燃煤濕法脫硫煙氣白煙的發(fā)生機(jī)理與控制技術(shù)

趙清華1，田路濘1，陳曉煒1，陶小慶1，李文俊1，張 昊，崔 琳，董 勇

(1.武漢光谷環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖北 武漢 430074；2.燃煤污染物國家工程實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

燃煤電廠煙氣脫硫大多使用濕法脫硫技術(shù)(WFGD)[1]。在脫硫塔中，脫硫漿液與熱煙氣發(fā)生反應(yīng)，漿液中的部分水分吸熱蒸發(fā)進(jìn)入到煙氣中，使得脫硫后的煙氣維持50℃左右的飽和狀態(tài)。脫硫后的煙氣直接排放到大氣中，由于與大氣環(huán)境存在溫差，煙氣中的水蒸氣遇冷凝結(jié)，形成白煙現(xiàn)象[2]。

白煙的形成不僅會(huì)造成視覺污染，煙氣中殘余的酸性氣體、小粒徑顆粒等污染物還容易引起二次污染以及煙囪的低溫腐蝕[3]。因此，對(duì)于濕法脫硫后白煙的控制成為研究熱點(diǎn)。本文通過白煙現(xiàn)象發(fā)生的熱力過程研究，分析了不同方式下的消白原理，為消白工程應(yīng)用提供了參考。

1 白煙產(chǎn)生機(jī)制

白煙的產(chǎn)生可以認(rèn)為是煙氣中的微小液滴反射光照而產(chǎn)生的視覺現(xiàn)象，如圖1所示。煙氣中的液滴大部分來自水蒸氣凝結(jié)，還有少部分來自脫硫漿液。如圖2所示，脫硫前的煙氣狀態(tài)點(diǎn)為A′，在脫硫過程中煙氣沿著等焓線絕熱降溫，到達(dá)B點(diǎn)。C點(diǎn)表示某城市當(dāng)日環(huán)境狀況。點(diǎn)B與C的連線要低于飽和濕度線，并且相交于D點(diǎn)，即為白煙現(xiàn)象發(fā)生的臨界點(diǎn)，B-D連線與飽和煙氣線之間的區(qū)域即為白煙發(fā)生的區(qū)域。由此可見，白煙現(xiàn)象的發(fā)生，與煙氣本身參數(shù)及大氣環(huán)境都有關(guān)系[4]。

圖1 白煙產(chǎn)生示意圖

圖2 脫硫過程及白煙產(chǎn)生機(jī)理

2 白煙現(xiàn)象的防治措施

依據(jù)白煙的發(fā)生原理，分別從煙氣溫度(加熱法、冷凝法、冷凝加熱法)、煙氣濕度(除濕法)以及排放控制(煙塔合一)等方面給出了防治措施。

2.1 煙氣加熱法

當(dāng)煙囪出口的煙氣溫度升高到一定程度，就可以避免在其擴(kuò)散前冷凝降溫至飽和線，因而可以避免白煙發(fā)生。加熱技術(shù)的原理便是借助高溫?zé)嵩醇訜釤煔?。國外電廠明確規(guī)定了煙氣加熱溫度，而在我國，姚增權(quán)也提出了不同煙囪出口溫度濕煙氣的溫升幅度[5]。煙氣加熱需要借助高溫?zé)嵩?，利用煙氣焓濕圖可以判定當(dāng)前環(huán)境下最為經(jīng)濟(jì)的煙氣溫升臨界點(diǎn)。

圖3 煙氣加熱白煙控制技術(shù)

如圖3所示，由環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C引出煙氣100%相對(duì)濕度線的切線，切點(diǎn)為白煙現(xiàn)象發(fā)生的臨界點(diǎn)D′。由脫硫后的煙氣狀態(tài)點(diǎn)B作一條平行于縱軸的直線，與C-D′所在直線相交于點(diǎn)B′，點(diǎn)B′所處溫度即為煙氣加熱臨界溫度。圖中斜線區(qū)域?yàn)樽畹图訜釥顟B(tài)下的極限消白區(qū)。煙氣溫度的提高可以利用低硫燃油或天然氣為燃料，將燃燒后的高溫?zé)煔馀c濕煙氣混合來實(shí)現(xiàn)。但是該種方法會(huì)增大排煙污染物濃度，同時(shí)會(huì)造成高溫?zé)嵩吹睦速M(fèi)。

2.2 煙氣冷凝法

由白煙發(fā)生機(jī)制得知，煙氣與排放環(huán)境之間的溫差是白煙形成的原因，因此對(duì)煙氣進(jìn)行降溫處理，縮小與環(huán)境之間的溫差也可以達(dá)到抑制白煙形成的目的?；跓煔饫淠椒?，全國部分地區(qū)針對(duì)冷凝溫度提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1全國部分地區(qū)針對(duì)白煙降溫減濕標(biāo)準(zhǔn)

地區(qū)/行業(yè) 溫度指標(biāo) 含濕量指標(biāo)徐州電力行業(yè)夏季:低于47℃夏季:低于10.4%冬季:低于45℃冬季:低于9.5%河北鋼鐵行業(yè)夏季:降低8%以上(相對(duì)于參照煙溫)夏季:降低15%以上冬季:降低15%以上(相對(duì)于參照煙溫)冬季:降低30%以上河北燃煤電廠夏季:低于48℃夏季:低于11%冬季:低于45℃冬季:低于9.5%山西臨汾燃煤電廠夏季:低于48℃夏季:低于9.5%冬季:低于45℃冬季:低于8.5%

