燃煤鍋爐脫硫濕煙羽脫白可行性研究

周峰，支曉歡，沈達(dá)，江建軍，鄒建，徐海濤，李強(qiáng)，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(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省 南京市 211800）

0 引言

隨著國(guó)家超低排放的推進(jìn)，大部分電廠的脫硫采取濕法脫硫工藝，經(jīng)過(guò)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(shù)處于飽和狀態(tài)。飽和濕煙氣直接排入大氣的方式稱為濕煙氣排放[1-2]。當(dāng)環(huán)境空氣溫度較低，直接排放的飽和濕煙氣在大氣中擴(kuò)散與冷空氣混合的過(guò)程中，煙氣中所含的水蒸氣會(huì)飽和凝結(jié)，凝結(jié)水滴對(duì)光線產(chǎn)生折射、散射現(xiàn)象，從而使煙羽在視覺(jué)上呈現(xiàn)出白色或者灰色，稱為“濕煙羽”(俗稱“大白煙”)[3-4]。

部分發(fā)達(dá)國(guó)家早就提出了相關(guān)要求來(lái)解決燃煤鍋爐濕法脫硫后煙氣排放產(chǎn)生的白煙問(wèn)題，主要采用干煙囪技術(shù)，即規(guī)定煙囪出口最低的排煙溫度。德國(guó)規(guī)定排煙溫度應(yīng)超過(guò) 72 ℃，英國(guó)規(guī)定排煙溫度不得低于80 ℃，日本規(guī)定排煙溫度為 90～100 ℃[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)濕煙羽排放問(wèn)題越來(lái)越重視，各地政府先后出臺(tái)相關(guān)政策要求對(duì)白色煙羽進(jìn)行控制。2017 年上海市規(guī)定排煙溫度應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到 75 ℃以上，冬季(每年11月至來(lái)年2月)和重污染預(yù)警啟動(dòng)時(shí)排放煙溫應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到 78 ℃以上，采取煙氣冷凝再熱技術(shù)且能達(dá)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(xù)穩(wěn)定達(dá)到 54 ℃以上，冬季排煙溫度應(yīng)達(dá)到56 ℃以上[6]。

當(dāng)前濕煙羽治理的技術(shù)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(xiàng)目應(yīng)根據(jù)煙羽治理的具體要求及項(xiàng)目本身的煙氣、氣象、場(chǎng)地、冷熱源等條件綜合分析，然后確定經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)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(guò)分析南通地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)脫白路徑和設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行選擇分析，并確定了工藝路線和參數(shù)選擇[14]，可為燃煤機(jī)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(jī)理

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

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(jī)理

從白色煙羽的形成機(jī)理可知，要消除白色煙羽，需使得濕煙氣初始狀態(tài)點(diǎn)與環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)的連線與飽和濕度曲線不相交，其臨界點(diǎn)便是濕煙氣初始狀態(tài)點(diǎn)與環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)的連線與飽和濕度曲線相切。

2.1 煙氣加熱法

對(duì)脫硫出口的濕飽和煙氣進(jìn)行加熱，使得煙氣相對(duì)濕度遠(yuǎn)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(fēng)加熱凈煙氣；

2）利用原煙氣加熱凈煙氣(回轉(zhuǎn)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(lái)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(huán)境空氣的溫度和濕度密切相關(guān)，而且與濕煙氣的起始溫度也密切相關(guān)。濕煙羽直接加熱消除白煙機(jī)理如圖2所示，濕煙氣初始狀態(tài)位于A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)加熱后按A—M升溫，再沿M—C摻混、冷卻至環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C，整個(gè)A—M—C變化過(guò)程均與飽和濕度曲線不相交，因此不產(chǎn)生濕煙羽。由于M—C與飽和線相切，此為不產(chǎn)生白煙的臨界點(diǎn)，實(shí)際升溫應(yīng)超過(guò)M點(diǎn)。

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

2.2 煙氣冷凝法

煙氣冷凝技術(shù)是對(duì)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(guò)程中含濕量大幅下降，其原理如圖3所示。濕煙氣初始狀態(tài)位于A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)降溫后按A—M冷凝，再沿M—C摻混、冷卻至環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C，M—C變化過(guò)程與飽和濕度曲線不相交，因此不產(chǎn)生濕煙羽。

