石灰石-石膏湿法烟气脱硫“石膏雨”的防治

石灰石-石膏湿法烟气脱硫“石膏雨”的防治

刘小娜胡克

（国核电力规划设计研究院北京100095）

摘要：采用石灰石-石膏湿法脱硫的燃煤电厂取消了烟气换热器（GGH）后，“石膏雨”现象变得严重，对电厂周边环境产生了一定影响。本文深入分析了火电厂石膏雨的主要成分和石膏雨产生的主要原因，针对石膏雨的防治，分析论证了设计中避免石膏雨产生的措施和注意事项，提出了石膏雨问题防治的具体措施。

关键词：石膏雨；除雾器；烟囱

0火电厂石膏雨现象

石灰石-石膏湿法烟气脱硫（WFGD）技术，是我国应用最广泛的脱硫技术。目前占我国烟气脱硫技术的90%以上。早期安装的石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统都配套有烟气换热装置（GGH），以提高烟气抬升高度，利于烟气扩散排放，同时还能有效减少烟气中过饱和水汽冷凝。但在实际运行过程中，GGH部件常出现严重的腐蚀、换热元件堵塞等问题，影响了WFGD系统的稳定性和经济性。新建湿法烟气脱硫机组大多采用了不装设GGH的方案，原有的WFGD系统也开始取消GGH装置。

由于系统不设置GGH，净烟气温度较低，一般在50℃左右。塔内烟气经过喷淋洗涤后，尽管经过除雾器除雾，但是净烟气仍然是饱和的湿烟气，携带了微小雾滴粒径的石膏浆液，若除雾器除雾效果不理想，石膏浆液携带量超标，那么烟气冷凝后析出的冷凝水中会“溶解”烟气中的飞灰及石膏等，这些冷凝水被高速的烟气携带，流经烟囱，飘向大气，形成“石膏雨现象”。其对电厂周边居民生活造成了很大的影响。随着我国更严格的污染控制标准的出台，石膏雨的控制已成为燃煤电厂需重点解决的问题。

1石膏雨的组成部分

石膏雨是由石膏浆滴、飞灰、雾滴组成复杂的混合物，主要包括未能被除雾器除去的石膏浆液及净烟气中饱和水形成的冷凝液滴。

吸收塔出口净烟气中的石膏浆液主要来源于喷淋层喷嘴雾化后的细微浆液滴。研究表明，石膏浆液经喷嘴雾化后雾滴直径一般在920μm，经碰撞后会产生少量在15μm左右。在经过除雾器后，一般会除去99.99％的不小于22μm的雾滴，同时还可以去除50％的15-22μm液滴，15μm以下的雾滴无法拦截，因此净烟气中有一定量的石膏浆液是必然的。

但是如果烟气在除雾器处的流速超过设计值，除雾器的效果将大大降低，甚至失效，除雾器也会在高速的烟气下发生二次携带现象，大量的石膏浆液将会随烟气被带人烟囱，形成净烟气带浆现象[1]。

净烟气中的冷凝液滴即“雨”主要是来自烟气饱和水蒸气。湿烟气中水蒸气在烟囱上升过程中，由于烟气压力降低，绝热膨胀后促使烟气降温，形成非常细小的水滴（直径＜1μm），而且在烟囱内部，由于受惯性力的作用，烟气夹带的水滴撞到烟道和烟囱壁上，并与壁上冷凝液结合，并受气流影响重新被带入烟气，这些重新被带出的液滴直径通常在100～500μm。

飞灰也是石膏雨的重要组成部分。研究表明，“石膏雨”中固体杂质的主要成分为CaSO4·2H2O、SiO2、Al2O3和CaCO3，结果表明“石膏雨”的固体成分中不仅只含有石膏本身，而且还有很大一部分的以SiO2和Al2O3为主的固体杂质颗粒，而这些固体杂质又是颗粒物的重要组成部分[2]。

烟气经过WFGD系统后至吸收塔出口时，净烟气温度在45～55℃，已达到湿饱和状态，此时烟气中的二氧化硫、三氧化硫等酸性气体以及烟气中各种固态颗粒物加水蒸气和从除雾器中逃逸的雾滴发生复杂的物理化学反应，易形成气溶胶，当这些气溶胶被烟气夹带后，也可以随烟气排放到周围环境中，因此气溶胶也是“石膏雨”中不容忽视的组成部分。

