“烟塔合一”湿法脱硫工艺中烟囱飘雨的成因分析

张泽玉 任庚坡 严 红 吴大伟 吴祥奎 钟作伦 苏锦燕

1. 深圳市格瑞斯达科技有限公司

2. 上海市节能监察中心

“烟塔合一”湿法脱硫工艺中烟囱飘雨的成因分析

张泽玉1任庚坡2严 红1吴大伟1吴祥奎1钟作伦1苏锦燕1

1. 深圳市格瑞斯达科技有限公司

2. 上海市节能监察中心

采用烟塔合一的湿法烟气脱硫系统中，由于未设置GGH，排烟温度低，易在塔顶烟囱周围飘落大量的细小液滴，形成“烟囱飘雨”，严重影响周围环境和居民生活。文章详述了“烟囱飘雨”的形成机理，从环境因素、烟气特性、工艺设计、除雾器性能以及运行操作等五个方面行了系统分析，为其控制和预防提供借鉴。

烟塔合一；湿法脱硫；烟气换热器；除雾器；烟囱飘雨

国内大多数燃煤机组安装了石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统（WFGD）对SO2进行减排控制。鉴于运行中GGH（烟气换热器）会引起严重的腐蚀和堵塞等问题，《火力发电厂烟气脱硫设计技术规程》规定“在满足环保要求且烟囱和烟道有完善的防腐和排水措施并经技术经济比较合理时也可以不设烟气换热器”，所以70%以上的WFGD系统已不设置GGH[1]。这使得净烟气的排烟温度较低（一般在50℃左右），从烟囱排出后不能有效抬升和扩散，极易出现大量细小液滴的携带排放，特别在当地温度、气压较低或阴霆天气的时间段，净烟气携带的细小颗粒聚集在烟囱附近，落到地面形成“烟囱飘雨”，对周围的生态环境和居民生活带来严重影响。为减小饱和湿烟气对烟囱内壁的腐蚀，降低烟囱的防腐改造费用，中小燃煤锅炉逐渐采用“烟塔合一”湿法脱硫工艺，即在脱硫塔顶部设置塔顶烟囱，脱硫除雾后的净烟气经塔顶烟囱排入大气。对于采用“烟塔合一”工艺进行脱硫提效改造的项目而言，由于塔顶烟囱的有效高度较低，扩散距离较短，“烟囱飘雨”现象比较严重。因此，系统分析“烟囱飘雨”的形成机理和影响因素，寻找经济有效的防治措施，最大程度地减少“烟囱飘雨”现象，对燃煤锅炉的“超低排放”改造具有非常重要的指导和借鉴意义。

1 形成机理

WFGD系统通常采用逆流喷淋空塔，脱硫浆液通过雾化喷嘴向下喷出，原烟气向上流动，气液逆向接触反应。在此过程中，携带一定浆液液滴的烟气经喷淋区上方的除雾器除雾后，再经塔顶烟囱排入大气，一般WFGD吸收塔出口净烟气携带的液滴含量要求保证≤75 mg/m3（干基）。目前除雾装置主要为折流板除雾器，其对粒径≥22μm的液滴去除率一般为99.99%，粒径15～22 μm的液滴去除率为50%，粒径≤15μm的液滴基本无法有效去除[2]；因此，脱硫后的净烟气中必然会携带有一定的浆液液滴。若除雾器效果不理想或除雾失效，势必会导致净烟气中携带的浆液液滴增多。

净烟气中含有固态粉尘、石膏与液态水混合形成的类石膏浆液，还含有气态CO2、NOx、残余SO2、O2以及汽态水蒸汽等，由于大多WFGD系统未安装GGH，净烟气温度一般在50℃左右，低于烟气露点温度，基本处于湿饱和状态（液态水与汽态水共存于净烟气中），与脱硫前的原烟气温度（100～120℃）相比，湿烟气的抬升高度及扩散能力较差，很难及时扩散。处于湿饱和状态的净烟气经塔顶烟囱排入大气的过程中，因环境吸热而使净烟气温度进一步降低、湿度进一步增加，净烟气中汽态水进一步凝结，细小颗粒物粒径也进一步增大，液态浆液量也随之进一步增加，在烟气抬升高度低和扩散距离短的情况下，降落到地面形成“烟囱飘雨”，同时伴随着“白色烟羽”和 “石膏雨”两种现象，或谓之“飘雨”和“飘浆”现象。