煙氣冷凝技術(shù)在冷卻濕煙氣，使得煙氣中大量的氣態(tài)水冷凝為液滴的過(guò)程中能夠捕捉微細(xì)顆粒物、SO2等多種污染物[18]。煙氣冷凝技術(shù)主要包括漿液冷凝和凈煙氣冷凝。漿液冷凝技術(shù)利用冷卻水經(jīng)換熱器對(duì)漿液進(jìn)行冷卻，再由冷漿液對(duì)脫硫吸收塔內(nèi)的煙氣進(jìn)行冷卻，從而降低吸收塔出口凈煙氣溫度和濕度，達(dá)到降溫冷凝消白效果。

凈煙氣冷凝技術(shù)是利用換熱器直接對(duì)脫硫吸收塔后的凈煙氣進(jìn)行冷凝，凝出水分，從而減輕煙囪出口冒白煙的現(xiàn)象。

2.3 先冷凝再加熱法

煙氣冷凝再熱技術(shù)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(jī)理如圖4所示。濕煙氣初始狀態(tài)位于A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)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(huán)境狀態(tài)點(diǎn)C，M2—C變化過(guò)程與飽和濕度曲線不相交，因此不產(chǎn)生濕煙羽。理論上，在給定的環(huán)境溫濕度條件下，若不計(jì)代價(jià)，加熱和冷凝都能實(shí)現(xiàn)濕煙羽的消除，但從經(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、冷凝水溫的限制。若采用冷凝再熱技術(shù)，將加熱和冷凝結(jié)合起來(lái)使用，則可擴(kuò)大系統(tǒng)濕煙羽消除對(duì)環(huán)境溫濕度的適應(yīng)范圍。

圖4 煙氣冷凝再熱消除白煙機(jī)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(guò)程中回收濕煙氣冷凝放熱量和凝結(jié)下來(lái)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(shù)選擇

3.1 南通地區(qū)氣象數(shù)據(jù)分析

根據(jù)南通地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)隨時(shí)間變化的規(guī)律較難清楚顯現(xiàn)，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步處理，選取每天對(duì)脫白最為不利的點(diǎn)繪制在溫濕圖上，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，絕大部分的氣象點(diǎn)的相對(duì)濕度為60%～100%，其中較多點(diǎn)接近飽和，2014—2016年均有部分天數(shù)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(xiàn)了-8.8 ℃的低溫，給脫白造成了一定的困難。

圖5 南通地區(qū)2014—2016年間每天 對(duì)脫白最不利的氣象數(shù)據(jù)圖 Fig. 5 The most unfavorable meteorological data map of flue gas de-whitening in Nantong from 2014 to 2016

按照現(xiàn)有的排煙條件和氣象參數(shù)，以2016年的分時(shí)段數(shù)據(jù)為例，若不采取任何額外措施，全年無(wú)白煙的次數(shù)(每次以30 min計(jì))按月份分布如圖6(a)所示。全年的合計(jì)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)為17 568個(gè)，其中無(wú)白煙點(diǎn)共計(jì)為360個(gè)，占2.04%，主要分布在七八月份。將無(wú)白煙的點(diǎn)數(shù)按一天的時(shí)間跨度劃分，如圖6(b)所示，可見(jiàn)白天次數(shù)較多，夜晚較少，早晚較少，正午較多，其中13:00—16:00 為無(wú)白煙出現(xiàn)最多的時(shí)間區(qū)間。

圖6 無(wú)白煙次數(shù)按月份及按時(shí)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(shè)計(jì)點(diǎn)選擇分析

如前所述，脫白的控制機(jī)理在于如何通過(guò)一定的溫濕度調(diào)節(jié)手段，控制濕煙氣初始狀態(tài)點(diǎn)與環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)的連線與飽和濕度曲線不相交。在圖5所示的各個(gè)氣象點(diǎn)基礎(chǔ)上，在每個(gè)氣象點(diǎn)對(duì)飽和線作切線，切線的右下側(cè)即為脫白控制區(qū)，煙氣調(diào)節(jié)至該區(qū)域便可達(dá)到優(yōu)于上述特點(diǎn)氣象點(diǎn)時(shí)的脫白效果，脫白控制線與飽和線在低溫側(cè)圍成的區(qū)域則構(gòu)成脫白天數(shù)控制區(qū)，落在該區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)數(shù)即為發(fā)生白煙的天數(shù)，通過(guò)調(diào)整不同的斜率，便可實(shí)現(xiàn)不同比例天數(shù)的脫白，如圖7所示。

