王沛迪，王雪濤，劉予，任建興

（上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090）

我國(guó)大部分300 MW以上的火電機(jī)組均采用石灰石-石膏濕法脫硫（Wet Flue Gas Desulfurization，WFGD），其比例約占90%以上.運(yùn)行中，氣-氣換熱器（Gas-gas heater，GGH）會(huì)引起嚴(yán)重的腐蝕和堵塞問(wèn)題，增加了電廠的運(yùn)行和維護(hù)成本.德國(guó)、日本和美國(guó)等建設(shè)的濕法脫硫系統(tǒng)基本上不再安裝GGH，而開(kāi)始廣泛采用“濕煙囪”排放技術(shù)，即將脫硫后的凈煙氣直接從煙囪排出.目前，我國(guó)大部分火電廠也采用此技術(shù)，以降低設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用.［1-2］

但是采用“濕煙囪”排放的火電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，易產(chǎn)生“石膏雨”問(wèn)題.連續(xù)的石膏雨會(huì)對(duì)附近居民生活環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也會(huì)影響電廠的正常生產(chǎn)，甚至?xí)鹪O(shè)備腐蝕，威脅電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.［3］因此，本文通過(guò)對(duì)石膏雨形成的主要因素進(jìn)行分析，提出了有效的防治措施.

1 石膏雨的成因與影響因素

1.1 石膏雨的成因

圖1為無(wú)GGH的濕法脫硫系統(tǒng).［4］由鍋爐引風(fēng)機(jī)引出的原煙氣（煙溫為100～130℃）由增壓風(fēng)機(jī)送至脫硫塔內(nèi)，與噴淋的石灰石漿液發(fā)生反應(yīng)后除去SO2，變成飽和煙氣在除霧器內(nèi)除霧，最后，溫度為50～55℃的凈煙氣直接進(jìn)入煙囪排入大氣.

圖1 無(wú)GGH的濕法脫硫系統(tǒng)示意

在脫硫塔中，經(jīng)噴嘴霧化后的石膏漿液成為有一定直徑的霧滴，大部分霧滴會(huì)被除霧器除去，但是部分小直徑的霧滴仍會(huì)被凈煙氣帶出，因此有少量的石膏漿液和凈煙氣一同進(jìn)入煙囪排入大氣.含有飽和蒸汽和石膏的煙氣在低溫時(shí)不能有效抬升和擴(kuò)散，煙氣中攜帶的粉塵及液滴聚集在煙囪附近冷凝形成白色煙霧，落到地面后形成所謂的石膏雨.［5］特別是當(dāng)環(huán)境溫度較低或陰霾天氣時(shí)，石膏雨問(wèn)題更加嚴(yán)重.

1.2 影響石膏雨形成的因素

影響石膏雨形成的因素有很多，主要包括凈煙氣溫度、除霧效果、煙囪設(shè)計(jì)、環(huán)境因素、運(yùn)行工況等.

（1）凈煙氣溫度進(jìn)入吸收塔前，煙氣溫度在100～130℃，經(jīng)過(guò)脫硫系統(tǒng)脫硫及除霧器除霧后溫度有所降低.當(dāng)降至煙氣達(dá)到濕飽和狀態(tài)的溫度時(shí)，凈煙氣中攜帶的飽和水蒸氣會(huì)發(fā)生冷凝并析出水滴.同時(shí)排煙溫度過(guò)低，煙氣的抬升和擴(kuò)散也會(huì)受到影響.［6］因此，凈煙氣溫度過(guò)低是石膏雨形成的直接原因.

（2）除霧效果在濕法煙氣脫硫吸收塔中，鍋爐排出的煙氣與石灰石漿液反應(yīng)脫去SO2后，需要安裝除霧裝置以除去煙氣中攜帶的漿液.一般情況下，除霧后煙氣含液態(tài)水量超過(guò)75 mg/m3時(shí)，認(rèn)為除霧效果不能滿足要求，此時(shí)煙氣中的含液量很高，而且液體中除了液態(tài)水之外，還包含有石膏漿液.［7］攜帶有大量逃逸石膏漿液的煙氣在排出煙囪后冷凝，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的石膏雨現(xiàn)象.

