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山西大學程芳琴教授團隊：燃煤電廠白色煙羽消除技術現狀與展望
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| 發布時間：2020.11.08 新聞來源：潔凈煤技術 瀏覽次數： |
我國的能源結構決定了在未來較長一段時間內煤炭仍然是我國最主要的一次能源。煤炭在我國一次能源消費量中占比達66%，而我國煤炭消費總量占全球煤炭總量的50%。燃煤過程中產生大量的SO2，對環境危害巨大，是造成酸雨、土壤酸化及水質污染的主要原因之一。因此國家出臺政策，要求燃煤電廠進行“超低排放”改造，煙氣中SO2排放濃度不超過35 mg/Nm3。
石灰石-石膏濕法脫硫技術簡單成熟，在我國燃煤電廠脫硫工藝中應用廣泛。該工藝通過石灰石漿液噴淋方式，使石灰石漿液與煙氣中的SO2直接接觸反應，從而脫除煙氣中的SO2。由于石灰石濕法脫硫過程為放熱反應，故漿液中的部分液態水受熱蒸發為水蒸汽，導致煙氣濕度接近飽和甚至過飽和。濕煙氣通過煙囪排放到大氣環境后，由于環境溫度較低，濕煙氣中的水蒸汽迅速凝結成小液滴，在光折射、散射作用下，煙囪出口的煙羽呈白色，形成白色煙羽。經檢測，飽和濕煙氣中含有大量水分、可凝結顆粒物和水溶性離子，直接排放不僅造成水資源浪費，且會加重灰霾的形成。
針對濕法脫硫后濕煙氣排放引起的白色煙羽問題，國內部分省市（如上海、河北、山西、浙江等）相繼出臺政策，要求通過調節煙氣出口溫度或濕度來消除煙羽。隨著燃煤電廠超低排放改造的推進，白色煙羽將是電廠面臨的又一個重大環境問題。若能有效解決濕法脫硫后飽和濕煙氣排放形成的白色煙羽問題，不僅能實現電廠近零排放，加速推進灰霾治理，而且還能回收煙氣中的水分，預計年節水量可達幾十億t 。
1、白色煙羽形成機理
白色煙羽的形成機理可通過飽和濕煙氣的溫-濕曲線描述，常壓下飽和濕空氣溫-濕曲線中，A點為脫硫塔出口飽和濕煙氣狀態，此時煙氣濕度達到飽和，溫度為45～55 ℃，C點為環境中空氣狀態（視天氣及冬夏季節變化）。煙氣從煙囪排出后與環境空氣接觸混合，煙氣狀態從A點沿AB變化到B點，煙氣所攜帶的水蒸汽在該變化過程中凝結成液滴，在光折射和散射作用下，視覺上呈白色或灰色，形成白色煙羽。煙氣狀態達B點后，繼續與環境空氣接觸混合，此后煙氣不再是飽和狀態，煙氣狀態由B點沿BC移動至C點，該變化過程中不再有水蒸汽凝結成液滴。
2、白色煙羽消除技術
根據煙羽形成機理，若消除濕煙羽需在一定程度上改變煙囪出口的煙氣狀態（溫度或濕度），使煙氣在排放到大氣時不會有小液滴析出，從而避免白色煙羽現象產生。根據改變煙氣初始狀態的方式，消白技術可分為：① 通過換熱消除白色煙羽，即在煙氣排入大氣前，通過加熱或冷卻煙氣改變煙氣的狀態點，包括煙氣冷卻技術（路徑A—F—C）、煙氣加熱技術（路徑A—B—C或A—G—C）、煙氣冷凝復熱技術（路徑A—D—E—C）等；② 其他消白技術，主要有旋流除濕技術、溶液除濕及膜法除濕技術。但目前常用的治理濕煙羽技術主要采用換熱方式，第2類技術雖然從原理上有助于消除白色煙羽，但并未針對白色煙羽而制定相關的規范和標準。
2.1 煙氣冷卻消白技術
根據煙氣與換熱介質的接觸形式，煙氣冷卻消白技術可分：① 采用間壁式冷卻換熱器；② 采用直接接觸式冷卻換熱器。