根據(jù)接觸方式的不同，煙氣冷凝分為直接冷凝和間接冷凝。直接冷凝大多采用冷卻水噴淋降溫，目前國內(nèi)針對(duì)煙氣噴淋冷凝的模擬與試驗(yàn)研究十分成熟，涵蓋了單個(gè)液滴的傳質(zhì)過程到整套系統(tǒng)的性能優(yōu)化[6-8]。煙氣間接冷凝需要借助換熱器，通常以冷卻水作為冷源。煙氣較低的酸露點(diǎn)對(duì)換熱器材料的抗腐蝕性能提出了較高要求，目前以氟塑料、陶瓷為換熱材料的換熱器在煙氣冷凝工藝中應(yīng)用廣泛[9-10]。

圖4 煙氣冷凝白煙控制技術(shù)

煙氣冷凝工藝系統(tǒng)簡單，占地面積小，理論相對(duì)成熟，其不僅可以回收煙氣中的汽化潛熱，提高能源利用率，還可以對(duì)白煙的控制起到積極作用。換熱器的低溫腐蝕問題是制約冷凝法發(fā)展的重要因素，耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)高、價(jià)格低廉的換熱材料的研發(fā)對(duì)于冷凝法的工業(yè)應(yīng)用極為重要。

2.3 先冷凝后加熱法

單一的加熱或者冷凝方法受限于高能耗、強(qiáng)腐蝕性，在一定程度上制約了其應(yīng)用范圍，而先冷凝后加熱的煙氣處理工藝將兩者相結(jié)合，可以在一定程度上彌補(bǔ)兩種工藝單獨(dú)使用時(shí)的缺點(diǎn)。先冷凝后加熱指的是先將煙氣沿著飽和線冷凝至一定的溫度，然后再對(duì)其進(jìn)行加熱。這樣既保證了較高品質(zhì)熱量的回收，又能降低煙氣升溫幅度，減少高溫?zé)嵩磽p耗，達(dá)到一定的消白效果[11]。

圖5 煙氣冷凝再熱白煙控制技術(shù)

如圖5所示，煙氣先沿著飽和線降溫至E點(diǎn)，然后加熱至E′點(diǎn)，與煙氣單純加熱至B′點(diǎn)相比較，在同樣的白煙控制效果下，采用煙氣先冷凝后加熱的方式不僅回收了部分煙氣余熱，還減少了高溫?zé)嵩吹膿p耗。

2.4 溶液吸收法

溶液吸收法與冷凝法的不同之處在于其是以溶液表面蒸汽壓與煙氣中水蒸氣的壓力差作為驅(qū)動(dòng)力來完成水分轉(zhuǎn)移的，經(jīng)過溶液處理后的煙氣由飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)，從而具有一定的過熱度和擴(kuò)散能力[12-14]。常用的除濕溶液有CaCl2、LiCl、LiBr等。除濕后的溶液利用加熱、真空閃蒸等手段進(jìn)行再生處理以循環(huán)利用[15]。

溶液吸收法除濕是深度除濕過程，如圖6所示，由脫硫后的B點(diǎn)引一條等溫線，與飽和煙氣切線相交于F點(diǎn)，B、D′、F點(diǎn)所圍成的區(qū)域即為控制白煙的臨界區(qū)域。只要溶液除濕后的煙氣狀態(tài)點(diǎn)在此區(qū)域內(nèi)或者左上方，就能達(dá)到消白的目的?？梢钥吹?，在溶液除濕過程中，煙氣的溫度變化不大，而含濕量減少明顯，其除濕終點(diǎn)F點(diǎn)相對(duì)于同溫度下的飽和點(diǎn)具有10℃以上的過熱度，可以對(duì)煙囪出口的冷凝過程起到一定的緩沖作用。

圖6 溶液吸收法白煙控制技術(shù)

溶液吸收法可以將煙氣由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲达柡蜖顟B(tài)，提高煙氣過熱度，屬于“深度除濕”，不僅可以回收大量的水分、余熱，還有利于煙氣的擴(kuò)散。但是，溶液的循環(huán)利用需要穩(wěn)定高效的再生系統(tǒng)，由此會(huì)增加系統(tǒng)的投資與占地面積。

2.5 煙塔合一排放技術(shù)

煙塔合一技術(shù)將凈化后的煙氣并入自然通風(fēng)冷卻塔排放至大氣，在德國首次投入使用。根據(jù)煙氣排放路徑，該技術(shù)分為外置型與內(nèi)置型。煙塔合一技術(shù)的應(yīng)用需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)煙氣中殘留污染物對(duì)冷卻塔內(nèi)表面存在腐蝕作用。

(2)冷卻塔上空煙氣污染物的擴(kuò)散問題。

(3)冷卻塔內(nèi)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)需要進(jìn)行改造。

3 結(jié)論

(1)脫硫后飽和濕煙氣與排放環(huán)境之間存在溫差是白煙現(xiàn)象形成的主要原因。白煙現(xiàn)象受排煙溫濕度與大氣環(huán)境溫濕度影響，是兩者相互熱質(zhì)交換的結(jié)果。

(2)控制白煙要兼顧排煙溫濕度與排放環(huán)境溫濕度。對(duì)于不同的排放環(huán)境，排煙溫濕度的控制程度不同，控制白煙的措施根據(jù)溫度調(diào)節(jié)可分為煙氣加熱法、煙氣冷凝法以及先冷凝后加熱法；根據(jù)濕度調(diào)節(jié)有除濕法；根據(jù)排放方式有煙塔合一排放技術(shù)等。

(3)煙氣先冷凝后加熱綜合了冷凝與再熱兩種方式，可以在消白的同時(shí)節(jié)省高溫?zé)嵩?；溶液除濕法屬于深度除濕，可以提高煙氣過熱度，增強(qiáng)其擴(kuò)散能力。這兩種方法廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的白煙控制技術(shù)。