莊 燁，顧 鵬，歐陽麗華，陳振宇，劉科偉（.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京 00039；2.國電新能源技術(shù)研究院，北京 02209）

燃煤電廠煙囪降雨機(jī)理分析

莊 燁1，2*，顧 鵬1，2，歐陽麗華1，2，陳振宇1，劉科偉1，2（1.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京 100039；2.國電新能源技術(shù)研究院，北京 102209）

針對國內(nèi)大部分燃煤電廠取消GGH后普遍出現(xiàn)的“煙囪雨”現(xiàn)象，通過對某電廠進(jìn)行現(xiàn)場煙氣采樣，收集煙囪降雨、煙道和煙囪冷凝水、和脫硫漿液等樣品，通過離子色譜與XPS等方法分析各樣品中的元素組分變化規(guī)律；運(yùn)用掃描電鏡法觀察固形物的表面形貌，最終量化煙囪降雨中水分、固形物的來源.研究結(jié)果顯示，即使脫硫系統(tǒng)、除霧器正常工作，飽和濕煙氣在凈煙道/煙囪壁面仍可形成的冷凝液膜，當(dāng)疏水不暢、煙氣流速過高的條件下，導(dǎo)致壁面液膜卷吸回流，從而構(gòu)成煙囪雨中雨的主要來源；煙道/煙囪壁面累積黏附的飛灰、石膏等雜質(zhì)，隨冷凝液滴二次回流進(jìn)入煙氣，造成煙氣中自攜漿液濃度沿程呈增長趨勢.煙囪降雨與煙道疏水冷凝液成分特性最為接近，“煙囪雨”中固形物為粉塵顆粒-板塊狀結(jié)垢的團(tuán)聚體，也與冷凝水中固形物同源，降雨中固形物的成分取決于電廠除塵、脫硫、除霧器運(yùn)行及疏水效率等元素的綜合影響，該電廠煙囪降雨固形物中飛灰貢獻(xiàn)率為63.1%.煙道/煙囪內(nèi)冷凝液在疏水不暢的情況下的二次回流卷吸是產(chǎn)生煙囪雨的主要原因，基于此機(jī)理分析，需對濕煙道和濕煙囪進(jìn)行優(yōu)化改造，合理布置疏水系統(tǒng)，及時排出壁面冷凝液，以解決煙囪降雨問題.

濕法脫硫；煙囪雨；二次卷吸

我國目前大部分燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，同時取消了氣-氣換熱器（GGH）裝置以避免GGH的堵塞問題，但由于排煙溫度較低，飽和濕煙氣在排出過程中部分冷凝形成液滴，造成“濕煙囪”排放；另外煙氣的抬升高度降低，導(dǎo)致煙氣不能迅速消散，特別是當(dāng)?shù)貐^(qū)溫度、氣壓較低或在陰霾天氣的時間段，煙氣中攜帶的粉塵及液滴聚集在煙囪附近，落到地面形成“煙囪雨”，對電廠及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，腐蝕設(shè)備，造成不利的社會經(jīng)濟(jì)影響.國外也有電廠取消了GGH，但其煙囪附近無明顯降雨，雨滴中也無固狀物，因此取消GGH對于“煙囪雨”的發(fā)生只是一個誘因，而非本質(zhì)原因.

“煙囪雨”通常又被稱為“石膏雨”，煙囪降雨中的固體物質(zhì)通常既包括石膏或脫硫劑還含有逃逸飛灰，而各組分的具體比例因電廠而異，缺乏定量數(shù)據(jù)支持，因此在不能量化煙囪降雨固形物的主要來源的情況下，將煙囪周圍出現(xiàn)的含有固體物質(zhì)的降雨稱為“煙囪雨”更為貼切.

濕法脫硫后凈煙氣中的液滴，主要來源于吸收塔噴淋層噴嘴霧化后的細(xì)小液滴.石膏漿液經(jīng)噴嘴霧化后霧滴直徑一般在920μm左右，經(jīng)碰撞后會產(chǎn)生少量直徑在15μm左右的霧滴.在經(jīng)過除霧器后，直徑大于22μm的霧滴去除率一般為99.99%，直徑15～22μm的液滴去除率為50%，15μm以下的霧滴則無法攔截，因此凈煙氣中必然有一定量的細(xì)微石膏漿液滴［1］.現(xiàn)場觀測顯示煙囪雨多發(fā)生在煙囪周圍800m范圍內(nèi)，根據(jù)理論計算，在正常情況下，液滴直徑一般大于0.2mm以上才會沉降在煙囪周圍800m范圍內(nèi)，而在除霧器正常工作的情況下，大粒徑石膏漿液基本已被攔截，即使除霧器在非正常工作狀態(tài)，除霧器逃逸霧滴在0.2mm以上的百分率也不會太高.但現(xiàn)實中煙囪降雨現(xiàn)象并非個案，現(xiàn)場收集煙囪降雨雨滴時發(fā)現(xiàn)，降落下來的雨滴最大直徑可達(dá)到約7.5mm.由此可見，需對煙囪雨現(xiàn)象的形成機(jī)理，尤其是其中的水分和固體組分的確切來源進(jìn)行深入研究，才能有效解決煙囪降雨問題.

