超低排放燃煤電廠有色煙羽成因及治理技術的經濟與環境效益分析

超低排放燃煤電廠有色煙羽成因及治理技術的經濟與環境效益分析

北極星大氣網  來源:《中國電力》

  作者:朱法華 孫尊強等  

2019/8/21 9:21:23  我要投稿  

北極星大氣網訊:摘要：系統介紹了有色煙羽的定義及不同有色煙羽的成因，有色煙羽的治理應依據其成因及環境、政策需求進行針對性治理。在滿足超低排放要求的燃煤電廠，普遍存在的是白色煙羽，有少數燃用中、高硫煤的電廠會出現藍色煙羽。重點分析了藍色煙羽和白色煙羽治理技術及其投資、運行費用以及其經濟性和環境效益。對於白色煙羽的治理，其汙染物減排效益有限，甚至有可能增加汙染物排放，不宜全面推廣。對於藍色煙羽的治理，需加強對煙氣中SO₃檢測與治理技術的研究與示範，並出臺SO₃的排放標準，指導存在藍色煙羽現象的電廠進行規範治理。

0 引言

自2016年上海市出臺《燃煤電廠大氣汙染物排放標準》(DB 31/963—2016)，要求燃煤發電鍋爐應採取煙溫控制及其他有效措施消除「石膏雨」和「有色煙羽」等現象，加之京津冀、長三角等重點地區冬季大氣汙染仍頻繁發生，對有色煙羽的成分、成因等研究不夠，「有色煙羽」治理開始受到各地政府的高度關注。截至2018年底，已有天津市、浙江省、河北省以及江蘇省徐州市和鎮江市、山西省臨汾市等地方政府或相關部門要求對超低排放燃煤電廠「有色煙羽」進行綜合治理。

「 石膏雨」 、「 煙囪雨」 、「 大白煙」 、「 有色煙羽」 、「 溼煙羽」 、「 藍煙」 、「 黑煙」和「黃煙」等各種詞彙見諸於政府文件、學術論文及媒體， 導致一定的概念混淆， 使得政府、企業無所適從。本文從有色煙羽的定義、成分、顏色、治理技術、經濟效益與環境效益等方面進行系統研究，為客觀分析滿足超低排放要求的燃煤電廠的煙羽治理提供決策依據。

1 煙羽定義及其成因分析

1.1 煙羽及其成分

當煙氣從煙囪或其他裝置排入大氣後，由於它具有一定的動量和浮力，在向下風向傳輸過程中，其中心線會上升，同時煙體向四周擴散。煙氣在擴散過程中其外形有時像羽毛狀，因此被稱為煙羽[1]。煙羽顏色與煙氣成分及環境條件密切相關，在光線充足的條件下，煙氣中的不同成分與顏色之間的關係見表1。帶有顏色的煙羽被稱為有色煙羽，不同的顏色顯示出煙氣中的不同成分，顏色深淺可顯示其濃度高低，在濃度很低時一般均呈現為無色。

1.2 石膏雨及其成因

石膏雨是指採用溼式石灰石–石膏法工藝對煙氣進行脫硫的過程中，脫硫系統除霧器及後續淨化設備對逃逸石膏液滴的脫除效率不高，導致大量石膏液滴逃逸並從煙囪排出，在煙囪附近落於地面形成白色斑點的現象[2-4]。石膏雨形成是脫硫系統的煙氣流速過高、流場不均及除霧器效果較差等原因造成的。中國早期投運的溼式石灰石–石膏法煙氣脫硫裝置由於設計經驗不足以及過分強調降低造價等原因，造成部分電廠存在石膏雨現象，對周邊建築物、生產設備、作物、居民等產生了一定的不良影響。隨著超低排放政策的推進和對煙氣脫硫裝置相關設備的改進，石膏雨現象最近5 年明顯減少。

1.3 煙囪雨及其成因

煙囪雨是指煙囪排放的溼煙氣中含有大量的大顆粒液滴，由於來不及擴散和蒸發，經重力沉降落到地面形成的降雨現象[2]。產生煙囪雨的原因有3 種：一是由於脫硫系統除霧器的除霧效果較差，致使排放的溼煙氣中液滴含量高，出現煙囪雨並常常伴隨有石膏雨現象，液滴粒徑一般在1 000~2 000 μm;二是溼煙氣經過煙道及煙囪時，由於溫度下降冷凝形成大量的液滴[5-6]，液滴粒徑一般在1000~5 000 μm;三是溼煙氣中的氣態水在與環境溫度低、溼度大的空氣混合時，由於溫差較大， 部分氣態水冷凝直接形成了較大的液滴(甚至冰晶小顆粒)，來不及再次揮發而降落地面。

