濕法脫硫燃煤機組“白色煙羽”節(jié)能治理

 　　目前，我國大部分燃煤發(fā)電機組脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，該工藝可使煙氣溫度降低至45～55℃，這些低溫飽和濕煙氣直接經(jīng)煙囪進入大氣環(huán)境，遇冷凝結(jié)成微小液滴，從而產(chǎn)生“白色煙羽”。

　　▲ 來源：《華電技術(shù)》 作者：王貴彥 黃素華

　　本文利用溫濕圖分析了采用濕法脫硫工藝的燃煤機組煙囪出口容易形成“白色煙羽”的原因，指出目前普遍采用的直接加熱法雖然能夠消除“白色煙羽”，但會增加機組的運行能耗，最后提出采用先冷凝再加熱的工藝是治理“白色煙羽”的有效節(jié)能措施。

　　引言

　　目前，我國大部分燃煤發(fā)電機組脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，該工藝可使煙氣溫度降低至45～55℃，這些低溫飽和濕煙氣直接經(jīng)煙囪進入大氣環(huán)境，遇冷凝結(jié)成微小液滴，從而產(chǎn)生“白色煙羽”。

　　雖然單純的“白色煙羽”對環(huán)境質(zhì)量沒有影響，但是影響環(huán)境感觀，有時甚至?xí)徽`認為有毒、有害廢氣。濕煙氣凝結(jié)形成的微小水滴雖然危害不大，但是會對周圍居民生活造成一定的困擾，環(huán)保局就經(jīng)常接到類似投訴。因此，許多燃煤電廠把消除“白色煙羽”作為超低排放改造的重要內(nèi)容之一。

　　1 “白色煙羽”形成機理

　　濕法脫硫后的濕煙氣直接排放之所以會產(chǎn)生“白色煙羽”，是因為在脫硫過程中，脫硫漿液與高溫煙氣直接接觸，發(fā)生傳熱傳質(zhì)。一方面水分蒸發(fā)，增加煙氣的含濕量;另一方面，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(tài)后，會攜帶部分小液滴。這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經(jīng)除霧器除去絕大部分液滴后，如果直接經(jīng)煙囪排入大氣，由于環(huán)境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分就會凝結(jié)成小液滴形成“白色煙羽”。

　　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，A點為排放濕煙氣的初始狀態(tài)，B點、C點為不同的環(huán)境空氣狀態(tài)，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(xiàn)白煙及出現(xiàn)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(guān)，而且與它周圍環(huán)境空氣的溫度、濕度(即B，C點位圖1溫濕圖上煙氣狀態(tài)變化置)有關(guān)。A點狀態(tài)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中的水分凝結(jié)成小液滴，也即形成“白色煙羽”，然后由B1點沿直線變化到環(huán)境狀態(tài)B點，在這個過程中“白色煙羽”消失。由A點變化到環(huán)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，只要濕煙氣初始狀態(tài)點與環(huán)境狀態(tài)點的連線與飽和濕度曲線相交，就會產(chǎn)生“白色煙羽”。并且環(huán)境溫度越低、濕度越大“白色煙羽”越長。

　　大氣環(huán)境因素中，環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力都對“白色煙羽”的形成有影響，其中環(huán)境溫度的影響最大，所以這里僅討論和分析環(huán)境溫度的影響情況，假定大氣壓力為101.325kPa、大氣相對濕度為60%。

　　2 直接加熱法

　　直接加熱法就是將脫硫后45～55℃的濕煙氣加熱到70～80℃再排放。主要有:

　　(1)利用鍋爐二次風加熱凈煙氣;

　　(2)利用原煙氣加熱凈煙氣(回轉(zhuǎn)式氣氣換熱器、管式氣氣換熱器);

　　(3)在煙囪底部利用清潔燃料來加熱凈煙氣。

　　我國目前主要采用原煙氣加熱凈煙氣，而且要是管式氣氣換熱器。由于回轉(zhuǎn)式氣氣換熱器不可能完全密封，臟煙氣側(cè)會向凈煙氣側(cè)泄漏粉塵和SO2，不符合目前超低排放的要求，而且運行中存在嚴重的腐蝕、堵塞問題，影響機組的可用率，已基本放棄。