“白色烟羽”是指净烟气从塔顶烟囱排出后形成的白色烟雾现象，主要是处于湿饱和状态的净烟气在排出过程中遇冷进一步冷凝成液滴，净烟气自塔顶烟囱排出后不能有效抬升、扩散到大气中，从而形成冷凝水，出现“白色烟羽”现象。“石膏雨”是指净烟气从烟囱排出后不仅形成白色烟雾，在烟囱附近区域还飘落有大量的细小液滴，这些液滴包含着固形物或可溶物，主要是石灰石浆液吸收SO2后的生成物、过剩的脱硫剂以及未被捕集的粉尘，主要来源于吸收塔雾化喷淋后细小浆液液滴的携带和净烟气中过饱和水在石膏液滴及细小颗粒物表面的凝结。除雾器除雾效果的优劣和塔顶烟囱烟气流速取值的适宜程度是评判“白色烟羽”和“石膏雨”的重要指标。

2 影响因素

WFGD反应是一个气液交换过程，逆流喷淋空塔的气液相互作用更为强烈，必然会产生脱硫浆液液滴的携带。“白色烟羽”和“石膏雨”主要就是由吸收塔内未去除干净的液态水、净烟气在烟囱中降温的冷凝水以及携带的浆液液滴随烟气排放落地面形成的。造成这种现象主要有环境因素、烟气特性、工艺设计、除雾器性能以及运行操作因素等。

2.1 环境因素

环境因素主要指影响烟气扩散能力和烟气中水汽冷凝的因素，包括环境温度、风速、气压和大气相对湿度等。

（1）环境温度

从直排烟囱排放的净烟气处于湿饱和状态，环境温度越高，其饱含的细小液滴越易气化、扩散，不易形成“烟囱飘雨”；环境温度越低，净烟气的排烟温度和周围环境的温差就越大，净烟气排出烟囱后越易形成冷凝液，同时抬升能力变差，容易形成“石膏雨”现象。因此，我国南方地区一般在冬、春两季易出现“石膏雨”现象，而北方地区由于环境温度较低，出现的“石膏雨”现象的几率相对较大。

（2）风速

净烟气抬升高度随着烟囱出口风速的变大而降低。

（3）大气压力

净烟气的扩散能力随着周围环境压力的降低而减弱，环境气压越低，越不易扩散。

（4）相对湿度

环境相对湿度的大小反映了环境空气的饱和程度。空气相对湿度越大，空气越接近饱和，空气的吸水能力越弱，越容易形成“烟囱飘雨”。因此，相对湿度越大的南方地区 ，容易形成“石膏雨”现象，而空气相对干燥的北方地区，不易形成“烟囱飘雨”。

2.2 烟气特性

由于净烟气的排烟温度较低，基本处于湿饱和状态，扩散能力较弱。同时，净烟气中含有固态粉尘、石膏与液态水混合形成的石膏浆液，还含有气态CO2、NOx、残余SO2、O2以及汽态水蒸汽等，携带的这些液滴一直处于动态变化，当净烟气流经塔顶烟囱时温度将进一步降低，低于湿烟气饱和温度时，烟气中的湿蒸汽会凝结成冷凝水滴夹带烟气中的细小颗粒物或粉尘，使得浆液不断凝结长大，甚至在塔壁面冷凝，造成净烟气携带的浆液滴在烟囱附近区域降落而形成“烟囱飘雨”现象。

2.3 工艺设计

净烟气细小液滴的携带与吸收塔空塔流速、塔内烟气流场分布、液气比、脱硫浆液粒径（喷嘴雾化性能）和塔顶烟囱设计等工艺条件密切相关，在高空塔流速、高液气比、小脱硫浆液液滴粒径的情况下，液滴携带尤为严重。

（1）取消GGH（烟气换热器）

取消GGH后，排烟温度较低，净烟气湿度增加，从塔顶烟囱排放的饱和湿烟气容易在烟囱内壁面冷凝成液滴，在不合理的烟气流场下使得液滴携带更加严重，再加上烟气扩散和抬升能力减弱，易在烟囱附近形成不同程度的“白色烟羽”或“石膏雨”现象。

（2）空塔流速过高

吸收塔设计流速一般为3.4～4.0 m/s，除雾器的设计流速略高于吸收塔的设计流速。若空塔内烟气流速过高，烟气通过除雾器的流速会更髙，当塔内烟气流速设计值取上限值时，一旦机组高负荷或满负荷运行，烟气流速将超过设计值，除雾器将不能有效去除携带的浆液液滴，湿烟气经塔顶烟囱扩散后就容易形成“石膏雨”。