第1 種原因引起的煙囪雨可通過提高脫硫系統除霧器的除霧效果來解決。第2 種原因引起的煙囪雨可通過在煙囪內裝設液態水收集裝置來解決。第3 種原因引起的煙囪雨主要發生在冬季極寒冷的地區，對環境影響範圍較小，如果煙囪周圍500m範圍內環境不敏感， 可不進行專門治理，否則需要對煙氣進行加熱處理。

1.4 灰黑色煙羽及其成因

黑色煙羽(或灰色煙羽)是指由於煙氣中煙塵等固體顆粒物排放濃度高，煙囪排放口附近的煙氣呈黑色或灰色的現象，對於幹煙氣排放，在煙囪排放口就會形成黑色或灰色煙羽;對於溼煙氣排放，煙囪口的白色煙羽會掩蓋黑色或灰色煙羽，但白色煙羽消散後，黑色或灰色煙羽還會擴散很長的距離，即產生拖尾現象。

顆粒物排放濃度越高，林格曼黑度越高。當顆粒物質量濃度小於50mg/m3時，幹煙氣排放煙羽為無色，溼煙氣排放為白色煙羽，且白色煙羽消散後看不見顆粒物的拖尾現象。超低排放要求煙氣中顆粒物質量濃度小於10mg/m3，因此，超低排放燃煤電廠不會再出現黑色或灰色煙羽。

1.5 黃色煙羽及其成因

黃色煙羽是指煙氣中NO2 濃度較高，煙囪排放的煙氣呈黃色的現象。這種現象在實現超低排放的燃煤電廠一般不會出現，主要發生在燃氣電廠啟動負荷階段、焦爐、轉爐、化工廠等[7-9]。燃煤電廠排放的NOx主要是NO，NO₂的濃度很低。

1.6 白色煙羽及其成因

白色煙羽是指煙氣通過溼法脫硫裝置或溼式電除塵器處理後排放的溼煙氣，通過煙囪排入大氣，由於溫度下降煙氣中的水蒸氣凝結產生的白色水霧，由大量1 μm 左右的細小水滴組成，在陽光反射下一般呈白色，但也會因天空背景色和光照、觀察角度等原因呈現灰色，且自然擴散後會很快消失，不會產生拖尾現象。滿足超低排放要求的燃煤電廠普遍存在這種現象， 又稱「 溼煙羽」，俗稱「大白煙」或「冒白煙」[10]，是當前關注的熱點，也是本文研究的重點。

1.7 藍色煙羽及其成因

藍色煙羽是指由於煙氣中硫酸霧(即SO3 氣溶膠或硫酸氣溶膠)排放濃度較高，煙囪排放的煙氣呈藍色的現象。燃煤電廠煙氣排放過程中，煙氣中的SO3 基本上全部以硫酸霧形式存在。根據美國的經驗，當煙氣中的硫酸氣溶膠體積濃度在5×10– 6 ~10×10^{– 6}(10×10^{– 6} 相當於質量濃度為36 mg/m3 的SO3)時就可能出現藍色煙羽，超低排放中部分治理設施對煙氣中的SO3有較好的協同脫除作用，但仍有少數超低排放的電廠會出現藍色煙羽。

SO3主要來源於鍋爐燃燒、煙氣脫硝催化劑氧化以及電除塵器放電氧化等過程。因此，該現象主要出現在燃用高硫煤電廠的煙囪附近[11-12]。SO3對後續設備有較強的腐蝕作用，也是大氣霧霾中的細顆粒物的成分之一，需要進行相應的控制。

由此可見，不同有色煙羽成分及其成因有較大差異，滿足超低排放要求的燃煤電廠可能出現的有色煙羽僅有SO3含量較高的煙氣生成的藍色煙羽或煙氣中氣態水冷凝形成的白色煙羽。因此，下面僅論述藍色煙羽和白色煙羽的危害及治理。

2 藍色煙羽的危害及治理的經濟與環境效益

2.1 藍色煙羽的危害及治理要求

煙氣中的SO3 主要以亞微米粒徑的硫酸氣溶膠形式存在，粒徑越小，對於短波的散射越強，從而使煙羽呈現藍色。硫酸氣溶膠本身就屬於細顆粒物，排入大氣後還會和大氣中的氨氣(NH3)等反應生成鹽。