對于煙囪雨的形成及雨中固形物的來源，國內(nèi)學(xué)者存在著幾種不同的觀點：吸收塔內(nèi)煙氣流速過大［1］，除霧器工作不正常［2］（煙氣通過脫硫除霧器時流速過高、除霧器入口煙氣分布不均），或者除霧器效果不佳［3］，造成凈煙氣攜帶石膏漿液直接帶出煙囪［4］；飽和凈煙氣因溫度降低析出冷凝液、并隨高速煙氣直接帶出形成降雨［5，6］；飽和凈煙氣進(jìn)入大氣后發(fā)生冷凝，在特定氣象條件形成降雨［3，6］；煙囪設(shè)計不足［3］，疏水管道布置不合理，壁面冷凝水二次回流形成降雨.這些觀點均存在一定的合理性，但還缺乏充分有效的定量數(shù)據(jù)支持和嚴(yán)謹(jǐn)客觀的機(jī)理分析.

國外大部分電廠均安裝GGH以實現(xiàn)干煙氣排放，因此國外文獻(xiàn)對煙囪周邊降雨沉降的研究也相對較少；少數(shù)電廠雖然取消GGH，但由于其濕煙囪設(shè)計運(yùn)行合理，煙囪降雨現(xiàn)象也不嚴(yán)重.關(guān)于煙囪雨的成因，Wang等［7］認(rèn)為除霧器在運(yùn)行過程中葉片表面形成結(jié)垢并逐漸增厚導(dǎo)致除霧效果下降，從而造成大量脫硫漿液隨濕煙氣排出形成煙囪雨.此外，國外文獻(xiàn)雖有關(guān)于濕煙囪液體排放（SLD）的報導(dǎo)，但SLD只有在煙囪周邊可見的情況下才會成為一個問題［8］，這也就是國內(nèi)所常見的煙囪雨.國外電廠及脫硫裝置的運(yùn)行工況相對規(guī)范平穩(wěn)，煙氣夾帶漿液量較小，因此國外更著重減少煙囪液態(tài)水逃逸以防治煙囪雨，通過分析研究冷凝水形成普遍機(jī)理（絕熱膨脹冷凝、冷卻冷凝），煙氣流速、壁面特性對液膜剝離的影響［9］，根據(jù)具體煙道布置下的煙氣流動特性對煙道進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，優(yōu)化疏水；避免煙囪出口大粒徑液滴逃逸，并形成了濕煙道設(shè)計體系的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［8，10-15］.EPRI對SLD的主要來源進(jìn)行相關(guān)分類［10］：（1）來源于煙囪襯板頂部的吸收裝置，沿著氣流通道而沒有沉積下來的部分液滴，基本是小粒徑的液滴（10～100μm），因為只有小液滴才有可能不完全沉積在管道內(nèi)；（2）中等粒徑的液滴（100～300μm），主要來源于除霧器，液滴可在濕煙道/煙囪系統(tǒng)內(nèi)被收集，液滴的沉積情況主要取決于系統(tǒng)的幾何構(gòu)型；（3）由于氣速過高或者煙道/煙囪的幾何構(gòu)型不利于濕運(yùn)行，管道內(nèi)壁和襯板表面的液膜發(fā)生剝離二次卷吸所形成的液滴（300～6000μm），是SLD的主要貢獻(xiàn)源；（4）絕熱冷凝過程中形成的液滴（＜10μm），對煙囪周圍地表能觀測到的SLD幾乎沒有貢獻(xiàn).

根據(jù)煙囪雨液滴的來源特點，國外在濕煙囪設(shè)計時主要通過妥善收集煙氣冷凝液以減少SLD現(xiàn)象的出現(xiàn).相比之下，我國的實際情況有所不同，電廠所用煤種的灰分、硫分波動較大，前端凈化設(shè)備運(yùn)行工況多變，實際運(yùn)行工況偏離標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況，且缺乏有針對性的疏水優(yōu)化設(shè)計，導(dǎo)致濕煙囪降雨嚴(yán)重.當(dāng)前國內(nèi)對石膏雨/煙囪雨問題的研究及認(rèn)識缺乏具體的數(shù)據(jù)支持，基于此，本研究對電廠濕法脫硫后的煙氣進(jìn)行采樣，收集煙道和煙囪冷凝水，現(xiàn)場采集煙囪降雨雨滴，通過量化脫硫后凈煙氣中水分沿程的變化關(guān)系，確定“煙囪雨”中雨的來源；定量分析“煙囪雨”中固態(tài)物的化學(xué)成分，進(jìn)行源解析，進(jìn)而對煙囪雨的形成機(jī)理建立完整準(zhǔn)確的認(rèn)識.在此基礎(chǔ)之上，從根源出發(fā)，尋求其最佳治理措施.

