature of desulfurized flue gas in continuous operation

煙氣實驗平臺所需煙氣從機組脫硫塔至尾部煙囪中間的水平煙道處抽取。實驗中，為了減少濕煙氣在管道流動中的冷凝現象，將實驗平臺主體設置于37 m標高的除霧器檢修平臺。

在脫硫塔后水平煙道開設煙氣出口，在煙氣出口位置處設置DN400的閥門，安裝5.5 kW的不銹鋼離心風機，并利用施加保溫措施的軟煙道與實驗平臺相連。實驗平臺距離煙氣出口的垂直距離為8 m，煙羽消除系統示意圖和實驗系統圖如圖3所示。

(a) 煙羽消除系統示意圖

(b) 煙羽消除實驗系統圖圖3 煙羽消除實驗示意圖與實驗系統圖Fig.3 Schematic diagram and experimental system diagram of plume elimination experiment

實驗系統主要由煙氣系統、水循環系統、蒸汽發生裝置和控制系統4部分組成。其中，煙氣系統主要包括引風機、兩級冷凝換熱器、除霧器、煙氣再熱器和煙囪。煙氣先后經過光管搪瓷冷凝換熱器和2205螺旋翅片冷凝換熱器，設計實驗系統時，由于平臺空間有限，實驗平臺必須緊湊。因此，如圖3所示，煙氣經冷凝換熱器后經180 °彎管進入除霧器裝置，捕捉冷凝液滴，最后經煙氣再熱器再熱后排出煙囪。煙囪出口裝有渦街流量計，用以測量煙氣體積流量。水循環系統利用機械通風冷卻塔與外界空氣的換熱來降低兩級冷凝換熱器吸收的煙氣熱量，通過改變機械通風冷卻塔風機頻率和控制循環水溫，進而控制冷凝器后煙氣溫度。蒸汽發生裝置利用電鍋爐產生蒸汽，通過煙氣再熱器加熱除霧器后的干煙氣。每組實驗主要控制循環水溫和電鍋爐蒸汽量2個參數，以分別控制冷凝換熱器的出口煙溫以及煙氣再熱器的出口煙溫。隨著循環水溫不斷升高，濕煙羽逐漸出現，此時記錄臨界冷凝溫度和臨界再熱溫度；逐漸降低冷卻塔的風機頻率直至關閉，由于循環水溫不斷升高，冷凝換熱器出口煙溫不斷升高，通過開關電鍋爐控制濕煙羽的消失和出現，測得濕煙羽出現和消失時的臨界冷凝溫度和臨界再熱溫度。

2 濕煙羽消除機理及數學模型

脫硫后濕煙氣成分和物性復雜，為了分析濕煙羽的擴散機理，假設濕煙氣為濕空氣，主要對濕空氣與環境空氣的混合過程進行研究，探究濕煙羽的擴散問題。采用濕空氣溫壓圖切線法確定在理想條件下，大氣的壓力、濕度、溫度與煙氣冷凝溫度和煙氣再熱溫度的關系。空氣飽和含濕量和飽和溫度決定了濕空氣的壓力，濕空氣的壓力隨空氣飽和溫度和飽和含濕量的升高而提高。通常煙囪出口處的壓力近似等同大氣壓。

為便于討論濕煙羽的擴散過程，圖4給出了濕空氣溫壓圖切線法示意圖。圖4中曲線a-c-d為濕煙氣的飽和曲線，狀態點a為濕法脫硫裝置后的濕飽和煙氣，溫度范圍為45～55 ℃。狀態點b為某大氣環境狀態，包括大氣溫度、壓力和濕度。

圖4 濕空氣溫壓圖切線法示意圖Fig.4 Schematic diagram of tangent method of temperature pressure chart

未設置煙羽消除系統，煙囪排出的濕煙氣直接與大氣混合，擴散過程沿著a-b變化，擴散直線與濕飽和曲線有2個交點，飽和濕煙氣處于過飽和狀態，因此水蒸氣析出并形成濕煙羽。由以上理論分析可知，若想消除濕煙羽，需確保煙氣的擴散直線與濕飽和曲線無交點或有且只有1個交點。因此，過點b作a-c-d曲線的切線，相交于點c。排出煙氣沿著e-c-b擴散，不會產生濕煙羽現象。脫硫排出煙氣可以通過冷凝、再熱和冷凝再熱3種技術路線脫除濕煙羽。

