燃煤電廠煙氣脫白可行性分析

(唐山三友化工股份有限公司 環保管理部，河北 唐山 063305)

河北省大氣污染防治工作領導小組辦公室于2018年上半年印發了河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅方案的通知，燃煤電廠應采取相應技術降低煙氣排放溫度和含濕量,通過收集煙氣中過飽和水蒸汽中水分,減少煙氣中可溶性鹽、硫酸霧、有機物等可凝結顆粒物的排放。燃煤電廠鍋爐煙氣采取煙溫控制及其他有效措施，基本消除石膏雨和有色煙羽現象，煙溫控制采取降溫冷凝方法的，正常工況下，夏季(4～10月)冷凝后煙溫達到48 ℃以下，煙氣含濕量11%以下；冬季(11月～次年3月)冷凝后煙溫達45 ℃以下，煙氣含濕量9.5%以下，采用其他方法的，應達到不低于采用煙溫控制方法的效果。方案同時發布了燃煤電廠深度減排驗收標準:顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別參照不高于5 mg/Nm3、25 mg/Nm3、30 mg/Nm3。

目前我國燃煤電廠脫硫設施 90% 以上均采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，隨著京津冀一體化進程加速，環保一體化已經率先邁出腳步，京津冀地區大氣污染已經啟動防治協作機制，而近幾年京津冀霧霾頻發，部分專家認為，霧霾出現的元兇是濕法脫硫后外排的高濕度煙氣以及排煙水分中溶解性顆粒物。濕法脫硫工藝后由煙囪排出的濕煙氣與大氣中溫度較低的空氣接觸發生凝結，形成“白煙”現象，產生視覺污染，環境溫度低、除霧效果較差時，還會產生石膏雨現象，為企業帶來不良社會影響。如能有效降低濕法脫硫后煙氣濕度，不僅可以消除“白煙”這種視覺污染，同時還可以作為治理大氣霧霾污染的有效途徑之一，同時回收煙氣中的水分和余熱，可兼顧解決環境污染與社會發展的矛盾。

1 濕煙羽形成機理

目前國內燃煤電廠在煙氣排放前廣泛采用濕法脫硫工藝，排放煙氣溫度降至46～56 ℃，此時的煙氣通常是飽和濕煙氣，煙氣中含有大量水蒸汽。如果煙氣由煙囪直接排出，進入溫度較低的環境空氣，由于環境空氣的飽和濕度比濕煙氣低，煙囪排氣與溫度較低的環境空氣混合降溫，其中水蒸汽過飽和凝結，對光線產生折射、散射，使煙羽呈現出白色或者灰色的“白煙羽”。 白煙羽的形成受多種因素影響，其中有脫硫工藝因素、煙氣參數、鍋爐運行參數、除霧器性能等因素。環境溫度的影響：隨著環境溫度的降低，濕煙羽長度呈指數關系增加，表明環境溫度越低，濕煙羽治理難度越大(圖1)。煙氣溫度的影響：煙氣溫度越低，濕煙羽長度越小，表明采用降溫措施可以在一定程度上減弱或消除濕煙羽現象(圖2)。

圖1 環境溫度與濕煙羽長度關系示意圖

圖2 煙氣溫度與濕煙羽長度關系示意圖

2 主要的煙羽脫白技術

煙氣脫白是一個煙氣綜合治理的工程，具體的治理方案可以從以下幾個方面著手：1)降低煙氣的相對濕度。2)降低煙氣的絕對濕度。3)降低煙氣中三氧化硫的產生和排放。4)控制脫硝設備的噴氨量和降低氨逃逸的產生。5)去除煙氣中的由煙塵和酸霧組成的酸性氣溶膠。

根據生產實際需要，當前主流的煙氣脫白技術主要有以下幾種：煙氣冷凝技術、煙氣再熱技術、煙氣冷凝再加熱技術。

2.1 煙氣冷凝技術

煙氣冷凝技術是將鍋爐煙氣溫度冷卻到一定值，在降溫過程中，隨著濕煙氣溫度的降低，煙氣的絕對含濕量大幅降低，煙氣中的水大量的凝結析出，使煙氣不再產生白煙羽，同時將大量的凝結水回收利用，該技術不但節水，還可以大幅度降低煙氣中多種污染物的濃度。當前主要的冷凝技術有冷凝器換熱降溫、噴淋降溫和熱泵技術等，按換熱方式的不同可以分為直接換熱和間接換熱，按冷源的不同可以分為水冷、空冷和其它人工冷源。冷媒與煙氣直接換熱主要采用噴淋塔工藝，冷媒與飽和濕煙氣直接接觸進行劇烈的熱量交換，換熱效率高，系統復雜；間接換熱多采用氟塑料換熱器作為換熱設備，飽和濕煙氣不與冷媒直接接觸，系統較簡單。

