燃煤鍋爐脫硫濕煙羽脫白可行性研究

周峰，支曉歡，沈達，江建軍，鄒建，徐海濤，李強，梁銀春

（1．南通醋酸纖維有限公司，江蘇省 南通市 226008； 2．南京工業大學環境科學與工程學院，江蘇省 南京市 211800）

0 引言

隨著國家超低排放的推進，大部分電廠的脫硫采取濕法脫硫工藝，經過吸收塔之后，出口煙氣溫度一般為45~55 ℃，煙氣中水蒸氣含量高，多數處于飽和狀態。飽和濕煙氣直接排入大氣的方式稱為濕煙氣排放[1-2]。當環境空氣溫度較低，直接排放的飽和濕煙氣在大氣中擴散與冷空氣混合的過程中，煙氣中所含的水蒸氣會飽和凝結，凝結水滴對光線產生折射、散射現象，從而使煙羽在視覺上呈現出白色或者灰色，稱為“濕煙羽”(俗稱“大白煙”)[3-4]。

部分發達國家早就提出了相關要求來解決燃煤鍋爐濕法脫硫后煙氣排放產生的白煙問題，主要采用干煙囪技術，即規定煙囪出口最低的排煙溫度。德國規定排煙溫度應超過 72 ℃，英國規定排煙溫度不得低于80 ℃，日本規定排煙溫度為 90～100 ℃[5]。近年來，國內對濕煙羽排放問題越來越重視，各地政府先后出臺相關政策要求對白色煙羽進行控制。2017 年上海市規定排煙溫度應持續穩定達到 75 ℃以上，冬季(每年11月至來年2月)和重污染預警啟動時排放煙溫應持續穩定達到 78 ℃以上，采取煙氣冷凝再熱技術且能達到消除石膏雨和白色羽同等效果的，正常工況下排放煙溫必須持續穩定達到 54 ℃以上，冬季排煙溫度應達到56 ℃以上[6]。

當前濕煙羽治理的技術路線主要有煙氣直接加熱法、煙氣冷凝法、煙氣先冷凝再熱法3種[7-11]。具體項目應根據煙羽治理的具體要求及項目本身的煙氣、氣象、場地、冷熱源等條件綜合分析，然后確定經濟可行的技術方案[12-13]。本文以南通某燃煤鍋爐濕法脫硫白色煙羽脫除工程為例，通過分析南通地區的氣象數據，進而對脫白路徑和設計點進行選擇分析，并確定了工藝路線和參數選擇[14]，可為燃煤機組濕法脫硫后白煙的消除提供理論參考。

1 白色煙羽的形成機理

圖1為相對濕度為100%的空氣中含濕量隨溫度的變化曲線。A點為排放濕煙氣的初始狀態，C1、C2為不同的環境空氣狀態，從C1、C2作飽和曲線的切線分別形成切點M1和M2。當大氣環境為C1狀態時，煙囪排放的煙氣A會不斷地逼近C1狀態點，即沿著A—C1的連線逼近。從A—M1點的變化過程中，排煙與大氣的局部混合氣體一直處于過飽和狀態，因此沿飽和濕度曲線變化到M1點，飽和濕煙氣中水蒸氣發生相變冷凝成液態，冷凝液不斷產生，濕煙氣中的水分凝結成小液滴，也即形成“白色煙羽”；過了M1點后，排煙與大氣的局部混合氣體處于不飽和狀態，因此由M1點沿直線變化到環境狀態C1點，排煙的溫濕度逐漸變化至環境溫濕度，白色煙羽消失，可見白煙的長度取決于A—M1飽和線的長度；同樣地，由A點變化到環境溫度更低的C2點的過程也類似，只不過“白色煙羽”的長度更長。由此可見，濕煙氣從煙囪排出后是否會出現白煙及出現白煙的長度，不僅與煙氣的溫度及含濕量(A 點位置)有關，而且與它周圍環境空氣的溫度、濕度(即C1，C2點位置)有關[15-16]，只要濕煙氣初始狀態點與環境狀態點的連線與飽和濕度曲線相交，就會產生白色煙羽，環境溫度越低、濕度越大，白色煙羽越長。