（3）煙囪設(shè)計(jì)其原因體現(xiàn)在3個(gè)方面.［8］一是煙囪形狀.如果是等直徑直筒形煙囪，凝結(jié)水一般會(huì)比較順利地沿?zé)焽鑳?nèi)壁向下流動(dòng)，然后在底部排出;如果是錐形煙囪，由于重力作用，凝結(jié)水在下流的過(guò)程中會(huì)脫離煙囪內(nèi)壁，被上升的煙氣攜帶進(jìn)入大氣，易形成石膏雨.二是煙囪內(nèi)壁的平整度.如果煙囪內(nèi)壁粗糙，凝結(jié)水易飛濺，從而與上升煙氣混合被帶出煙囪;如果內(nèi)壁較光滑，煙氣凝結(jié)水則會(huì)沿內(nèi)壁向下順利流出.三是出口直徑.煙囪的出口直徑會(huì)影響煙氣流速，一般情況下，如果煙囪出口煙氣流速超過(guò)18 m/s，煙氣對(duì)液滴的攜帶量會(huì)大大增加.

（4）環(huán)境因素當(dāng)凈煙氣從煙囪排出時(shí)，如果煙氣與環(huán)境溫差較大，煙氣擴(kuò)散不及時(shí)，煙氣中的蒸汽隨溫度的降低變成過(guò)飽和狀態(tài)，最終與其攜帶的石膏漿液一起凝結(jié)沉降，形成石膏雨，因此石膏雨現(xiàn)象在冬季更容易發(fā)生.［5］

（5）運(yùn)行工況若機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中燃料燃燒不充分，未燃盡成分會(huì)隨鍋爐尾部煙氣進(jìn)入脫硫塔，引起塔內(nèi)漿液有機(jī)物含量的增加，易發(fā)生起泡現(xiàn)象，大量泡沫上揚(yáng)，隨煙氣進(jìn)入煙囪易產(chǎn)生石膏雨.當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷過(guò)高時(shí)，煙氣流量增大，流速加快，也將增加煙氣的漿液攜帶量，從而加重石膏雨現(xiàn)象.［9］

2 石膏雨的防治措施及方案對(duì)比

基于以上對(duì)石膏雨的成因及影響因素的分析，可以從以下4個(gè)方面著手防治石膏雨.

2.1 提高除霧效率

提高除霧效率是為了提高煙氣凈化效果，選擇合適的除霧器類(lèi)型、優(yōu)化除霧器內(nèi)部設(shè)計(jì)均有助于減少煙氣中的石膏漿液和液滴，從石膏雨形成的根源加以防治，［10］具體措施如下.

（1）選用屋脊式除霧器.屋脊式除霧器設(shè)計(jì)流速一般為3.8～7.0 m/s，高于平板式除霧器（設(shè)計(jì)流速一般為3.5～4.5 m/s），由此可見(jiàn)，屋脊式除霧器對(duì)煙氣流速的適應(yīng)范圍更寬.

（2）優(yōu)化除霧器噴淋層的噴嘴布置，使得漿液在整個(gè)吸收塔截面上保持均勻的重疊覆蓋率，保證進(jìn)入除霧器前的煙氣流場(chǎng)均勻分布.同時(shí)，設(shè)置合適的噴淋層和除霧器的間距，一般取2.5 m就可以使得漿液霧滴有足夠的沉降高度.

（3）增加一級(jí)除霧器，即采取三級(jí)除霧器，同時(shí)強(qiáng)化除霧器的沖洗.

（4）采用濕式靜電除塵器和電除霧器等新型除霧除塵技術(shù).濕式靜電除塵器（WESP）是直接將水通過(guò)噴嘴霧化噴入放電極和電暈區(qū)，通過(guò)水滴與粉塵的結(jié)合降低粉塵比電阻，使其在直流高電壓的作用下進(jìn)一步霧化.電場(chǎng)力、荷電水霧通過(guò)碰撞攔截、吸附凝并，捕集粉塵粒子，在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下粉塵粒子到達(dá)除塵極，噴在除塵極表面的水霧形成連續(xù)水膜，捕獲的粉塵被流動(dòng)的水沖刷至灰斗中排出.靜電除霧器的工作原理與靜電除塵器相似，只是除塵極采用管束結(jié)構(gòu)，每根除塵極管對(duì)應(yīng)一根陰極電暈線.在FGD后面布置新型除霧除塵裝置，使煙氣中攜帶的液滴被荷電捕集，可有效防治石膏雨.［11-12］

2.2 提高凈煙氣溫度

利用各種煙氣加熱設(shè)備加熱凈煙氣，可使凈煙氣遠(yuǎn)離水的露點(diǎn)溫度，避免水蒸氣的凝結(jié)，提高煙氣抬升高度和擴(kuò)散效果.

