烟气湿法脱硫系统中的白烟现象及治理

汤君军 徐俊

1．上海长兴岛热电有限责任公司

2．上海上电电力运营有限公司

0 前言

长兴岛热电有限责任公司2×12MW机组采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，脱硫装置采用一炉一塔的方案，单套脱硫装置的烟气处理能力为一台锅炉100%BMCR工况时的烟气量，脱硫效率在燃用设计煤种时不小于95%。系统在超低排放改造后，新增浆液冷却系统，出现系统水平衡被破坏、可用于除雾器冲洗的水量受限等问题。以该脱硫装置改造前后各系统水量变化为依据，对脱硫装置的水平衡进行分析，并提出切实有效的调整措施。

1 烟气白烟概述

目前，国内燃煤电厂及其它化工行业的烟气在排放前都进行了湿法脱硫，烟气温度被降至45℃～55℃，此时的烟气通常是饱和湿烟气。烟气中的水蒸汽含有较多的溶解性盐、SO3、凝胶粉尘、微尘等。当烟气由烟囱直接排出，进入温度较低的环境空气时，由于环境空气的饱和湿度较低，在烟气温度降低过程中，烟气中的水蒸汽会凝结形成湿烟羽，造成对大气的污染。

1.1 有色烟羽的视觉影响

因有色烟羽会对周围居民生活造成困扰，许多配备湿法烟气脱硫装置的企业把消除“白色烟羽”作为超低排放改造的重要内容之一。国电环境保护研究院调研了全国95个火电厂，涉及235台机组，在所调研的122个烟囱中，有107个出现湿烟羽，占88%，未出现湿烟羽的电厂多采用了半干法脱硫、烟气加热技术或“烟塔合一”技术。

1.2 有色烟羽的污染问题

一般而言，烟气经过脱硫脱硝除尘处理后，已达到了国家相关的排放标准。但有色烟羽的雾滴仍然夹带着氮氧化物、硫化物、各种烟尘颗粒物、SO3气溶胶、NH3气溶胶、超细结晶盐颗粒物等污染物，对烟气进行脱白处理，在脱除大部分雾滴的同时，可以脱除大量污染物，有利于减轻雾霾。

1.3 烟气脱白有利于节能节水

对于湿法脱硫工艺，烟气排放的同时，由于高温原烟气经多层喷淋降温，会带走大量气态水和液态雾滴。据估算，按照全国的燃煤量，全国每年因燃煤烟气带入大气的水分高达几十亿t。因此进行烟气脱白，可以回收大量宝贵的水资源。

2 机理

湿法脱硫之所以会产生白烟,是因为在湿式脱硫系统中,脱硫剂溶液和高温烟气直接接触,使烟气被增湿冷却,而脱硫剂溶液中的水分则吸热汽化,导致烟气中的水蒸气总量增加。随着脱硫过程的进行,烟气温度逐渐降低。烟气温度的降低使烟气携带蒸汽的能力降低,60℃时的烟气达到饱和的情况下所能携带的水蒸汽量为0．130 2kg/m3(烟气),90℃时的烟气达到饱和的情况下携带的水蒸汽量为0．423 5 kg/m3(烟气),可见烟气温度由90℃降低到60℃,单位体积烟气的水蒸汽携带能力降低了近70%,如蒸汽总量超出了烟气的携带能力,就会有大量的水蒸汽凝结为小水滴,烟气中的水滴在风机叶轮上凝结,造成风机带水,湿烟气直接排放形成白烟。

图1中的曲线为湿空气的饱和曲线，假设湿烟气在烟囱出口处的状态位于A点，而环境空气的状态位于F点，烟气在离开烟囱时处于未饱和状态。湿烟气与环境空气混合过程开始沿AB线变化，达到B点后烟气变为饱和湿烟气，此后湿空气与环境空气的混合沿着曲线BDE变化，而多余的水蒸汽将凝结成液态小水滴，形成湿烟羽。