（3）塔内流场分布不均匀

在逆流喷淋空塔中, 雾化喷嘴在空间上一般按均匀布置设计（见图1），喷淋层的这种设置方式易使烟气在近吸收塔壁面产生涡流，使得远吸收塔壁面的烟气流速大于近吸收塔壁面的流速，一方面会促进脱硫浆液与烟气的接触反应，另一方面则会破坏烟气流场的均匀性，使得在吸收塔中心区域的流速较高，靠近塔壁区域的流速较低。而在雾化喷淋过程中，向下喷淋的脱硫浆液对烟气有一定的阻碍作用，使吸收塔中心区域的流速更高、靠近塔壁区域的流速更低，加剧了吸收塔内流场分布的不均匀性，使得净烟气中的液滴携带量加大。

图1 脱硫喷嘴均匀布置示意图

（4）液气比过大

液气比（L/G）是指单位时间内吸收塔浆液喷淋量与吸收塔入口的标态湿烟气体积流量比。液气比是保证烟气中SO2、SO3及烟尘有效脱除的关键指标之一，足够高的液气比是保证脱硫效率的前提，吸收塔的液气比一般控制在13～18 L/m3，液气比过高会使烟气中的液滴携带量增多，增大除雾器的处理负荷。因此在保证脱硫效率的前提下，液气比越小越好。

（5）脱硫浆液液滴粒径

喷淋层脱硫喷嘴的压力越高，脱硫浆液的雾化效果越好，浆液中小粒径的比例就越多，粒径15～22μm的液滴去除率仅50%、粒径≤15μm的液滴基本无法有效去除。脱硫后的净烟气中必然会携带有一定的浆液液滴，细小液滴在高速烟气流的携带下能够穿过除雾器和塔顶烟囱形成“烟囱飘雨”。

（6）塔顶烟囱设计

烟囱的液滴携带与烟囱形状、烟囱内壁平整度、烟囱直径（取决于烟气流速）、烟囱高度（影响烟气抬升高度）有关。对于直筒型烟囱，凝结水会沿烟囱内壁向下流动；对于锥形烟囱，凝结水下流过程中，由于重力作用会脱离烟囱内壁混入所排放的烟气中造成二次携带。内壁比较粗糙的烟囱，凝结水易飞溅造成二次携带，烟囱内壁比较平整、光滑则不会出现这种情况。烟塔合一脱硫工艺的塔顶烟囱一般为直筒型，采用玻璃鳞片防腐的内衬面比较光滑，流场较好，能有效收集烟气带入的较大液滴和防止烟囱内壁上的液体被二次携带。如果直排烟囱规格设计不合理，使烟气流速过高或烟囱高度过低都会产生严重的“烟囱飘雨”现象。塔顶烟囱内的烟气流速不得超过酸液液膜撕裂的临界流速，综合国内规程以及欧美国家的设计标准，烟囱筒内流速一般取值18～20 m/s，考虑实际运行中的煤质变化，流速取下限值；综合考虑吸收塔+塔顶烟囱在风载、动载下的整体刚度、强度和稳定性，吸收塔+塔顶烟囱的总体高度一般取值45～55 m。

2.4 除雾器性能

WFGD系统中，安装在吸收塔顶部的除雾器主要用于降低净烟气中的液滴含量，除雾器效率降低引起的大量液滴逃逸是排烟中液滴形成的直接原因。经喷嘴雾化后的石膏液滴粒径约1500～3000μm，粒径＜500μm的液滴会被烟气携带进入除雾器[3]；由于粒径＜15μm的雾滴基本不能被捕集，净烟气中必然含有一部分浆液液滴。除雾器对液滴的脱除效率以及液滴的二次携带与除雾器的气流分布均匀性、烟气在除雾器内的流速、除雾器结构、冲洗方式、除雾器与顶部喷淋层的间距存在较大关系，特别是当烟气通过除雾器的气流分布不均匀、流速过高以及冲洗不当造成除雾器堵塞情况下，会显著降低除雾器的除雾效果，并导致已捕集雾滴的二次携带。

（1）除雾器烟气分布

喷淋反应区烟气流场分布不均匀影响进入除雾器的烟气分布，会使除雾器各区域的烟气流通量不均，导致进入除雾器局部区域的浆液量增多，使净烟气中携带的固体悬浮物增多，造成除雾器局部区域堵塞，从而使烟气流动通道变小，流速增加，携浆能力进一步增大。