目前，中國SO3排放尚無國家標準，僅部分省(區、市)如北京等地方標準提出SO3(或硫酸霧)須控制在5 mg/m3 以下。在美國對於SO3排放也沒有國家標準，但已有22 個州對燃煤電廠SO3提出了排放限值要求，其中有9 個州的排放限值低於5 mg/m3，12 個州介於5~10 mg/m3。

2.2 藍色煙羽治理技術

對煙氣中SO3 的控制主要有3 條途徑。一是控制燃煤含硫量和SCR 煙氣脫硝過程中SO2/SO3的轉化率。二是利用煙氣治理中的低低溫電除塵器(LL-ESP)、溼式電除塵器(WESP)、溼法煙氣脫硫工藝(WFGD)、相變凝聚器等對煙氣中的硫酸霧進行協同脫除，部分電廠的脫除效果見表2，SO3 的排放質量濃度全部小於5 mg/m3。另據對上海6 個電廠的測試[12]，在燃煤中硫含量為0.35%~0.95% 時，超低排放改造前SO3 排放質量濃度為4 . 5 8 ~ 3 1 . 3 0 m g / m 3， 平均值為1 3 . 4 0mg/m3;超低排放改造後SO3 排放質量濃度降低至0.80~3.68 mg/m3，平均值為2.29 mg/m3，減排率為53.6%~95.1%。低低溫電除塵器對SO3 的脫除效率一般在60%~80% 以上，溼法煙氣脫硫工藝對SO3 的脫除效率在30%~80%，溼式電除塵器和相變凝聚器在30%~75%。三是向煙氣中噴入鹼性物質，中和煙氣中的硫酸霧。SO3 噴鹼脫除可分為爐內噴射和爐後噴射兩種，其中爐後噴射可在省煤器至脫硫塔之間的位置噴入，常用鹼性吸收劑有 C a ( O H ) 2、M g ( O H ) 2、N a H S O 3、N a 2C O 3等，與SO3 發生選擇性反應脫除SO3，該技術對SO3 的脫除效率可達90% 以上。該方法目前在國內應用很少。

2.3 藍色煙羽治理的經濟性分析

目前已經安裝有低低溫電除塵器、溼式電除塵器等裝置的電廠，SO3 的排放濃度一般較低，不需要大規模改造。對於燃煤硫分高、缺少低低溫電除塵器及溼式電除塵器等高效脫除SO3 裝置的電廠，SO3 排放濃度較高(甚至超過30 mg/m3)，需要進行改造。根據實際情況不同，改造的投資造價在20~50 元/kW(見表3)。

對SO3 治理的經濟效益主要體現在減少電廠爐後設施的腐蝕， 減少下遊設備檢修維護工作量。取決於各電廠的煤質、設備的不同，產生的經濟效益也有較大差異。需要特別強調的是採用煙氣加熱技術是無法治理藍色煙羽的，因為加熱後的煙氣溫度遠低於硫酸的露點溫度，SO3 仍以硫酸氣溶膠的形式存在。

2.4 藍色煙羽治理的環境效益

SO3 在脫硫後的煙氣中主要以硫酸霧的形式存在，出現藍色煙羽時煙氣中的SO3 濃度一般在36 mg/m3 以上，通過治理可以下降到3.6 mg/m3，這意味著以SO3 形式存在的硫酸霧濃度下降了32.4 mg/m3，因其排入大氣後會形成硫酸鹽，相當於排放硫酸鹽細顆粒物的質量濃度超過53 mg/m3，遠遠超過超低排放顆粒物排放質量濃度10 mg/m3 的要求，其對環境空氣中PM2.5 的影響是較為明顯的。因此，凡是有藍色煙羽現象的電廠，應進行SO3 的深度減排，沒有出現藍色煙羽的電廠，也應對煙氣中的SO3 進行監測，分析其對周圍大氣質量的影響。從國內外已有經驗看，SO3 的排放質量濃度小於5 mg/m3 對環境空氣品質的影響較小。

2020「北極星杯」煙氣治理影響力企業評選再度來襲，全程免費，入圍即可獲得北極星站群百萬媒體流量曝光，更有全年宣傳推廣機會！報名企業再創新高，龍頭企業雲集！同期召開第三屆工業煙氣深度治理高峰論壇，更多精彩，點擊了解詳情：

企業評選

|

高峰論壇

投稿聯繫：0335-3030550  郵箱：huanbaowang#bjxmail.com（請將#換成@）

北極星環保網聲明：此資訊系轉載自北極星環保網合作媒體或網際網路其它網站，北極星環保網登載此文出於傳遞更多信息之目的，並不意味著贊同其觀點或證實其描述。文章內容僅供參考。