冷凝法烟气除湿减排干烟技术概述
1背景
2014年9月26日，国家能源局授予上海外高桥第三发电有限责任公司(以下简称”外三”)“国家煤电节能减排示范基地”称号。这是目前为止，国内唯一获得此殊荣的发电企业。外三始终坚持构建节能型低成本“超低排放”环保之路，通过多项环保项目的实施，2015年外三的污染物排放浓度已经远优于新的国家环保标准甚至达到和超过燃气轮机的排放标准。2016年公司大气污染物排放浓度平均值分别为烟尘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。但由于外三两台机组均采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术，脱硫出口湿烟气中仍含有大量的雾状水汽，以汽态形式经烟囱排出。经前期石膏雨治理后，这些含酸水蒸气虽不会以液滴（石膏）雨形式在附近跌落，但这些带有较高酸度的水汽客观上仍然会对大气产生一定的污染，而白色烟羽的视觉效果也会引起公众的误解。为此，在上海环保局的支持下，外三进一步采取措施，挖掘潜力，不仅寻找出了降低酸性水雾对大气的污染的办法，同时显著缓解了白色烟羽的现象。
2简述湿法脱硫烟气特性及传统烟气加热技术路线
2.1白色烟羽及石膏雨现象
湿法烟气脱硫系统中，吸收塔出口净烟气温度一般为45℃～51℃（烟煤）或55℃～60℃（褐煤）。烟气成分中固体状态的粉尘和石膏与烟气中液态水混合形成石膏浆液，以液体状态存在于烟气中，另外烟气成分中还包括气体状态的二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、三氧化硫(SO3)、二氧化硫(SO2)、氧气(O2)和汽态的水蒸汽(H2O)等。烟气最重要的特性是处于湿饱和状态，即液态水与汽态水共存于烟气之中。在流经烟道、烟囱排入大气的过程中因温度降低，烟气中部分汽态水和污染物会发生凝结，液体状态的浆液量会增加，形成“石膏雨”现象。由于环境温度总是低于烟气温度，因此当烟气排入大气时会因环境吸热而造成烟气湿度增加，甚至降温析出饱和水，形成“白色烟羽”现象。近年来燃煤电厂颗粒物排放的研究表明，电厂排放的“白色烟羽”中不仅含有大量冷凝水，同时还包含数目可观的颗粒物，尤其是可凝结颗粒物部分长久以来被研究者所忽视。可凝结颗粒物(condensableparticulatematter,CPM)指在烟道条件下为气态，但是从烟囱排放后降温并稀释到大气中时发生凝结和/或反应而立即变为固态或液态颗粒物的物质。需要注意的是，所有可凝结颗粒物都被假定为PM2.5粒径级别。而可凝结颗粒物中，主要为SO3和水蒸气凝结产生的H2SO4及其反应产物，该类物质是导致烟囱不透明度增加的主要原因。因此，如何减少“白色烟羽”中颗粒物的排放，成为燃煤电厂污染物排放研究的重要课题之一。
2.2传统消除白色烟羽的技术路线
脱硫系统出口的饱和烟气排入较低温度的环境大气后，烟气冷却后达到饱和湿烟气后，水雾开始析出，从而产生“白色烟羽”，随着水雾的不断稀释，“白色烟羽”会逐渐消失。通过烟气再热来防止“白色烟羽”的出现在理论上是可行的，然而，烟羽的形成高度依赖于气象条件。对脱硫系统吸收塔出口烟气进行再热，虽然对污染物的排放浓度和排放总量没有影响，但可以在一定程度上提高烟气抬升高度和扩散范围，减少烟囱“白色烟羽”和电厂周边“石膏雨”的形成，对那些离中心城市较近、位于环境敏感度较高区域的火电厂，有必要对湿法烟气脱硫后的低温湿烟气采取再热措施。
加热烟气法就是将脱硫后温度为45～60℃的烟气加热到70～80℃，使烟气远离水的露点温度，且保证烟气在烟囱出口仍适度过热，可以有效减弱尾部烟道和烟囱的腐蚀。提高烟气温度可以增强烟气抬升、扩散效果，使烟气在排出烟囱以后，能够实现充分稀释，从而减弱烟囱周围的“石膏雨”现象。最早使用的烟气加热形式有四种，如图1所示。在线加热通过位于烟道内的换热器来加热净烟气。间接热空气喷入加热是将空气在外部换热器加热后与出口烟气混合。直接燃烧加热是将燃油或天然气燃烧生成的热燃烧气与出口烟气混合。部分旁路加热是将进入脱硫塔前的一部分烟气绕过脱硫设施，与脱硫后的净烟气混合。但无论采用何种加热方式，由于需将烟温提升20-30℃，其能耗较大，机组煤耗上升至少2克/千瓦时，运营成本都很高。
图1烟气加热形式
