燃煤電廠煙氣深度治理技術研究

燃煤電廠煙氣深度治理技術研究本文針對目前應用的煙氣深度治理技術進展了討論。討論內(nèi)容主要為“煙羽”的形成緣由及影響“煙羽”的因素，并給出煙氣消白技術的技術路線及比照狀況，便利各發(fā)電廠確定煙氣深度治理及濕煙羽治理技術路線。

1前言

2022年中以來，多地公布了地方標準和政策要求，對治理白色煙羽的詳細指標、完成時間等進展了明確規(guī)定，如2022年06月06日《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術要求（試行）》標準中提出“有色煙羽污染是近年來上海地區(qū)關注的環(huán)境影響因子。

有色煙羽測相宜的環(huán)境條件：場地地面環(huán)境濕度低于60%，溫度高于17℃。”；2022年8月28日浙江省《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（征求意見稿）要求“城區(qū)及環(huán)境空氣敏感區(qū)的燃煤電廠應實行有效措施消退石膏雨飄落、白色煙羽現(xiàn)象?！逼渌嚓P指標未明確指出；2022年03月《唐山市2022年“十項重點工作”工作任務：生態(tài)環(huán)境愛護工作》指出“2022年完成17家燃煤電廠(含自備電廠、煤和其他能源混燒電廠)濕法脫硫煙氣“脫白”治理”。各地政府相繼出臺的消白煙政策，說明消退煙囪冒白煙已成為發(fā)電企業(yè)將來急需解決的問題。

2煙羽的形成

從發(fā)電廠煙囪中排放出來的煙氣，形狀呈羽毛狀，因而得名“煙羽”。煙氣在煙囪口排入大氣的過程中因溫度降低，煙氣中局部氣態(tài)水和污染物會發(fā)生凝聚，在煙囪口形成霧狀水汽，霧狀水汽會因天空背風光和天空光照、觀看角度以及SO3氣溶膠發(fā)生光化學反響等緣由發(fā)生顏色的微小變化，形成“有色煙羽”。通常為白色、灰白色或淡藍色。

濕法脫硫的燃煤發(fā)電機組在取消GGH（煙氣再熱系統(tǒng)）后，煙囪排煙溫度在45-60℃之間，處于濕飽和狀態(tài)。脫硫除霧器不能有效去除煙氣中小于22μm的霧滴，而霧化后的石灰石漿液經(jīng)碰撞后會產(chǎn)生少量直徑在15μm左右的霧滴，因此，煙氣中會不行避開的攜帶石膏漿液。

單純的白色/有色煙羽現(xiàn)象只是水汽凝聚后形成的現(xiàn)象，對環(huán)境影響較小，相當于冷卻塔出口的霧氣；有危害的是煙氣中攜帶的各種氣體以及氣體與水分及微小煙塵分散的氣溶膠。而與SO?形成的硫酸氣溶膠會在大氣形成PM2.5，導致霧霾現(xiàn)象加重。假如形成石膏雨則會對周邊居民生活及電廠生活生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響。

3影響煙羽的因素

3.1環(huán)境溫度是煙羽形態(tài)的重要影響因素

隨著環(huán)境溫度降低，煙羽長度呈指數(shù)關系增加，說明環(huán)境溫度越低，濕煙羽治理難度約大,如圖1。

圖1環(huán)境溫度對白煙長度的影響

3.2環(huán)境相對濕度也是煙羽的影響因素之一

在環(huán)境相對濕度較高時，濕煙羽中的水份難以準時集中，濕煙羽的長度呈指數(shù)關系急劇增大，煙羽影響范圍增大，濕煙羽治理難度增大，如圖2。

圖2環(huán)境濕度對白煙長度的影響

4.消退煙羽的技術路線

高溫煙氣在進入汲取塔之前處于不飽和狀態(tài)。進入汲取塔后，煙氣與漿液除了在接觸過程中發(fā)生化學反響外，還伴隨著混合傳熱過程，煙氣冷卻釋放熱量，將漿液中的水分蒸發(fā)成水蒸氣汲取熱量。

