燃煤電廠濕煙羽治理技術(shù)研究

　　摘要：我國多數(shù)燃煤電廠濕法煙氣脫硫工藝飽和濕煙氣直接排放,形成可視濕煙羽。當(dāng)下已有許多環(huán)保節(jié)能技術(shù)對濕煙羽治理有明顯效果,但技術(shù)指標(biāo)尚未結(jié)合濕煙羽治理來制訂。濕煙羽治理技術(shù)可歸納為三大類:加熱類、冷凝類、冷凝再熱類。對各類技術(shù)的特點(diǎn)及其在濕煙羽治理中的適應(yīng)性進(jìn)行了研究,并結(jié)合濕煙羽形成和消散機(jī)理探索了三類技術(shù)在不同環(huán)境溫度、環(huán)境濕度條件下的適用范圍。

　　0引言

　　目前我國燃煤電廠脫硫設(shè)施90％以上機(jī)組均采用石灰石一石膏濕法脫硫工藝，隨著全國燃煤煙氣超低排放擴(kuò)圍提速，為滿足超低排放限值要求，其中大部分脫硫裝置未設(shè)置GGH。飽和濕煙氣從煙囪排出與溫度較低的環(huán)境空氣混合降溫，其中水蒸汽過飽和凝結(jié)，對光線產(chǎn)生折射、散射，使煙羽呈現(xiàn)出白色或者灰色的“濕煙羽”(俗稱“大白煙”)。濕煙羽現(xiàn)象削弱了公眾對環(huán)境保護(hù)工作的“獲得感”，一些燃煤電廠附近群眾對濕煙羽的治理提出了相關(guān)訴求，也有某些地方政府部門對燃煤電廠濕煙羽控制提出了要求。

　　1濕煙羽形成機(jī)理

　　目前國內(nèi)絕大多數(shù)燃煤電廠的煙氣在排放前都進(jìn)行了濕法脫硫，溫度降至45~C一55~C，此時(shí)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(jìn)入溫度較低的環(huán)境空氣，由于環(huán)境空氣的飽和比濕較低，在煙氣溫度降低過程中，煙氣中的水蒸汽會凝結(jié)形成濕煙羽。濕煙羽的形成機(jī)理如圖1所示。圖1中的曲線為濕空氣的飽和曲線，假設(shè)濕煙氣在煙囪出口處的狀態(tài)位于A點(diǎn)，而環(huán)境空氣的狀態(tài)位于F點(diǎn)，煙氣在離開煙囪時(shí)處于未飽和狀態(tài)。濕煙氣與環(huán)境空氣}昆合過程開始沿AB線變化，達(dá)到B點(diǎn)后煙氣變?yōu)轱柡蜐駸煔?，此后濕空氣與環(huán)境空氣的混合沿著曲線BDE變化，而多余的水蒸汽將凝結(jié)成液態(tài)小水滴，形成濕煙羽。

　　2濕煙羽主要治理技術(shù)

　　根據(jù)濕煙羽形成及消散的機(jī)理，可將現(xiàn)有的對濕煙羽有治理效果的技術(shù)歸納為煙氣加熱技術(shù)、煙氣冷凝技術(shù)、煙氣冷凝再熱技術(shù)。目前電力行業(yè)內(nèi)已有投運(yùn)的煙氣冷凝和煙氣冷凝再熱技術(shù)，大多數(shù)并非針對濕煙羽的治理，主要目的是減排、收水、節(jié)水。其技術(shù)指標(biāo)尚未結(jié)合濕煙羽的消除來制定，但在客觀上還是起到了濕煙羽治理的效果。

　　一些燃煤電廠所采用濕式電除塵器、煙道除霧器、聲波除霧、煙囪收水環(huán)和除霧器等技術(shù)雖可去除煙氣的凝結(jié)水，但由于煙氣凝結(jié)水在煙氣中水汽的占比十分有限(不到1‰)，因此去除煙氣的凝結(jié)水只能減輕“濕煙羽”，不能有效消除濕煙羽，本文不做深入研究。此外，還有采用冷卻塔排放的方式可以實(shí)現(xiàn)濕煙羽治理，但更適用于新建機(jī)組，不適合現(xiàn)役機(jī)組改造，本文亦不對此深究。

　　以下按技術(shù)原理分類對煙氣加熱技術(shù)、煙氣冷凝技術(shù)、煙氣冷凝再熱技術(shù)進(jìn)行闡述。

　　3煙氣加熱技術(shù)

