火电厂湿法脱硫“石膏雨”成因分析与防治措施

王沛迪，王雪涛，刘予，任建兴

（上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090）

我国大部分300 MW以上的火电机组均采用石灰石-石膏湿法脱硫（Wet Flue Gas Desulfurization，WFGD），其比例约占90%以上.运行中，气-气换热器（Gas-gas heater，GGH）会引起严重的腐蚀和堵塞问题，增加了电厂的运行和维护成本.德国、日本和美国等建设的湿法脱硫系统基本上不再安装GGH，而开始广泛采用“湿烟囱”排放技术，即将脱硫后的净烟气直接从烟囱排出.目前，我国大部分火电厂也采用此技术，以降低设备投资和运行维护费用.［1-2］

但是采用“湿烟囱”排放的火电机组运行时，易产生“石膏雨”问题.连续的石膏雨会对附近居民生活环境造成严重污染，同时也会影响电厂的正常生产，甚至会引起设备腐蚀，威胁电厂的安全经济运行.［3］因此，本文通过对石膏雨形成的主要因素进行分析，提出了有效的防治措施.

1 石膏雨的成因与影响因素

1.1 石膏雨的成因

图1为无GGH的湿法脱硫系统.［4］由锅炉引风机引出的原烟气（烟温为100～130℃）由增压风机送至脱硫塔内，与喷淋的石灰石浆液发生反应后除去SO2，变成饱和烟气在除雾器内除雾，最后，温度为50～55℃的净烟气直接进入烟囱排入大气.

图1 无GGH的湿法脱硫系统示意

在脱硫塔中，经喷嘴雾化后的石膏浆液成为有一定直径的雾滴，大部分雾滴会被除雾器除去，但是部分小直径的雾滴仍会被净烟气带出，因此有少量的石膏浆液和净烟气一同进入烟囱排入大气.含有饱和蒸汽和石膏的烟气在低温时不能有效抬升和扩散，烟气中携带的粉尘及液滴聚集在烟囱附近冷凝形成白色烟雾，落到地面后形成所谓的石膏雨.［5］特别是当环境温度较低或阴霾天气时，石膏雨问题更加严重.

1.2 影响石膏雨形成的因素

影响石膏雨形成的因素有很多，主要包括净烟气温度、除雾效果、烟囱设计、环境因素、运行工况等.

（1）净烟气温度进入吸收塔前，烟气温度在100～130℃，经过脱硫系统脱硫及除雾器除雾后温度有所降低.当降至烟气达到湿饱和状态的温度时，净烟气中携带的饱和水蒸气会发生冷凝并析出水滴.同时排烟温度过低，烟气的抬升和扩散也会受到影响.［6］因此，净烟气温度过低是石膏雨形成的直接原因.

（2）除雾效果在湿法烟气脱硫吸收塔中，锅炉排出的烟气与石灰石浆液反应脱去SO2后，需要安装除雾装置以除去烟气中携带的浆液.一般情况下，除雾后烟气含液态水量超过75 mg/m3时，认为除雾效果不能满足要求，此时烟气中的含液量很高，而且液体中除了液态水之外，还包含有石膏浆液.［7］携带有大量逃逸石膏浆液的烟气在排出烟囱后冷凝，会产生严重的石膏雨现象.

（3）烟囱设计其原因体现在3个方面.［8］一是烟囱形状.如果是等直径直筒形烟囱，凝结水一般会比较顺利地沿烟囱内壁向下流动，然后在底部排出;如果是锥形烟囱，由于重力作用，凝结水在下流的过程中会脱离烟囱内壁，被上升的烟气携带进入大气，易形成石膏雨.二是烟囱内壁的平整度.如果烟囱内壁粗糙，凝结水易飞溅，从而与上升烟气混合被带出烟囱;如果内壁较光滑，烟气凝结水则会沿内壁向下顺利流出.三是出口直径.烟囱的出口直径会影响烟气流速，一般情况下，如果烟囱出口烟气流速超过18 m/s，烟气对液滴的携带量会大大增加.

（4）环境因素当净烟气从烟囱排出时，如果烟气与环境温差较大，烟气扩散不及时，烟气中的蒸汽随温度的降低变成过饱和状态，最终与其携带的石膏浆液一起凝结沉降，形成石膏雨，因此石膏雨现象在冬季更容易发生.［5］

（5）运行工况若机组运行过程中燃料燃烧不充分，未燃尽成分会随锅炉尾部烟气进入脱硫塔，引起塔内浆液有机物含量的增加，易发生起泡现象，大量泡沫上扬，随烟气进入烟囱易产生石膏雨.当机组运行负荷过高时，烟气流量增大，流速加快，也将增加烟气的浆液携带量，从而加重石膏雨现象.［9］

2 石膏雨的防治措施及方案对比

基于以上对石膏雨的成因及影响因素的分析，可以从以下4个方面着手防治石膏雨.

2.1 提高除雾效率

提高除雾效率是为了提高烟气净化效果，选择合适的除雾器类型、优化除雾器内部设计均有助于减少烟气中的石膏浆液和液滴，从石膏雨形成的根源加以防治，［10］具体措施如下.

（1）选用屋脊式除雾器.屋脊式除雾器设计流速一般为3.8～7.0 m/s，高于平板式除雾器（设计流速一般为3.5～4.5 m/s），由此可见，屋脊式除雾器对烟气流速的适应范围更宽.

（2）优化除雾器喷淋层的喷嘴布置，使得浆液在整个吸收塔截面上保持均匀的重叠覆盖率，保证进入除雾器前的烟气流场均匀分布.同时，设置合适的喷淋层和除雾器的间距，一般取2.5 m就可以使得浆液雾滴有足够的沉降高度.