隨著傳熱過程的連續(xù)，煙氣中的水蒸氣含量增加，直到其在出口煙氣溫度到達接近飽和狀態(tài)。因此，汲取塔入口處的煙氣溫度越高，釋放的熱量越多，并且由于漿料的熱汲取產(chǎn)生更多的水蒸氣。煙氣蒸發(fā)水量與入口煙氣量、出口煙溫柔含濕量有直接關系。汲取塔內(nèi)蒸發(fā)水量的計算式⑴，如下所示[4]：

在其他參數(shù)不變的狀況下，蒸發(fā)水量與濕度成正比，濕度與出口溫度下飽和蒸氣壓成正比，與當?shù)卮髿鈮汉图橙∷隹趦魺煔鈮毫χ统煞幢龋捎赑s值（0.5～2kPa）相對于Pa值（101.3kPa）較小，Ps對濕度的影響很小[3]。

此外，PH2O是影響蒸發(fā)水量的主要因素，與溫度有關，脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線如圖3所示（橫坐標為溫度、縱坐標為含濕量）。如圖3所示，曲線左邊為煙氣過飽和狀態(tài)，即白煙產(chǎn)生區(qū)；右側(cè)為煙氣不飽和狀態(tài)，即無白煙區(qū)[4]。

煙氣經(jīng)汲取塔凈化后為飽和濕煙氣（或近似于飽和），此時狀態(tài)位于曲線上。煙氣溫度在不斷降低的過程中，濕度下降慢，其含濕量始終處于過飽和狀態(tài)，冷凝液不斷產(chǎn)生，對應曲線左側(cè)過飽和區(qū)。當煙氣溫度漸漸降至環(huán)境溫度，含濕量下降至環(huán)境溫度下的飽和狀態(tài)以下時，處于非飽和狀態(tài)時，此時白色煙羽消逝。

圖3硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線

依據(jù)圖2.1硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線有如下五類消白煙技術路線。

4.1煙氣加熱

⑴回轉(zhuǎn)式GGH，如圖4?；剞D(zhuǎn)式GGH是通過位于轉(zhuǎn)子中的傳熱元件在原煙氣汲取熱量，在凈煙氣釋放出熱量，通過轉(zhuǎn)子的緩慢連續(xù)旋轉(zhuǎn)，傳熱元件的交替汲取、釋放熱量，實現(xiàn)了對凈煙氣的加熱。

由于該技術投資較高、阻力大（約1000到1500Pa）；增加煤耗約0.5到1.0/(kWh)；不能掌握GGH進出口煙氣溫度；高負荷時煙氣熱量鋪張較多；存在約1%的泄露率，對SO2超低排放影響大；漏風率較高、原煙氣SO2濃度較高，影響SO2達標排放，冬季氣溫低時不能消退大白煙，因此不推舉該技術。

圖4回轉(zhuǎn)式GGH“消白”原理圖

⑵管式GGH，如圖5。管式GGH利用除塵器出口至汲取塔的這段高溫煙氣（130℃-150℃）加熱脫硫后的凈煙氣。凈煙氣通常被加熱到80℃左右，然后排放。由于該技術投資較高、阻力大（約500-600Pa）；增加煤耗約0.6/(kWh)；不能掌握GGH進出口煙氣溫度；高負荷時煙氣熱量鋪張較多；塑料換熱管與煙道接口存在泄漏，密封需要特別設計，否則也有0.4%的漏風率，冬季氣溫低時不能消退大白煙，因此不推舉該技術