1）間壁式冷卻技術是煙氣與換熱介質不直接接觸，水蒸汽在換熱器表面凝結成液滴后，滴落至換熱器底部的凝結水回收裝置，該技術的傳熱阻力較大，換熱效率較低，對換熱器材質要求較高，但可保證冷卻水側水質穩定。
2）直接接觸式冷卻技術主要以噴淋塔作為換熱設備，冷卻介質（一般是水）與煙氣直接接觸。該技術雖換熱效率較高，傳熱阻力小，但會導致冷介質受灰塵、酸性氣體等物質的污染。
此外，某些電廠采用漿液冷卻技術，該技術是在脫硫塔噴淋層最頂層漿液入口增設冷卻換熱器，漿液經過換熱器冷卻噴入脫硫塔后與煙氣接觸反應，煙氣溫度可降低2～8 ℃，對消除白色煙羽有顯著效果，但用于冷卻漿液的換熱器存在易堵塞問題。煙氣冷卻技術可回收大量凝結水，且由于煙氣中的顆粒物為水蒸汽的凝結提供了質核，更有利于水蒸汽的凝結，凝結后的液滴對煙氣中的顆粒物也具有捕集、聚并等作用。因此該技術在回收煙氣中水分的同時還具有協同降低或去除煙氣中細顆粒物的作用。但由于冷源消耗、積灰腐蝕、換熱器材質要求較高使投資成本較高，單獨使用煙氣冷卻技術的工程應用較少。
2.2 煙氣加熱消白技術
煙氣加熱消白技術是通過加熱煙氣使濕煙氣處于不飽和狀態，避免其在離開煙囪時形成白色煙羽，主要分為：① 煙氣間接加熱技術，該技術特點是煙氣溫度升高而煙氣中總含濕量不變(圖2中路徑A—B—C），主要包括回轉式換熱技術（RGGH）、管式熱媒循環煙氣再熱技術（MGGH）和熱管再熱技術（熱管式GGH）；② 煙氣直接加熱技術，其特點是煙氣溫度升高的同時煙氣含濕量與煙氣組分均發生改變（圖2中路徑A—G—C），如熱二次風混合加熱技術。
早期國內燃煤電廠大多采用從國外引進的回轉式換熱（RGGH）技術，工作原理是換熱器兩端具有蓄熱和放熱功能的轉子在冷熱兩端循環轉動，換熱轉子從高溫原煙氣側吸收并儲蓄熱量，隨后轉到低溫凈煙氣側再放出熱量使凈煙氣溫度升高。回轉式換熱器具有易腐蝕、易堵塞等缺陷，且易泄漏，即換熱轉子交替在原煙氣和凈煙氣轉動時，會將原煙氣帶入凈煙氣中；原煙氣側壓力大于凈煙氣側壓力時，原煙氣從密封間隙進入凈煙氣側。
管式熱媒循環煙氣再熱技術（MGGH）一般是在空氣預熱器與電除塵器之間設置煙氣冷卻換熱器，在濕法脫硫塔后設置煙氣加熱換熱器，熱媒水在冷熱2個換熱器之間循環流動，原煙氣經過煙氣冷卻換熱器時將熱量傳遞給換熱器中的熱媒水，之后其再將熱量傳遞給脫硫后的凈煙氣，從而使煙氣溫度升高，濕度從近飽和或飽和變為未飽和狀態；該技術可將即將進入電除塵裝置的煙氣溫度降低到合適范圍內，減小粉塵比電阻，提高電除塵的除塵效率，還可合理利用煙氣的余熱提高濕煙氣溫度，提高煙氣的擴散能力，達到減輕或消除白色煙羽現象的目的。
熱管再熱技術（熱管式GGH）通常將裝有熱介質的熱管垂直穿過換熱器殼體，凈煙氣與高溫原煙氣分別在殼體的上、下部流動且方向相逆。高溫原煙氣將熱量通過管壁傳給熱管內的換熱介質，介質吸熱后汽化變為氣體；氣體在壓力差作用下上升至凈煙氣側，將汽化潛熱傳給管外凈煙氣后冷凝，在重力作用下回到高溫原煙氣側，該技術通過換熱介質的相變實現將高溫原煙氣的熱量傳遞到凈煙氣側。熱管再熱技術傳熱效率較高，且可避免泄漏問題，另外由于熱管元件相互獨立，即使存在單根或數根熱管損壞，也不會影響整體的換熱效率。