（2）除雾器烟气流速

一般应用于脱硫的是物理式除雾器，基于烟气通过除雾器叶片所形成的弯曲流道后形成离心力，将气液进行分离，分离后的雾滴撞击叶片表面，变成液膜受到重力回落，从而将雾滴去除。气流速度的增加会增加对小直径液滴的捕捉，提高除雾效果，但气流速度过高，容易使已经被捕捉下来的液滴重新被破碎，造成二次携桨，降低除雾效率，同时也会造成WFGD系统阻力大、能耗高。机组高负荷或满负荷运行时，烟气流量大、流速高，携浆能力明显增强，烟气流速过高也会将烟囱壁面的冷凝水滴带出，造成二次携带。但通过除雾器断面的流速过低，不利于气液分离，容易使部分粒径小的水雾随烟气绕过障碍物而不被除去，同样不利于提高除雾效率；此外设计的流速低，吸收塔断面尺寸就会加大，投资也随之增加。设计烟气流速应接近于临界流速，根据不同除雾器叶片结构及布置形式，设计流速一般选定在3.5～7.5 m/s之间[4]。烟气流速高于设计值，除雾器在高速的烟气下发生二次携带，大量的浆液液滴经塔顶烟囱形成净“烟囱飘雨”现象。

折流板除雾器工作示意图见图2。

（3）除雾器结构

除雾面积、除雾器叶片间距、除雾器形式等影响除雾后烟气的液滴含量。除雾面积越大，对液滴的捕捉效果就越好；屋脊式除雾器的可流通面积以及对烟气流速的适应范围优于平板式除雾器，其除雾效果好于平板式除雾器。除雾器叶片间距的大小对保证除雾效率、维持除雾系统稳定运行至关重要。叶片间距偏大，除雾效率则低，净烟气携浆严重；减小除雾器叶片间距，可有效提高除雾器的除雾效率，但若叶片间距偏小，一方面将增大除雾阻力，造成WFGD系统能耗增大，另一方面，除雾器的流通面积减小，冲洗效果将下降，叶片易结垢、堵塞。因此，选择合理的叶片间距，可大大提高除雾器的除雾效果，减少烟气携带浆液液滴量，避免出现“石膏雨”。叶片间距一般设计取值20～50 mm。除雾器效率与叶片间距的关系示意图见图3。

图2 折流板除雾器工作示意图

（4）除雾器冲洗方式

冲洗方式是保证除雾器高效运行的重要手段。冲洗效果的好坏取决于冲洗水量、冲洗周期、冲洗压力。冲洗周期过长易使除雾器结垢，增大烟气流速，加剧烟气中雾滴的携带量；冲洗过于频繁会使烟气带水量加大，形成“白色烟羽”；冲洗压力过大，从喷嘴出来的冲洗水易雾化，削弱了冲洗力度，容易使除雾器冲洗不充分而结垢。

（5）除雾器与喷淋层间距[5]

图3 除雾器效率与叶片间距关系示意图

除雾器与喷淋层间距过小也会导致“石膏雨”现象。喷淋空塔内，脱硫浆液经喷嘴雾化与烟气逆向接触反应，细小雾滴被烟气携带进入除雾器，如果喷淋层距除雾器较远，细小雾滴会有足够时间聚集成较大的雾滴颗粒，然后通过重力沉降进入浆液池。如果喷淋层距离除雾器太近，进入除雾器的浆液量会大大增加，加快除雾器堵塞、增大进入除雾器的烟气流速，从而在烟囱出口形成“烟囱飘雨”现象。

2.5 运行操作因素

WFGD装置与机组同步运行过程中，实际运行烟气量偏大、除尘效率低下、吸收塔浆液品质差、浆液pH 值低、锅炉尾部烟道漏风严重以及锅炉排烟温度高等都会加剧“烟囱飘雨”现象。

（1）实际运行烟气量偏大

“烟囱飘雨”多出现在锅炉高负荷运行期间，这与烟气流量有关。锅炉实际燃用煤质与设计煤质的差异（如实际燃用煤质发热量低于设计值），使得FGD系统入口烟气量和入口烟温大于设计值，造成吸收塔内的烟气流速偏高，当烟气通过除雾器时的烟气流速超过其极限流速时，产生已被去除细小浆液液滴的“二次携带”，被高速烟气带走的浆液液滴一部分从塔顶烟囱排出，随着饱和蒸汽冷凝水滴落，从而造成“石膏雨”现象。