圖1 飽和濕空氣的溫濕圖 Fig. 1 Humidity temperature map of saturated humid air

2 白色煙羽的消除機理

從白色煙羽的形成機理可知，要消除白色煙羽，需使得濕煙氣初始狀態點與環境狀態點的連線與飽和濕度曲線不相交，其臨界點便是濕煙氣初始狀態點與環境狀態點的連線與飽和濕度曲線相切。

2.1 煙氣加熱法

對脫硫出口的濕飽和煙氣進行加熱，使得煙氣相對濕度遠離飽和濕度曲線的方法稱為煙氣加熱法。采取的主要方法[17]有：

1）利用鍋爐二次風加熱凈煙氣；

2）利用原煙氣加熱凈煙氣(回轉式氣氣換熱器、管式氣氣換熱器)；

3）在煙囪底部利用清潔燃料來加熱凈煙氣。

濕煙氣再加熱到能消除白色煙羽的具體溫度不僅與環境空氣的溫度和濕度密切相關，而且與濕煙氣的起始溫度也密切相關。濕煙羽直接加熱消除白煙機理如圖2所示，濕煙氣初始狀態位于A點，經過加熱后按A—M升溫，再沿M—C摻混、冷卻至環境狀態點C，整個A—M—C變化過程均與飽和濕度曲線不相交，因此不產生濕煙羽。由于M—C與飽和線相切，此為不產生白煙的臨界點，實際升溫應超過M點。

圖2 煙氣加熱消除白煙機理 Fig. 2 Elimination of white smoke by flue gas heating

2.2 煙氣冷凝法

煙氣冷凝技術是對濕飽和煙氣進行冷卻，使得煙氣沿著飽和濕度曲線降溫，在降溫過程中含濕量大幅下降，其原理如圖3所示。濕煙氣初始狀態位于A點，經過降溫后按A—M冷凝，再沿M—C摻混、冷卻至環境狀態點C，M—C變化過程與飽和濕度曲線不相交，因此不產生濕煙羽。

煙氣冷凝技術在冷卻濕煙氣，使得煙氣中大量的氣態水冷凝為液滴的過程中能夠捕捉微細顆粒物、SO2等多種污染物[18]。煙氣冷凝技術主要包括漿液冷凝和凈煙氣冷凝。漿液冷凝技術利用冷卻水經換熱器對漿液進行冷卻，再由冷漿液對脫硫吸收塔內的煙氣進行冷卻，從而降低吸收塔出口凈煙氣溫度和濕度，達到降溫冷凝消白效果。

凈煙氣冷凝技術是利用換熱器直接對脫硫吸收塔后的凈煙氣進行冷凝，凝出水分，從而減輕煙囪出口冒白煙的現象。

2.3 先冷凝再加熱法

煙氣冷凝再熱技術是將煙氣加熱法和煙氣冷凝法組合使用，其消除濕煙羽的機理如圖4所示。濕煙氣初始狀態位于A點，經過降溫后按A—M1冷凝，再沿M1—M2加熱，然后沿M2—C摻混、冷卻至環境狀態點C，M2—C變化過程與飽和濕度曲線不相交，因此不產生濕煙羽。理論上，在給定的環境溫濕度條件下，若不計代價，加熱和冷凝都能實現濕煙羽的消除，但從經濟性出發，單純的加熱和冷凝方式都有各自的限制，加熱受到原煙氣煙溫條件的限制，冷凝受到環境空氣、冷凝水溫的限制。若采用冷凝再熱技術，將加熱和冷凝結合起來使用，則可擴大系統濕煙羽消除對環境溫濕度的適應范圍。

圖4 煙氣冷凝再熱消除白煙機理 Fig. 4 Elimination of white smoke by flue gas cooling and reheating method

