1背景

2014年9月26日，國家能源局授予上海外高橋第三發(fā)電有限責任公司(以下簡稱”外三”)“國家煤電節(jié)能減排示范基地”稱號。這是目前為止，國內(nèi)唯一獲得此殊榮的發(fā)電企業(yè)。外三始終堅持構(gòu)建節(jié)能型低成本“超低排放”環(huán)保之路，通過多項環(huán)保項目的實施，2015年外三的污染物排放濃度已經(jīng)遠優(yōu)于新的國家環(huán)保標準甚至達到和超過燃氣輪機的排放標準。2016年公司大氣污染物排放濃度平均值分別為煙塵2.17毫克／立方米，二氧化硫15.55毫克／立方米、氮氧化物16.89毫克／立方米。但由于外三兩臺機組均采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術，脫硫出口濕煙氣中仍含有大量的霧狀水汽，以汽態(tài)形式經(jīng)煙囪排出。經(jīng)前期石膏雨治理后，這些含酸水蒸氣雖不會以液滴（石膏）雨形式在附近跌落，但這些帶有較高酸度的水汽客觀上仍然會對大氣產(chǎn)生一定的污染，而白色煙羽的視覺效果也會引起公眾的誤解。為此，在上海環(huán)保局的支持下，外三進一步采取措施，挖掘潛力，不僅尋找出了降低酸性水霧對大氣的污染的辦法，同時顯著緩解了白色煙羽的現(xiàn)象。

2簡述濕法脫硫煙氣特性及傳統(tǒng)煙氣加熱技術路線

2.1白色煙羽及石膏雨現(xiàn)象

濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，吸收塔出口凈煙氣溫度一般為45℃～51℃（煙煤）或55℃～60℃（褐煤）。煙氣成分中固體狀態(tài)的粉塵和石膏與煙氣中液態(tài)水混合形成石膏漿液，以液體狀態(tài)存在于煙氣中，另外煙氣成分中還包括氣體狀態(tài)的二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、三氧化硫(SO3)、二氧化硫(SO2)、氧氣(O2)和汽態(tài)的水蒸汽(H2O)等。煙氣最重要的特性是處于濕飽和狀態(tài)，即液態(tài)水與汽態(tài)水共存于煙氣之中。在流經(jīng)煙道、煙囪排入大氣的過程中因溫度降低，煙氣中部分汽態(tài)水和污染物會發(fā)生凝結(jié)，液體狀態(tài)的漿液量會增加，形成“石膏雨”現(xiàn)象。由于環(huán)境溫度總是低于煙氣溫度，因此當煙氣排入大氣時會因環(huán)境吸熱而造成煙氣濕度增加，甚至降溫析出飽和水，形成“白色煙羽”現(xiàn)象。近年來燃煤電廠顆粒物排放的研究表明，電廠排放的“白色煙羽”中不僅含有大量冷凝水，同時還包含數(shù)目可觀的顆粒物，尤其是可凝結(jié)顆粒物部分長久以來被研究者所忽視。可凝結(jié)顆粒物(condensableparticulatematter,CPM)指在煙道條件下為氣態(tài)，但是從煙囪排放后降溫并稀釋到大氣中時發(fā)生凝結(jié)和/或反應而立即變?yōu)楣虘B(tài)或液態(tài)顆粒物的物質(zhì)。需要注意的是，所有可凝結(jié)顆粒物都被假定為PM2.5粒徑級別。而可凝結(jié)顆粒物中，主要為SO3和水蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生的H2SO4及其反應產(chǎn)物，該類物質(zhì)是導致煙囪不透明度增加的主要原因。因此，如何減少“白色煙羽”中顆粒物的排放，成為燃煤電廠污染物排放研究的重要課題之一。

2.2傳統(tǒng)消除白色煙羽的技術路線

脫硫系統(tǒng)出口的飽和煙氣排入較低溫度的環(huán)境大氣后，煙氣冷卻后達到飽和濕煙氣后，水霧開始析出，從而產(chǎn)生“白色煙羽”，隨著水霧的不斷稀釋，“白色煙羽”會逐漸消失。通過煙氣再熱來防止“白色煙羽”的出現(xiàn)在理論上是可行的，然而，煙羽的形成高度依賴于氣象條件。對脫硫系統(tǒng)吸收塔出口煙氣進行再熱，雖然對污染物的排放濃度和排放總量沒有影響，但可以在一定程度上提高煙氣抬升高度和擴散范圍，減少煙囪“白色煙羽”和電廠周邊“石膏雨”的形成，對那些離中心城市較近、位于環(huán)境敏感度較高區(qū)域的火電廠，有必要對濕法煙氣脫硫后的低溫濕煙氣采取再熱措施。

