燃煤锅炉烟气消白技术的应用现状及研究进展

介绍了目前烟气消白的相关地方标准，综述了目前烟气消白技术的应用现状及研究进展，分析了各种技术的优缺点。结果表明：直接加热法、间接加热法只消除了视觉影响，并未降低烟气含湿量；降温冷凝法对冷源要求高；冷凝再热法可彻底实现烟气消白，但设备相对复杂；溶液吸收法成本高、腐蚀性强；旋流除湿法、除雾器改造、安装湿式电除尘器等没有去除水蒸气的效果，消白能力有限。综合各种因素，得出冷凝再热法是目前较为可行的烟气消白方案。

关键词 燃煤锅炉，湿法脱硫，饱和湿烟气，消白，烟气温度，含湿量

近年来，随着环保政策的持续收紧，国内电力行业的燃煤锅炉已基本完成烟气脱硫、脱硝、除尘等超低排放改造，在非电领域，如冶金、煤化工等行业的燃煤锅炉也在逐步配套烟气净化设备，在此趋势下，颗粒物、SO2、NOx等主要污染物已大幅降低。但燃煤锅炉烟气后处理技术的推广也带来了新的问题，例如石灰/石膏法、氨法、氧化镁法等湿法脱硫工艺，占我国脱硫市场的90%以上，经湿法脱硫后形成的湿烟气温度在45℃～55℃，烟气含湿量（水蒸气量与烟气总量的体积比，%）由脱硫前的 2%～5%升至 10%以上[1]。湿烟气会在烟囱口形成白烟现象，进而形成有色烟羽和石膏雨，不仅影响城市景观，而且排烟中的可溶性颗粒物及盐类也是形成雾霾的原因之一[2]；水蒸气的大量逸出极大的浪费水资源，尤其是对干旱缺水地区；白烟带走了大量的烟气显热和水蒸气气化潜热，造成余热的浪费。

有效治理白烟、推广烟气消白技术具有多重意义，符合我国节能减排的能源发展战略。

1 烟气消白的相关地方标准

在烟气超低排放的基础上，近两年全国各省市陆续出台了与烟气消白相关的地方标准，部分省市烟气消白相关标准及要求见表1。从表1可以看出，各地对消除白烟的要求已逐渐由定性转变为定量，照此趋势，未来烟气消白的相关标准会在全国推广，烟气消白已迫在眉睫。

2 烟气消白的原理

白烟的实质是水雾。湿法脱硫后的净烟气基本上处于饱和状态或接近饱和状态，含湿量≥10%，除了烟气本身携带的水滴，出现白烟更重要的原因是饱和烟气在烟囱口与大气混合降温冷却时变成过饱和状态，大量的水蒸气凝结成液态水，因此烟气消白的机理就是将饱和湿烟气变为不饱和状态，防止水蒸气在烟囱出口相变凝结，即在烟囱口不再有液态水形成。对某个状态下的饱和湿烟气，含湿量不变时，提高烟气温度、脱除烟气内的水雾及水蒸气，都可以将烟气变为不饱和烟气，这也是现阶段主要消白技术的原理[3]。

3 烟气消白技术进展

3.1 直接加热法

提高排烟温度可以使烟气中的水雾转化为水蒸气，将饱和湿烟气转化为不饱和烟气，提高烟气扩散能力，由此减轻或消除白烟现象。直接加热法是将高温气体与湿烟气直接混合，达到加热的目的，这种高温气体可以是加热后的空气或脱硫前原烟气。孙栓柱等[4]从空预器中抽二次热风，与脱硫塔出口净烟气直接混合，发现在800 MW负荷下净烟气温度提高了19.6℃，但锅炉效率下降0.47%，发电煤耗平均升高1.63 g/kWh。如果是抽取脱硫前的原烟气与净烟气直接混合，虽然能避免锅炉效率的降低，但会降低脱硫效率，存在排放不达标的风险，尤其在全国推行超低排放标准后，此法已不适用。

表1 部分省市关于烟气消白的相关标准及要求

直接加热法设备简单，投资费用低，在视觉上有较好的消白效果，但其最大的缺点是产生的热损失会降低锅炉经济性，而且并未降低烟气含湿量。

3.2 间接加热法

间接加热法是利用脱硫前原烟气的热量，在换热器中对脱硫后净烟气加热，两种烟气不直接混合。这种技术最初用于增大湿法脱硫后烟气的扩散范围及烟囱的防腐，国内早期建设的湿法脱硫装置基本上都安装了回转式“气-气换热器（GGH）”，通过转子中的传热元件，从原烟气侧吸收热量，在净烟气侧放出热量，通过转子的旋转，实现对净烟气的持续加热。GGH充分利用了烟气余热，不会对锅炉经济性产生明显影响，还能降低脱硫系统的进塔烟温，提高脱硫效率。