　　煙氣加熱技術(shù)是對脫硫出口的濕飽和煙氣進(jìn)行加熱，使得煙氣相對濕度遠(yuǎn)離飽和濕度曲線。濕煙羽消除機(jī)理如圖2所示，濕煙氣初始狀態(tài)位于A點(diǎn)，經(jīng)過加熱后按AB升溫，再沿BC摻混、冷卻至環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C，整個(gè)ABC變化過程均與飽和濕度曲線不相交，因此不產(chǎn)生濕煙羽。

　　目前在役的加熱技術(shù)按換熱方式分為兩大類：即間接換熱與直接換熱。間接換熱的主要代表技術(shù)有：回轉(zhuǎn)式GGH、管式GGH、熱管式GGH、MGGH、蒸汽加熱器等¨¨。直接換熱的主要代表技術(shù)有：熱二次風(fēng)混合加熱、燃?xì)庵苯蛹訜?、熱空氣混合加熱等。各加熱技術(shù)若按實(shí)現(xiàn)濕煙羽治理的同等技術(shù)指標(biāo)，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比情況如表1所示。

　　直接加熱的技術(shù)雖一次投資較低，但因其熱源并非利用煙氣余熱，運(yùn)行費(fèi)用太高，作為濕煙羽治理的手段代價(jià)過大，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中案例也極少。間接加熱技術(shù)中，回轉(zhuǎn)式GGH與管式GGH均有不同程度漏風(fēng)¨，在中國燃煤電廠超低排放的大環(huán)境條件下，作為濕煙羽治理手段，其應(yīng)用也受到限制。熱管式GGH大型化后，將使吹灰器布置有一定難度，且加大了占地面積引，在大機(jī)組上暫無應(yīng)用。蒸汽加熱的方式同樣因熱源問題能耗過高。因此，結(jié)合時(shí)下煙氣超低排放及節(jié)能的要求，MGGH若作為濕煙羽治理的手段之一，具有最廣闊的應(yīng)用前景。

　　4煙氣冷凝技術(shù)

　　煙氣冷凝技術(shù)是對脫硫出口的濕飽和煙氣進(jìn)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。濕煙羽消除機(jī)理如圖3所示。濕煙氣初始狀態(tài)位于A點(diǎn)，經(jīng)過降溫后按AF冷凝，再沿Fc摻混、冷卻至環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C，F(xiàn)C變化過程與飽和濕度曲線不相交，因此不產(chǎn)生濕煙羽。

　　燃煤電廠目前已有煙氣冷凝的主要代表技術(shù)有：相變凝聚器、冷凝析水器、脫硫零補(bǔ)水系統(tǒng)、煙氣余熱回收與減排一體化系統(tǒng)等，其特點(diǎn)如表2所示。從這些技術(shù)命名可以看出其功能主要考慮的是減排、收水、節(jié)能等，在原理上來說，各類技術(shù)都是對脫硫后凈煙氣進(jìn)行降溫，符合了圖3的機(jī)理，這些技術(shù)已在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中起到了濕煙羽治理的效果。

　　冷凝技術(shù)按換熱方式主要分為兩大類：間接換熱和直接換熱。直接換熱主要采用新建噴淋塔作為換熱設(shè)備，有一定占地要求，冷媒與凈煙氣直接接觸，換熱效率高，但需要對冷媒水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充加藥控制PH值，系統(tǒng)較復(fù)雜。間接換熱多采用管式換熱器作為換熱設(shè)備，冷媒與凈煙氣不直接接觸，系統(tǒng)較簡單。

　　根據(jù)冷源的不同冷凝技術(shù)又分為：水冷源、空氣冷源和其他人工冷源。其中水冷源所構(gòu)成的循環(huán)水系統(tǒng)最為簡單，僅配置泵和循環(huán)管路，通常是開式循環(huán)。運(yùn)行費(fèi)用最低、占地小。采用空氣冷源的系統(tǒng)通常循環(huán)水系統(tǒng)中需配置冷卻塔，系統(tǒng)較水冷要復(fù)雜、占地大，新增的冷卻塔會在靠近地面成為新的白煙生成源。其他人工冷源，如熱泵，占地面積大，能耗高(以蒸汽溴化鋰熱泵為例，每交換1MJ熱量需要消耗0．7MJ蒸汽)。以環(huán)境空氣、江河海水作為冷源的系統(tǒng)，其冷源的品質(zhì)受季節(jié)影響較為明顯，以華東地區(qū)為例，冬季和夏季環(huán)境溫度相差20—30度，因此同一套系統(tǒng)不同季節(jié)的冷凝效果會有較大差別。

