摘要：本文主要从燃煤电厂湿法烟气脱硫余热利用及烟气消白技术路线及方案进行分析和探讨，主要包括烟气余热利用和消白的政策背景、白烟羽产生的原因和危害、余热回收和消白技术路线、主要装置及设备介绍等方面的内容。本文结合工程实例介绍，提出一种针对燃煤热源厂湿法烟气脱硫烟羽治理及余热利用的有效路线，为电厂烟气拖尾治理提供借鉴。

1.引言

      为实现“蓝天保卫战”，建设“美丽中国”，国家出台了一系列与“超低排放”和“节能减排”相关的政策和标准，目前多数电厂在烟尘、SO2、NOx等污染物的排放指标方面均能达到国家排放标准的要求，实现了超低排放，使得主要污染物排放总量减少，环境得到极大改善。
      在烟气脱硫治理方面，以石灰石-石膏法为代表的湿法脱硫依然是环保市场的主流工艺，脱硫后的湿烟气含有大量的水分、可溶性盐和石膏颗粒等，这些物质以气溶胶的形式进入大气，湿烟气与温度较低的环境空气接触时，在烟气抬升扩散的过程中，饱和或是接近饱和的湿烟气由于温度降低会产生冷凝及凝结，烟气中形成大量的凝结水滴对光线产生折射、散射，从而出现“烟羽”，影响城市居民生活和城市感观。
      自2016年起，已有多省、地市、直辖市发布了与烟气“消白烟”相关的政策、文件，要求采用温度控制、湿度控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象。
      另外，湿法脱硫后烟气为饱和或过饱和状态，其中水蒸气占比在12%-16%，烟气中的水蒸气会携带大量的汽化潜热，如果将此部分热量进行回收，即可实现节水、余热利用的目的。
      传统的消白工艺是采用烟气再热器，业内称GGH(Gas-Gas Heater)，通过湿烟气与干烟气间接换热将其温度抬升到80℃以上排放。采用GGH再热器的优点是只需一组换热器，但是在应用中出现了堵塞、腐蚀、串烟导致排放超标等一些问题影响了电厂的正常运行。本文针对中小型电厂余热利用烟气拖尾现状，结合工程实例，提出一套行之有效的余热利用和烟气消白的技术，通过氟塑料换热器有效解决GGH占地面积大、腐蚀、结垢、操作维护复杂等缺点，突破环保瓶颈。
 

2.白烟羽产生的原因和危害

      湿法脱硫之所以会产生白烟,是因为在湿式脱硫系统中,脱硫剂溶液和高温烟气直接接触,使烟气被增湿冷却,而脱硫剂溶液中的水分则吸热汽化,导致烟气中的水蒸气总量大大增加。而随着脱硫过程的进行,烟气温度逐渐降低,烟气温度的降低使烟气携带蒸汽的能力降低,如蒸汽总量超出了烟气的携带能力,就会有大量的水蒸汽凝结为小水滴,湿烟气直接排放形成白烟，如图一所示。

                                                 图一：烟气拖尾和雾霾

白烟羽产生的危害如下：
1）视觉污染
      电厂通常位于城市近郊，周边居民较多，整日看见烟雾将对其生活造成负面情绪。若烟雾泛出异色更是容易使电厂遭到周边居民投诉。对电厂而言，巨大的烟雾无法不让人联想到巨大的污染，烟羽严重影响到了电厂及城市形象。
2）形成雾霾
      时下社会最热点的话题之一就是每况愈下的空气环境，以雾霾为首。电厂锅炉超过90%是湿法脱硫，排放温度在50℃~60℃的饱和湿烟气，湿度100~200g/Nm3（克/标方），而我国大气的平均湿度仅为9g/Nm3，锅炉湿法脱硫排烟湿度为大气平均湿度的10倍以上。而研究表明，湿度越大的烟气，越难以扩散。同时，烟温越高越容易扩散。忽视排放烟气的温度与湿度一直为舆论所诟病。
3）石膏雨问题日趋严重
      湿法烟气脱硫（WFGD）出口净烟气温度低、湿度大，并夹带很多细小的液滴，烟囱附近常会出现“降雨”现象，影响局地气候。
“石膏”是烟气中夹带的石膏浆液随烟气排放落到地面形成的。脱硫装置净烟气中的石膏浆液主要来源于吸收塔喷淋层喷嘴雾化后的细小液滴，石膏浆液经喷嘴雾化后雾滴直径一般在920μm，经碰撞后会产生少量在15μm左右的雾滴。除雾器无法拦截15μm以下的雾滴，因此净烟气中有一定量的石膏浆液是必然的。而且如果烟气在除雾器中的流速超过设计值，除雾器的效果将大大降低，除雾器也会在高速的烟气下生二次携带现象，大量的石膏浆液将会随烟气被带入烟囱，形成净烟气带浆现象。
      烟气中凝结的液态水与净化烟气中残存的SO2会生成亚硫酸液滴，在氧气的作用下，亚硫酸会进一步转化成腐蚀能力更强的硫酸液滴，在烟囱内形成的硫酸液滴对烟囱构成露点腐蚀，缩短烟囱使用寿命。在烟囱外部，因蒸汽冷凝形成的硫酸液滴则以酸雨的形式回落至地面，进而加剧烟囟周围设备的腐蚀速率。
 