加熱煙氣法就是將脫硫后溫度為45～60℃的煙氣加熱到70～80℃，使煙氣遠離水的露點溫度，且保證煙氣在煙囪出口仍適度過熱，可以有效減弱尾部煙道和煙囪的腐蝕。提高煙氣溫度可以增強煙氣抬升、擴散效果，使煙氣在排出煙囪以后，能夠?qū)崿F(xiàn)充分稀釋，從而減弱煙囪周圍的“石膏雨”現(xiàn)象。最早使用的煙氣加熱形式有四種，如圖1所示。在線加熱通過位于煙道內(nèi)的換熱器來加熱凈煙氣。間接熱空氣噴入加熱是將空氣在外部換熱器加熱后與出口煙氣混合。直接燃燒加熱是將燃油或天然氣燃燒生成的熱燃燒氣與出口煙氣混合。部分旁路加熱是將進入脫硫塔前的一部分煙氣繞過脫硫設施，與脫硫后的凈煙氣混合。但無論采用何種加熱方式，由于需將煙溫提升20-30℃，其能耗較大，機組煤耗上升至少2克/千瓦時，運營成本都很高。

圖1煙氣加熱形式

3外三獨創(chuàng)的冷凝法除濕減排項目的技術方案介紹

外三作為中國火電的標桿企業(yè)，始終堅持走一條有中國特色的節(jié)能型低成本環(huán)保之路。經(jīng)過大量的前期調(diào)研工作，外三摸索并形成了全新的煙氣冷凝除濕減排技術思路，通過這一技術的實施，可同步獲得減少白煙、降低水耗、減除煙塵、SO3、Hg等多種污染物的綜合效果，起到很好的環(huán)保效益和社會效益。該技術主要由兩個部分組成：去煙羽冷凝除濕部分；去煙羽加熱部分。

3.1去煙羽冷凝除濕部分

冷凝法技術的原理是利用飽和煙氣的冷凝相變，使飽和濕煙氣在微細顆粒物表面凝結(jié)，同時在煙氣與換熱管冷表面產(chǎn)生熱泳和擴散泳力作用，促使細顆粒向溫度梯度相反的冷管子壁面遷移運動，相互碰撞接觸，不斷長大，最后通過毛細管表面收集。該方法通過外部冷源控制過程相變度，是凝變+熱泳力凝并+雨室環(huán)境的洗滌+濕式慣性除塵四重凝聚與脫除疊加效果，可以有效促進微細顆粒物的凝聚及脫除。在飽和煙氣的濕式相變凝聚過程中，煙氣中的微細顆粒物以及附著在顆粒物上的重金屬元素會在慣性力、撞擊力等力作用下被凝聚器內(nèi)部的附著著液膜的冷凝管捕捉，順著液膜在重力作用下被收集；同時煙氣中的水蒸氣還會以微細顆粒物為核冷凝、進一步凝聚長大，實現(xiàn)微細顆粒物及附著在顆粒物上的重金屬元素的脫除；當水氣環(huán)境加劇，凝聚器內(nèi)部形成“雨室”效應時（類似于下雨），煙氣中的可溶性鹽亦可被同時脫除。概括而言，該技術除濕減排的機理主要體現(xiàn)在以下四個方面：

1）水蒸氣相變凝聚

水蒸氣相變凝聚是指含塵的飽和濕煙氣，在降溫冷凝換熱的過程中，隨著水蒸氣的相變凝聚，凝結(jié)成無數(shù)細微霧滴，增加了與氣相中各類可溶污染物的碰撞接觸比表面積，提高了霧滴進一步洗滌吸收污染物的效果，同時溫差導致的相變換熱將促進細微顆粒物、氣溶膠、微量有機物等熱凝并，這些凝結(jié)出的液滴，包括煙氣中的微量氣態(tài)有機物等，會與塵粒彼此凝聚成較大的二次粒子，易于被脫除、捕捉。

2）熱泳力凝并機理

圖2熱泳力凝并機理

冷凝換熱器設備內(nèi)部密集換熱管，濕煙氣與換熱管接觸過程中，煙氣被降溫冷凝，由于煙氣與換熱管表面存在溫度差，產(chǎn)生由煙氣主體指向換熱管表面的溫度梯度，在溫度梯度作用下，換熱管壁對微細顆粒物產(chǎn)生熱泳力（圖2），促使微細顆粒向管壁移動，并被捕捉，最終順著管壁的液膜在重力作用下流到設備底部被收集。