1 材料與方法

在電廠脫硫機(jī)組常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下采集煙道和煙囪冷凝水及煙囪降雨雨滴，測試期間電廠機(jī)組負(fù)荷均為80%以上并保持穩(wěn)定.現(xiàn)場采樣位置示意圖及具體說明，如圖1所示.

采樣對象為某電廠1#～3#機(jī)組，機(jī)組均為330MW亞臨界發(fā)電機(jī)組.其中2#機(jī)組采用電除塵器，1#、3#機(jī)組經(jīng)改造為電袋一體式除塵器；1#、2#機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)行增容改造，在原有兩層屋脊除霧器的基礎(chǔ)上，新增一層噴淋層和管式除霧器.

圖1 電廠現(xiàn)場采樣的位置示意Fig.1 Schematic diagram of the power plant and sampling locations

對于脫硫凈煙氣中水分沿程變化關(guān)系，通過采樣分析，確定煙氣中水蒸氣和液態(tài)水的含量，其中液態(tài)水可以分為2個組分：脫硫凈煙氣所攜帶的漿液液滴；煙氣水蒸氣冷凝產(chǎn)生的水滴.本研究將煙氣中水的3種組分分別設(shè)定為：煙氣自攜漿液（來源于脫硫漿液）、煙氣冷凝水滴（來源于溫降產(chǎn)生的冷凝液）和煙氣水蒸氣，全水為三種水組分的總合.

1.1 煙氣采樣方法

根據(jù)《GB/T 16157-1996》［16］，對煙氣進(jìn)行全水的采樣；參考《GB/T 21508-2008》［17］附錄D中煙氣漿液的測定方法，進(jìn)行煙氣中液態(tài)水采樣，并利用Mg2+示蹤法，對煙氣中的漿液滴含量進(jìn)行折算，其原理是：脫硫吸收塔漿液中含有鎂離子，

流經(jīng)除霧器后，只有極少部分很細(xì)小的液態(tài)水滴從除霧器逸出，由于99%以上的鎂離子存在于液態(tài)水滴中，而不存在于石膏和煙氣水氣中，因此可認(rèn)為脫硫凈煙氣中鎂離子均來源于吸收塔漿液濾液中.利用等速采樣裝置，采集吸收塔出口煙氣中的液態(tài)水滴，記錄采氣體積；分析液體水滴中鎂離子的質(zhì)量濃度，同時分析試驗期間吸收塔濾清液中鎂離子的質(zhì)量濃度，可以計算煙氣自攜漿液的質(zhì)量濃度，計算式如式［1］所示：

式中： C為煙氣漿液濃度，g/Nm3，（標(biāo)干，6%O2）；Cw0為煙氣液滴濃度，g/Nm3，（標(biāo)干，6%O2）；CMg1為煙氣液滴中鎂離子濃度，mg/L；CMg2為吸收塔濾清液中鎂離子濃度，mg/L；Cx為吸收塔漿液含固量，%.

1.2 煙囪降雨的采樣方法

煙囪周邊降雨雨滴的采用塑料膜收集，塑料膜布設(shè)在煙囪周圍，布設(shè)高度為70cm以避免地面揚(yáng)塵對雨滴收集的影響.雨滴落于塑料膜后即盡快用滴管收集并存于采樣瓶內(nèi)，用于后續(xù)分析.同時，布設(shè)覆膜采樣托盤于70cm高度，收集煙囪降雨中的固體殘余物質(zhì)，以便用于后期的分析測試.

1.3 樣品分析測試方法

液體成分采用離子色譜法（IC）進(jìn)行分析，主要測量Ca2+、、、等離子在樣品中的含量.

固體樣品采用電鏡掃描法（SEM）分析其形貌特征，結(jié)合EMAX能譜分析法測量顆粒物的元素成分，分析其中Ca、Si、S、Al、Mg、Fe等元素；運(yùn)用X射線光電子能譜分析法（XPS），對固體樣品中的元素進(jìn)行定量分析，包括C、O、Al、Si、Ca、Fe、S、Ti、Mg、K等元素組分.

1.4 研究分析方法

根據(jù)凈煙道不同測點下所采集到的液態(tài)水樣，計算得到煙氣自攜漿液濃度，比較分析煙氣沿程的自攜漿液濃度變化.同時，通過比較煙道冷凝水、煙囪冷凝水、以及煙囪降雨雨滴與脫硫漿液中Mg2+濃度的量值差異，分析煙道、煙囪冷凝水中脫硫漿液的百分比，并與煙氣自攜漿液的情況進(jìn)行比較分析.

