湿法FGD湿烟囱工艺的问题及对策

HUMIN9000 2015-10-26

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摘要：介绍了湿法 FGD 湿烟囱工艺的可行性和选择该工艺时应考虑的问题，并提出了湿烟道、湿烟囱设计的基本要求。

据德国火力发电厂的统计，热交换器占总投资费用的 7.0%[1];珞璜电厂 3、4 号 FGD 在主要设备进口的情况下，2 台国产光管和螺旋肋片管烟气加热器(GGH)占总设备费的 3.5%左右。若取消 GGH，降低 FGD 总压损、FGD 增压风机容量和电耗，可大大减少运行和检修费用。就我们的经验，燃用高硫煤的 GGH 检修、改造费用相当高，同时，GGH 还是造成 FGD 事故停机的主要设备。在大多数情况下，一套精心设计的湿烟囱 FGD 的总投资和运行、维护费用较装有 GGH 的 FGD 要低得多。

目前，许多 FGD 系统(特别是德、日)都装有 GGH，但自 20 世纪 80 年代中期以来，美国设计的大多数 FGD 已选择湿烟囱运行[2]。近年，我国也提出了采用湿烟囱工艺的要求。本文将概要地介绍采用湿烟囱需要考虑的问题，以供选择工艺方案时参考。

1 GGH 的功能及省却 GGH 的可行性

GGH 的功能： (1)增强污染物的扩散; (2)降低烟羽的可见度; (3)避免烟囱降落液滴; (4) 避免洗涤器下游侧设备腐蚀。

就目前的 FGD 工艺技术水平而言，加热烟气对于减少洗涤器下游侧的冷凝物是有效的，但对去除透过除雾器被烟气夹带过来的液滴和汇集在烟道壁上的流体重新被烟气夹带形成的较大液滴作用不大。因此，加热器对于降低其下游侧设备腐蚀的作用有限。实际上，无论是洗涤器上游侧的降温换热器还是下游侧的加热器，其本身的腐蚀就令人头痛。随着 ME、烟道、烟囱设计的改进和结构材料的发展，从技术和经济的角度来说，省却 GGH 是可行的。

2 采用湿烟囱应考虑的问题

2.1 影响选择湿烟囱的因素

火电厂选择湿烟囱运行通常是出于投资、运行和维修费用的考虑，在大多数情况下，湿烟囱方案具有最低的总费用。但是，烟气扩散和烟羽的不透明度等其他因素有可能压倒经济方面的考虑。

2.1.1 烟流扩散为

防止烟流下洗 (downwash) 烟囱出口处流速不宜低于该高度处风速的 1.5 倍，，一般宜在 20～ 30m/s，排烟温度在 100℃以上[3]。烟流下洗不仅会腐蚀烟囱的组件材料，而且减弱了烟气的扩散，影响周围环境。在低于 0℃的气温下还会导致烟囱上结冰。外烟囱的直径过大，会在其下风侧产生较大的低压区，因此，有多个内烟道的烟囱发生烟流下洗的可能性较单烟道烟囱更大。湿烟囱排放的低温烟气抬升小，垂直扩散速度低，出现烟流下洗的可能性更大。

湿烟囱的另一个问题是烟囱“降雨”(stack rain out)，其起因是烟气夹带的液滴，这种降雨通常发生在烟囱下风侧几百米内。虽然加热烟气的湿法 FGD 也可能发生烟囱降雨，但湿烟囱出现的几率更大。

2.1.2 烟羽的黑度

发电厂排放烟气的透明度主要受飞灰颗粒物、液滴和硫酸雾的影响，造成烟气不透明的主要物质是 NO2。饱和热烟气离开烟囱后温度下降，形成水雾，这种含有较多水汽或其他结晶物质的白色烟气会降低烟气的黑度，使得测得的黑度不能真实地反映污染情况。湿烟囱排放白色烟流更严重。

2.1.3 冷凝物的形成

烟囱降雨的直接原因是烟气中有水滴，其来源：(1)透过 ME 夹带过来的液滴，这种液滴直径通常在 100～1000μm，少数大于 2000μm，其量与 ME 的性能、清洁状况、烟气流速等因素有关。 (2) 饱和烟气顺着烟囱上升时压力下降，绝热膨胀使烟气变冷，形成直径大约为 1μm 的水滴。(3)热饱和烟气接触到较冷的烟道和烟囱内壁形成了冷凝物。

由于受惯性力的作用，烟气夹带的较大水滴撞到烟道和烟囱壁上，并与壁上冷凝液结合，并重新被带入烟气，这些重新被带出的液滴直径通常在 1000～5000μm 之间，其量取决于壁面的特性和烟气流速。粗糙的壁面、较高的烟气流速使夹带量增加。

2.2 湿烟囱工艺采用装置的设计要求

2.2.1 ME 的设计

ME 的正确设计和运行对于湿烟囱工艺尤为重要。以逆流喷淋吸收塔为例，最上层喷淋母管与 ME 端面应有足够的距离;ME 端面烟气的分布应尽量均匀;应选用临界速度高、透过的夹带物少 (<50mg/m3)、材料坚固、表面光滑的高性能 ME;尽可能选择水平烟气流 ME;设置冲洗和压差监视装置。

2.2.2 出口烟道

接触湿烟气的烟道壁、导流板、支撑加固件上会留有液体，因此，烟道的设计应尽量减少水淤积，要有利于冷凝液排往吸收塔或收集池;膨胀节和档板不能布置在低位点，同时要设计排水设施。为尽量减少烟气夹带液体，甚至不允许烟道内有加固件。

