湿法脱硫燃煤机组“白色烟羽”节能治理
文章导读
目前，我国大部分燃煤发电机组脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，该工艺可使烟气温度降低至45～55℃，这些低温饱和湿烟气直接经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，从而产生“白色烟羽”。
▲ 来源：《华电技术》 作者：王贵彦 黄素华
本文利用温湿图分析了采用湿法脱硫工艺的燃煤机组烟囱出口容易形成“白色烟羽”的原因，指出目前普遍采用的直接加热法虽然能够消除“白色烟羽”，但会增加机组的运行能耗，最后提出采用先冷凝再加热的工艺是治理“白色烟羽”的有效节能措施。
引言
目前，我国大部分燃煤发电机组脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，该工艺可使烟气温度降低至45～55℃，这些低温饱和湿烟气直接经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，从而产生“白色烟羽”。
虽然单纯的“白色烟羽”对环境质量没有影响，但是影响环境感观，有时甚至会被误认为有毒、有害废气。湿烟气凝结形成的微小水滴虽然危害不大，但是会对周围居民生活造成一定的困扰，环保局就经常接到类似投诉。因此，许多燃煤电厂把消除“白色烟羽”作为超低排放改造的重要内容之一。
1 “白色烟羽”形成机理
湿法脱硫后的湿烟气直接排放之所以会产生“白色烟羽”，是因为在脱硫过程中，脱硫浆液与高温烟气直接接触，发生传热传质。一方面水分蒸发，增加烟气的含湿量;另一方面，烟气温度降低，烟气携带水蒸汽的能力降低。烟气达到饱和状态后，会携带部分小液滴。这些携带小液滴的饱和湿烟气经除雾器除去绝大部分液滴后，如果直接经烟囱排入大气，由于环境温度比烟气温度低，饱和湿烟气中的水分就会凝结成小液滴形成“白色烟羽”。
图1为相对湿度为100%的空气中含湿量随温度的变化趋势曲线，A点为排放湿烟气的初始状态，B点、C点为不同的环境空气状态，AB，AC分别与饱和湿度曲线相交于B1，C1点。湿烟气从烟囱口排出后是否会出现白烟及出现白烟的长度，不仅与烟气本身含湿量的多少、烟气的温度(A点位置)有关，而且与它周围环境空气的温度、湿度(即B，C点位图1温湿图上烟气状态变化置)有关。A点状态的湿烟气从烟囱口排出后，沿饱和湿度曲线变化到B1点，在这个过程中湿烟气中的水分凝结成小液滴，也即形成“白色烟羽”，然后由B1点沿直线变化到环境状态B点，在这个过程中“白色烟羽”消失。由A点变化到环境温度更低的C点的过程也类似，只不过“白色烟羽”的长度更长。因此，只要湿烟气初始状态点与环境状态点的连线与饱和湿度曲线相交，就会产生“白色烟羽”。并且环境温度越低、湿度越大“白色烟羽”越长。
大气环境因素中，环境温度、相对湿度、大气压力都对“白色烟羽”的形成有影响，其中环境温度的影响最大，所以这里仅讨论和分析环境温度的影响情况，假定大气压力为101.325kPa、大气相对湿度为60%。
2 直接加热法
直接加热法就是将脱硫后45～55℃的湿烟气加热到70～80℃再排放。主要有:
(1)利用锅炉二次风加热净烟气;
(2)利用原烟气加热净烟气(回转式气气换热器、管式气气换热器);
(3)在烟囱底部利用清洁燃料来加热净烟气。
我国目前主要采用原烟气加热净烟气，而且要是管式气气换热器。由于回转式气气换热器不可能完全密封，脏烟气侧会向净烟气侧泄漏粉尘和SO2，不符合目前超低排放的要求，而且运行中存在严重的腐蚀、堵塞问题，影响机组的可用率，已基本放弃。
