燃煤电厂烟气脱白可行性分析

(唐山三友化工股份有限公司 环保管理部，河北 唐山 063305)

河北省大气污染防治工作领导小组办公室于2018年上半年印发了河北省钢铁、焦化、燃煤电厂深度减排攻坚方案的通知，燃煤电厂应采取相应技术降低烟气排放温度和含湿量,通过收集烟气中过饱和水蒸汽中水分,减少烟气中可溶性盐、硫酸雾、有机物等可凝结颗粒物的排放。燃煤电厂锅炉烟气采取烟温控制及其他有效措施，基本消除石膏雨和有色烟羽现象，烟温控制采取降温冷凝方法的，正常工况下，夏季(4～10月)冷凝后烟温达到48 ℃以下，烟气含湿量11%以下；冬季(11月～次年3月)冷凝后烟温达45 ℃以下，烟气含湿量9.5%以下，采用其他方法的，应达到不低于采用烟温控制方法的效果。方案同时发布了燃煤电厂深度减排验收标准:颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别参照不高于5 mg/Nm3、25 mg/Nm3、30 mg/Nm3。

目前我国燃煤电厂脱硫设施 90% 以上均采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，随着京津冀一体化进程加速，环保一体化已经率先迈出脚步，京津冀地区大气污染已经启动防治协作机制，而近几年京津冀雾霾频发，部分专家认为，雾霾出现的元凶是湿法脱硫后外排的高湿度烟气以及排烟水分中溶解性颗粒物。湿法脱硫工艺后由烟囱排出的湿烟气与大气中温度较低的空气接触发生凝结，形成“白烟”现象，产生视觉污染，环境温度低、除雾效果较差时，还会产生石膏雨现象，为企业带来不良社会影响。如能有效降低湿法脱硫后烟气湿度，不仅可以消除“白烟”这种视觉污染，同时还可以作为治理大气雾霾污染的有效途径之一，同时回收烟气中的水分和余热，可兼顾解决环境污染与社会发展的矛盾。

1 湿烟羽形成机理

目前国内燃煤电厂在烟气排放前广泛采用湿法脱硫工艺，排放烟气温度降至46～56 ℃，此时的烟气通常是饱和湿烟气，烟气中含有大量水蒸汽。如果烟气由烟囱直接排出，进入温度较低的环境空气，由于环境空气的饱和湿度比湿烟气低，烟囱排气与温度较低的环境空气混合降温，其中水蒸汽过饱和凝结，对光线产生折射、散射，使烟羽呈现出白色或者灰色的“白烟羽”。 白烟羽的形成受多种因素影响，其中有脱硫工艺因素、烟气参数、锅炉运行参数、除雾器性能等因素。环境温度的影响：随着环境温度的降低，湿烟羽长度呈指数关系增加，表明环境温度越低，湿烟羽治理难度越大(图1)。烟气温度的影响：烟气温度越低，湿烟羽长度越小，表明采用降温措施可以在一定程度上减弱或消除湿烟羽现象(图2)。

图1 环境温度与湿烟羽长度关系示意图

图2 烟气温度与湿烟羽长度关系示意图

2 主要的烟羽脱白技术

烟气脱白是一个烟气综合治理的工程，具体的治理方案可以从以下几个方面着手：1)降低烟气的相对湿度。2)降低烟气的绝对湿度。3)降低烟气中三氧化硫的产生和排放。4)控制脱硝设备的喷氨量和降低氨逃逸的产生。5)去除烟气中的由烟尘和酸雾组成的酸性气溶胶。

根据生产实际需要，当前主流的烟气脱白技术主要有以下几种：烟气冷凝技术、烟气再热技术、烟气冷凝再加热技术。

2.1 烟气冷凝技术

烟气冷凝技术是将锅炉烟气温度冷却到一定值，在降温过程中，随着湿烟气温度的降低，烟气的绝对含湿量大幅降低，烟气中的水大量的凝结析出，使烟气不再产生白烟羽，同时将大量的凝结水回收利用，该技术不但节水，还可以大幅度降低烟气中多种污染物的浓度。当前主要的冷凝技术有冷凝器换热降温、喷淋降温和热泵技术等，按换热方式的不同可以分为直接换热和间接换热，按冷源的不同可以分为水冷、空冷和其它人工冷源。冷媒与烟气直接换热主要采用喷淋塔工艺，冷媒与饱和湿烟气直接接触进行剧烈的热量交换，换热效率高，系统复杂；间接换热多采用氟塑料换热器作为换热设备，饱和湿烟气不与冷媒直接接触，系统较简单。