熱二次風加熱技術是將空預器一定量的熱風直接引入凈煙氣中，混合后凈煙氣溫度升高。國華臺山發電廠燃煤機組鍋爐煙氣脫硫系統均采用濕法煙氣脫硫工藝，為了避免濕煙氣直接排放后形成白色煙羽以及酸性氣體凝結對煙囪腐蝕等問題，采用熱二次風加熱凈煙氣方式提高煙囪排煙溫度，其煙風混合段采用擴縮管煙道，保證煙-風迅速混合均勻的同時，對二次風起引流作用，混入熱二次風后，減輕了煙氣在離開煙囪后形成的白色煙羽現象。
煙氣加熱消白技術是較早用于消除燃煤電廠白色煙羽的技術。其技術相對成熟，且已在工程實例中應用。但難以避免腐蝕和堵塞問題，其中回轉式換熱器（RGGH）由于泄漏問題，目前大多數電廠已將RGGH拆除，而熱管換熱器（熱管式GGH）冷端的腐蝕和堵塞問題是影響其在工業應用的重要原因，雖管式熱媒循環煙氣再熱技術（MGGH）通過改進可避免泄漏問題，但MGGH換熱設備占地面積大、投資費用大、運行成本高、能耗較大等問題突出。熱二次風混合技術雖避免了堵塞、腐蝕等問題，卻要求鍋爐系統二次風有富余。煙氣加熱消白技術僅通過加熱改變煙氣在煙囪出口的狀態點，達到視覺上的消白，并無法回收煙氣中含有的大量水蒸汽及其夾帶的顆粒污染物。
2.3 煙氣冷凝復熱消白技術
煙氣冷凝復熱消白技術是將冷卻消白技術和加熱消白技術相結合（圖2中路徑A—D—E—C）。該技術先通過冷卻技術使煙氣溫度降低，煙氣中的水蒸汽達到過飽和形成凝結水，將凝結水收集后，由煙氣再熱裝置提高煙氣溫度。在冷凝過程中同時會脫除一部分污染物，隨后煙氣經再熱可從視覺上消除白色煙羽。該技術的優點是煙氣經過冷凝后，其含濕量大幅降低，使加熱過程所需要升溫的幅度減小，說明可采用品位更低的熱源，但冷凝復熱技術也存在冷卻和加熱技術的缺點。
綜上，3種消白技術均是通過換熱方式實現減輕或消除白色煙羽，但均存在能耗過大、積灰腐蝕嚴重、換熱設備材料要求較高、投資成本大等問題。
2.4旋流除濕技術
由于GGH成本高、能耗大等問題難以徹底解決，國內燃煤電廠均取消GGH，采用濕煙囪排放煙氣，旋流除濕技術已被許多電廠用以減少濕煙氣的含水量。旋流除濕技術是將旋流板安裝在煙囪內，濕煙氣通過煙囪內的旋流板時產生離心力，由于氣液兩相之間的密度差，煙氣中的水霧或小液滴被甩向壁面，同時液滴之間發生聚并、碰撞等作用形成大液滴后下落。
旋流除濕技術依靠其自身的結構特性達到除濕效果，且不需消耗電能，具有負荷大、壓降低和結構簡單等優點。類似于旋流除濕技術的還有安裝除霧器或濕式電除塵器，雖通過捕集濕煙氣中部分液滴可起到一定的消白作用，但對于水蒸氣無去除效果，并不能徹底消白。
2.5溶液除濕技術
溶液除濕的本質是傳熱傳質過程，其原理是水蒸汽在溶液與煙氣之間的遷移，而遷移動力來源是兩相之間的水蒸汽分壓差，可同時完成蒸汽潛熱的釋放吸收和煙氣中水分的回收。吸濕后的稀溶液經加熱后，溶液表面的水蒸汽壓力高于氣相的水蒸汽壓力，稀溶液中的水再次轉移到氣相中，這是除濕溶液的再生過程，再生后的濃溶液可進行再次除濕吸水操作，形成溶液除濕和再生的循環過程。加熱的熱源可采用60～80 ℃的太陽能或工業余熱等低品位熱源，若能有效利用燃煤煙氣余熱，可進一步提高燃煤電廠能量利用效率。
2.6膜法除濕技術
近年來隨著膜技術的發展，膜材料與膜技術逐漸進入各工業領域，膜法除濕技術是基于膜科技的發展而產生的技術，其基本原理是水蒸汽的濃度梯度與膜的高效選擇透過性。