考慮到該電廠飛灰中存在Fe元素，而脫硫劑及石膏中均無Fe元素存在，本研究以Fe為示蹤元素，量化飛灰和石膏漿液在煙囪降雨固形物的比例，并以此為依據(jù)，計算飛灰和脫硫漿液對煙囪雨固形物中各主要元素的貢獻(xiàn)率；同時，分析煙道冷凝水、煙囪冷凝水的主要元素組分，并與煙囪雨的主要元素分布進(jìn)行比較，確定煙囪雨與冷凝水之間關(guān)系.

此外，通過電鏡掃描研究飛灰、脫硫劑、石膏、煙囪雨中固形物、冷凝水中固形物的微觀形態(tài)，分析煙囪雨固形物與各環(huán)節(jié)主要物質(zhì)的關(guān)聯(lián)，并結(jié)合元素分析、漿液濃度分析，確定煙囪雨的成因和具體來源.

2 結(jié)果及分析

2.1 煙氣水分、漿液沿程變化

本研究在電廠運(yùn)行負(fù)荷＞80%滿負(fù)荷且除霧器壓差＜200Pa的正常工況下，在除霧器后采樣點2和3處（見圖1）進(jìn)行現(xiàn)場煙氣采樣，對煙氣中液滴及水蒸氣含量進(jìn)行了測算，進(jìn)而掌握除霧器后凈煙道內(nèi)的飽和濕煙氣中水分的沿程變化，結(jié)果如圖2所示.除霧器后凈煙道煙氣中水分主要以水蒸氣的形式存在，其濃度主要取決于電廠運(yùn)行工況，隨煙道沿程變化不大，基本在100g/Nm3左右，相當(dāng)于12%～13%煙氣體積百分比，在煙氣溫度45～50℃范圍內(nèi)屬于飽和濕煙氣；采樣點2和3位于同一水平煙道，彼此距離約20m，相對煙氣溫差小于0.3℃，計算結(jié)果表明，在此條件下，由于絕熱膨脹和煙氣冷卻產(chǎn)生的冷凝水量較?。?8］，導(dǎo)致煙氣中液滴含量隨沿程沒有顯著變化，維持在1g/Nm3左右，但是隨著濕煙氣的流動，上述兩種機(jī)理所產(chǎn)生的冷凝水量會有所增加；除煙氣冷凝水滴以外，煙氣還夾帶脫硫漿液，根據(jù)燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測試方法［17］，假設(shè)煙氣中鎂離子僅存于脫硫漿液中，并根據(jù)式（1），對煙氣中漿液滴含量進(jìn)行折算，結(jié)果見圖2.

對于1#機(jī)組，除霧器后采樣點2處的漿液濃度為114.5mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2），略高于75mg/Nm3的除霧器性能指標(biāo)要求；在采樣點3處，煙氣自攜漿液濃度上升至157mg/Nm3；與此類似，2#機(jī)組煙氣漿液攜帶量也從采樣點2處的61.9mg/Nm3增至采樣點3處的162.7mg/Nm3.測算結(jié)果表明煙氣流動中，煙氣中漿液含量有所增加，顯示有額外的漿液進(jìn)入煙氣流，但漿液在煙氣液滴中的比例依然較小，基本維持在10%左右.隨著煙氣下游流動過程中壁面冷凝水的不斷生成，煙氣漿液含量在進(jìn)入大氣前仍有可能發(fā)生波動.除霧器后脫硫飽和濕煙氣中的自攜漿液和冷凝水滴在流動過程中會相互碰撞、融合，導(dǎo)致部分液滴粒徑增大至60um左右，并粘附于煙道壁面［19］；與此同時，飽和濕煙氣在壁面還直接形成冷凝水，二者的共同作用，使得煙道/煙囪壁面形成動態(tài)冷凝液膜，而液膜的流動趨向取決于所受重力和氣/液剪切力之間的動態(tài)平衡.當(dāng)煙氣流速較低時，壁面液膜在重力作用下流至疏水管排出，煙氣漿液濃度沿程下降；而當(dāng)煙道內(nèi)煙氣流速過高，氣液剪切力大于液膜所受重力時，部分液膜發(fā)生剝離，形成液滴再次進(jìn)入氣流，因此液膜表面局部煙氣流速對液滴二次回流影響至關(guān)重要.采樣點2和3處的煙氣流速一般在17～18m/s，個別達(dá)到19m/s.根據(jù)美國電力研究所提出的煙氣流速和壁面液膜剝離的關(guān)聯(lián)（圖3）［10］，在本測試工況下，煙道/煙囪壁面沉積所形成的冷凝液膜可能出現(xiàn)液膜剝離卷吸二次回流，而黏附于煙道/煙囪壁面的結(jié)垢也會隨之進(jìn)入煙氣，導(dǎo)致煙氣自攜漿液含量上升.在管道布局不合理和疏水不暢的情況下，壁面液膜更易形成積水和二次卷吸回流，而煙道內(nèi)雜質(zhì)/漿液的沉積程度也受電廠運(yùn)行工況波動等多種因素影響，這也解釋了新建電廠初期運(yùn)行時“煙囪雨”不明顯的原因.