2影响石膏雨形成的因素

影响石膏雨形成的因素有很多，主要包括净烟气温度、除雾效果、烟囱设计、环境因素等。

2.1净烟气温度

吸收塔出口净烟气温度一般在50℃左右，由于无再热设备，净烟气在流经烟道和烟囱的过程中，温度又有不同程度降低（通常温度降低2℃左右）。净烟气中携带的饱和水蒸汽随着烟温降低冷凝并析出水滴。虽烟道和烟囱内设有冷凝液收集装置，但烟囱内的冷凝液极易被高速流动的烟气带出而形成“石膏雨”。经调查，净烟气经过再热设备后，温度超过70℃的电厂均未出现“石膏雨”现象[3]。

2.2除雾效果

在湿法烟气脱硫吸收塔中，锅炉排出的烟气与石灰石浆液反应脱去SO2后，需要安装除雾装置以除去烟气中携带的浆液。如果除雾效果不能满足要求，此时烟气中的含液量很高，而且液体中除了液态水之外，还包含有石膏浆液。携带有大量逃逸石膏浆液的烟气在排出烟囱后冷凝，会产生严重的石膏雨现象。

2.3烟囱型式

烟囱结构型式的影响体现在3个方面。一是烟囱形状。如果是等直径直筒形烟囱，凝结水一般会比较顺利地沿烟囱内壁向下流动，然后在底部排出；如果是锥形烟囱，由于重力作用，凝结水在下流的过程中会脱离烟囱内壁，被上升的烟气携带进入大气，易形成石膏雨。二是烟囱内壁的平整度。如果烟囱内壁粗糙，凝结水易飞溅，从而与上升烟气混合被带出烟囱；如果内壁较光滑，烟气凝结水则会沿内壁向下顺利流出。三是出口直径。烟囱的出口直径会影响烟气流速，一般情况下，如果烟囱出口烟气流速过高，烟气对液滴的携带量会大大增加[4]。

因此，合理设计烟囱筒形、筒壁材质及内筒直径等也是有效降低“石膏雨”的措施之一。

2.4环境因素

当净烟气从烟囱排出时，如果烟气与环境温差较大，烟气扩散不及时，烟气中的蒸汽随温度的降低变成过饱和状态，最终与其携带的石膏浆液一起凝结沉降，形成石膏雨，因此石膏雨现象在冬季更容易发生。

3石膏雨防治措施分析

3.1选择合适的吸收塔烟气流速

烟气在吸收塔内部逆流向上流动时，会将向下喷淋的吸收剂浆液向上携带，烟气流速越高，向上携带的液滴越多，因此，烟气流速过高是造成石膏雨的一个重要原因。因此在设计时，塔内烟气流速应该综合多方面因素，设计合适的流速，才能避免石膏雨现象。

目前喷淋空塔的设计烟气流速一般为3m/s～5m/s左右，除雾器的设计流速稍高于吸收塔设计流速。吸收塔流速高，烟气中所携带的浆液液滴将增多，除雾器的负荷增大，导致石膏雨出现，因此，吸收塔的流速不能设计过高。

另外，在吸收塔流速的设计上还应考虑有足够的裕量。通常情况下，机组经过一段时间运行后，系统漏风率将会增加，锅炉的热效率会有所降低而煤耗则会上升，排烟温度也会有所升高，这些变化将使脱硫装置入口烟气量大，造成塔内烟气流速提高，因此，在设计上应有足够的裕量。

3.2除雾器类型和级数选择

目前脱硫装置常见的除雾器型式一般有2种类型，即平板式和屋脊式，平板式除雾器设计流速一般在3.5～4.5m/s左右，屋脊式除雾器设计流速一般为3.8～7m/s左右，屋脊式除雾器具有更宽的烟气流速的适应范围。烟气通过屋脊式除雾器内叶片法线的流速小于塔内水平截面的平均流速，由于流通面积增大而使得烟气流速减小，烟气带浆量减少。此外，屋脊型除雾器的结构较平板型除雾器更稳定，可以耐受的温度较高，因此吸收塔宜选用能有效减少浆液夹带和安全性更好的屋脊式除雾器。

除雾器级数的选择也是防治石膏雨的一个重要方面，常规的两级除雾器出口液滴保证不超过75mg/Nm3；为降低烟气夹带的石膏液滴数量，尽量从源头上减少石膏雨产生的可能性，降低吸收塔出口的总烟尘含量，除雾器采用三级，出口液滴含量控制在不超过20mg/Nm3。

除此以外，在设计除雾器冲洗系统时还应考虑冲洗面选择、冲洗水压力、冲洗强度、喷嘴角度、冲洗频率、冲洗水水质等。为保证除雾器冲洗效果和除雾性能，防止其表面结垢，同时要求除雾器每级的上下均应设置自动冲洗装置。