美國能源部和氣體技術研究所于2000年開發了一種基于納米多孔陶瓷分離膜的新技術，該技術可從煙氣中提取部分水蒸汽和潛熱，并將回收的水與熱返回至蒸汽系統中，這是通過其傳輸膜冷凝器（TMC）實現的。水蒸汽通過分離膜，遇到低溫水冷凝，同時水蒸汽中的潛熱轉化為顯熱，將低溫水加熱便于后續利用。
目前，雖然基于膜法去除或回收煙氣中的水分相關研究較多，但大多均在實驗室研究階段，主要是由于膜法分離存在濃差極化現象，嚴重影響膜分離效率；且煙氣中存在較多的顆粒物和酸性氣體，對膜造成堵塞和腐蝕。
3、煙氣加壓凝結消白技術
收水及協同高效脫除濕法脫硫后的濕煙氣中夾帶的污染物是燃煤電廠消除白色煙羽的根本目的。因此，高效、低能耗地實現電廠可持續清潔生產是目前解決電廠白色煙羽的重要方向。上述消白技術均是通過常壓條件下換熱調溫實現煙氣消白，作者基于前期工作基礎發現，若能夠通過煙道流場設計、調控，使煙氣瞬間加壓，煙氣壓力為1.5或2倍大氣壓時，其溫濕曲線出現“下移”，相同溫度下含濕量大幅降低，此時飽和濕煙氣中的水蒸汽會凝結成小液滴，再輔以高效分離裝置，在煙氣升壓-凝結的同時將凝結水分離。當煙氣壓力恢復到常壓狀態時，其含濕量降低約22 g/kg（增壓至1.5個大氣壓）。同時，蒸汽凝結會釋放大量潛熱，濕煙氣狀態點會移至點H，煙氣被排入大氣后點H—C的路線不會與溫濕曲線相交，因此不會出現煙氣凝結過程，消除了白色煙羽現象。
煙氣加壓凝結消白技術不需要額外的換熱設備，不僅可有效回收濕煙氣中水蒸汽，且可協同脫除夾帶的細顆粒污染物，實現燃煤電廠多污染物協同脫除。同時，蒸汽凝結液化釋放大量潛熱，提高了煙氣出口溫度，煙氣除濕與加熱協同作用最終保障飽和濕煙氣消白。
4、結語及展望
1）煙氣冷卻消白技術需有冷源保障，適用于沿海城市采用海水作為冷源的企業，內陸城市需配置機力通風塔輔助冷源降溫。煙氣加熱技術是目前應用較廣泛的技術，相比于回轉式換熱器、熱管加熱技術和熱二次風煙氣加熱技術，MGGH具有更好的應用前景。但煙氣加熱技術只能“視覺上”消白，無法回收煙氣中的水分，且對于煙氣夾帶的細顆粒污染物無協同脫除作用。煙氣冷凝復熱技術，結合了煙氣冷卻和煙氣加熱的特點，仍需積累更多的工程應用經驗。通過換熱方式減輕或消除白色煙羽，均存在能耗過大、積灰腐蝕嚴重、換熱設備材料要求較高、投資成本大等問題。
2）旋流除濕技術結構簡單、成本低、能耗低，但對于消除白色煙羽的作用有限。溶液除濕、膜法除濕技術國內外研究較多，目前大多停留在實驗室階段，距離實際工程應用尚早，且大多是針對回收煙氣中的水分，對于消除濕煙羽貢獻較小。
3）煙氣加壓凝結除濕技術利用流場結構瞬間提高水蒸汽分壓使其液化分離。同時，蒸汽凝結液化釋放大量潛熱，提高了煙氣出口溫度，煙氣除濕與加熱協同作用最終保障飽和濕煙氣消白。該技術能耗較小，且在蒸汽凝結過程中飽和蒸汽內攜帶的細顆粒等污染物作為凝結核被凝結液滴協同脫除，是一種極具潛力的煙氣消白技術。
4）目前許多地區已出臺治理白色煙羽政策，但仍缺少統一的規范與標準。應盡快制定符合環保、經濟要求的政策，為各地區治理白色煙羽工作提供指導性意見。另外，不同地區對于消除白色煙羽應根據當地氣候、環境、資源等條件進行合理的工藝設計和設備選型。
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