值得指出的是，從壁面漿液黏附、冷凝水膜形成累積，到在特定的煙氣流速下液膜平衡打破，發(fā)生二次卷吸回流，存在一定的延遲，同時二次卷吸后氣液剪切力和液膜所受重力又需重新建立動態(tài)平衡，因此二次卷吸具有間歇性，這也符合煙囪周邊間斷性降雨的特點.

圖2 煙氣水組分和自攜漿液沿程變化Fig.2 Variation of water contents and slurry contents in flue gas

圖3 壁面液膜剝離卷吸示意Fig.3 Diagram of re-entrainment of liquid from stack wall surface in gas flow

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行對煙氣自攜漿液量的影響

測試電廠的1#機(jī)組采用電-袋式除塵，而2#機(jī)組安裝的是靜電除塵器.袋式過濾除塵效率，特別是對細(xì)微粉塵的捕集效率，普遍高于靜電除塵，因此1#機(jī)組凈煙氣中的粉塵濃度保持在16～17mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2），普遍低于2#機(jī)組凈煙氣中的30～50mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2）的粉塵濃度.圖4中凈煙氣粉塵濃度和相應(yīng)煙氣漿液攜帶量的關(guān)聯(lián)顯示粉塵濃度的降低并未造成煙氣自攜漿液量的減少；1#機(jī)組在點2處的煙氣漿液夾帶含量略高于2#機(jī)組對應(yīng)點2處的含量，而其主要原因可能還是歸結(jié)于1#機(jī)組的除霧器沖洗水壓力為0.48MPa，高于濕煙囪設(shè)計導(dǎo)則中推薦的0.17～0.31MPa［10］，高壓沖洗效果較好，除霧器壓差較低，但也導(dǎo)致凈煙氣漿液夾帶量略有增加；2#機(jī)組除霧器的沖洗壓力保持在0.28MPa，使除霧器出口凈煙氣漿液濃度在＜75mg/Nm3，達(dá)到除霧器性能達(dá)標(biāo).另一方面，即使在除霧器等運(yùn)行效果良好的情況下，除霧器遠(yuǎn)端煙氣中的自攜漿液濃度仍上升并維持在150mg/Nm3左右，而粉塵濃度、除霧器壓差、及沖洗水壓力都對其影響不大，表明在除霧器后凈煙道壁面的冷凝水、漿液的二次卷吸是決定煙氣夾帶漿液量的主要因素.

圖4 脫硫凈煙氣中自攜帶漿液濃度和粉塵濃度關(guān)聯(lián)Fig.4 Correlation between dust loading and slurry concentration in the scrubber outlet flue gas

2.3 煙道/煙囪冷凝水質(zhì)沿程變化

為了更好地理解壁面黏附液滴的二次卷吸回流對煙氣自攜漿液量的影響，本研究在除霧器后膨脹節(jié)、煙道漏斗、以及煙囪底部的疏水管道內(nèi)采集冷凝水，依據(jù)《GB/T 21508-2008燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測試方法》附錄D［20］，通過測定水樣中的Mg2+濃度并與脫硫濾清液中Mg2+進(jìn)行比較，從而確定冷凝水中脫硫漿液貢獻(xiàn)率，其定義如式（2）所示：

計算結(jié)果顯示從除霧器出口至煙囪底部冷凝水中的脫硫漿液的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)沿程上升趨勢（圖5），這與煙氣自攜漿液量的沿程變化是一致的，進(jìn)一步表明壁面冷凝液與煙氣夾帶漿液二者同源，壁面冷凝液中的漿液主要是來自于常年累積在壁面的煙氣粉塵和漿液，其中煙囪冷凝水脫硫漿液比例最高，表明煙囪壁面的漿液黏附較為嚴(yán)重.煙囪降雨的水樣分析結(jié)果顯示煙囪降雨中的脫硫漿液比例僅為0.5%左右（圖5），低于采樣點處煙氣攜帶液滴中的脫硫漿液比例（圖2），這主要是由于下游煙氣（煙道/煙囪/大氣）溫度降低引發(fā)的冷凝水稀釋效應(yīng)造成.

圖5 脫硫漿液在冷凝水中的比例Fig.5 Percentages of slurry in discharged water

圖6為煙道/煙囪疏水中Ca2+濃度以及相應(yīng)冷凝液的pH值的沿程變化.冷凝液皆顯示為強(qiáng)酸性，主要是煙氣中殘余SO2進(jìn)入造成的.冷凝液中的Ca2+主要是來自于脫硫漿液和灰分，間接證明了煙道/煙囪壁面附著有鈣基化合物，部分鈣基化合物在強(qiáng)酸環(huán)境下變?yōu)榭扇苄喳}隨疏水排出煙道，但在疏水不暢的情況下也有可能二次回流進(jìn)入煙氣，直接影響最終的煙囪出口處降雨.