根据以往的运行经验，GGH可以有效加热湿烟气，达到一定的消白效果，且技术成熟，工程案例多。但其也存在系统复杂、投资高的缺点，同时换热器运行中的堵塞、腐蚀和漏风问题，会降低整套设备的可靠性，因此近年来很多新建电厂已不再设置GGH[5]。殷文香等[6]指出，安装GGH后，只能改善烟囱口附近的视觉效果，但在离烟囱口较远处，仍有白烟产生。

在回转式GGH的基础上，开发了“热媒水烟气换热器（MGGH）”，后者在原烟气和净烟气中间增加了热媒水作为传热介质，其原理是用原烟气的热量加热介质，再将加热后的介质循环至脱硫塔后，以加热净烟气。与GGH相比，该法同样有消白的效果，占地更小，可避免漏风问题，运行维护费用也更低[7]。尽管如此，MGGH仍然没有从根源上去除烟气中的水分，在冬季、梅雨季和低温天气下的消白效果有限。

3.3 降温冷凝法

降温冷凝法是通过降温的方法，使烟气中的水蒸气发生相变，形成细小的水滴，降低烟气含湿量；同时烟气温度大幅降低，在烟囱口与大气混合时，不再形成过饱和状态，由此达到消白效果。现阶段有成功工程案例的工艺有相变凝聚法和直接喷淋法。

相变凝聚法属于间接换热冷凝，即将除盐水作为冷源在换热器管束内循环流动，净烟气通过管束时，温度降低，水蒸气冷凝后，在管壁上形成液膜，最终形成液滴。谭厚章等[8]将湿式相变凝聚器用于280 t/h的煤粉锅炉上，在高、低负荷下，可将净烟气的温度分别降低2.43℃、2.87℃，满负荷下每小时回收3.28 t～4.32 t的冷凝水。相变凝聚法可以有效降低烟气温度及烟气含湿量，同时达到除尘、脱汞、节能等多种效果。

直接喷淋法属于直接换热冷凝，即脱硫后的净烟气自上而下进入消白装置，采用专用细雾喷枪喷淋降温，将饱和湿烟气的温度从50℃冷却到40℃以下，烟气含湿量降至消白前的23.3%，回收烟气中50%～70%的水分，同时将烟气中残留的颗粒物、重金属、有机物等一并带出并进入排水中[9]，是一种简单有效的冷凝消白技术，在济南热电北郊热电厂已有工程业绩。该法缺点是要求供水温度尽量低，某些厂区的循环水水温难以符合要求；同时对循环水需求量大，要求泵机组功率高。

降温冷凝法虽然能直接降低烟气含湿量，但其最大的缺点是对冷源品质要求很高，在同样的温差下，降温冷凝所需的冷量是升温加热所需热量的近6倍，差距主要来自于湿烟气中水蒸气的冷凝潜热[9]。因此选择该法时，首先要考虑现场是否有合格的冷源。

3.4 冷凝再热法

结合加热法、冷凝法的技术优势，提出了冷凝再热的方案，其工艺流程是先通过降温冷凝，降低烟气含湿量，此过程中烟气一直处于饱和状态；之后升温再热，使烟气变为不饱和状态，以消除白烟。与冷凝法相比，再热后烟气的不饱和程度大幅提高，使得前期冷凝的幅度需求降低，大幅减少了总体能耗；与加热法相比，烟气含湿量降低后，烟气再热的幅度也大大减少，还能回收水资源，带出粉尘、Hg、SO3等污染物。在工程设计中，降温、升温幅度的减小，使消白系统可以选择低品质的冷源热源，对换热器的结构、材质、换热面积要求均有所降低。舒喜等[10]以300 MW燃煤机组为研究对象，发现脱硫塔出口50℃的湿烟气，冷凝至40℃后再热至71.1℃方案的投资、阻力、能耗综合最优。

冷凝再热法是一种比较彻底的消白技术，在节能、节水方面的综合优势较为明显，符合国家节能减排的政策要求，是现阶段可行性最高的方案。该法的主要缺点是至少需要两台换热器，增大了设计和施工的复杂程度，增加了建设改造成本。

