燃煤电厂节能型烟羽消除的烟气深度净化技术探讨

李 晨

（山西省科技成果转移转化促进与数据监测中心，山西 太原 030000）

1 湿烟羽的定义及污染物分析

在全世界范围内煤炭一直都是主要一次能源，其广泛应用于电力、焦化、钢铁和化工等行业，由于煤燃烧或煤气化，烟气必须进行处理，常用的方法是尾部烟气湿法脱硫和催化还原或非催化还原脱氮。为了达到超低排放，脱硫塔喷淋层数逐渐增多，使得脱硫塔出口烟气中的水含量逐渐增大，饱和湿烟气经烟囱排放进入温度较低的环境，饱和湿烟气在环境中扩散与空气混合过程中，烟气中的水蒸气会凝结形成小液滴，小液滴对光线产生折射、散射作用，从而使烟囱出口的烟羽呈现白色或者灰色，称为“湿烟羽”（俗称“大白烟”）[1]。一方面，湿烟羽造成大量水分流失，电厂运行能耗增加，且引起电厂周围居民的生活困扰而产生环保投诉；另一方面，无论是哪种湿法脱硫工艺，湿烟羽中含有脱硫剂、副产品、SO3和酸雾气溶胶，及氨法工艺逃逸的氨，这些会引起烟囱腐蚀和空气质量变差[2]。

湿法脱硫装置对SO2的脱除效率高于97%以上，但对SO3的脱除效率只有30%左右。烟气中SO3进入湿法脱硫系统后迅速冷却到酸露点以下，绝大部分通过均相成核形成细小SO3气溶胶，它们主要集中在亚微米级粒度范围。大液滴酸雾可在喷淋塔中与浆液滴碰撞进而被浆液吸收除去，而气溶胶颗粒在气流中跟随性好，可以绕过浆液滴不与液滴发生融合，因此通过浆液洗涤吸收SO3的脱除作用有限，大部分SO3仍随烟气被带出脱硫塔外[3]。

“湿烟羽”或“蓝羽”现象，这是目前燃煤行业面临的突出环境问题之一，已经逐渐引起了业内人士的重视，“湿烟羽”消除及微量污染物脱除势在必行。

2 国内外湿烟羽控制技术及发展现状

目前，主要有两大类燃煤烟气污染物控制技术：尾部烟气FGD 脱硫+SCR 脱销和炉内石灰石脱硫+SNCR 脱销+炉外半干法深度脱硫。尾部烟气FGD 脱硫+SCR 脱硝技术在火电厂得到广泛应用，尽管在稳定性、安全性方面存在着氨逃逸率高、空预器积灰严重、石膏难以处理且排烟含水量大、湿烟羽等突出问题，但其能够满足国家要求的火电机组超低排放限值：烟尘质量浓度为5 mg/m3、SO2质量浓度为35 mg/m3和NOx质量浓度为50 mg/m3[4]。

燃煤电厂超低排放改造技术中，采用低低温电除尘器、湿法脱硫装置和湿式静电除尘器对SO3进行协同控制。低低温电除尘器协同脱除SO3的效率，目前研究结果存在较大差异。对实际运行机组进行测试结果显示，在机组满负荷运行时，低低温电除尘器对SO3脱除率为20%左右。

3 山西省产业发展现状

山西是全国十大火电大省之一。截至2020 年底，山西省发电装机容量达到1.038 亿kW，其中，新能源发电装机容量3 282.7 万kW，占全省装机容量的31.6%。

菲达环保参与的山西大唐国际临汾热电有限责任公司2×300 MW 机组烟羽脱白项目，采用浆液冷凝烟羽脱白项目，然而并未充分考虑烟气消白后冷凝潜热的利用。山西焦化股份有限公司采用间接式换热技术回收烟气中的显热，降低烟气温度，实现焦炉烟道内的余热回收，余热利用烟温大于140 ℃，相比脱硫后净烟气属于较高品位热源。长治兴宝钢铁有限公司采用双循环低温余热发电技术对轧钢产线乏汽余热进行利用，建成功率250 kW、压力0.5 kg 的乏汽发电机组，可实现60 ℃～150 ℃低品位余热的发电，目前已经稳定运行超过7 000 多个小时，共发电55 万kW·h。

以燃煤发电机组为例，烟气在脱硫塔内经过绝热湿饱和过程后降至50 ℃左右，含有大量的水蒸气潜热。由于当前低温余热技术利用的限制，水蒸气潜热随烟气直接排放到环境中，造成余能的浪费。而当前低温余热利用技术，最低可以对60 ℃的烟气进行余热发电，缺乏更低品位的余热利用技术。因此，开发低于50 ℃的低温余能利用技术对于提高能源利用效率，减少污染物排放具有重要意义。