3）雨室洗滌作用

雨室洗滌（圖3）作用是指，降溫凝結(jié)的液滴在降落過程中對顆粒物的濕去除。

圖3雨室洗滌作用

4）濕式慣性除塵

濕式慣性除塵中慣性碰撞和攔截作用為主要除塵機制。冷凝管換熱器內(nèi)部有數(shù)量眾多的冷凝管垂直排列，凝聚后的顆粒物隨氣流沖擊在冷凝管上，氣流方向發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，借助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離。

具體工程設計時，外三在脫硫除霧器之后增設煙氣冷凝析水換熱裝置。煙氣冷凝析水換熱裝置應用高導熱性耐腐蝕管式換熱器，通過開式循環(huán)水（長江水）對煙氣進行降溫，經(jīng)過物理換熱將脫硫后煙氣降溫5攝氏度，從而凝結(jié)出煙氣中的含水，減少排放煙氣中的水蒸氣含濕量。凝結(jié)收集水（年平均析出水量70t/h）可用于脫硫除霧器的沖洗水，實現(xiàn)收集水廠內(nèi)循環(huán)，不外排，節(jié)水顯著。該技術的實施能同時有效去除多污染物和水汽，實現(xiàn)多污染物聯(lián)合脫除。

圖4冷凝法煙氣除濕減排裝置布置圖

3.2去煙羽加熱部分

經(jīng)冷凝，煙氣溫度水平降低，煙氣中冷凝水被大量收集后，煙氣中水蒸汽含量降低，水蒸氣的分壓力也隨之降低。對于煙囪出口煙氣排放的過程而言，由于煙氣溫度水平的降低導致煙氣與大氣環(huán)境溫度之間的溫差減小，這將有效減緩煙囪出口水蒸汽冷凝速度（即白羽的產(chǎn)生速度），同時由于水蒸氣的分壓力的降低，在煙氣冷卻和擴散過程中的水汽析出（生成白霧狀細小水滴）的速率相應降低。隨著煙氣在大氣中的不斷擴散，煙氣中水蒸氣的分壓力不斷降低，部分已析出的細小水滴會再次氣化，當水蒸氣的分壓力對應的飽和溫度降至霧狀水滴的溫度之下（再蒸發(fā)點）時，所有的細小水滴都會氣化，白色煙羽即消失不見。由于該技術實施后，煙囪出口煙氣中的水蒸氣初始分壓力已顯著下降，水蒸氣在大氣中的分壓力下降至再蒸發(fā)點的過程將顯著縮短，白色煙羽會得到明顯改善。若再對煙氣進行適當?shù)募訜?，則能極大改觀白煙狀況。冷凝法對于改善白色煙羽的機理在附件一中將會進一步闡述。

4該技術方案的工程效果

2016年，冷凝法煙氣除濕減排技術分別在外三#7、#8機組實施，成功地實現(xiàn)了低能耗消除白色煙羽的工程效果，其主要技術成果如下：

4.1節(jié)水效果

采用冷凝法煙氣除濕減排干煙的技術方案后，單臺機組平均可凝結(jié)析出水量為70t/h（隨季節(jié)不同略有差異），每年可收集冷凝水至少50萬噸。收集水用于脫硫除霧器的沖洗水，實現(xiàn)節(jié)水效益。對北方缺水地區(qū)來說，濕法脫硫系統(tǒng)是煤電廠的用水大戶，而且在北方由于冷源溫度相對于南方地區(qū)更低，在同等條件下可回收更多比例的冷凝水。如應用該技術，將收集到的煙氣冷凝水經(jīng)簡單處理后重新打回至脫硫系統(tǒng)使用，其絕對量相當于脫硫系統(tǒng)用水總量減少一半左右，極限條件下（如冬季）基本可做到脫硫系統(tǒng)的水耗平衡。項目產(chǎn)生的示范意義十分顯著，具有廣泛推廣的價值。

4.2改善白色煙羽，降低系統(tǒng)能耗

通過冷凝后的煙氣由于其含濕量已顯著下降，在相同的氣候條件下，外三消除白色煙羽所需的加熱量小于常規(guī)加熱法，相較于傳統(tǒng)的煙氣加熱技術能耗有著顯著的下降，但改善白色煙羽的效果是相同的。該技術較傳統(tǒng)煙氣加熱技術對機組煤耗影響小于1g/kwh。

