燃煤机组“消白”技术排烟温度的理论分析

范江，黄晨希，陈伟雄，刘继平，严俊杰

（动力工程多相流国家重点实验室(西安交通大学)，陕西省 西安市 710049）

0 引言

燃煤电厂烟气排放是国内大气污染物的主要来源之一，为应对日益严格的环保标准，有学者提出了火电厂“环保岛”的协同治理理念[1-2]。作为环保岛主要设备之一，湿法脱硫塔被国内燃煤电厂广泛采用。湿法脱硫装置处理过的烟气温度在45~55 ℃，烟气中含有大量的水蒸气，且处于饱和状态。如果不对脱硫装置出口的饱和湿烟气进行处理，直接排到大气中，进入温度较低的环境，烟气中的水蒸气会凝结形成小液滴，在视觉效果上使烟囱出口的烟羽呈现白色，称为“湿烟羽”，俗称“白烟”[3-4]。

为了应对湿法脱硫塔后酸性液滴对烟道的腐蚀问题，美国采用湿烟囱排放方法(不加热烟气)，并在烟囱内部敷设耐腐蚀砖，该方法在国内也广泛应用[5-6]。有些发达国家采用干烟囱技术，即规定了烟囱出口的最低排放温度[7]，德国规定不得低于72 ℃，日本为90~110 ℃，英国规定不得低于80 ℃。近年来，国内对消除白烟问题也很重视，上海市 2017 年出台了《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求(试行)》，要求采取烟气加热技术排烟温度应达到75 ℃以上，冬季排烟温度应达到 78℃以上；采取烟气冷凝再热技术排烟温度应达到 54 ℃以上，冬季排烟温度应达到56 ℃以上[8]。

国内学者对冒白烟现象的形成和消散机理进行了相应研究，姚增权[9]建立烟囱湿烟气排放过程的数值计算模型，研究了不同环境和排放条件下脱硫湿烟气的抬升和凝结问题；陈莲芳等[10]研究了白烟产生的原因，并提出了几种消白方法；马修元等[11]分析了不同的消除白烟方法的应用范围。此外，裘立春[12]研究了不同地区冒白烟的临界环境参数，并分析了大气压力对含湿量的影响规律；王贵彦等[13]指出直接加热法消白烟会增加机组成本，并提出利用先冷凝再加热法回收水和热量(加热 8号低加)，以提升经济性。王争荣等[14]认为降温再热法的适用性最好，分析了3种不同方案下循环冷却水和再加热器换热量的变化规律，并研究了不同材质和形式再加热器的换热效果和回收周期。

当前，燃煤机组消白烟技术路线主要分为直接加热法和降温再热法，但在不同地区和环境参数下，“消白”技术排烟温度的确定目前研究较少。为了完全消除白烟以应对更加严格的环保标准，且尽可能地节省能耗，有必要对不同地区燃煤机组消除白烟时的排烟温度进行研究。本文以西安、石家庄、上海地区为例，假设烟气加热前是50 ℃的饱和湿烟气，分别采用烟气直接加热法和烟气降温再热法，分析了在不同环境温度和相对湿度下“消白”技术的排烟温度变化规律，为燃煤机组消除白烟提供理论参考。

1 白烟的生成条件

湿烟气虽然成分复杂，但是烟气中烟尘、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放浓度及总量是一定的，可以把湿烟气看作是饱和湿空气处理，这样处理不会影响其他含量的变化[11]。白烟是水汽遇冷凝结产生的白雾，即湿烟羽。分析白烟的形成条件及消散机理时，可以用湿空气的相关特性来表示湿烟气的特性。参照饱和湿空气在0.1 MPa时的状态参数方程[15]：

式中：ps为饱和湿空气中水蒸气的分压力，kPa；p为大气压力，kPa；t为温度，℃；φ为相对湿度；d为含湿量，g/kg(干空气)。

当湿烟气处于饱和状态时，视为湿空气处于饱和状态，则有φ = 1，由于环境温度一般处于5~30 ℃，选取温度区间为 5~55 ℃，绘制饱和湿空气的湿温图，如图1所示。

图1 饱和湿空气的湿温图Fig. 1 Humidity temperature map of saturated humid air

然后得到饱和含湿量和温度的拟合公式：

相关度为0.999 7，表明拟合式精度较高。

由图1可知，若使烟囱出口不冒白烟，即湿空气在扩散到大气的过程中不发生冷凝，则在饱和湿温图中表现为：湿空气和大气混合的过程中会沿着直线扩散，烟囱出口湿烟气状态点和环境状态点的连线与饱和线没有交点[16]。根据这个原理，可得到消除白烟所需的最低排烟温度。