图1 湿烟羽形成机理

3 脱白目的和作用

3.1 雾霾治理

以湿法脱硫后的工业烟气为例，工业烟气经湿法脱硫后，烟气含湿量一般高达13%～15%，甚至达到20%，烟气温度较低（50℃～65℃），脱硫后的烟气进入大气，当烟气中的水蒸气处于过饱和状态，部分水蒸气冷凝结雾，形成雾化的细小液滴，会出现“白烟”现象，此外还伴随着能源浪费。

湿法脱硫后的工业烟气，具有很高的湿度，通过烟囱排放时，主要是以雾滴的形式被释放到大气中。工业烟气中的雾滴，溶解着大量硫酸盐、硝酸盐尘以及脱硫剂和脱硝剂等溶质物质，当这些雾滴在大气中失去水分后，盐碱类物质便析出形成微小的盐碱类颗粒物。从空气当量学角度看，这些微小的盐碱类颗粒物粒径微小，通常小于PM2．5（空气当量学直径），比表面积大，比重轻，长期漂浮空气中，即通常讲的二次颗粒物。出现空气湿度大的天气，二次颗粒物吸水长大并形成富集时，雾霾降临。

湿法脱硫后的工业烟气是雾霾的主要来源，已被大多数环保治理业界认同，“烟气脱白”就是很好的印证，但也不否定其它诸多雾霾源的存在。

3.2 实现真正意义上的超低排放

一方面，我们不可忽视达标排放的工业烟气中依然含有残余的NOx、SO2和烟尘。尽管满足了排放标准的要求，但仍会对环境造成一定的污染。另一方面，现有针对性的检测设备尚不能检测到随白色烟气排放到大气中的污染物。因此应对经除尘脱硫脱硝等环保处理后的工业烟气施以末端净化的脱白处理，进一步提高工业烟气的净化程度，实现真正意义上的超低排放。

3.3 节能降耗

其一，经环保治理的工业烟气排放前温度约为45℃～80℃，这部分的热能是可以充分回收利用的能源。其二，降低温度有利于冷凝脱白工艺效率的提高和成本降低。其三，回收水资源直接关系经济效益。

4 常用处理工艺

南北东西地域的不同，气候条件相差很大，平均温度、湿度，极端温度相差很大，采用的方法技术也不尽相同。各企业的工艺流程条件不同、余热资源不同、投资要求不同，采取的脱硫消白方法不同等因素，以致工艺方案千变万化有很大的差别,但满足用户要求是技术方案的根本要求。根据湿烟羽形成及消散的机理，目前常用的方法归纳为：

烟气加热技术、烟气冷凝技术、烟气先冷凝再加热技术及各种方法的组合技术。

4.1 烟气加热技术

4.1.1 GGH（回转式、管式、热管式）

GGH，其作用是利用原烟气将脱硫后的净烟气进行加热，使排烟温度达到露点之上，减轻对进烟道和烟囱的腐蚀，提高污染物的扩散度；降低进入吸收塔的烟气温度，降低塔内对防腐的工艺技术要求。

安装了FGD系统之后从烟囱排出的烟气处于饱和状态，在环境温度较低时凝结水汽会形成白色的烟羽。在我国南方城市，这种烟羽一般只会在冬天出现；而在北方环境温度较低的地区，出现的几率会更大。

安装FGD之后出现白烟问题将难以彻底解决。如要完全消除白烟，需将烟气加热到100℃以上。安装GGH后排烟温度在80℃左右，因此只能使烟囱出口附近的烟气不产生凝结，使白烟在较远的地方形成。

目前，FGD系统较多的采用回转式GGH，因此本文的讨论主要针对这类GGH。对其它类型的GGH，如水媒式、蒸汽换热器等，其结论也是适用的。

GGH设备本体以及由GGH引发的直接投资,包括烟道、支架和冲洗系统的费用约是FGD总投资的15%。

GGH本体对烟气的压降约在1 000Pa，如考虑到由于安装GGH而引起的烟道压降，总的压损约在1 200Pa左右。为了克服这些阻力，必须增加增压风机的压力，使FGD系统的运行费用大幅增加。