先冷凝再加熱濕煙氣法一方面可以在冷凝過程中回收濕煙氣冷凝放熱量和凝結下來的水；另一方面由于冷凝后濕煙氣需要再加熱的溫度降低，而且水分析出后濕煙氣的定壓比熱降低，因此冷凝后濕煙氣再加熱需要的熱量大為減少。

3 脫白工藝路線和參數選擇

3.1 南通地區氣象數據分析

根據南通地區的氣象數據顯示，2014—2016年的平均氣溫約為19.4 ℃，其中，2014年為 20.65 ℃，2015年為19.45 ℃，2016年略低，為18.08 ℃。2014—2016年的平均相對濕度為71%，其中，2014年為65.15%，2015年為70.62%，2016年略高，為77.57%。每年夏季6—9月氣溫較高，冬季11月至第二年3月氣溫較低。

每隔30 min采集一個數據點的原始氣象數據隨時間變化的規律較難清楚顯現，因此對數據進行了進一步處理，選取每天對脫白最為不利的點繪制在溫濕圖上，如圖5所示。由圖5可見，絕大部分的氣象點的相對濕度為60%～100%，其中較多點接近飽和，2014—2016年均有部分天數濕度較低；2014年的最低氣溫接近0 ℃，而2015年和2016年最低氣溫較低，2016年甚至出現了-8.8 ℃的低溫，給脫白造成了一定的困難。

圖5 南通地區2014—2016年間每天 對脫白最不利的氣象數據圖 Fig. 5 The most unfavorable meteorological data map of flue gas de-whitening in Nantong from 2014 to 2016

按照現有的排煙條件和氣象參數，以2016年的分時段數據為例，若不采取任何額外措施，全年無白煙的次數(每次以30 min計)按月份分布如圖6(a)所示。全年的合計有效數據點為17 568個，其中無白煙點共計為360個，占2.04%，主要分布在七八月份。將無白煙的點數按一天的時間跨度劃分，如圖6(b)所示，可見白天次數較多，夜晚較少，早晚較少，正午較多，其中13:00—16:00 為無白煙出現最多的時間區間。

圖6 無白煙次數按月份及按時段分布情況 Fig. 6 Distribution of no white smoke times by month and by period

3.2 脫白路徑和設計點選擇分析

如前所述，脫白的控制機理在于如何通過一定的溫濕度調節手段，控制濕煙氣初始狀態點與環境狀態點的連線與飽和濕度曲線不相交。在圖5所示的各個氣象點基礎上，在每個氣象點對飽和線作切線，切線的右下側即為脫白控制區，煙氣調節至該區域便可達到優于上述特點氣象點時的脫白效果，脫白控制線與飽和線在低溫側圍成的區域則構成脫白天數控制區，落在該區域內的點數即為發生白煙的天數，通過調整不同的斜率，便可實現不同比例天數的脫白，如圖7所示。

圖7 脫白天數控制機理 Fig. 7 Control mechanism of no white smoke days in flue gas

以一年365天中每天最差的點為基礎，過該點作溫濕曲線的切線，形成一系列的切線簇，并且將各切線的斜率進行排序，可以得到kA1＜kA2＜…＜kAi＜kA(i+1)＜…＜kA365。其斜率最小的切線為最嚴格的白煙控制線，對應該狀態下的脫白天數控制區即為100%無白煙天數控制區，對應的切線為100%無白煙天數控制線，該狀態下脫白天數控制區內部無氣象數據點。kA36就是90%控制斜率，對應的切線為90%無白煙天數控制線；kA73是80%控制斜率，對應的切線為80%無白煙天數控制線。

根據以上機理，可分別繪制各年100%、90%、80%無白煙天數控制線，如圖8所示。可見，控制的要求越高，斜率越小，不同的氣象條件導致不同的最低斜率，環境溫度越低、濕度越大，越難控制。

圖8 各年100%、90%及80%無白煙天數控制線 Fig. 8 Control line of 100%, 90% and 80% days without white smoke in each year