2 “消白”方法比较

2.1 烟气直接加热法

根据烟囱冒白烟的原理，对烟气直接加热消除白烟的技术进行了理论计算，已知环境的平均温度和相对湿度，通过切线求得烟囱的出口状态点，进而确定排烟温度。直接加热法消除白烟的技术原理如图2所示。其具体原理为：假设烟囱排放烟气是 50℃的饱和湿烟气，即图 2中A点，E点为环境状态点；若不加热排放，饱和湿烟气在大气中降温并会沿着饱和线到达D点，此过程中会有水汽凝结，即冒白烟；通过将烟气加热到B点后排放，在降温到E点的过程中与饱和线相切(无水汽凝结)，即可达到消白的效果。具体求解过程：已知环境状态点E的温度和湿度，饱和湿温线为图中红色曲线，其拟合函数已知，在切点的斜率相等，求得与饱和线的切点，进而确定BE线，根据热力学上焓湿图性质，BE线为湿烟气和空气的混合降温过程；由直接加热法可知，B点为加热后的烟气状态点，A点和B点的含湿量相等，而A点的含湿量是 50 ℃下的饱和含湿量，从而可确定B点的温度，得到不同环境状态下所需的加热温度。

图2 烟气直接加热法原理Fig. 2 Schematic of flue gas directly heating method

根据计算数据，得到不同的环境温度和湿度下不冒白烟所需的排烟温度，如图3所示。

由图3可以看到，要使烟囱出口不冒白烟，烟气加热温度与环境的温度和湿度紧密相关。同一相对湿度下，环境温度越高，所需的加热幅度越小，当环境温度为35 ℃时，烟气基本不用加热，也不会冒白烟；而当环境温度为5 ℃时，需要将烟气加热至100 ℃以上才不会冒白烟。

为了验证公式(3)的正确性，和文献数据进行了比较，计算结果吻合良好[9]，误差在3%以内，表1为验证结果及误差。

图3 不同环境下不冒白烟所需的最低烟温Fig. 3 Minimum flue gas temperature required to eliminate white smoke in different environments

表1 本文计算的最低烟温与文献[9]对比结果Tab. 1 The results of the present paper are compared with the literature

2.2 烟气降温再热法

烟气降温再热法，即先对饱和湿烟气降温，冷凝回收部分水蒸气，降低湿烟气中的含湿量，再对降温后的湿烟气进行加热的消白技术[15]，其原理如图4所示。

图4 烟气降温再热法原理Fig. 4 Schematic of flue gas cooling and reheating method

在降温再热的过程中，消白技术原理在湿温图中表现为：假设A点为50 ℃时的饱和湿烟气，E点为环境状态点；先对烟气进行降温，随着温度的降低，烟气沿着饱和湿温线变化到C点，此时的湿烟气是C点对应温度的饱和湿烟气，烟气含湿量也相应地降低，再将其加热到D点排放，对应的温度比B点降低，即可达到消白的效果。

3 不同地区“消白”技术

本文以西安、石家庄、上海地区为例，假设烟囱排放烟气温度是50 ℃的饱和湿烟气，分别采用烟气直接加热法和烟气降温再热法，分析各个地区不同“消白”技术的排烟温度变化规律。

3.1 西北地区“消白”方法

在中国气象网上查询西北地区的气候状况，以西安市为例，根据所查数据统计各个季度典型月份的温度、湿度值，如表2所示。

表2 西安地区各季天气状况Tab. 2 Seasonal weather conditions in Xi'an

对于西安地区而言，各个典型季节下烟气直接加热法下消白所需的最低出口烟温如表3所示。

表3 西安地区各季节消白所需的最低出口烟温Tab. 3 Seasonal minimum exhaust flue gas temperature required to eliminate white smoke in Xi'an

由表2和表3可以发现，对于加热前出口烟温为50℃的饱和湿烟气，夏季的烟气平均加热幅度最小，从图3中也可以得到相同的结论，当环境温度达到35 ℃左右，不用加热也不会冒白烟；春季环境湿度在 60%左右，平均温度在 17 ℃以上，将烟气升温至68.5 ℃即可消除白烟；秋季环境温度在 8.6℃左右，湿度约 60%，需将烟气加热至 92.3 ℃方可消除白烟；冬季相对湿度约40%，平均温度2.4 ℃，需加热至111.7 ℃排放才能消除白烟。