每种材料都有其特有的烟气重新夹带液体的临界速度，如果烟气流速始终低于所用结构材料的临界流速，就可最大限度地减少夹带液体。对大多数出口烟道材料来说，开始明显重新夹带液体的烟气流速是 12～30m/s，对于内表面平整光滑、不连续结构少的烟道，临界流速可取该范围的上限。烟囱入口烟道应避免采用内部加固件，一般主张烟囱入口烟道的宽度等于烟囱半径，这样可以加剧烟气的旋流，有利于液滴沉积到烟囱壁上。

对出口烟道和烟囱的烟气流进行模拟试验有助于确定烟道尺寸、走向、导流板和集液设施的最佳位置，还可预测液体沉积和烟气夹带的情况。

2.2.3 烟囱内烟道

烟囱结构设计的主要要求是能有效地收集烟气带入的较大液滴和防止烟囱壁上的液体被烟气重新带走，最大限度地减少烟囱排放液体。当烟气进入烟囱时，烟气由水平流急转成垂直流，惯性力使较大的液滴撞向烟囱入口烟道对面的内烟囱壁面上，因此，在此位置上布置集液装置能有效地收集液滴。此外，烟囱的底部应低于烟囱入口烟道的底部，形成一个集液槽，并配以疏水排放管道和防淤塞装置。

美国基于其 20 多年对湿烟囱的研究和实际运行经验，在湿烟囱材料和烟气临界流速方面积累了经验。表 1 列出了运用模拟试验测得的几种烟囱材料的烟气临界流速[2](表中数据有裕量)。如果烟气中的液体量较少或在*近烟囱入口烟道处能有效地收集水滴，烟气流速可以再高些。实践表明，参考表中数据设计的烟囱，确实可以避免排放液体。

表 1 不同材料内烟道的烟气临界流速

过去，大多数用耐酸砖砌的内烟囱是圆锥形，现在大部分是等直径圆柱状，如表 1 所示，后者允许的烟气临界流速高得多。锥形烟囱每层内衬砖之间有一处砖缝要错位，大量的错位缝成了烟气重新夹带液体的源头。减小砖砌锥形内烟囱的斜度，可以允许较高的烟气流速。由于在烟囱上部的壁面上形成了边界层，贴近壁面的烟气流速明显低于主流体的流速，因此，烟囱上部也允许较高的流速。增加烟囱出口烟气流速可以减少烟流下洗和增强扩散，为此，美国的做法是在烟囱出口处装设调节门。

对于有多个内烟道的烟囱，可以使内烟道高出外烟囱 2 倍内烟道直径的高度，这样可以减少烟流下洗。对单烟道的烟囱则无此必要。

2.2.4 替代湿烟囱的设计方案

德国采用的湿烟囱是将烟气直接排入双曲线冷却塔的水雾中，冷却塔的空气流量大约是烟气流量的 20 倍，这种情况下，更不需要 GGH。目前，德国已有超过 15 座电厂采用此设计方案。当然，对于新建电厂可以预先考虑 FGD 和冷却塔的位置，而改建电厂可能会受位置限制。例如德国 RWE Wesweiler 电厂(总装机容量 1500MW)在 20 世纪 80 年代中期将 3 套改建的湿法石灰石 FGD(共 5 个吸收塔)的烟气经 3 个冷却塔排放，原有的烟囱用于排放旁路烟气，少建 1 个湿烟囱，3 套 FGD 至今运行良好。

若仅有 1 座湿烟囱，则难免要排放高温未处理烟气，甚至有可能接触空预器故障时高达 300℃以上的烟气，为了便于选材和减少今后的维修，可以考虑建干、湿 2 个烟囱。对于增建 FGD 的电厂，如果在*近现有烟囱和引风机的地方布置有困难，可以将烟气引至可布置的地方，再建 1 座湿烟囱。

为避免出口烟道过长，用原干烟囱排放高温烟气。

2.3 湿烟囱的结构材料

湿烟囱衬里材料的可*性至关重要，如果湿烟气中腐蚀性液体和颗粒物对烟囱造成损坏以至衬里失效将造成严重后果。对于结构材料不适合湿态运行的现有烟囱必须用合适的材料重新衬覆，或另建湿烟囱。在工艺过程确定后，要根据预测的腐蚀环境并兼顾最大限度地减少烟囱排水来选择材料。

电厂烟囱通常分为干、湿 2 种，湿烟囱又分为：(1)湿法洗涤后的烟气不加热;(2)部分烟气加热;(3)必要时排放高温烟气。湿烟道和湿烟囱的内壁暴露于硫酸、亚硫酸、氯化物和氟化物的冷凝物和固形物等低 pH(往往不超过 2)环境中，遇到上述(2)或定期排放旁路烟气的情况，还要遭受高温、高酸性和高浓度氯化物、氟化物，湿烟囱将遭到毁坏。制约湿烟囱材料选择的主要因素是旁路烟气的输送方式，水雾夹带和经济性。例如，排放部分未处理烟气、未处理旁路烟气或启停机期间的旁路烟气的烟道，均不能采用 FRP、有机改性树脂衬复钢板等材料。

在美国，出于费用考虑，耐酸砖成为燃煤电厂砌内烟囱的主要用材。目前流行在混凝土烟囱内表面做钢套，钢套内表面喷涂 1.5mm 乙烯基酯玻璃鳞片树脂，但这种结构仍受运行温度限制。表 2 为部分已用或计划用于新建或改建湿烟囱的材料特性[2]。