圖7 脫白天數(shù)控制機(jī)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(diǎn)為基礎(chǔ)，過(guò)該點(diǎn)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(jìn)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(yán)格的白煙控制線，對(duì)應(yīng)該狀態(tài)下的脫白天數(shù)控制區(qū)即為100%無(wú)白煙天數(shù)控制區(qū)，對(duì)應(yīng)的切線為100%無(wú)白煙天數(shù)控制線，該狀態(tài)下脫白天數(shù)控制區(qū)內(nèi)部無(wú)氣象數(shù)據(jù)點(diǎn)。kA36就是90%控制斜率，對(duì)應(yīng)的切線為90%無(wú)白煙天數(shù)控制線；kA73是80%控制斜率，對(duì)應(yīng)的切線為80%無(wú)白煙天數(shù)控制線。

根據(jù)以上機(jī)理，可分別繪制各年100%、90%、80%無(wú)白煙天數(shù)控制線，如圖8所示?？梢?jiàn)，控制的要求越高，斜率越小，不同的氣象條件導(dǎo)致不同的最低斜率，環(huán)境溫度越低、濕度越大，越難控制。

圖8 各年100%、90%及80%無(wú)白煙天數(shù)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(guī)律，并將100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%無(wú)白煙天數(shù)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(shuō)明夏天白煙較 易控制，冬季則較難；要達(dá)到100%無(wú)白煙的控制要求代價(jià)較大，而90%的控制目標(biāo)經(jīng)濟(jì)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(wú)白煙天數(shù)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(shù)據(jù)基本處于同一區(qū)域，但2015年較2014年多了部分低溫天數(shù)，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(shè)計(jì)基準(zhǔn)，控制白煙時(shí)溫降 與溫升的關(guān)系如圖10所示。

圖10 控制白煙時(shí)溫降與溫升的關(guān)系 Fig. 10 Relationship between temperature drop and temperature rise without white smoke

可見(jiàn)在同等的控制條件下，脫白設(shè)計(jì)的溫降越大，降溫后煙氣濕度飽和點(diǎn)離脫白控制線和氣液平衡線的切點(diǎn)越接近，該點(diǎn)需要升溫到脫白控制線的溫升幅度越小，反之亦然。假設(shè)脫硫塔出口煙氣溫度為50 ℃，當(dāng)采用直接升溫時(shí)，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(shí)，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(shí)分別下降11.7%、12.6%和13.1%，降溫對(duì)其升溫幅度的影響顯著，對(duì)100%控制線尤為如此。

冷凝5 ℃后，即排煙溫度降至45 ℃時(shí)，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(shí)分別下降26.5%、29.2%和30.6%。

冷凝10 ℃后，即排煙溫度降至40 ℃時(shí)，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(shí)分別下降48.0%、51.1%和52.9%；當(dāng)冷凝20 ℃后，即排煙溫度降至30 ℃時(shí)，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(shí)分別下降76.0%、81.1%和83.5%。

可見(jiàn)當(dāng)溫度降得很低時(shí)，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(dǎo)工藝路線。

4 結(jié)論

根據(jù)白煙的形成原理與白煙消除機(jī)理的分析，總結(jié)了目前較常用的煙氣脫白技術(shù)路線，得出以下結(jié)論：

1）在同等控制條件下，脫白設(shè)計(jì)的溫降越大，降溫后煙氣濕度飽和點(diǎn)離脫白控制線和氣液平衡線的切點(diǎn)越接近，該點(diǎn)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(shù)可以有效降低煙氣中的含濕量，通過(guò)對(duì)冷凝的液滴進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、減排、消除白煙的效果，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)和鍋爐負(fù)荷大小等對(duì)方案經(jīng)濟(jì)性的影響，確定適宜的冷凝溫度和升溫幅度。