3外三独创的冷凝法除湿减排项目的技术方案介绍
外三作为中国火电的标杆企业，始终坚持走一条有中国特色的节能型低成本环保之路。经过大量的前期调研工作，外三摸索并形成了全新的烟气冷凝除湿减排技术思路，通过这一技术的实施，可同步获得减少白烟、降低水耗、减除烟尘、SO3、Hg等多种污染物的综合效果，起到很好的环保效益和社会效益。该技术主要由两个部分组成：去烟羽冷凝除湿部分；去烟羽加热部分。
3.1去烟羽冷凝除湿部分
冷凝法技术的原理是利用饱和烟气的冷凝相变，使饱和湿烟气在微细颗粒物表面凝结，同时在烟气与换热管冷表面产生热泳和扩散泳力作用，促使细颗粒向温度梯度相反的冷管子壁面迁移运动，相互碰撞接触，不断长大，最后通过毛细管表面收集。该方法通过外部冷源控制过程相变度，是凝变+热泳力凝并+雨室环境的洗涤+湿式惯性除尘四重凝聚与脱除叠加效果，可以有效促进微细颗粒物的凝聚及脱除。在饱和烟气的湿式相变凝聚过程中，烟气中的微细颗粒物以及附着在颗粒物上的重金属元素会在惯性力、撞击力等力作用下被凝聚器内部的附着着液膜的冷凝管捕捉，顺着液膜在重力作用下被收集；同时烟气中的水蒸气还会以微细颗粒物为核冷凝、进一步凝聚长大，实现微细颗粒物及附着在颗粒物上的重金属元素的脱除；当水气环境加剧，凝聚器内部形成“雨室”效应时（类似于下雨），烟气中的可溶性盐亦可被同时脱除。概括而言，该技术除湿减排的机理主要体现在以下四个方面：
1）水蒸气相变凝聚
水蒸气相变凝聚是指含尘的饱和湿烟气，在降温冷凝换热的过程中，随着水蒸气的相变凝聚，凝结成无数细微雾滴，增加了与气相中各类可溶污染物的碰撞接触比表面积，提高了雾滴进一步洗涤吸收污染物的效果，同时温差导致的相变换热将促进细微颗粒物、气溶胶、微量有机物等热凝并，这些凝结出的液滴，包括烟气中的微量气态有机物等，会与尘粒彼此凝聚成较大的二次粒子，易于被脱除、捕捉。
2）热泳力凝并机理
图2热泳力凝并机理
冷凝换热器设备内部密集换热管，湿烟气与换热管接触过程中，烟气被降温冷凝，由于烟气与换热管表面存在温度差，产生由烟气主体指向换热管表面的温度梯度，在温度梯度作用下，换热管壁对微细颗粒物产生热泳力（图2），促使微细颗粒向管壁移动，并被捕捉，最终顺着管壁的液膜在重力作用下流到设备底部被收集。
3）雨室洗涤作用
雨室洗涤（图3）作用是指，降温凝结的液滴在降落过程中对颗粒物的湿去除。
图3雨室洗涤作用
4）湿式惯性除尘
湿式惯性除尘中惯性碰撞和拦截作用为主要除尘机制。冷凝管换热器内部有数量众多的冷凝管垂直排列，凝聚后的颗粒物随气流冲击在冷凝管上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。
具体工程设计时，外三在脱硫除雾器之后增设烟气冷凝析水换热装置。烟气冷凝析水换热装置应用高导热性耐腐蚀管式换热器，通过开式循环水（长江水）对烟气进行降温，经过物理换热将脱硫后烟气降温5摄氏度，从而凝结出烟气中的含水，减少排放烟气中的水蒸气含湿量。凝结收集水（年平均析出水量70t/h）可用于脱硫除雾器的冲洗水，实现收集水厂内循环，不外排，节水显著。该技术的实施能同时有效去除多污染物和水汽，实现多污染物联合脱除。
图4冷凝法烟气除湿减排装置布置图
3.2去烟羽加热部分
经冷凝，烟气温度水平降低，烟气中冷凝水被大量收集后，烟气中水蒸汽含量降低，水蒸气的分压力也随之降低。对于烟囱出口烟气排放的过程而言，由于烟气温度水平的降低导致烟气与大气环境温度之间的温差减小，这将有效减缓烟囱出口水蒸汽冷凝速度（即白羽的产生速度），同时由于水蒸气的分压力的降低，在烟气冷却和扩散过程中的水汽析出（生成白雾状细小水滴）的速率相应降低。随着烟气在大气中的不断扩散，烟气中水蒸气的分压力不断降低，部分已析出的细小水滴会再次气化，当水蒸气的分压力对应的饱和温度降至雾状水滴的温度之下（再蒸发点）时，所有的细小水滴都会气化，白色烟羽即消失不见。由于该技术实施后，烟囱出口烟气中的水蒸气初始分压力已显著下降，水蒸气在大气中的分压力下降至再蒸发点的过程将显著缩短，白色烟羽会得到明显改善。若再对烟气进行适当的加热，则能极大改观白烟状况。冷凝法对于改善白色烟羽的机理在附件一中将会进一步阐述。
4该技术方案的工程效果
2016年，冷凝法烟气除湿减排技术分别在外三#7、#8机组实施，成功地实现了低能耗消除白色烟羽的工程效果，其主要技术成果如下：