圖6 冷凝水中Ca2+濃度Fig.6 Concentration of Ca2+in the SLD

2.4 冷凝液/煙囪雨顆粒物元素分析

圖7 煙囪雨和冷凝水中不溶性顆粒物的元素成分（XPS）Fig.7 Element contents of un-dissolved particles from rainout and SLD （XPS）

圖7為煙囪冷凝水及煙囪降雨中不溶性顆粒物的主要元素成分比較，冷凝水和煙囪雨中不溶性顆粒物的主要成分為Al，Si，S等元素，其中Al和Si源自飛灰，表明無論是冷凝水還是煙囪降雨，飛灰都占據(jù)相當(dāng)比例，而S的存在說明不溶性顆粒物中也含有石膏成分.結(jié)果顯示除煙囪降雨中的Fe的含量高于煙囪冷凝水Fe濃度外，而二者的其它元素的分布基本相同，表明煙囪雨和煙囪冷凝水中的固形物同源，再次證明煙囪降雨主要來源于煙囪/煙道壁面冷凝液的二次卷吸.另一方面，煙囪/煙道壁面冷凝液中的含固量約為0.044%，與煙囪降雨中0.033%固形物含量也很接近.

為了進(jìn)一步量化降雨固形物中飛灰和石膏的比例，對脫硫漿液、飛灰、石膏、以及煙囪降雨固形物進(jìn)行能譜元素分析，其中Al、Si、Fe、Mg、Ca的成分列于表1.值得注意的是Fe僅存在于飛灰中而在脫硫漿液及石膏中都未檢測到Fe，由此可以說明煙囪降雨固形物中的Fe只能源自飛灰，而Fe又屬于半揮發(fā)性元素，在燃燒過程中常富集于細(xì)微顆粒物進(jìn)入脫硫凈煙氣［21-22］.因此，以Fe為示蹤元素，僅考慮飛灰和石膏漿液對煙囪降雨的貢獻(xiàn)，進(jìn)行物料平衡計算，計算結(jié)果顯示該電廠降雨固形物中飛灰量：石膏量=63.1：36.5，在此比例下飛灰對降雨固形物中各主要元素的貢獻(xiàn)率也列于表1，降雨中的Al、Si、Fe主要來自飛灰，而Mg和Ca則是由石膏引入.

表1 元素能譜分析結(jié)果Table 1 Results of elements analysis

2.5 樣品表面形貌分析

圖8為煙囪雨和冷凝液中固形物的電鏡掃描照片.煙囪雨中固形物主要為球形顆粒物和塊狀物的團(tuán)聚體，球形顆粒物應(yīng)為煙氣中攜帶的細(xì)微飛灰，而塊狀物則似由石膏/飛灰形成的垢塊，二者在壁面逐次堆積形成團(tuán)聚體，這與鐘毅等［23］報道的管道結(jié)垢物的形貌特征近似，表明煙囪降雨中的固形物是飛灰和石膏的混合物.冷凝液固形物同樣含有球形細(xì)微粉塵、石膏晶體、塊狀結(jié)垢及三者形成的團(tuán)聚體，再次證明煙囪降雨與冷凝液同源.當(dāng)煙囪/煙道疏水不暢，在適當(dāng)條件下，壁面漿液回流進(jìn)入煙氣，最終隨降雨落到地面.

圖8 煙囪雨、煙囪冷凝水及煙道冷凝水中固形物的SEM示意Fig.8 SEM image of undissolved fraction in Rainout sample， SLD and condensate water from duct

3 煙囪雨治理建議

脫硫凈煙氣正常工況下自攜漿液濃度一般在75mg/Nm3以下，當(dāng)煙氣流速過高或煙道疏水不暢時，煙道內(nèi)壁沉積形成的液膜發(fā)生剝離和液滴卷吸回流.凈煙道內(nèi)疏水系統(tǒng)未能有效將積水排出煙道外，導(dǎo)致煙道/煙囪內(nèi)壁漿液累積，形成二次回流卷攜，最終產(chǎn)生煙囪雨.降雨中固形物的成分取決于電廠除塵、脫硫、除霧器運(yùn)行及疏水效率的綜合影響，該電廠降雨固形物中飛灰貢獻(xiàn)率為63.1%.

基于上述煙囪雨成因機(jī)理分析，對濕煙道和濕煙囪進(jìn)行改造，優(yōu)化疏水管道布置，使冷凝液妥善排出是解決煙囪降雨問題的關(guān)鍵.無GGH的脫硫裝置在凈煙道及煙囪內(nèi)筒都應(yīng)該根據(jù)煙氣流動特點相應(yīng)布置排水裝置；同時煙道/煙囪內(nèi)襯表面應(yīng)平滑，煙氣流速小于液膜剝離的臨界流速.綜合國內(nèi)規(guī)程以及歐美國家的濕煙道/濕煙囪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)煙道/煙囪壁面特性，相應(yīng)控制煙氣流速在18～20m/s范圍內(nèi)，從而消除煙囪雨現(xiàn)象.