（3）增加一级除雾器，即采取三级除雾器，同时强化除雾器的冲洗.

（4）采用湿式静电除尘器和电除雾器等新型除雾除尘技术.湿式静电除尘器（WESP）是直接将水通过喷嘴雾化喷入放电极和电晕区，通过水滴与粉尘的结合降低粉尘比电阻，使其在直流高电压的作用下进一步雾化.电场力、荷电水雾通过碰撞拦截、吸附凝并，捕集粉尘粒子，在电场力的驱动下粉尘粒子到达除尘极，喷在除尘极表面的水雾形成连续水膜，捕获的粉尘被流动的水冲刷至灰斗中排出.静电除雾器的工作原理与静电除尘器相似，只是除尘极采用管束结构，每根除尘极管对应一根阴极电晕线.在FGD后面布置新型除雾除尘装置，使烟气中携带的液滴被荷电捕集，可有效防治石膏雨.［11-12］

2.2 提高净烟气温度

利用各种烟气加热设备加热净烟气，可使净烟气远离水的露点温度，避免水蒸气的凝结，提高烟气抬升高度和扩散效果.

利用原烟气加热净烟气，即利用GGH加热设备，提高净烟气温度，过程如图2所示.

图2 GGH加热净烟气过程示意

热量通过平滑的或带波纹的金属薄片载热体从高温侧（未经脱硫处理的高温烟气高温测）向低温测（湿度大的低温净烟气）传递，从而实现提高净烟气温度的目的.但在实际运行过程中，GGH会出现严重的结垢和腐蚀问题.高温侧烟气中的飞灰会导致换热元件堵塞，烟气中携带有少量的饱和石膏浆液，会在GGH换热单元表面形成结垢，［13］严重时会导致WFGD系统停运，影响电厂的安全运行，而且运行维护费用较高.

利用蒸汽加热，即从汽水系统中抽取高温蒸汽，直接加热低温脱硫后的净湿烟气，可以提高净烟气温度.利用蒸汽加热可以选择直接喷入蒸汽法和利用换热器加热法.直接喷入蒸汽的方法加热速度较快，但喷入的蒸汽会和烟气混合进入烟囱，使得烟气携带的水量大大增加，有可能加重石膏雨.利用换热器加热可以避免烟气中水分含量的增加，但是需要对系统进行复杂的改造，而且从汽水系统抽取高品质蒸汽加热烟气，会增加运行成本，降低火电机组的经济性.因此，应用蒸汽加热净烟气的方式需要慎重考虑.［4］

利用热二次风加热净烟气，即从空气预热器后二次风风道抽取热二次风，直接注入脱硫系统出口烟道，与净烟气混合加热，以提高净烟气的温度，促进排烟抬升和扩散，同时减少烟道内的烟气结露积酸，有效防治石膏雨问题.利用热二次风加热净烟气的系统如图3所示.可以看出，利用锅炉热二次风加热脱硫后净烟气的方法结构简单，系统改造较少.目前，中国电力投资集团公司抚顺热电厂和国华台山电厂应用了该技术，在石膏雨防治方面取得了较好的效果.吴炬等人［14］以某电厂300 MW机组为例，将该技术和其他类型的加热净烟气方法进行了经济性分析，结果显示，利用该技术改造的运行费用相对较低，具有较好的经济性.

图3 热二次风加热脱硫净烟气系统示意

2.3 优化烟囱设计

湿法烟气脱硫系统的烟囱设计，应尽量保证减少冷凝物的排出，保证烟囱内筒的形线和光滑度，使烟囱内烟气流速低于酸液液膜撕裂的临界流速，减少烟囱内壁上凝结液的二次携带.可以根据机组大小设计烟囱的内筒出口直径，以控制烟囱内的烟气流速.例如，欧美国家电厂烟囱的设计流速一般控制在15 m/s.［15］同时，可以将烟囱内筒形状设置成“直筒型+出口收缩段型”，即在内筒出口位置处设置一个变径，这样可以减少烟流下洗，加强烟气扩散，从而有效防治石膏雨现象.

2.4 优化运行调整

由于机组运行工况也会影响“石膏雨”的形成，因此在机组运行过程中要严格按照规程操作，保证锅炉燃料燃烧良好，减少烟气中未燃尽成分的携带量.应当机组负荷较高时，应在正常燃料燃烧用氧条件下，适当减少风量，控制炉膛负压与升压风机压力，降低烟气流速和流量.［16］对机组进行技术改造的同时，加强运行操作、优化机组运行调整能够进一步防治石膏雨.

2.5 4种方案的对比分析

由上述可知，防治石膏雨问题的方案主要有4种：方案1是选用屋脊式除雾器，优化除雾器喷淋层的喷嘴布置，增加一级除雾器，以提高出雾装置的除雾效率;方案2是通过管路改造，利用原烟气、热二次风或高品质蒸汽来加热净烟气，以提高净烟气温度;方案3是优化烟囱设计，保证内筒的形状、直径和烟气流速;方案4是加强运行操作，优化机组的运行调整.从这4个方面防治石膏雨问题的方案各有优劣，其优缺点对比如表1所示.

表1 石膏雨防治4种方案的优缺点比较

3 结语

对于无GGH的石灰石-石膏湿法脱硫系统，石膏雨已成为火电厂运行中的一个严重问题，对我国许多燃煤电厂的安全经济运行产生了不利影响，需要采取一定的技术措施加以解决.本文通过对石膏雨的形成原因和影响因素的分析，提出了4种可行性较高的方案，并进行了对比，以期为电厂防治石膏雨问题提供参考.

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（编辑白林雪）