脱硫后的湿烟气要再加热到多高的温度才能消除“白色烟羽”，不仅与环境空气的温度和湿度密切相关，而且与脱硫塔出口的湿烟气温度也密切相关。对于50℃的湿烟气，在10℃的环境温度下只要加热到71.4℃以上就可消除“白色烟羽”，而在5℃的环境温度下则需要加热到86.2℃以上。对于脱硫塔出口温度较高的湿烟气，则需要再加热的温度更高一些。例如，在10℃的环境温度下，对于45℃的湿烟气只要加热到57.9℃以上就能消除“白色烟羽”，而对于55℃的湿烟气，则需要加热到87.9℃以上才能达到目的。
如图2所示，将脱硫塔出口饱和湿烟气从A状态加热到A1状态后，A1B1与饱和湿度曲线不再相交，表明当环境温度为B1(30℃)时，不会有“白色烟羽”产生;而A1B2与饱和湿度曲线还是相交，表明当环境温度为B2(15℃)，温度较低时，仍然有“白色烟羽”产生，但是“白色烟羽”长度已经缩短。因此，在较低的环境温度下，要完全消除“白色烟羽”，还要将湿烟气加热到更高的温度，直到最后的状态点与环境温度点的连线不再与饱和湿度曲线相交。
将脱硫塔出口的湿饱和烟气直接加热到一定温度后再排放能够消除“白色烟羽”，但是会增加发电机组的能耗。
3 先冷凝再加热法
如图3所示，A点湿烟气的初始温度为55℃，C点环境温度为20℃。如果采用直接加热法，需要将A点的湿烟气加热到A1点的72℃以上才能消除“白色烟羽”，温差为17℃;而如果先将A点湿烟气冷凝到B点(50℃)除去湿烟气中的部分水分，然后再从B点加热到B1点(60℃)，能消除“白色烟羽”，而其温差仅为10℃。通过这种先冷凝再加热湿烟气的方法，一方面可以在冷凝过程中回收湿烟气冷凝放热量和凝结下来的水;另一方面由于冷凝后湿烟气需要再加热的温度降低，而且水分析出后湿烟气的定压比热降低，因此冷凝后湿烟气需要再加热的热量大为减少。
这里以某超临界600MW机组为例来分析计算先冷凝再加热工艺的能耗情况。假定脱硫塔出口湿烟气温度为55℃，利用凝结水将其冷凝到50℃，加热后的凝结水回到#8低压加热器的出口。
超临界600MW机组额定工况下，脱硫塔出口湿烟气量约为2200t/h，而标准大气压下55℃、50℃饱和湿烟气的含湿量分别约为114.6g/kg(烟气)和86.4g/kg(烟气)，湿烟气比热约为1.1kJ/kg˙K。因此，湿烟气从55℃冷凝到50℃，凝结水的速率约为62.11t/h，放热量速率约为159.4GJ/h(包含部分潜热放热);而假定环境温度为20℃，为消除“白色烟羽”将冷凝后的湿烟气通过管式气气换热器加热到60℃每需要的热量仅为35.3GJ。而直接加热法将55℃的湿烟气加热到72℃每小时需要的热量为53.2GJ。因此，通过先冷凝再加热工艺，不仅每小时可回收62.11t的水和159.4GJ的余热，而且每小时还可节约17.9GJ的能耗。尽管这些余热由于温度较低，做功能力不强，但是可以弥补因烟气冷凝而增加的风机损耗;回收的冷凝水则可以加以综合利用。因此，对脱硫塔出口湿烟气先冷凝再加热不失为一种“白色烟羽”的节能治理模式。
4 结束语
“白色烟羽”虽然对环境质量没有影响，但是影响环境感观，需要加以治理。目前主要采取直接加热法来消除“白色烟羽”，这会增加机组的能耗。而通过先冷凝再加热的处理工艺，不仅能回收部分余热来弥补机组能耗，而且能够回收一些冷凝水加以综合利用，不失为一种节能型的“白色烟羽”治理模式。
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