3.余热回收和消白技术路线

3.1.烟气脱白原理图

      湿气体的饱和含湿量与湿烟气压力和饱和温度有关，压力、饱和温度越高含湿量就越高。湿法脱硫后的烟气表压为几百帕的微正压，可以近似视为恒定绝对大气压。在恒定大气压力下，湿烟气的饱和含湿量只与饱和烟气温度相关，这在许多相关技术手册中都可以查到，也可以计算。为方便讨论，以1Nm3的干烟气为基数，将其饱和含湿量与饱和温度的关系列于表一。烟气脱白原理图见图二。
表一：湿烟气的饱和湿度与温度的对应关系
湿烟气饱和温度，℃ 温度，g/Nm3
 

表一：湿烟气的饱和湿度与温度的对应关系

                                                      烟气脱白原理图

  图二：烟气脱白原理图

通过机理分析湿烟羽治理的主要技术路线有两种：

      1.直接加热：目前湿法脱硫后放散湿烟气的状态点：平均温度~45℃、含湿量为84.1g/Nm3。在湿烟气饱和含湿量不变的条件下，通过间接换热方式将烟气温度升高到80℃，则烟气的相对湿度就从100%降低到16%，成为干烟气排放，属于升温除湿。但烟气中残留的细颗粒粉尘、硫化物、酸碱重金属等随着烟气排放至大气中，对大气造成污染。
      2.先冷凝再加热：适应范围最广，一定条件下技术经济性能好。首先对净烟气进行冷凝除湿，降低烟气中含有的水分比例。然后再对烟气适当加热小幅度的温度，再送入烟囱排放。加热的方式，可以选用水媒式MGGH或者GGH方式，根据项目实际情况决定。

      冷凝除湿为主的混合除湿脱白技术：将脱硫后~45℃湿烟气深度冷凝冷却到35℃左右，然后再升温到60℃效果更好，烟气提升后，烟囱抽力增加，便于排烟。采用湿烟气冷凝除湿再热技术有以下特点：

      1）湿烟气的饱和含湿量从84.1 g/Nm3降低到47.45g/Nm3以下，与大气含湿量接近，实践证明可以实现除湿脱白，从而有助于解决我国的大气雾霾污染。
      2）回收湿烟气中的冷凝水，吨煤燃烧排烟水分减少0.8吨以上。全国脱硫预计年回收超过四十亿吨水，超过全国海水淡化的总量，脱硫不仅不耗水，还能回收煤中的大部分水份，经过适当的处理后为脱硫或锅炉提供补充水，应该被视为一个新的非常规水源。
      3）湿烟气中含有一定的余热，每立方米干烟气的余热量~228kJ，大致相当于燃煤低发热量的10%，回收用于民用采暖、热水、制冷或低温发电，预期可抵顶除湿成本。
      4）冷凝除湿还有一个重要作用，就是可以将残留的细颗粒粉尘、二氧化硫、酸、重金属等大部分污染成分大部分冷凝进入排水中，是实现燃煤锅炉放散烟气低成本达标、甚至超低近零排放的可选择技术之一。
      5）除湿后烟气中含水汽量减小，使得烟气再热所需热量减小，烟气再热后不需要加热至80℃就可以达到很好的脱白效果。
      6）可以通过技术手段和设备回收烟气中大量的汽化潜热，并将低温热转化为高温热，如果将此部分热量进行回收，即可实现节水、余热利用的目的。

3.2.设计基础数据

      以一台75t/h循环流化床锅炉为例，设计相关的基础数据见表二和表三。

                                               表二：设计基础数据和要求

                                               表三：75t/h锅炉烟气量数据

3.3.工艺路线

                                                    图三：工艺路线图

       烟气经过脱硫后，温度为43℃，设计经过喷淋塔降温后为33℃，烟道的烟气量12万立方米，喷淋液循环量300m³/h，供回水温差为35/25℃，循环冷却水中蕴含大量的热量，采用水源热泵系统回收所排放出的热量，加热一次管网回水，回水温度由60℃提升到65℃，从而减少了一次能源消耗，实现了能量的有序利用,发展了循环经济。