為提高計算效率，采用式(1)計算飽和水蒸氣分壓。當環境相對濕度為100%時，水蒸氣的分壓即為飽和水蒸氣分壓ps。

(1)

式中：x=8.107 65；y=-1 750.286；z=133.3；T為水蒸氣溫度，℃。

當環境溫度為T0、大氣相對濕度為d時,得到該大氣條件下的水蒸氣分壓為：

(2)

對式(1)求溫度的偏導數，可得到飽和濕空氣曲線的切線方程，如式(3)所示。

(3)

3 結果與討論

通過改變風機頻率測得冷凝溫度和再熱溫度，發現當煙氣流速較高時，由于循環水升溫較快，導致臨界冷凝再熱溫度數據較少，但通過對比相似大氣條件下不同煙氣流速下測得的臨界冷凝溫度和臨界再熱溫度發現，煙氣流速對消除煙羽熱工參數沒有太大影響。實驗時煙氣溫度在50～60 ℃內，但濕煙羽能否消除主要由臨界冷凝溫度和臨界再熱溫度決定。因此，筆者主要通過控制冷凝溫度來探究臨界再熱溫度的變化規律。

將濕煙羽出現與消失的狀態記錄視為臨界條件，通過實驗方法記錄不同環境溫度、相對濕度條件下的臨界冷凝溫度及對應的再熱溫度，獲得148個不同環境溫度、濕度條件下的冷凝溫度及對應的臨界再熱溫度。利用切線法計算相同環境條件和冷凝溫度對應的臨界再熱溫度。將2種方法獲得的臨界再熱溫度進行對比，結果見圖5。

(a) 實驗數據與切線法數據對比圖

(b) 2種方法相對誤差圖5 實驗測量數據與切線法數據的對比及相對誤差Fig.5 Data comparison and relative error of experiment and calculation

由圖5(a)可以看出，在循環水的升溫過程中，當循環水溫較低或較高時，2種方法得到的臨界再熱溫度誤差較大。但總體來看，基于切線法所獲數據趨勢與實驗測量數據趨勢一致，誤差較小。

由圖5(b)可以看出，通過不同方法得到的臨界再熱溫度相對誤差在±0.12內，相對誤差較小，因此可以認為基于切線法計算獲得的臨界再熱溫度結果可靠，對實際煙羽消除工程具有指導意義，可以利用切線法進行后續相關研究。

3.1 脫硫濕煙氣直接排出

基于切線法對不同煙羽消除技術路線進行討論。煙氣經過濕法脫硫裝置后，濕飽和煙氣的溫度為45～60 ℃。圖6給出了不設置煙羽消除系統、脫硫濕煙氣直接排出情況下，不同脫硫塔出口煙氣溫度和不同濕度條件對應的臨界環境溫度。

由圖6可以看出，在相同環境和脫硫塔出口煙氣溫度條件下，當環境溫度低于臨界環境溫度時，直接排出煙氣將會出現濕煙羽現象。由圖6還可以看出，脫硫塔出口煙氣溫度為50 ℃時，環境相對濕度為30%，環境溫度在32.2 ℃以上時直接排放無可見濕煙羽。脫硫塔出口煙氣溫度為55 ℃時，環境相對濕度為30%，環境溫度在36.6 ℃以上時直接排放無可見濕煙羽。因此，對于高溫且干燥地區的燃煤機組，不需要安裝煙羽消除系統，脫硫煙氣直接排放即可實現無濕煙羽。但是，在常規環境條件下，若想實現徹底消除煙囪尾部的濕煙羽，必須對脫硫塔尾部煙氣進行治理。

圖6 不同工況下煙氣直接排出時的臨界環境溫度Fig.6 Critical ambient temperature of flue gas directly discharged under different working conditions