4 山西省在烟羽消除方面所做的探索

山西大学邱丽霞等人基于600 MW 空冷机组，考察了烟气余热用于加热净烟气和用于加热凝结水两种余热利用方式，从热力学理论和经济效益两方面对低温烟气处理系统中两种烟气余热利用方案进行了对比分析，未进行实际示范应用。太原理工大学胡杰锋等人研究了排烟温度对燃气发电锅炉热效率的影响，对比分析冷凝式烟气余热回收和热管式烟气余热回收的技术特点，以及实际应用过程中在运行成本、热效率、系统稳定性等方面的问题。何川等人以600 MW 机组为对象，采用等效热降法，对比研究了低压省煤器、暖风器-低压省煤器联合运行和分烟道等3 种余热利用方案，对余热利用经济性进行了分析。

从上述省内技术研发现状调研可以看出，当前省内主要高校与科研机构主要针对烟气中的显热进行利用，以提高机组热利用效率，缺乏对低温烟气中水蒸气潜热利用的研究。另外，对比低品位余热用于发电与用于供热这两种方式，从热量的“质”和“量”两个角度出发考虑，城镇集中供暖是低品位工业余热应用的适宜场合[5]。

5 烟羽消除技术的研究方向

当前，国内主要采用冷凝、加热、加热再冷凝三种技术方案解决烟羽问题。首先是烟气加热技术，可采用间接式加热方式和混合加热方式，可以在一定环境温度条件下消除烟羽问题，但是不能起到降低烟气绝对湿度的效果，也不能进一步深度脱除多种污染物。其次是烟气降温技术，可以回收一定的热量和水分，同时脱除多种污染物，具有一定的消白烟能力，但是在实际应用过程中，腐蚀问题难以解决。最后是烟气冷凝后再加热技术，可以有效消除白烟问题，但是系统阻力较高，热量回收效果较差，同时腐蚀问题也很严重。

针对节能型烟羽消除与多种污染物同时脱除的技术要求，下一步的研究方向将会采用直接接触式冷凝换热技术回收烟气中的潜热，降低烟气露点温度，以气液反应器的形式实现烟气降温除湿，这样不但大幅度提高了换热效率而且可以避免间接换热过程中的烟气冷凝问题。采用吸收式热泵技术，可以实现烟气中潜热的回收，用于居民供暖，实现低温余热的高效利用。采用流型调控装置强化喷淋塔内气液接触时的传热传质效果[6]。通过气液流型调控装置改变局部气液流动状态，改变颗粒物捕集机制，由单个喷淋环境下单个液滴的碰撞捕集为主，转变为气泡流动过程中的多种捕集方式共同主导，强化了多尺度颗粒物捕集效果[7]。

直接接触换热克服了间壁式换热存在的换热面积大、腐蚀等问题。目前国内外有关研究中，清华大学对这部分研究较多，建立了数学模型，并进行了理论和实验研究。由长福提出的喷淋式吸收塔内的增加减阻流场组织技术，可以以较低的成本提高塔内气液流场分布的均匀性，增强气液传质效果，并通过中式试验与现有多孔合金托盘进行了对比，在控制系统阻力方面具有显著的优势；提出的气液流型调控技术，可以有效的改变局部空间内气液流动状态，使之产生鼓泡流、搅混流等不同的流动形态，强化气液接触面积，提高传质效果，同时可以提高颗粒物捕集效果；通过实验室尺寸和中试尺寸的实验考察并得到了结构参数与操作条件对流动状态、污染物脱除效率的影响，并进行了工业示范应用。

6 结论

开发烟气低温余热利用技术，消除有色烟羽问题，实现多种低浓度污染物脱除对于带动山西节能与环保行业发展、促进能源与经济转型具有重要意义。

采用吸收式热泵和直接接触式换热相结合技术，目的是深度回收烟气冷凝余热，提高热源供热效率、增加热源供热能力。通过深度回收烟气余热，可大幅度提高燃煤锅炉的热效率，降低煤炭消耗量。在回收余热的同时使脱硫塔后烟气中的水蒸气冷凝，减少水蒸气的排放量，从而减少水消耗，节省水资源。同时实现烟气中多种浓度的污染物的深度脱除，对于提高发电机组热利用效率，控制排烟污染物水平具有非常重要的意义。