美國對濕煙囪的設(shè)計已經(jīng)形成了完整的規(guī)范，并經(jīng)歷了數(shù)次修訂［8，10，16］.主要集中在以下方面：煙道/煙囪布置、材料選擇、集液疏水系統(tǒng)設(shè)計、濕煙道和濕煙囪運(yùn)行等方面，其中集液疏水系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)細(xì)化到煙囪側(cè)壁引水槽、頂部收集裝置、煙囪出口收集裝置、排水、以及安裝后的監(jiān)管等細(xì)節(jié).在該規(guī)范執(zhí)導(dǎo)下，SLD或煙囪雨問題可以得到了較好的控制.例如美國奧爾登研究實驗室（Alden Research Laboratory）針對英國EDF Energy Cottam電廠4×500MW燃煤機(jī)組，通過冷凝水量核算、集液疏水系統(tǒng)的設(shè)計、物理模型實驗等環(huán)節(jié)，同時加強(qiáng)現(xiàn)場施工和運(yùn)行的監(jiān)管，避免了煙囪周邊降雨問題，確保了濕煙囪長期穩(wěn)定環(huán)保排放.此外類似的項目包括：波蘭Patnow-Adamow-Konin電廠4×200MW的燃煤機(jī)組、羅馬尼亞Rovinari燃煤電廠4×330MW燃煤機(jī)組等項目，均根據(jù)機(jī)組的實際情況進(jìn)行濕煙囪改建，避免了煙囪雨問題.

綜上，為有效緩解乃至治理煙囪雨，國內(nèi)電廠應(yīng)根據(jù)實際情況改善運(yùn)行條件，優(yōu)化疏水系統(tǒng)設(shè)計，新建電廠或新建脫硫設(shè)施在設(shè)計之初需考慮到煙道/煙囪的設(shè)計優(yōu)化，完善疏水系統(tǒng)和收集管網(wǎng)；改擴(kuò)建項目也需要根據(jù)出現(xiàn)的問題，更新煙道的布置和疏水系統(tǒng).此外，從電力行業(yè)的角度，則需要制定相應(yīng)的濕煙囪設(shè)計和運(yùn)行規(guī)范.

4 結(jié)論

4.1 脫硫凈煙氣流速過高或脫硫后煙道/煙囪疏水不暢，導(dǎo)致煙道/煙囪內(nèi)壁冷凝液膜發(fā)生剝離、卷吸回流，構(gòu)成煙囪雨中雨的主要來源；煙道/煙囪壁面黏附飛灰、石膏等雜質(zhì)也隨之再次進(jìn)入煙氣，造成煙氣中自攜漿液濃度沿程呈增長趨勢，且與凈煙氣粉塵濃度無顯著關(guān)聯(lián).

4.2 降雨雨滴與煙道疏水冷凝液成分特性最為接近，“煙囪雨”中固形物為粉塵顆粒-板塊狀結(jié)垢的團(tuán)聚體，也與冷凝水中固形物同源，說明凈煙道內(nèi)疏水系統(tǒng)未能有效將積水排出煙道外，導(dǎo)致煙道/煙囪內(nèi)壁漿液累積，形成二次回流卷攜，最終產(chǎn)生煙囪雨.

4.3 降雨中固形物的成分取決于電廠除塵、脫硫、除霧器運(yùn)行及疏水效率的綜合影響，該電廠降雨固形物中飛灰貢獻(xiàn)率為63.1%.

4.4 為了治理煙囪雨，電廠應(yīng)基于各運(yùn)行系統(tǒng)的實際情況，在設(shè)計之初或改擴(kuò)建過程中，除了優(yōu)選煙囪內(nèi)襯材料、控制運(yùn)行煙速以外，仍需充分考慮集水系統(tǒng)和疏水系統(tǒng)的設(shè)置和優(yōu)化；同時電力行業(yè)亟需制定濕煙囪設(shè)計和運(yùn)行的規(guī)范.

［1］程永新，曹 佩.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中“石膏雨”問題的分析及對策 ［J］. 電力建設(shè)， 2010，31（11）：94-97.

［2］付 昱，何金起.火力發(fā)電廠濕法脫硫“石膏雨”治理方法討論［J］. 黑龍江電力， 2009，31（5）：374-376.

［3］李春雨.火電廠濕法煙氣脫硫中“石膏雨”問題分析 ［J］. 能源工程， 2012（1）：43-47.

［4］吳春華，顏 儉，柏 源，等.無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.

［5］彭界隆，趙宇航，何志剛.不設(shè)GGH時的煙囪排煙筒設(shè)計 ［J］. 電力勘測設(shè)計， 2007，4（8）：55-58.

［6］聶鵬飛，張宏宇.火電廠無GGH濕法脫硫機(jī)組煙囪降雨原因分析及對策 ［J］. 工業(yè)安全與環(huán)保， 2012，38（2）：4-8.