因此，对于电厂消除白烟，使烟气升温越高，意味着消耗品位越高的热源，经济性较差。故对于环境温度较低的秋冬季，建议采用烟气降温再热法消除白烟。由表3可知，若采用直接加热法，春夏季排烟温度在 60~75℃之间。若采用降温再热法，并将烟气温度加热至60℃排放，则在不同环境温度下消白需降到的终端温度如图5所示。

图5 烟气温度为60 ℃时消白需降到的终端温度Fig. 5 Terminal temperature required to eliminate white smoke when somke temperature is 60℃

由图5可以看到，当相对湿度为40%、环境温度为20℃时，加热烟气至60 ℃时排放不会冒白烟；同理，当相对湿度为60%、环境温度为22 ℃时，加热烟气至60 ℃时排放不会冒白烟。西安地区各个季节消白需降到的终端温度如表4所示。

表4 各季节排烟温度为60 ℃时消白需降到的终端温度Tab. 4 Seasonal terminal temperature required to eliminate white smoke when the exhaust flue gas temperature is 60 ℃

由表4可以看出，夏季不需对烟气降温，直接加热即可消除白烟；春季工况下，先对烟气降温3 ℃再升温至60 ℃可消除白烟；对于秋冬季，直接加热，烟气升温幅度较大，若只加热到60 ℃消除白烟，则对烟气降温的幅度也很大，以百万机组为例，粗略计算烟气换热器的换热量，约为54.9 MW，所需的换热器面积较大，故应考虑提高烟气再热温度。

若控制烟气温度加热至70℃排放，则在不同环境温度下消白需降到的终端温度如图6所示。

图6 烟气温度为70℃时消白需降到的终端温度Fig. 6 Terminal temperature required to eliminate white smoke when smoke temperature is 70℃

由图6可以看到，当环境湿度为40%、环境温度为15 ℃时，加热烟气至70 ℃时排放不会冒白烟。对于西安地区而言，各个季节消白需降到的终端温度如表5所示。

表5 各季节排烟温度为70 ℃时消白需降到的终端温度Tab. 5 Terminal temperature required to eliminate white smoke when the exhaust flue gas temperature is 70 ℃ in each season

由表5可以看到，在春季和夏季工况下，烟气直接加热到 70 ℃可以消除白烟；在秋冬季，降温后的终端温度与表4中相比，降温幅度有所减小。

采用降温再热法消除白烟，若控制出口烟温一定，需将烟气降到的终端温度如表6所示。

由表6可以看出，在秋季工况下，可采取先降温 4 ℃再升温至 75 ℃排烟的方法消除白烟。冬季可先降温至45 ℃再升温至85 ℃排放可消除白烟。

目前，降温再热法的降温幅度一般控制在5～8 ℃，如果温度再降低，此时水蒸气凝结较少且换热面积迅速增加。由表5和表6可以看出，当环境温度为9 ℃、相对湿度为60%以下时，采用降温再热法。秋季可先降温至 45 ℃再加热至75 ℃排放，冬季可先降温至45 ℃再加热至85 ℃排放。

表6 西安地区不同排烟温度下消白需降到的终端温度Tab. 6 The terminal temperature required to eliminate white smoke under different exhaust flue gas temperatures in Xi'an

由以上计算可以发现，饱和湿烟气经过冷凝降温后，出口烟温的升温幅度大幅减少，一方面可以回收冷凝水加以利用，节约水资源；另一方面加热温度降低后，可以采用低热源对烟气加热，大大降低机组的能耗[6]，因此降温再热法使用范围更广，是“消白”的重要技术路径。

3.2 华北地区“消白”方法

以石家庄市为例，查询石家庄市天气情况，并根据所查数据统计各个季度典型月份的温度湿度值，如表7所示。

表7 石家庄地区各季天气状况Tab. 7 Seasonal weather conditions in Shijiazhuang

若采用直接加热法消除白烟，各个季节不冒白烟所需的最低出口烟温如表8所示。

由表8可以看出：春季环境气温较高，可采用直接加热法消除白烟；夏天环境温度为 27 ℃时，出口烟温为 56.9℃可消除白烟；当温度为36 ℃时，无需加热也不会产生白烟；秋冬季节温度低，若采用直接加热法需将烟温加热至100 ℃以上，此时经济性较差。故采用降温再热法消除白烟，若控制出口烟温一定，先需将烟气降温到的终端温度如表9所示。

表8 石家庄地区各季节消白所需的最低出口烟温Tab. 8 Seasonal minimum exit flue gas temperature required to eliminate white smoke in Shijiazhuang