燃煤電廠排煙形態(tài)會隨著外部氣象條件（溫度、濕度、風向、風速、氣壓等）和電廠煙氣參數(shù)（煙氣量、含濕量、排煙溫度、水蒸氣分壓力、燃煤成分、機組運行模式等）等發(fā)生明顯變化。根據(jù)水汽在大氣環(huán)境中的凝結(jié)特性，基于理論計算和現(xiàn)場試驗，得出各物性參數(shù)之間的關系，外三建立了白色煙羽形成的多維度模型，研發(fā)出了消除白色煙羽的智能模糊控制模型。該模型通過采集現(xiàn)場多個位號的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)系統(tǒng)控制在線尋優(yōu)和優(yōu)化設定，依托自動控制系統(tǒng)自動尋優(yōu)、調(diào)整環(huán)保設備運行方式，避免了“過加熱”情況，利用最小耗能實現(xiàn)“白色煙羽顯著緩解或者消除”。該技術成果不僅適用于冷凝干煙模式，同樣也適用于傳統(tǒng)煙氣加熱模式的自動尋優(yōu)調(diào)節(jié)控制。該技術成果已通過#7、#8機組冷凝干煙系統(tǒng)運行階段進行了驗證。圖5為基于某一特定運行模式下，白色煙羽出現(xiàn)的物理邊界。

圖5冷凝干煙系統(tǒng)多維度最優(yōu)運行控制技術

4.3脫除凈煙氣中剩余SO2/SO3，減少酸性氣體排放

脫硫后凈煙氣中的剩余SO2/SO3遇水會發(fā)生劇烈反應而溶于水，理論上可全部脫除。但考慮到冷凝析水裝置中煙氣的停留時間較短，氣流方向和冷凝水流動方向為垂直方向，存在部分氣體逃逸，只能收集部分SO2/SO3。根據(jù)外三冷凝水檢測報告計算，SO2/SO3融水形成的硫酸根含量約為40mg/L。若回收冷凝水按70t/h計，年利用小時5000小時計，每年可減排純硫酸（H2SO4）14.3噸。若推廣到全國5.3億千瓦容量的燃煤機組上，可減少7579噸純硫酸的向大氣中的排放，而SO2/SO3的排放正是酸雨的主要成因。

4.4進一步減排粉塵

該技術使用后，冷凝水不斷從煙氣中析出并凝結(jié)的過程中，煙氣中的微小顆粒會隨著冷凝水的收集被去除。煙氣冷凝水中還包含K、Na、Ca、NO3-等多種物質(zhì)，通過冷凝水的收集，還能減排大量的可溶性鹽。雖然外三的粉塵實際排放濃度已小于5mg/m3，該技術在外三應用時其除塵效果并不會明顯，但對于其它粉塵排放仍存在問題的電廠而言具有推廣價值。

5該技術的意義和推廣價值

冷凝法煙氣除濕減排干煙技術實施后可以獲得減少排放、降低水耗等環(huán)保、經(jīng)濟效益，同時可以有效減除煙塵、SO3等多種污染物，提高煙塵等污染物達標排放的可靠性和穩(wěn)定性，起到很好的環(huán)保效益和社會效益?，F(xiàn)在水資源日益匱乏，各國都在積極推進火電廠煙氣水份回收的相關工作，而隨著我國最新“水十條”政策出臺，對水資源的利用將趨于嚴格，要求火電行業(yè)促進再生水利用、控制用水總量、提高用水效益。因此，降低燃煤電廠的水耗是當前環(huán)保改造的趨勢。冷凝法煙氣除濕減排技術可以有效收集濕法脫硫后濕煙氣的水汽，收集的廢水可在脫硫中重復利用，降低水耗。這也是國內(nèi)首次百萬級大機組實現(xiàn)脫硫后濕煙氣所含酸性水汽的工業(yè)化系統(tǒng)性捕集，實現(xiàn)低能耗的循環(huán)利用，具有很好的示范作用。2016年1月24日,外三組織召開了冷凝法煙氣除濕減排技術專家論證會，以柴發(fā)合為組長的專家組一致討論認為，該技術立足于污染物的進一步減排收集，效果明顯。多年來，外三實施了多項國內(nèi)外領先的節(jié)能減排創(chuàng)新技術，并得到多方肯定。而此次外三冷凝法煙氣除濕減排項目的實施更是摸索一種新的火電凈煙氣除濕的方法，能夠減少水蒸氣和污染物的排放，為全國火電環(huán)保技術發(fā)展探索一條新的道路。該項目的實施也符合上海加速推進、加快建設具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的要求，能為減緩全球變暖的人類共同目標做出應有的貢獻。