圖5管式GGH“消白”原理圖

⑶MGGH,日本三菱公司開發(fā)的濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝采納無泄漏管式水媒體加熱器（MGGH）即原煙氣加熱水然后用加熱后的水加熱脫硫后的凈煙氣。該技術不存在煙氣泄露問題，技術成熟，應用業(yè)績多，但是投資高、阻力大（約800-1000Pa）；增加煤耗約0.8到1g/(kWh)，需采納合理的材料和設計方式防止磨損和腐蝕。可通過系統(tǒng)優(yōu)化設計，將局部熱量有效利用；低負荷時需要配套蒸汽加熱裝置；冬季氣溫低時不能消退大白煙，因此不推舉采納此技術。

蒸汽換熱加熱，由于該技術阻力大（約600Pa）；增加煤耗約2g/(kWh)；運行費用高，增加了汽機的熱耗，不經(jīng)濟，因此不推舉該技術

4.2煙氣混合

⑴熱二次風混合加熱，由于該技術阻力小，投資費用低；增加10到20%的二次風量；鍋爐效率下降0.5%左右，煤耗增加1.5～2g/(kW·h)；熱二次風會攜帶局部煙塵，使凈煙氣的粉塵濃度增加，影響煙塵達標排放和鍋爐效率，不推舉該技術。

⑵燃氣直接加熱，運行費用高；會增加煙氣中的污染物，影響煙塵等污染物達標排放、運行費用高，不推舉該技術。

4.3煙氣冷凝

⑴噴淋降溫+除霧。該技術噴淋水會攜帶污染物，不宜直接排放，需要循環(huán)降溫，降溫幅度小時，消白效果不明顯，因此不推舉采納此技術。

⑵冷凝換熱器，煙氣在換熱器入口時處于過熱狀態(tài)，隨著煙氣溫度的降低，當貼近壁面的煙氣局部溫度低于煙氣中水蒸汽的飽和溫度的露點溫度時，水蒸汽由于過飽和而在壁面上發(fā)生凝聚。冷凝下來的液滴不斷聚攏，最終在壁面上形成一層液滴，匯合至提水收集器內(nèi)[2]。該技術需要降溫的幅度大，降溫幅度小時，消白效果不明顯。

4.4冷凝換熱器+煙氣再熱

⑴該技術適應范圍最廣。首先對凈煙氣進展冷凝除濕，降低煙氣中含有的水分比例。然后再對煙氣適當加熱小幅度的溫度，再送入煙囪排放。加熱的方式，可以選用GGH或者MGGH，該技術需要循環(huán)降溫能節(jié)省大量水；煙氣升溫幅度低，特殊是在冬季更加明顯；可完全消退大白煙現(xiàn)象。

直接加熱方案：凈煙氣從50度升到78度，綠色直線所示；冷凝+再熱方案：冷凝到45度,再加熱到66度,如圖6藍色直線所示。藍色曲線是煙氣的濕度飽和曲線，曲線左上方代表過飽和狀態(tài)（即會有大量的水析出，產(chǎn)生白煙或煙雨），右下方代表不飽和狀態(tài)，此時煙氣中的水分以氣態(tài)形式存在，不會產(chǎn)生白煙和煙雨的現(xiàn)象。偏離飽和曲線越遠，煙雨和白煙現(xiàn)象消退的越好。故建議采納冷凝換熱器+煙氣再熱技術路線。

圖6煙氣脫白計算

4.5漿液冷卻技術+MGGH

漿液冷卻技術如圖,7，在噴淋層最頂層漿液循環(huán)泵入口增設板式換熱器，傳熱媒介水源采納循環(huán)水，傳熱媒介經(jīng)冷卻水塔進展冷卻，漿液經(jīng)過板式換熱器冷卻后噴入脫硫塔，與煙氣進展接觸反響，煙溫降低5℃～10℃，可顯著削減白煙；同步增設MGGH，升溫8℃～15℃即可“脫白”，大幅節(jié)約換熱面積。

圖7漿液冷卻技術+MGGH

采納漿液冷卻方案無論從造價，場地要求，系統(tǒng)總體能耗，運行維護工作量等方面皆優(yōu)于煙氣冷卻方案。但水平衡等一些問題需開發(fā)高效過濾回用系