利用原煙氣加熱凈煙氣，即利用GGH加熱設(shè)備，提高凈煙氣溫度，過(guò)程如圖2所示.

圖2 GGH加熱凈煙氣過(guò)程示意

熱量通過(guò)平滑的或帶波紋的金屬薄片載熱體從高溫側(cè)（未經(jīng)脫硫處理的高溫?zé)煔飧邷販y(cè)）向低溫測(cè)（濕度大的低溫凈煙氣）傳遞，從而實(shí)現(xiàn)提高凈煙氣溫度的目的.但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，GGH會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題.高溫側(cè)煙氣中的飛灰會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱元件堵塞，煙氣中攜帶有少量的飽和石膏漿液，會(huì)在GGH換熱單元表面形成結(jié)垢，［13］嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致WFGD系統(tǒng)停運(yùn)，影響電廠的安全運(yùn)行，而且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高.

利用蒸汽加熱，即從汽水系統(tǒng)中抽取高溫蒸汽，直接加熱低溫脫硫后的凈濕煙氣，可以提高凈煙氣溫度.利用蒸汽加熱可以選擇直接噴入蒸汽法和利用換熱器加熱法.直接噴入蒸汽的方法加熱速度較快，但噴入的蒸汽會(huì)和煙氣混合進(jìn)入煙囪，使得煙氣攜帶的水量大大增加，有可能加重石膏雨.利用換熱器加熱可以避免煙氣中水分含量的增加，但是需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的改造，而且從汽水系統(tǒng)抽取高品質(zhì)蒸汽加熱煙氣，會(huì)增加運(yùn)行成本，降低火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性.因此，應(yīng)用蒸汽加熱凈煙氣的方式需要慎重考慮.［4］

利用熱二次風(fēng)加熱凈煙氣，即從空氣預(yù)熱器后二次風(fēng)風(fēng)道抽取熱二次風(fēng)，直接注入脫硫系統(tǒng)出口煙道，與凈煙氣混合加熱，以提高凈煙氣的溫度，促進(jìn)排煙抬升和擴(kuò)散，同時(shí)減少煙道內(nèi)的煙氣結(jié)露積酸，有效防治石膏雨問(wèn)題.利用熱二次風(fēng)加熱凈煙氣的系統(tǒng)如圖3所示.可以看出，利用鍋爐熱二次風(fēng)加熱脫硫后凈煙氣的方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)改造較少.目前，中國(guó)電力投資集團(tuán)公司撫順熱電廠和國(guó)華臺(tái)山電廠應(yīng)用了該技術(shù)，在石膏雨防治方面取得了較好的效果.吳炬等人［14］以某電廠300 MW機(jī)組為例，將該技術(shù)和其他類(lèi)型的加熱凈煙氣方法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果顯示，利用該技術(shù)改造的運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性.

圖3 熱二次風(fēng)加熱脫硫凈煙氣系統(tǒng)示意

2.3 優(yōu)化煙囪設(shè)計(jì)

濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的煙囪設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量保證減少冷凝物的排出，保證煙囪內(nèi)筒的形線和光滑度，使煙囪內(nèi)煙氣流速低于酸液液膜撕裂的臨界流速，減少煙囪內(nèi)壁上凝結(jié)液的二次攜帶.可以根據(jù)機(jī)組大小設(shè)計(jì)煙囪的內(nèi)筒出口直徑，以控制煙囪內(nèi)的煙氣流速.例如，歐美國(guó)家電廠煙囪的設(shè)計(jì)流速一般控制在15 m/s.［15］同時(shí)，可以將煙囪內(nèi)筒形狀設(shè)置成“直筒型+出口收縮段型”，即在內(nèi)筒出口位置處設(shè)置一個(gè)變徑，這樣可以減少煙流下洗，加強(qiáng)煙氣擴(kuò)散，從而有效防治石膏雨現(xiàn)象.