3.2 煙氣冷凝技術

濕煙羽是否能夠被消除主要取決于在給定環境條件下煙氣中水蒸氣的排出過程能否不出現析出現象。煙氣冷凝技術的主要思想是對濕法脫硫后的濕飽和煙氣冷凝除水，使煙氣沿著濕飽和壓力曲線降至較低溫度，從而在換熱過程中降低煙氣中的絕對濕度，脫除煙氣中的水蒸氣，使煙氣排出煙囪后的擴散過程中不會冷凝析出水蒸氣，因此也就不會產生濕煙羽。

圖7(a)給出了煙氣冷凝技術消除煙羽示意圖。圖7(b)給出了不同環境相對濕度條件下環境溫度對臨界冷凝溫度的影響。由圖7(b)可以看出，采用煙氣冷凝技術消除濕煙羽，臨界冷凝溫度隨環境溫度的變化呈線性變化趨勢。臨界冷凝溫度隨環境溫度的降低和環境相對濕度的增大而降低。在低溫高濕條件下，消除濕煙羽的難度更大。當環境相對濕度由30%上升到80%，同一環境溫度下，臨界冷凝溫度降低5.8～7.2 K。在環境溫度為5 ℃的條件下，將煙氣溫度降低至13.3～19.1 ℃，比環境溫度高8.3～14.1 K即可消除濕煙羽；當環境溫度為30 ℃時，僅將煙氣溫度降低至40.3～45.7 ℃，高于環境溫度10.3～15.7 K即可消除濕煙羽。在環境相對濕度為60%的條件下，環境溫度為5～30 ℃時，將煙氣溫度降低至16.2～43.9 ℃，即高于環境溫度11.2～13.9 K即可消除濕煙羽。

(a) 煙氣冷凝技術消除煙羽示意圖

(b) 不同條件下臨界冷凝溫度變化趨勢圖7 煙氣冷凝技術消除煙羽示意圖及臨界冷凝 溫度的變化趨勢Fig.7 Schematic diagram of plume eliminate by flue gas condensation and trend of critical condensation temperature

普通冷凝換熱器的冷源采用冷卻塔，冷卻塔的水溫區間為18～30 ℃，而冷凝換熱器本身存在10 K的端差，這意味著冷凝換熱器后的排煙溫度最低可降低到28～40 ℃。由于濕煙氣含有大量水蒸氣，將濕煙氣冷凝至較低溫度需要體積龐大的冷凝換熱器，進而增大煙氣流動的阻力，影響系統正常運行。因此，假設冷凝換熱器可將煙氣最大降溫15 K，當環境相對濕度為60%時，采用煙氣冷凝技術最低適用的環境溫度為19 ℃。若低于該溫度，則無法單獨通過煙氣冷凝技術消除濕煙羽。

3.3 煙氣再熱技術

煙氣再熱技術消除煙羽的主要思想是通過對飽和濕煙氣進行加熱，使濕煙氣在不飽和狀態下排出，排出過程中不出現水蒸氣析出現象，從而實現消除濕煙羽的目的。圖8(a)給出了煙氣再熱技術消除濕煙羽示意圖。圖8(b)給出了不同環境溫度和環境相對濕度條件下，通過切線法計算所得的煙氣再熱技術消除濕煙羽臨界升溫幅度的變化曲線。

(a) 煙氣再熱技術消除煙羽示意圖

(b) 不同條件下臨界升溫幅度趨勢圖圖8 煙氣再熱技術消除煙羽示意圖及臨界升溫幅度變化趨勢Fig.8 Schematic diagram of plume eliminate by flue gas reheat and trend of critical temperature increase

由圖8(b)可以看出，臨界升溫幅度與環境溫度呈負相關趨勢，與環境相對濕度呈正相關趨勢。臨界升溫幅度受環境溫度的影響呈拋物線變化趨勢。環境溫度越低，臨界升溫幅度變化速率越大。因此，環境溫度越低，利用煙氣再熱技術消除濕煙羽的難度越大。在環境溫度為15 ℃、環境相對濕度為80%的條件下，脫硫塔出口煙氣溫度需要再熱至40 ℃以上才能通過再熱技術消除濕煙羽；而在環境溫度為30 ℃、環境相對濕度為80%的條件下，脫硫塔出口臨界升溫幅度僅需6 K就能消除濕煙羽。由于環境溫度越高，臨界升溫幅度變化速率越小，因此在夏季高濕的條件下，只需要進行小幅度再熱就可將濕煙羽消除。