同樣地，分別繪制各年每天最小斜率及平均斜率的變化規律，并將100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%無白煙天數的最低斜率疊加在逐日最低斜率分布圖中，如圖9所示。由圖9可知，夏季斜率較大，冬季斜率較小，說明夏天白煙較 易控制，冬季則較難；要達到100%無白煙的控制要求代價較大，而90%的控制目標經濟性顯著上升，80%與90%比較接近，此后每降低10%幾乎呈等比例下降。

圖9 2014—2016年40%~100% 無白煙天數最低斜率控制線 Fig. 9 Minimum slope control line for 40% to 100% days without white smoke from 2014 to 2016

3年的數據基本處于同一區域，但2015年較2014年多了部分低溫天數，2016年更甚，在同等的控制要求下2016年的控制斜率要比2015年低，2015年要比2014年低，由此選定氣象條件最差的2016年控制線作為設計基準，控制白煙時溫降 與溫升的關系如圖10所示。

圖10 控制白煙時溫降與溫升的關系 Fig. 10 Relationship between temperature drop and temperature rise without white smoke

可見在同等的控制條件下，脫白設計的溫降越大，降溫后煙氣濕度飽和點離脫白控制線和氣液平衡線的切點越接近，該點需要升溫到脫白控制線的溫升幅度越小，反之亦然。假設脫硫塔出口煙氣溫度為50 ℃，當采用直接升溫時，100% 控制線的升溫幅度約為196 ℃，90%控制線的升溫幅度約為109.6 ℃，而80%控制線的升溫幅度約為85 ℃，能耗差別較大。

冷凝2 ℃后，即排煙溫度降至48 ℃時，100%控制線的升溫幅度約為173 ℃，90%控制線的升溫幅度約為95.8 ℃，而80%控制線的升溫幅度約為73.9 ℃，分別較直接升溫法減少溫升23、13.8和11.1 ℃，升溫幅度比不冷凝時分別下降11.7%、12.6%和13.1%，降溫對其升溫幅度的影響顯著，對100%控制線尤為如此。

冷凝5 ℃后，即排煙溫度降至45 ℃時，100%控制線的升溫幅度約為143 ℃，90%控制線的升溫幅度約為77 ℃，而80%控制線的升溫幅度約為59 ℃，分別較直接升溫法減少溫升53、32.6和26 ℃，升溫幅度比不冷凝時分別下降26.5%、29.2%和30.6%。

冷凝10 ℃后，即排煙溫度降至40 ℃時，100%控制線的升溫幅度約為102℃，90%控制線的升溫幅度約為52.83 ℃，而80%控制線的升溫幅度約為39.29 ℃，分別較直接升溫法減少溫升94、56.8和45.7 ℃，升溫幅度比不冷凝時分別下降48.0%、51.1%和52.9%；當冷凝20 ℃后，即排煙溫度降至30 ℃時，100%控制線的升溫幅度約為46 ℃，90%控制線的升溫幅度約為20.6 ℃，而80%控制線的升溫幅度約為14 ℃，分別較直接升溫法減少溫升150、89和71 ℃，升溫幅度比不冷凝時分別下降76.0%、81.1%和83.5%。

可見當溫度降得很低時，升溫幅度顯著降低，由此分析可選定“煙氣冷凝+升溫”作為脫白工藝路線，這也是目前上海、浙江、天津等地的主導工藝路線。

4 結論

根據白煙的形成原理與白煙消除機理的分析，總結了目前較常用的煙氣脫白技術路線，得出以下結論：

1）在同等控制條件下，脫白設計的溫降越大，降溫后煙氣濕度飽和點離脫白控制線和氣液平衡線的切點越接近，該點需要升溫到脫白控制線的溫升幅度越小，反之亦然。

2）采用煙氣冷凝再熱技術可以有效降低煙氣中的含濕量，通過對冷凝的液滴進行收集，實現節能、節水、減排、消除白煙的效果，具有良好的環境、經濟、社會效益，因此建議采用“煙氣冷凝+升溫”作為脫白工藝路線。

3）在方案設計時需充分考慮當地的氣象數據和鍋爐負荷大小等對方案經濟性的影響，確定適宜的冷凝溫度和升溫幅度。