　　煙氣冷凝技術(shù)對脫硫后濕煙氣冷卻，使得煙氣中大量的氣態(tài)水冷凝為液滴，在此過程中能夠捕捉微細(xì)顆粒物¨、SO等多種污染物。因此，煙氣冷凝技術(shù)作為濕煙羽治理的手段，不僅能夠?qū)Π谉熛辛己眯Ч?，還可以實(shí)現(xiàn)煙氣多污染物聯(lián)合脫除，冷凝水可作為脫硫補(bǔ)水使用。

　　5煙氣冷凝再熱技術(shù)

　　煙氣冷凝再熱技術(shù)是前述兩種方式組合使用。它的濕煙羽消除機(jī)理如圖4所示，濕煙氣初始狀態(tài)位于A點(diǎn)，經(jīng)過降溫后按AD冷凝，再沿DE加熱，然后沿EC摻混、冷卻至環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C，EC變化過程與飽和濕度曲線不相交，因此不產(chǎn)生濕煙羽。濕煙羽的消散機(jī)理顯示，環(huán)境濕度、環(huán)境溫度對濕煙羽的形成及規(guī)模有較大影響¨。理論上，在給定的環(huán)境溫濕度條件下，若不計(jì)代價(jià)，加熱技術(shù)和冷凝技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)濕煙羽的消除(加熱溫度足夠高，冷凝溫度足夠低)，但根據(jù)燃煤電廠的實(shí)際情況，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，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(huán)境空氣、水溫度的限制。在此條件下若采用冷凝再熱技術(shù)，將加熱和冷凝結(jié)合起來使用，則可擴(kuò)大系統(tǒng)濕煙羽消除對環(huán)境溫濕度的適應(yīng)范圍。

　　例如，濕法脫硫后的飽和濕煙氣溫度為50％，綜合考慮到冷熱源選取條件、換熱溫差等因素，加熱法對煙氣升溫幅度按不超過30"12，冷凝法對煙氣煙氣降溫幅度不超過25％。上述條件下，這三類技術(shù)濕煙羽治理效果對環(huán)境條件的適應(yīng)情況，見圖5。

　　適用范圍界線以上部分為各類技術(shù)的濕煙羽消除區(qū)域，顯然，降溫再熱技術(shù)對環(huán)境條件的適用范圍遠(yuǎn)大于單純的加熱技術(shù)和冷凝技術(shù)的適用范圍。當(dāng)環(huán)境相對濕度80％時(shí)，加熱技術(shù)能在環(huán)境溫度大于15℃時(shí)消除濕煙羽；降溫技術(shù)能在環(huán)境溫度大于9~C時(shí)消除濕煙羽；冷凝再熱技術(shù)能在環(huán)境溫度大于一6．5cC時(shí)消除濕煙羽。

　　6結(jié)語

　　(1)對燃煤電廠現(xiàn)有能對濕煙羽治理有效果的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了闡述、歸納及初步的對比，研究了各類技術(shù)對燃煤電廠濕煙羽治理的適用性。

　　(2)煙氣加熱技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，結(jié)合時(shí)下煙氣超低排放及節(jié)能的要求，MGGH技術(shù)具有最廣闊的應(yīng)用前景。

　　(3)煙氣冷凝技術(shù)對濕煙羽的治理亦有明顯的效果，且能實(shí)現(xiàn)多污染物聯(lián)合脫除。該技術(shù)目前在行業(yè)中的多數(shù)應(yīng)用并不完全針對于濕煙羽的治理，主要目的是減排、收水、節(jié)水，其技術(shù)指標(biāo)未結(jié)合濕煙羽的消除來制定，但在客觀上已起到了濕煙羽治理的作用。

　　(4)冷凝再熱技術(shù)是煙氣加熱和煙氣冷凝技術(shù)的組合使用，綜合了加熱技術(shù)和冷凝技術(shù)的特點(diǎn)，對于濕煙羽治理有更寬廣的適用范圍。

　　(5)濕式電除塵器、除霧器、聲波除霧、煙囪收水環(huán)等技術(shù)雖然可以有效去除煙氣的凝結(jié)水，但由于煙氣凝結(jié)水在煙氣中水汽的占比十分有限，因此類似技術(shù)難以作為治理濕煙羽的主流技術(shù)，不能有效消除濕煙羽。