煙氣再熱器采用高溫介質對煙氣進行再熱，介質溫度高，換熱溫差大，因此相比同體積的冷凝換熱器，煙氣再熱器可將煙氣提升至更高的溫度。根據《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術要求》中的相關規定，假設煙氣再熱器可將煙氣最大升溫30 K，當環境相對濕度為60%時，采用煙氣再熱技術最低適用的環境溫度為14.8 ℃。當環境溫度低于該溫度時，無法單獨采用煙氣再熱技術消除濕煙羽，此時需考慮采用煙氣冷凝再熱技術消除濕煙羽[15]。

3.4 煙氣冷凝再熱技術

煙氣冷凝再熱技術是將煙氣冷凝和煙氣再熱技術結合，通過冷凝過程將煙氣的絕對含濕量大幅降低，去除煙氣中水分，降低加熱升溫幅度。圖9(a)為煙氣冷凝再熱技術消除煙羽示意圖。圖9(b)為脫硫塔出口濕飽和煙氣溫度為55 ℃、環境相對濕度為60%時，不同環境溫度條件下臨界再熱升溫幅度的變化趨勢。

(a) 冷凝再熱技術消除煙羽示意圖

(b) 不同冷凝降溫幅度下對應的臨界再熱升溫幅度圖9 冷凝再熱消除煙羽路線及臨界再熱升溫幅度變化趨勢Fig.9 Schematic diagram of plume eliminate by flue gas condensation-reheat and trend of critical reheat temperature increase

由圖9(b)可以看出，采取煙氣冷凝再熱技術消除濕煙羽，可以實現在極低環境溫度下消除濕煙羽的目的。并且采用煙氣冷凝再熱技術消除濕煙羽時的臨界降溫幅度，對應所需的臨界再熱升溫幅度小于采取單一技術消除濕煙羽所需臨界再熱升溫幅度，可以有效減小冷凝換熱器的面積與體積。

假設冷凝換熱器可將煙氣最大降溫15 K，煙氣再熱器可將煙氣最大升溫30 K，在環境相對濕度為60%時，濕法脫硫裝置后煙囪排出的煙氣溫度為55 ℃的條件下，采用煙氣冷凝再熱技術最低適用的環境溫度為2.9 ℃。圖10為該條件下不同技術消除濕煙羽的適用范圍。由圖10可知，當環境溫度和相對濕度處于區域1中，使用3種技術均能實現消除濕煙羽的目的；當環境溫度和相對濕度處于區域2中，采用煙氣冷凝技術不能消除濕煙羽；當環境溫度和相對濕度處于區域3中，采用煙氣冷凝技術、煙氣再熱技術均不能消除濕煙羽；當環境溫度和相對濕度處于區域4中，采用3種技術均不能實現消除濕煙羽的目的，需要進一步增大冷凝換熱器的面積以擴大冷凝和再熱幅度。

圖10 不同技術消除煙羽的適用范圍Fig.10 Application scope of different technologies for plume eliminate

4 結 論

(1) 通過冷凝再熱消除煙羽實驗數據與切線法計算數據進行對比，表明2種方法的相對誤差可以控制在±10%以內，因此基于切線法獲得的計算結果可靠。

(2) 當脫硫塔出口煙氣溫度為55 ℃、環境相對濕度為30%時，環境溫度在36.6以上直接排放煙氣無可見濕煙羽。

(3) 當脫硫塔出口煙氣溫度為55 ℃、環境相對濕度為60%時，設定冷凝換熱器可將煙氣最大降溫15 K，采用煙氣冷凝技術最低適用環境溫度為19 ℃；設定煙氣再熱器可將煙氣最大升溫30 K，采用煙氣再熱技術最低適用環境溫度為14.8 ℃。當環境溫度低于最低適用溫度時，單獨選取單一技術無法消除濕煙羽。

(4) 在相同條件下，設定冷凝換熱器和煙氣再熱器可分別將煙氣最大降溫15 K、最大升溫30 K，采取煙氣冷凝再熱技術的最低適用環境溫度為2.9 ℃。