4.1节水效果
采用冷凝法烟气除湿减排干烟的技术方案后，单台机组平均可凝结析出水量为70t/h（随季节不同略有差异），每年可收集冷凝水至少50万吨。收集水用于脱硫除雾器的冲洗水，实现节水效益。对北方缺水地区来说，湿法脱硫系统是煤电厂的用水大户，而且在北方由于冷源温度相对于南方地区更低，在同等条件下可回收更多比例的冷凝水。如应用该技术，将收集到的烟气冷凝水经简单处理后重新打回至脱硫系统使用，其绝对量相当于脱硫系统用水总量减少一半左右，极限条件下（如冬季）基本可做到脱硫系统的水耗平衡。项目产生的示范意义十分显著，具有广泛推广的价值。
4.2改善白色烟羽，降低系统能耗
通过冷凝后的烟气由于其含湿量已显著下降，在相同的气候条件下，外三消除白色烟羽所需的加热量小于常规加热法，相较于传统的烟气加热技术能耗有着显著的下降，但改善白色烟羽的效果是相同的。该技术较传统烟气加热技术对机组煤耗影响小于1g/kwh。
燃煤电厂排烟形态会随着外部气象条件（温度、湿度、风向、风速、气压等）和电厂烟气参数（烟气量、含湿量、排烟温度、水蒸气分压力、燃煤成分、机组运行模式等）等发生明显变化。根据水汽在大气环境中的凝结特性，基于理论计算和现场试验，得出各物性参数之间的关系，外三建立了白色烟羽形成的多维度模型，研发出了消除白色烟羽的智能模糊控制模型。该模型通过采集现场多个位号的数据信息，实现系统控制在线寻优和优化设定，依托自动控制系统自动寻优、调整环保设备运行方式，避免了“过加热”情况，利用最小耗能实现“白色烟羽显著缓解或者消除”。该技术成果不仅适用于冷凝干烟模式，同样也适用于传统烟气加热模式的自动寻优调节控制。该技术成果已通过#7、#8机组冷凝干烟系统运行阶段进行了验证。图5为基于某一特定运行模式下，白色烟羽出现的物理边界。
图5冷凝干烟系统多维度最优运行控制技术
4.3脱除净烟气中剩余SO2/SO3，减少酸性气体排放
脱硫后净烟气中的剩余SO2/SO3遇水会发生剧烈反应而溶于水，理论上可全部脱除。但考虑到冷凝析水装置中烟气的停留时间较短，气流方向和冷凝水流动方向为垂直方向，存在部分气体逃逸，只能收集部分SO2/SO3。根据外三冷凝水检测报告计算，SO2/SO3融水形成的硫酸根含量约为40mg/L。若回收冷凝水按70t/h计，年利用小时5000小时计，每年可减排纯硫酸（H2SO4）14.3吨。若推广到全国5.3亿千瓦容量的燃煤机组上，可减少7579吨纯硫酸的向大气中的排放，而SO2/SO3的排放正是酸雨的主要成因。
4.4进一步减排粉尘
该技术使用后，冷凝水不断从烟气中析出并凝结的过程中，烟气中的微小颗粒会随着冷凝水的收集被去除。烟气冷凝水中还包含K、Na、Ca、NO3-等多种物质，通过冷凝水的收集，还能减排大量的可溶性盐。虽然外三的粉尘实际排放浓度已小于5mg/m3，该技术在外三应用时其除尘效果并不会明显，但对于其它粉尘排放仍存在问题的电厂而言具有推广价值。
5该技术的意义和推广价值
冷凝法烟气除湿减排干烟技术实施后可以获得减少排放、降低水耗等环保、经济效益，同时可以有效减除烟尘、SO3等多种污染物，提高烟尘等污染物达标排放的可靠性和稳定性，起到很好的环保效益和社会效益。现在水资源日益匮乏，各国都在积极推进火电厂烟气水份回收的相关工作，而随着我国最新“水十条”政策出台，对水资源的利用将趋于严格，要求火电行业促进再生水利用、控制用水总量、提高用水效益。因此，降低燃煤电厂的水耗是当前环保改造的趋势。冷凝法烟气除湿减排技术可以有效收集湿法脱硫后湿烟气的水汽，收集的废水可在脱硫中重复利用，降低水耗。这也是国内首次百万级大机组实现脱硫后湿烟气所含酸性水汽的工业化系统性捕集，实现低能耗的循环利用，具有很好的示范作用。2016年1月24日,外三组织召开了冷凝法烟气除湿减排技术专家论证会，以柴发合为组长的专家组一致讨论认为，该技术立足于污染物的进一步减排收集，效果明显。多年来，外三实施了多项国内外领先的节能减排创新技术，并得到多方肯定。而此次外三冷凝法烟气除湿减排项目的实施更是摸索一种新的火电净烟气除湿的方法，能够减少水蒸气和污染物的排放，为全国火电环保技术发展探索一条新的道路。该项目的实施也符合上海加速推进、加快建设具有全球影响力的科技创新中心的要求，能为减缓全球变暖的人类共同目标做出应有的贡献。