2.4 優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整

由于機(jī)組運(yùn)行工況也會(huì)影響“石膏雨”的形成，因此在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中要嚴(yán)格按照規(guī)程操作，保證鍋爐燃料燃燒良好，減少煙氣中未燃盡成分的攜帶量.應(yīng)當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較高時(shí)，應(yīng)在正常燃料燃燒用氧條件下，適當(dāng)減少風(fēng)量，控制爐膛負(fù)壓與升壓風(fēng)機(jī)壓力，降低煙氣流速和流量.［16］對(duì)機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造的同時(shí)，加強(qiáng)運(yùn)行操作、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行調(diào)整能夠進(jìn)一步防治石膏雨.

2.5 4種方案的對(duì)比分析

由上述可知，防治石膏雨問(wèn)題的方案主要有4種：方案1是選用屋脊式除霧器，優(yōu)化除霧器噴淋層的噴嘴布置，增加一級(jí)除霧器，以提高出霧裝置的除霧效率;方案2是通過(guò)管路改造，利用原煙氣、熱二次風(fēng)或高品質(zhì)蒸汽來(lái)加熱凈煙氣，以提高凈煙氣溫度;方案3是優(yōu)化煙囪設(shè)計(jì)，保證內(nèi)筒的形狀、直徑和煙氣流速;方案4是加強(qiáng)運(yùn)行操作，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行調(diào)整.從這4個(gè)方面防治石膏雨問(wèn)題的方案各有優(yōu)劣，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示.

表1 石膏雨防治4種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于無(wú)GGH的石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)，石膏雨已成為火電廠運(yùn)行中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)我國(guó)許多燃煤電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響，需要采取一定的技術(shù)措施加以解決.本文通過(guò)對(duì)石膏雨的形成原因和影響因素的分析，提出了4種可行性較高的方案，并進(jìn)行了對(duì)比，以期為電廠防治石膏雨問(wèn)題提供參考.

［1］周至祥.濕法FGD濕煙囪工藝的問(wèn)題及對(duì)策［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2003，19（1）：19-21.

［2］李曉金，甄志.取消GGH后濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［J］.中國(guó)電力，2010，43（11）：56-59.

［3］王浩青，賀軍蓀.濕法煙氣脫硫的煙氣排放［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2009，23（3）：18-19.

［4］李春雨.火電廠濕法煙氣脫硫中“石膏雨”問(wèn)題分析［J］.能源工程，2012（1）：44-47.

［5］程永新，曹氟.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中“石膏雨”問(wèn)題的分析及對(duì)策［J］.電力建設(shè)，2011，31（11）：94-97.

［6］劉慷，劉明輝，高原，等.燃煤電廠濕法脫硫不設(shè)GGH方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.電力設(shè)備，2008，9（6）：59-61.

［7］郭長(zhǎng)仕.石灰石-石膏濕法脫硫“石膏雨”現(xiàn)象原因分析及治理［J］.環(huán)境工程，2012，30（2）：221-223.

［8］王穎聰.濕法脫硫煙氣石膏雨成因分析及處理方案綜述［J］.華北電力技術(shù)，2012（10）：68-75.

［9］郭春暉.火電廠脫硫“石膏雨”問(wèn)題的分析研究［J］.科學(xué)與財(cái)富，2012（10）：127.

［10］LIU Qizhen，SUN Yanjing，SUN Yi.Cause analysis and countermeasure of gypsum rain in coalfired power plants［J］.Journal of Environmental Protection，2013（4）：1-4.

［11］時(shí)超林，潘衛(wèi)國(guó)，郭瑞堂，等.火電廠濕式靜電除塵器的發(fā)展現(xiàn)狀綜述［J］.電力與能源，2013，34（5）：493-499.

［12］林祖涵.靜電除霧技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用［J］.華電技術(shù)，2011，33（1）：65-68.

［13］鐘毅，高翔，霍旺，等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)氣-氣換熱器的結(jié)垢分析［J］.動(dòng)力工程，2008，28（2）：276-278.

［14］吳炬，鄒天舒，冷杰，等.采用混合式煙氣再熱技術(shù)治理火電廠“石膏雨”［J］.中國(guó)電力，2012，45（12）：26-41.

［15］吳春華，顏儉，柏源，等.無(wú)GGH濕法煙氣脫硫系統(tǒng)煙囪石膏雨的影響因素及策略研究［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29（3）：15-17.

［16］郭程程，李娜.火電廠石膏雨治理方案的研究與應(yīng)用［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29（2）：28-30.

（編輯白林雪）