表9 石家庄地区不同排烟温度下消白需要降到的终端温度Tab. 9 Terminal temperature required to eliminate white smoke under different exhaust flue gas temperatures in Shijiazhuang

由表9可以看出，对于秋季，先降温到45 ℃再加热至 80 ℃排放可消除白烟；而冬季气温较低，先降温到42 ℃再加热至85 ℃排放能消除白烟，但所需的烟气换热器面积较大，故北方地区冬季完全消除白烟代价较大。

3.3 南方地区“消白”方法

以上海市为例，其各季节环境温度和湿度值如表10所示。

表10 上海地区各季天气状况Tab. 10 Seasonal weather conditions in Shanghai

若采用直接加热法消除白烟，经计算，不冒白烟所需的最低出口温度如表11所示。

表11 上海地区各季节消白所需的最低出口烟温Tab. 11 Seasonal minimum exit flue gas temperature required to eliminate white smoke in Shanghai

由表11可以看出，夏季温度为28 ℃，相对湿度为80%时，将烟气直接加热到55.8 ℃排放可消除白烟。而由图3可以看出，夏季相对湿度为80%，温度为36 ℃时不加热也不会冒白烟。

春秋季节由于湿度较高，需加热的温度也较高，春季需加热至76.4℃可消除白烟；秋季需加热至79.3℃可消除白烟；冬季南方温度虽然比北方地区高，但由于湿度大，仍需加热到 100.9 ℃方可消除白烟，故考虑采用降温再热法。而上海市试行的相关规定中，冬季电厂的排烟温度要在56 ℃ 以上，根据上海市冬季的环境温度和相对湿度计算：在排烟温度为56 ℃时，需先将烟气冷凝到39.3 ℃，才能完全消除白烟。为了应对更加严格的排放标准，即完全消除白烟，需继续提高烟气再热温度，若控制出口烟温一定，需将烟气降到的终端温度如表12所示。

表12 上海地区不同排烟温度下消白需降到的终端温度Tab. 12 Terminal temperature required to eliminate white smoke under different exhaust flue gas temperatures in Shanghai

由表12可看到：秋季直接加热到80 ℃左右排放即可消除白烟，冬季可降温到45.7 ℃再加热至80 ℃排放可消除白烟。

3.4 各地区“消白”技术总结

春夏季可以采用直接加热法消除白烟，加热烟温根据环境因素应控制在60～75 ℃。春季，西安地区加热至68.5 ℃可消除白烟；石家庄地区加热至74.7 ℃可消除白烟；上海地区加热至76.4 ℃可消除白烟。夏季，西安地区加热至54.2 ℃可消除白烟；石家庄地区加热至56.9 ℃可消除白烟；上海地区加热至55.8 ℃可消除白烟。

在秋冬季，当环境温度为9 ℃、相对湿度为60%以下时，建议采用降温再热法消除白烟。秋季可先降到45 ℃再加热到75 ℃排放，冬季可先降到45 ℃再加热至85 ℃排放。秋季西安地区先降温至 44.8 ℃再加热至 70 ℃排放可消除白烟；石家庄地区可先降温至45 ℃再加热至80 ℃排放可消除白烟；上海地区由于环境温度较高，可采用直接加热法加热至79.3 ℃排放可消除白烟。

冬季环境温度较低，建议采用降温冷凝法消除白烟，西安地区可先降温至 45 ℃再加热至85 ℃排放；石家庄地区先降温至 42 ℃再升温至85 ℃排放；上海地区可先降温至45.7 ℃再升温至80 ℃排放。

4 结论

建立燃煤机组各消白技术的排烟温度理论计算模型，并以西安、石家庄、上海地区为例进行计算，比较不同季节下各地区完全消白的排烟温度变化规律，为各地区消除白烟提供理论参考(排烟温度为50 ℃的饱和湿烟气)，得到如下结论：

1）春夏季各地区可采用直接加热法消除白烟，春季加热温度控制在70～75 ℃，夏季加热温度控制在54～57 ℃，具体的排烟温度应根据环境因素结合当地环保政策确定。

2）秋冬季环境温度较低，当环境温度为9 ℃、相对湿度为60%以下时，建议采用降温再热法消除白烟。根据本文计算结果，若控制降温幅度在5～8 ℃，秋季需将烟气加热至 70～80 ℃排放方可消除白烟；冬季需将排烟温度控制在80～85 ℃。由于降温再热法的烟冷器目前投资较大，因此具体的降温幅度和排烟温度还应考虑投资成本。