       利用烟气再热器将冷凝器出口烟温提升至60℃左右，热源来自管网一次水。增设的烟气再热器系统布置在冷凝器与烟囱入口之间水平烟道上。冷凝器和再热器均采用改性氟塑料。

4.主要装置及设备介绍

4.1.吸收式热泵

       吸收式热泵是消耗较高品位的热能来实现将低品位的热能向高品位温度区传送的目的。吸收式热泵通常由蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器及节流阀等组成。吸收式热泵工质中最常见的有水-溴化锂（工质为水，吸收剂为溴化锂）、氨-水（工质为氨，吸收剂为水）及其他。吸收式热泵又可按其供热温度的高低分为第一类吸收式热泵（增热型）、第二类吸收式热泵（升温型）。前者供热的温度低于驱动热源，而后者供热的温度高于驱动热源；前者以增大制热量为主要目的，而后者以升高温度品味为只要目的。

本项目所选离心式热泵的特点：

       ①　单机制热量大，机组数量少，机房土建费用少，节省初投资。
       ②　离心热泵根据电厂实际工况设计，能效高，运行费用省。
       ③　离心热泵采用10KV的电机，无需高低压变电，配电部分投资省。

4.2.氟塑料管式烟气换热器

       氟塑料管式烟气换热器是以小直径氟塑料软管作为换热元件，主要采用的是聚四氟乙烯（PTFE）或者其改性材料聚全氟代乙丙烯（FEP）和可熔性聚四氟乙烯（PFA）作为软管制造原料。由于氟塑料具有极强的耐腐蚀性、良好的表面不沾性、较宽的温度范围和耐老化等优点，因此氟塑料管式换热器具有以下特点：

     （1）优异的耐腐蚀性能，对烟气成分及酸露点温度无要求
由于聚四氟乙烯属化学惰性材料，除高温下的元素氟、熔融态碱金属、三氟化氯、六氟化铀、全氟煤油外，几乎可以在所有的介质中工作，因此氟塑料换热器对烟气成分没有特殊要求，对换热器管壁温度和烟气酸露点没有特殊要求。
     （2）换热管表面光滑，不积灰，不结垢，易清理
由于聚四氟乙烯管的化学惰性、表面光滑性、绕曲性和高膨胀系数，使换热管表面及内壁都十分光滑，管外烟尘不易粘结、堆积，管内热媒在换热面很难结垢，可以大大减少了设备的维护和清洗次数，保证了其能在相对稳定的传热系数下长期安全运行。同时，由于氟塑料不怕酸腐蚀，可以设置在线水冲洗对其进行清灰，清灰方便、彻底。
     （3）薄管壁，换热性能良好，体积小
氟塑料换热器采用的是薄壁管，壁厚0.3～1mm，所以克服了聚四氟乙烯材料导热系数低的缺点，换热器整体换热性能良好。同等换热量量的情况下，氟塑料管换热器的体积是金属管换热器体积的1/4。
     （4）柔性疲劳强度高，经久耐用
聚四氟乙烯具有较高的柔性疲劳强度，且不含光敏基因，具有优异的耐大气老化性，因此其加工的管材经久耐用。
在焊接强度保证的情况下，运行中氟塑料换热管不会发生应力开裂，无泄露风险，基本可以做到免维护。
     （5）耐温耐压性能良好
聚四氟乙烯的使用温度为-180～+260℃，其加工的氟塑料软管可在200℃以下的各种强腐蚀性介质中良好运行。经过测试，壁厚小于0.3-1mm 的小直径氟塑料软管可在≤1.0MPa 的压力下，长期安全工作，因此其可以满足除盐水烟气换热需求。
     （6）优化的结构设计
换热器采用模块化设计的垂直悬挂结构，结构简单，强度可靠，便于安装和检修更换，能够很好的吸收因温度变化引起的热变形。
     （7）全面的防腐保护
换热器的换热元件采用耐腐蚀的氟塑料管，所有的支撑结构件均采用碳钢衬氟塑料材料，连接螺栓采用2205合金材料，避免了材质腐蚀，最大限度地延长了换热器的使用寿命。
     （8）在线冲洗系统
换热器的水冲洗系统采用在线固定式高压水冲洗装置，并装设有深入式冲洗支管，可以冲洗到管束内部，保证了良好的冲洗效果，避免了灰尘的堆积与结垢。

5.结语

       目前针对脱硫湿烟气消白的技术路线有十几种，本路线是我单位结合消白的机理、国家政策标准、工程投资、运行费用、工程实践等制定的专门针对中小型热源厂的一条专门化技术路线，此技术路线在实现烟气消白的同时还可以实现烟气余热利用，节约能耗和水耗，通过回收的热源效益和节约的标煤成本逐年抵消工程投资，达到收回工程投资的目标。总之，本路线可在实现环境效益的同时，实现一定的经济效益和节水效益。

参考文献

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