　　脫硫后的濕煙氣要再加熱到多高的溫度才能消除“白色煙羽”，不僅與環(huán)境空氣的溫度和濕度密切相關(guān)，而且與脫硫塔出口的濕煙氣溫度也密切相關(guān)。對于50℃的濕煙氣，在10℃的環(huán)境溫度下只要加熱到71.4℃以上就可消除“白色煙羽”，而在5℃的環(huán)境溫度下則需要加熱到86.2℃以上。對于脫硫塔出口溫度較高的濕煙氣，則需要再加熱的溫度更高一些。例如，在10℃的環(huán)境溫度下，對于45℃的濕煙氣只要加熱到57.9℃以上就能消除“白色煙羽”，而對于55℃的濕煙氣，則需要加熱到87.9℃以上才能達到目的。

　　如圖2所示，將脫硫塔出口飽和濕煙氣從A狀態(tài)加熱到A1狀態(tài)后，A1B1與飽和濕度曲線不再相交，表明當環(huán)境溫度為B1(30℃)時，不會有“白色煙羽”產(chǎn)生;而A1B2與飽和濕度曲線還是相交，表明當環(huán)境溫度為B2(15℃)，溫度較低時，仍然有“白色煙羽”產(chǎn)生，但是“白色煙羽”長度已經(jīng)縮短。因此，在較低的環(huán)境溫度下，要完全消除“白色煙羽”，還要將濕煙氣加熱到更高的溫度，直到最后的狀態(tài)點與環(huán)境溫度點的連線不再與飽和濕度曲線相交。

　　將脫硫塔出口的濕飽和煙氣直接加熱到一定溫度后再排放能夠消除“白色煙羽”，但是會增加發(fā)電機組的能耗。

　　3 先冷凝再加熱法

　　如圖3所示，A點濕煙氣的初始溫度為55℃，C點環(huán)境溫度為20℃。如果采用直接加熱法，需要將A點的濕煙氣加熱到A1點的72℃以上才能消除“白色煙羽”，溫差為17℃;而如果先將A點濕煙氣冷凝到B點(50℃)除去濕煙氣中的部分水分，然后再從B點加熱到B1點(60℃)，能消除“白色煙羽”，而其溫差僅為10℃。通過這種先冷凝再加熱濕煙氣的方法，一方面可以在冷凝過程中回收濕煙氣冷凝放熱量和凝結(jié)下來的水;另一方面由于冷凝后濕煙氣需要再加熱的溫度降低，而且水分析出后濕煙氣的定壓比熱降低，因此冷凝后濕煙氣需要再加熱的熱量大為減少。

　　這里以某超臨界600MW機組為例來分析計算先冷凝再加熱工藝的能耗情況。假定脫硫塔出口濕煙氣溫度為55℃，利用凝結(jié)水將其冷凝到50℃，加熱后的凝結(jié)水回到#8低壓加熱器的出口。

　　超臨界600MW機組額定工況下，脫硫塔出口濕煙氣量約為2200t/h，而標準大氣壓下55℃、50℃飽和濕煙氣的含濕量分別約為114.6g/kg(煙氣)和86.4g/kg(煙氣)，濕煙氣比熱約為1.1kJ/kg˙K。因此，濕煙氣從55℃冷凝到50℃，凝結(jié)水的速率約為62.11t/h，放熱量速率約為159.4GJ/h(包含部分潛熱放熱);而假定環(huán)境溫度為20℃，為消除“白色煙羽”將冷凝后的濕煙氣通過管式氣氣換熱器加熱到60℃每需要的熱量僅為35.3GJ。而直接加熱法將55℃的濕煙氣加熱到72℃每小時需要的熱量為53.2GJ。因此，通過先冷凝再加熱工藝，不僅每小時可回收62.11t的水和159.4GJ的余熱，而且每小時還可節(jié)約17.9GJ的能耗。盡管這些余熱由于溫度較低，做功能力不強，但是可以彌補因煙氣冷凝而增加的風機損耗;回收的冷凝水則可以加以綜合利用。因此，對脫硫塔出口濕煙氣先冷凝再加熱不失為一種“白色煙羽”的節(jié)能治理模式。

　　4 結(jié)束語

　　“白色煙羽”雖然對環(huán)境質(zhì)量沒有影響，但是影響環(huán)境感觀，需要加以治理。目前主要采取直接加熱法來消除“白色煙羽”，這會增加機組的能耗。而通過先冷凝再加熱的處理工藝，不僅能回收部分余熱來彌補機組能耗，而且能夠回收一些冷凝水加以綜合利用，不失為一種節(jié)能型的“白色煙羽”治理模式。