［7］NiePengfei， Zhang Hongyu， Wang Yang.Causes analysis of wet flue gas desulphurization stack rainout for the thermal powerplant without GGH and its countermeasures ［J］. Advanced Materials Research， 2013，724-725：1306-1309.

［8］Wet Stacks Design Guide ［S］. EPRI， Palo Alto， CA： 1996. TR-107099.

［9］Gardner N. J， Owen I. The behavior of liquid films and drops in relation to liquid/gas separators ［J］. Proc. Institute Mechanical Engineers. 1997，211（E）：53-59.

［10］Revised Wet Stack Design Guide ［S］. EPRI， Palo Alto， CA： 2012.

［11］FGD Mist Eliminator System Design and Specification Guide ［S］. EPRI， Palo Alto， CA： 1993. GS-6984.

［12］Guidelines for the Fluid Dynamic Design of Power Plant Ducts［S］. EPRI， Palo Alto， CA： 1998. TR-109380.

［13］American Society of Testing and Materials， Standard Guide for Design， Fabrication， and Erection of Fiberglass Reinforced （FRP）Plastic Chimney Liners with Coal Fired Units ［S］. （ASTM D 5364-08）， West Conshohocken， PA， November 2008.

［14］VGB power tech service GmbH， chimneys for operation without flue gas reheating after FGD ［S］. Instruction Sheet VGB-M 643-Ue. Essen， Germany， February， 2007.

［15］ASTM D4618-92 American society for testing and materials，standard specification for design and fabrication of flue gas desulfurization system components for protective lining application ［S］. Philadelphia， PA， 2010.

［16］GB/T 16157-1996 固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法 ［S］.

［17］GB/T 21508-2008 燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測試方法 ［S］.

［18］Entrainment in Wet Stacks ［S］. EPRI， Palo Alto， CA： 1982. CS-2520

［19］Mongia R， Reza A， et al. Effect of exhaust stack geometry on the amount of liquid condensate during plant start-up ［C］. Proceedings， 95th Annual Conference of Air and Waste Management， Association， Baltimore， MD， 2002.

［20］湯龍華.濕法煙氣脫硫裝置中除霧器的性能測試方法 ［J］. 廣東電力， 2006，19（2）：41-43.

［21］Ye Zhuang， Pratim Biswas. Submicrometer particle formation and control in a bench-scale pulverized coal combustor ［J］. Energy and Fuels， 2001（15）：510-516.

［22］鄧 雙，張 凡，劉 宇，等.燃煤電廠鉛的遷移轉(zhuǎn)化研究 ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2013，33（7）：1199-1206.

［23］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］. 動力工程， 2008，28（2）：275-278.

Experimental study of formation mechanism of stack rainout from coal-fired power plant.

ZHUANG Ye*1，2， GU Peng1，2， OUYANG Li-hua1，2， CHEN Zhen-yu1， LIU Ke-wei1，2（1.Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co.， Ltd， Beijing 100039， China；2.Guodian New Energy Technology Research Institute， Beijing 102209， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：714～722

Most coal-fired power plants in China have abandoned Gas-Gas-Heater， and thereof resulting in frequent rainout around stacks. Extensive samples， including flue gas， stack rainout， discharged liquid from duct and stack， and slurry， were collected and analyzed for elemental distribution using ICP and XPS. Morphology analysis on solid samples using SEM was also performed. The goal is to perform a source apportionment analysis of stack rainout.The results indicated that， even though FGD and mist eliminator were operated properly， the wet flue gas was condensed on the duct/stack inner surface. Part of the formed liquid droplet was re-entrained into the flue gas as the condensed liquid could not be effectively discharged and the flue gas local velocity was high， which is the main source of the stack rainout. Meanwhile， fly ash and gypsum that were adherent to the inner surface of duct and stack were also re-entrained with the liquid droplet into the flue gas， causing increased slurry concentration along the flue gas flow. Elemental distributions between stack rainout and stack liquid discharge were quite similar. The morphology of the undissolved in the stack rainout showed agglomerate of fly ash and gypsum scale， which have also been observed in the liquid discharge. The elemental composition of un-dissolved solid in the stack rainout is determined by combining results of fly ash collection，wet flue gas desulphurization， mist eliminator， and liquid discharge. Fly ash accounts for 63.1% of the total undissolved in the stack rainout for the testing plant. Since the main contributor to the stack rainout is the re-entrainment of condensed liquid discharge from duct and stack， optimization on duct/stack design and liquid discharge alignment is necessary to eliminate stack rainout.

wet flue gas desulphurization；stack rainout；re-entrainment

X701.3

A

1000-6923（2015）03-0714-09

莊 燁（1969-），男，上海人，博士，主要從事細(xì)微顆粒捕集，除汞，多功能煙氣綜合凈化，燃煤機(jī)組超凈排放等研究.發(fā)表論文50余篇.

2014-07-08

國家科技支撐計劃（2012BAA12B00）

* 責(zé)任作者， 博士， zhuangy@lyhb.cn