GGH的原烟气侧向净烟气侧的泄漏会降低系统的脱硫效率，尽管回转式GGH的原烟气侧和净烟气侧之间的泄漏可以达到1．0%以下，但这也是一种无谓的损失。

由于原烟气在GGH中由130℃左右降低到酸露点以下的80℃，因此在GGH的热侧会产生大量的粘稠的浓酸液。这些酸液不但对GGH的换热元件和壳体有很强的腐蚀作用，而且会粘附大量烟气中的飞灰。同时，穿过除雾器的微小浆液滴在换热元件的表面上蒸发之后，也会形成固体的结垢物。上述这些固体物会堵塞换热元件的通道，进一步增加GGH的压降。国内已有电厂由于GGH粘污严重造成增压风机振动过大的前鉴。

GGH在运行过程和停机后需用压缩空气、蒸汽和高压水进行冲洗，以去除换热元件上的积灰和酸沉积物。因此需要提供相应的压缩空气、冲洗水和蒸汽。GGH冲洗后的废水含有很强的腐蚀性，必须进行专门的处理之后进行排放。

4.1.2 IMGGH

水媒体管式烟气冷却、再热系统，吸收脱硫塔前烟气热量，加热烟囱入口烟气，可将进入烟囱的烟气温度提升至80℃以上。以MGGH系统为基础路线，与冷却提水技术路线（回收湿烟气冷凝放热量和凝结下来的水）相结合，对除湿后的烟气进行升温后排放，确保“脱白”效果。尽管对污染物浓度和排放量没有影响，但是烟气温度升高可提高烟气抬升高度和有效源高（有效源高等于抬升高度与烟囱几何高度之和），一定程度上改善了烟气扩散条件。

IMGGH特点：采取先冷凝可使换热器设计体积缩小；减少入塔热量，降低水蒸发量，降低烟气含湿量。降低脱硫塔流速有利于脱硫，热量回用至出口，排烟温度高，烟气提升能力强；视觉污染消除效果好；烟气侧阻力增加较大；运行可靠，维护费用低；成本较高。

烟气脱白是实现超低排放、节约能源的有效手段。山东保蓝环保工程有限公司的电磁脱白技术具有效率高、运行成本低、占地面积少等优点，比传统的GGH/MGGH技术更适合实际工况。

4.1.3 蒸汽加热、电加热

蒸汽加热是一种间接加热技术,使用饱和蒸汽在蒸汽-烟气换热器(steam-gasheater,SGH)内与烟气进行热交换，可用于冷凝再加热技术的加热段,或与MGGH串联组合使用,也可单独使用去除白雾（见图2）。单独使用时,将烟气温度升到85℃左右，远高于烟气的水露点温度,从而使烟囱出口的烟气远离饱和态,基本看不到白雾现象。尽管对污染物浓度和排放量没有影响,但是烟气温度升高可提高烟气抬升高度和有效源高,一定程度上改善了烟气扩散条件。蒸汽加热技术的工艺流程如图2所示。该技术工艺流程中使烟气在SGH加热后排入烟囱,蒸汽在换热后排入除氧器进行收集。DCS控制系统设置换热后烟气温度(TIC103)的目标值(如80℃,夏天可调低),通过PID调节,电动调节阀(LV)自动运行的开度变化引起流量(FIQRC)变化,跟踪加热后烟气温度,使该温度趋近于目标值。

图2

4.1.4 热泵（吸收式溴化锂热泵）

溴化锂吸收式技术通常应用在制冷机领域，利用热能（甚至废热）进行制冷，其制冷工质为自然界的天然物质，因此具有节电环保的特点。将溴化锂吸收式制冷循环的参数改变到适合采暖的要求，从而应用在城市供暖换热站中以替代传统板式换热器，使一次水的出水温度甚至可以低于二次水的回水温度，以大幅度增加换热站的供热能力。