3.5 溶液吸收法

溶液吸收法是采用蒸气压较低的LiBr、LiCl、CaCl2等溶液作为吸收剂，湿烟气与溶液直接接触，当溶液表面的饱和蒸气压低于烟气内水蒸气分压力时，水蒸气即冷凝进入溶液；对稀溶液加热蒸发浓缩，即可再生利用。影响溶液吸收效率的主要因素有溶液种类、浓度、温度等。目前溶液吸收法在空调领域已有广泛应用，在湿烟气治理上还处于起步阶段，吕扬等[11]用CaCl2溶液在降膜管中对湿烟气除湿，发现CaCl2对40℃～60℃的饱和湿烟气均有很好的效果，最大除湿效率为70%；除湿溶液浓度不宜超过45%；溶液温度越高，除湿效率越低。

溶液吸收法在效率、能耗方面有很大的优势，除湿后的烟气直接变成不饱和状态，无需加热或降温。其缺点是溶液成本高、腐蚀性强，溶液的盐结晶颗粒可能会被烟气带出，提高排烟颗粒物含量。在吸收剂选择上，CaCl2的吸收能力要略低于LiBr和LiCl，但其价格不到后两种的10%，综合考虑吸收性能、使用寿命、原料价格等因素，最适合用作烟气消白吸收剂的是 CaCl2溶液[12]。

3.6 旋流除湿法

由于脱硫系统后安装GGH的高成本，近年来国内很多燃煤锅炉均采用了湿烟囱的工艺，旋流除湿法就是在湿烟囱内加装旋流板，使湿烟气在经过旋流板时快速旋转产生离心力，由于气液密度差异，气体顺着通道继续流动，烟气中的水雾则被甩到板壁上形成水膜，最终凝聚成大颗粒液滴落下。影响旋流法除湿效率的主要因素有旋流板的结构和安装位置、烟气流速。戴丽萍等[13]在180 m高的湿烟囱内加装旋流板，研究了烟囱内部的流场分布和水滴运动特性，发现随着旋流板叶片仰角减小，除湿效率先增大后不变，压力损失逐渐增大；旋流板安装高度的增加，降低了除湿效率并增大压力损失；最终选择45°叶片仰角、安装位置在30 m高度时达到除湿效率和压力损失的最优结果。程峰等[14]发现烟气流速越大，离心力越大，除湿效率越高，但压降也会急剧增加，因此需结合整套脱硫消白系统，选择最优流速值。

类似于脱硫塔内常用的除雾器，旋流板依靠自身结构产生除湿效果，不需要额外的运行电耗，具有负荷大、压损低、结构简单的优点，且凝聚带出的液滴也有部分除尘效果。但此法只能去除液态水雾，对水蒸气没有脱除效果，即只能起部分消白作用，并不能彻底消除白烟。

3.7 其他方法

除了上述技术，对脱硫系统的某些设备和工艺参数进行优化改造，也能起到一定的消白作用。例如在脱硫塔内设置多级除雾器、在除雾器前增加导流板、强化除雾器的冲洗等措施，都可以增强烟气中水雾的捕集效率；脱硫塔内烟气流速过快，会携带大量浆液逃逸，同时削弱除雾器的除雾能力，因此可以适当降低塔内烟气流速[15]。

脱硫塔后安装湿式电除尘器也能对消白起到辅助作用，但由于其同样只能捕集液态水雾，对占大部分的水蒸气没有消除效果，所以仅能回收湿烟气中不到1%的水分，且不能回收余热[9]。

4 结 语

在现阶段的多种消白技术中，直接加热法、间接加热法、降温冷凝法、冷凝再热法是利用温度升降改变湿烟气的饱和状态；溶液吸收法、旋流除湿法、除雾器改造、安装湿电等是利用吸收或机械作用，使水蒸气、水雾凝聚，从而降低烟气的含湿量。这些技术均能消除或减轻白烟现象，也有相应的工程业绩支撑，但各工艺也有自己的劣势。综合考虑消白效率、投资成本、施工难度等因素，认为冷凝再热法是目前可行性最高的方案。

冷凝再热法的大规模推广需要解决以下问题：（1）廉价冷源，可充分利用厂区的循环冷却水和冷冻水，设计最优供排水方案；（2）换热器的形式，以及可能出现的堵塞、磨损、腐蚀问题；（3）加装换热器后，对整个系统压力损失的影响。在安装换热器的同时，也可以对除雾器、烟气流场、塔内喷淋等湿法脱硫工艺进行优化改造，多种方法相互配合，达到更好的消白效果。