2.2 煙氣再熱技術

煙氣再熱技術是將進入煙囪前的飽和濕煙氣進行再加熱，將濕煙氣的溫度升高，保持濕煙氣的絕對含濕量不變，相對含濕量減小，使得煙氣相對濕度小于升溫后的飽和濕度，從而達到消除煙羽的技術要求。目前煙氣加熱技術按換熱方式可以分為間接換熱和直接換熱兩類。間接加熱技術主要有回轉式GGH，管式GGH，熱管式GGH，MGGH和蒸汽加熱器等；直接加熱技術主要有熱二次風混合加熱，燃氣直接加熱，熱空氣混合加熱等3種。

2.3 煙氣冷凝再加熱技術

煙氣冷凝再加熱技術是煙氣冷凝技術和煙氣再熱技術的有機整合，它的煙氣脫白原理是通過冷凝換熱的方式將煙氣降溫，使煙氣實現過飽和，飽和水汽凝結成水，經除霧器等裝置去除凝結水后，再由煙氣再熱裝置提高凈煙氣溫度，同時降低濕煙氣的相對含濕量，從而消除煙羽。通過以上方式結合使用，不但可以達到節水的目的，同時還可以實現煙氣中多種污染物的消除。由于煙氣含濕量大幅降低，煙氣再熱的幅度會大大降低，這樣可降低煙氣再熱熱源的消耗。

3 方案對比分析

煙氣冷凝技術和煙氣再熱技術雖然溫差變化接近，但是由于濕煙氣含有水蒸汽冷凝潛熱，冷凝所需的冷量是升溫所需熱量的6倍多，冷凝除濕脫白工藝是否可行，關鍵是看是否有廉價的冷源，低溫余熱和冷凝水是否得到充分的利用，換熱器的選擇是否合理可用。在北方地區，冷源溫度低，換熱效果好，但需要降溫的幅度也大大增加，因此整個投資費用和阻力都很大，僅使用煙氣冷凝技術無論是在經濟還是技術上都不合算，煙氣冷凝技術受技術特點的影響，適用范圍很有限。

煙氣再熱技術主要適用于我國南方地區，由于南方地區常年氣溫比較高，使用煙氣再熱技術把煙氣加熱到80 ℃基本可以消除白煙羽現象，僅僅在冬季，南方地區會出現白煙羽現象。隨著環境溫度的降低，煙氣再熱技術需要再熱的幅度將呈指數型增加，從脫白角度出發，在我國北方區域寒冷地區不適合使用煙氣再熱技術。

相對于以上兩種脫白工藝，煙氣冷凝再加熱技術比較適合我公司工況。煙氣冷凝降溫后，濕度大大降低，可以使消除白煙羽所需的煙溫升幅大大降低，同時降低煙氣再熱產生的熱消耗，可以使用低品質的熱源進行加熱，大大降低機組的能耗。

以我公司北廠現有兩臺480 t/h鍋爐為例，兩臺爐共用一個煙囪，單臺480 t/h鍋爐脫硫塔入口煙氣量為600 000 Nm3/h，脫硫塔出口煙溫為48 ℃。鍋爐煙氣經除塵、脫硫后排放，目前煙氣中含有飽和水蒸汽，經煙囪排出后與空氣接觸冷凝，“白煙”現象嚴重，成為環保部門重點督改目標。根據我公司現有工藝，可采取冷凝再加熱技術，具體路線如下：原除塵器+原脫硫塔+新增低溫非金屬煙氣冷凝換熱器+新增非金屬煙氣再熱器+原煙囪，改造效果可以按以下鍋爐參數進行核算(表1)。

表1 煙氣冷凝系統與再熱系統比較

通過本改造方案后預計可實現以下目標：采用煙氣冷凝工藝后，管式除塵出口煙氣溫度從48 ℃降低至43 ℃，單臺480 t/h鍋爐煙氣凝結水量為14 068 kg/h，煙氣中的大量水分被脫除，同時凝結水可大量吸附煙氣的酸性氣體(SO3)和顆粒物，降低了污染物的排放。有效降低下游煙道和煙囪的腐蝕壓力，降低日常運行維護費用。采用煙氣再熱工藝，煙氣排放溫度由43 ℃提升為70 ℃，全年煙囪出口煙氣無可見白色水霧。鍋爐煙氣冷凝冷卻水采用電廠冷卻塔冷卻水。煙氣升溫采用電廠90 ℃熱水作為升溫熱源。鍋爐煙氣消白裝置產生廢物，主要是煙氣中的凝結水及雜質，可用作脫硫補水，也可用作沖渣水。

4 結 論

綜上所述采用煙氣冷凝再加熱技術可以有效降低煙氣的含濕量，對冷凝形成的液滴實現有效捕集，可以實現節能、節水、多污染減排、消除白色煙羽等多種功能，具有良好的環境、經濟、社會效應，符合我國節能減排的政策要求，為我國煙煤電廠節能減排和治理白色煙羽提供了很好的技術改造思路，同時達到深度治理減排的要求。在北方地區燃煤鍋爐建議采用煙氣冷凝再加熱技術，具體的設計方案和參數建議充分考慮到各地季節氣候變化、負荷高低對各方案經濟性的影響，最后確定改造技術路線和最終改造方案。