3.3除雾器布置优化

在吸收塔设计时适当加大除雾器底部与最高层喷淋层的间距，浆液经喷嘴雾化后的细小液滴团聚形成直径较大的液体，通过重力沉降进入浆液池内。屋脊式除雾器底部与最高层喷淋层中心线的距离一般要求在3～3.5m。吸收塔烟道出口底缘与除雾器顶部的距离至少为3m，通过加大除雾器与其他设备的距离，提高除雾器内的流场均匀性，减少局部流速超限，减少石膏浆液的“二次携带”现象，减轻“石膏雨”现象。

3.4优化烟囱设计

1）选择合适的“湿烟囱”烟气流速

对于湿烟囱烟气流速的设计，需同时考虑烟羽下洗所要求较高出口流速与减少烟囱下酸雾所要求较低的筒内流速，并使两者之间达到最佳平衡。

钢制排烟筒的出口流速一般为18m/s～25m/s，应综合考虑环境效益和技术经济效益因素进行优化选取；非钢制排烟筒内部的流速上限，应按控制筒内正压不超标的原则来选取。

2）“湿烟囱”筒体材质选取

从烟囱筒壁防腐的角度出发，烟囱应尽可能设计成负压运行，不同的烟囱筒壁材质对烟囱压力的适应性不同。常规砖烟囱、钢筋混凝土烟囱对烟气压力的适应性较差，钢烟囱对烟气压力的适应性较好。

对于新建的“湿烟囱”内筒建议采用钢内筒或者防腐性能优良的玻璃钢内筒。另外，在烟囱筒内烟气流速相同的情况下，采用内壁粗糙度低的钢内筒或玻璃钢内筒也更有利于避免液滴二次夹带的产生。

3）选择合理的“湿烟囱”筒型

“湿烟囱”筒型的设计应同时满足筒内烟气流速控制和烟囱出口烟气流速控制的要求。在绝大多数情况下，烟囱出口的烟气流速要求大于筒内的烟气流速要求，因此，“湿烟囱”要控制好筒形。

据了解，在采用钢内筒的条件下，国内目前烟囱结构设计有采用以下两种方案解决。一是在不同的高度位置采取改变烟囱内筒直径的方法，另一种是在烟囱出口处适当位置加设排烟帽的方法，目的都是有效地控制烟气流速，达到控制石膏外泄的方法。但是这些方法目前都只是一些措施，有一定的效果，但都不一定能完全解决此类问题，具体效果可能还需要有进一步的试验数据支撑和实践检验。而且，当筒体变化急促、收缩段倾角增大时，易在倾斜面积存一些液滴，或许会有烟气流速偏高时会出现“逆流夹带”液滴的现象出现。

4）合理设置液滴回收装置

除了在水平烟道、烟道膨胀节、烟道底板安装液体收集装置外，烟囱内筒结构也应设置合理的液体收集装置，减少烟气二次夹卷携带的液滴。液体收集器的安装位置至关重要。通常，可在内简筒壁、烟囱底部和水平烟道出口处等安装。如在烟囱一定高度上安装特定的截流疏水环，防止液膜汇聚变厚，将疏水及时排除烟囱外，从而防止液膜被二次夹带。在内筒筒壁靠近水平烟道的位置设置环状水槽，防止入口处水帘的形成，从而防止烟气的冲撞水帘形成夹带。在烟囱底部锥形导流板周边设置环状水槽并利用排水管排水，或在烟囱锥斗形底部接入冲洗水管，采用定期冲洗的方式将积灰冲入排水管。

烟囱的内筒结构进行液滴收集装置设计后，可以有效降低烟囱出口烟气的带水量，防止酸雨和石膏雨的发生[5]。

5总结

“石膏雨”现象是无GGH湿法脱硫系统运行中的出现的亟待解决的重要课题。综上所述，通过脱硫装置设计参数优化、设备合理选型等综合性措施，可以有效防止或解决“石膏雨”。

参考文献：

[1]陈凌云．烟气脱硫系统中石膏雨的综合治理方法[J]．中国新技术新产品，2012（15）：198—198．

[2]翁卫国张军李存杰．湿法脱硫系统“石膏雨”问题的成因及解决对策[J]．化工进展，2015（34）：239—243．

[3]周涛赵培超.已建湿法烟气脱硫系统中“石膏雨”的成因及解决措施[J].工程技术，2011（9）：105.

[4]王颖聪.湿法脱硫烟气石膏雨成因分析及处理方案综述.华北电力技术[J]，2012（10）：68-75

[5]陈牧.湿法脱硫后烟囱出口烟气液滴夹带问题分析及解决.电力建设[J]，2010（10）：80-83

作者简介：

刘小娜（1980-）。女，工学硕士。