（2）除尘因素

除尘器出口烟气粉尘浓度超标，含有大量碱性物质（Al3+、Fe3+）的杂质进入吸收塔后，使得吸收塔浆液碱性物质（Al3+、Fe3+）含量增高，浆液表面张力增加，使浆液表面起泡，泡沫上扬，加剧了“烟囱飘雨”的形成。

（3）浆液品质因素

锅炉燃烧不充分或在运行过程中投油，飞灰中部分未燃尽物质（包括碳颗粒或焦油）随烟气进入吸收塔，使吸收塔浆液中的有机物含量增加，在浆液表面形成油膜，吸收塔浆液起泡[ ]。此外，石灰石中含有MgO，MgO超标不仅会恶化浆液品质、影响脱硫效率，还会与SO42-在浆液池中反应产生大量泡沫，对“石膏雨”的形成都起促进作用。

（4）浆液pH值[2]

浆液pH值对“石膏雨”的形成有很大的影响。WFGD系统运行过程中，pH值一般控制在5.6～5.8范围内。调高浆液pH值，能提高脱硫效果，但会增大浆液中的CaCO3浓度，容易在WFGD系统的流通表面结垢，除雾器表面的结垢会造成除雾器堵塞，进而引起严重的浆液液滴携带。因此，浆液pH值应在设计值范围内进行调整，不宜以提高pH值来提高脱硫效率。

（5）浆液密度[2,7]。脱硫装置中浆液密度会随石灰石中的碳酸镁含量变化，一般情况浆液密度控制在1.15 kg/L，所对应浆液固含量在20%左右。浆液密度高，浆液的粘度会有所提高， 易附着在除雾器表面形成结垢，因此运行时，浆液密度应控制在设计范围内。

3 结语

取消GGH后，WFGD系统普遍存在“烟囱飘雨”现象，其根本原因在于从吸收塔排出的净烟气中含有的固体颗粒物、液态水以及汽态水，主要来源于除雾器逃逸和净烟气中细小液滴的二次携带，排烟温度过低是形成“烟囱飘雨”的直接原因，要从造成“烟囱飘雨”现象的环境因素、烟气特性、工艺设计、除雾器性能以及运行操作等因素着手采取相应的防治措施来减小净烟气中的这些固体颗粒物、液态水。

[1] 韩璞,毛新静,焦嵩鸣,等. 湿法烟气脱硫中GGH 的利弊分析[J].电力科学与工程, 2006,3(2):28-30..

[2] 程永新.湿法烟气脱硫系统中“石膏雨”问题的分析及对策［J］.华中电力, 2010,23(5):27-30

[3] 颜俭,惠润堂,杨爱勇. 湿法烟气脱硫系统的吸收塔设备[J］.电力环境保护, 2006, 22( 5):13-17

[4] 赵毅, 华伟,王亚君,等.湿式烟气脱硫塔中折线型挡板除雾器分离效率的数值模拟[J]. 动力工程,2005,25 (2):293-297.

[5] 郭长仕.石灰石－石膏湿法脱硫“石膏雨”现象原因分析及治理措施[J]. 环境工程，2012，30(增):221-223．

[6] 吕宏俊.石灰石/石灰—石膏湿法脱硫浆液溢流问题研究[J].电力环境保护, 2009, 25(6):22-24．

[7] 李付晓, 潘卫国, 丁红蕾, 等. 石膏雨危害及其控制技术[J]. 电站系统工程, 2015, 31(3):55-58

Analysis on Chimney Raining from ‘Smoke Tower into One’Wet Method Desulphurization Process

Zhang Zheyu1, Ren Gengpo2, Yan Hong1, Wu Dawei1, Wu Xiangkui1, Zhong Zuolun1, Su Jingyan1
1.Shenzhen Geruisida Technology Co.,Ltd
2.Shanghai Energy Saving Inspection Center

Wet method desulphurization system applies smoke tower into one mode, but its exhaust smoke temperature is low and causes large small liquid drops around tower chimney without GGH, which is also called ‘chimney raining’ and influences environment and residents life. The article introduces ‘chimney raining’ formation mechanism and analyzes five aspects, such as environment factor, smoke characteristics, process design, mist eliminator performance and operation method to give reference to control and prevent it.

; Smoke Tower into One, Wet Method Desulphurization, Flue Gas Heat Exchanger, Mist Eliminator, Chimney Raining

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.009

张泽玉（1982.6-），女，本科，从事环境污染治理与研究，已发表论文多篇。