4.2 烟气降温冷凝

4.2.1 喷淋直接降温

采用喷雾的方法将水或水雾直接喷向高温烟气，使之与高温烟气直接进行热交换；利用水的汽化潜热，将高温烟气冷却到所要求的温度。根据除尘净化方式和冷却器方式的不同，一般可分为饱和冷却与蒸发冷却两种。

（1）饱和冷却

通过向高温烟气大量喷水，使高温烟气在瞬间冷却到相应的饱和温度，该冷却方法称之为饱和冷却。其特点是设备简单、喷嘴寿命短、投资省，需增加污水污泥处理设备。

（2）蒸发冷却

根据烟气温度和烟气量的变化情况，通过自动控制调节系统计算出合适的喷水量，同时保证所喷入的水全部雾化，使烟气出口温度控制在要求的温度。要求雾化后的水滴颗粒能在很短时间内全部汽化，并被烟气再加热而形成一种不饱和气体，其相对湿度一般为10%～20%左右，该喷雾冷却方法称之为蒸发冷却。

4.2.2 间接换热降温（水冷、空冷）

利用水或空气与高温烟气在换热管或换热片的内外，进行间接传热冷却以达到降温的目的。间接冷却的方法可分为间接水冷和间接风冷。

（1）间接水冷

利用水与高温烟气在换热管或换热片的内外进行间接传热冷却的装置。常用的冷却设备有水冷套管和水冷密排管。

水冷套管也称为水冷夹套，即冷却水在套管加夹层内通过并与在套管外通过的高温烟气进行间接传热冷却。

水冷密排管以水冷管密排形式组成烟道。冷却水在水冷管内通过并与在管外通过的高温烟气进行间接传热冷却。

（2）间接风冷

利用空气与高温烟气在换热管或换热片的内外进行间接传热冷却，以达到降温的目的。常用的冷却设备有自然对流空气冷却和强制吹风冷却。

A．自然对流冷却

采用无动力的冷却设备对换热管道内的高温烟气进行自然对流空气冷却。设备简单、节能，但传热系数较低，设备钢耗量大，且设备出口烟气温度不易控制。

B．强制吹风冷却

冷却设备以风机为动力，利用空气对高温烟气进行强制吹风冷却。其特点是传热系数相对较高，设备出口温度易于控制，但换热管易堵塞。

4.3 先冷凝再加热

4.3.1 喷淋直接降温+热泵（或其他余热）

利用循环水将湿烟气降温，降温后烟气冷凝出一部分水分且接近饱和，然后再将烟气升温成为不饱和烟气，外排以消除白雾。

烟气降温冷凝采用循环水降温，升温采用蒸汽加热升温。本项目原烟气温度较低，故不考虑利用原烟气的余热加热处理后的净烟气，而采用蒸汽加热烟气，蒸汽冷凝水回收使用。

烟气降温冷凝及循环水系统：

主要是将流经脱硫塔后的饱和湿烟气进行降温除湿，除去烟气中的一部分水汽，形成一个较低温的饱和湿烟气，水汽以凝水的形式，经过汽水分离结构分离，较低温的饱和湿烟气进入后续的加热操作单元;凝水则进入凝水回收系统，循环水在此过程中充当冷媒介质。

4.3.2 间接降温+热泵（或其他余热）

利用水或空气与高温烟气在换热管或换热片的内外，进行间接传热冷却以达到降温的目的。

烟气降温冷凝采用循环水降温，升温采用蒸汽加热升温。本项目原烟气温度较低，故不考虑利用原烟气的余热加热处理后的净烟气，而采用蒸汽加热烟气，蒸汽冷凝水回收使用。

5 总结

用湿烟气的饱和含湿量与饱和温度的关系阐述湿烟气“白烟”的形成和消散的机理，提出烟气直接升温、烟气直接冷却、烟气降温再热是目前湿法脱硫后“白烟”消除的有效途径。

受环境温度和湿度的影响，烟气降温再热“消白”的适用范围最大，烟气直接加热次之，烟气直接降温最小。各种方案各有利弊，实际工程中应根据综合投资和运行费用选择方案。