2.2 烟气再热技术

烟气再热技术是将进入烟囱前的饱和湿烟气进行再加热，将湿烟气的温度升高，保持湿烟气的绝对含湿量不变，相对含湿量减小，使得烟气相对湿度小于升温后的饱和湿度，从而达到消除烟羽的技术要求。目前烟气加热技术按换热方式可以分为间接换热和直接换热两类。间接加热技术主要有回转式GGH，管式GGH，热管式GGH，MGGH和蒸汽加热器等；直接加热技术主要有热二次风混合加热，燃气直接加热，热空气混合加热等3种。

2.3 烟气冷凝再加热技术

烟气冷凝再加热技术是烟气冷凝技术和烟气再热技术的有机整合，它的烟气脱白原理是通过冷凝换热的方式将烟气降温，使烟气实现过饱和，饱和水汽凝结成水，经除雾器等装置去除凝结水后，再由烟气再热装置提高净烟气温度，同时降低湿烟气的相对含湿量，从而消除烟羽。通过以上方式结合使用，不但可以达到节水的目的，同时还可以实现烟气中多种污染物的消除。由于烟气含湿量大幅降低，烟气再热的幅度会大大降低，这样可降低烟气再热热源的消耗。

3 方案对比分析

烟气冷凝技术和烟气再热技术虽然温差变化接近，但是由于湿烟气含有水蒸汽冷凝潜热，冷凝所需的冷量是升温所需热量的6倍多，冷凝除湿脱白工艺是否可行，关键是看是否有廉价的冷源，低温余热和冷凝水是否得到充分的利用，换热器的选择是否合理可用。在北方地区，冷源温度低，换热效果好，但需要降温的幅度也大大增加，因此整个投资费用和阻力都很大，仅使用烟气冷凝技术无论是在经济还是技术上都不合算，烟气冷凝技术受技术特点的影响，适用范围很有限。

烟气再热技术主要适用于我国南方地区，由于南方地区常年气温比较高，使用烟气再热技术把烟气加热到80 ℃基本可以消除白烟羽现象，仅仅在冬季，南方地区会出现白烟羽现象。随着环境温度的降低，烟气再热技术需要再热的幅度将呈指数型增加，从脱白角度出发，在我国北方区域寒冷地区不适合使用烟气再热技术。

相对于以上两种脱白工艺，烟气冷凝再加热技术比较适合我公司工况。烟气冷凝降温后，湿度大大降低，可以使消除白烟羽所需的烟温升幅大大降低，同时降低烟气再热产生的热消耗，可以使用低品质的热源进行加热，大大降低机组的能耗。

以我公司北厂现有两台480 t/h锅炉为例，两台炉共用一个烟囱，单台480 t/h锅炉脱硫塔入口烟气量为600 000 Nm3/h，脱硫塔出口烟温为48 ℃。锅炉烟气经除尘、脱硫后排放，目前烟气中含有饱和水蒸汽，经烟囱排出后与空气接触冷凝，“白烟”现象严重，成为环保部门重点督改目标。根据我公司现有工艺，可采取冷凝再加热技术，具体路线如下：原除尘器+原脱硫塔+新增低温非金属烟气冷凝换热器+新增非金属烟气再热器+原烟囱，改造效果可以按以下锅炉参数进行核算(表1)。

表1 烟气冷凝系统与再热系统比较

通过本改造方案后预计可实现以下目标：采用烟气冷凝工艺后，管式除尘出口烟气温度从48 ℃降低至43 ℃，单台480 t/h锅炉烟气凝结水量为14 068 kg/h，烟气中的大量水分被脱除，同时凝结水可大量吸附烟气的酸性气体(SO3)和颗粒物，降低了污染物的排放。有效降低下游烟道和烟囱的腐蚀压力，降低日常运行维护费用。采用烟气再热工艺，烟气排放温度由43 ℃提升为70 ℃，全年烟囱出口烟气无可见白色水雾。锅炉烟气冷凝冷却水采用电厂冷却塔冷却水。烟气升温采用电厂90 ℃热水作为升温热源。锅炉烟气消白装置产生废物，主要是烟气中的凝结水及杂质，可用作脱硫补水，也可用作冲渣水。

4 结 论

综上所述采用烟气冷凝再加热技术可以有效降低烟气的含湿量，对冷凝形成的液滴实现有效捕集，可以实现节能、节水、多污染减排、消除白色烟羽等多种功能，具有良好的环境、经济、社会效应，符合我国节能减排的政策要求，为我国烟煤电厂节能减排和治理白色烟羽提供了很好的技术改造思路，同时达到深度治理减排的要求。在北方地区燃煤锅炉建议采用烟气冷凝再加热技术，具体的设计方案和参数建议充分考虑到各地季节气候变化、负荷高低对各方案经济性的影响，最后确定改造技术路线和最终改造方案。