赵清华1，田路泞1，陈晓炜1，陶小庆1，李文俊1，张 昊，崔 琳，董 勇

(1.武汉光谷环保科技股份有限公司，湖北 武汉 430074；2.燃煤污染物国家工程实验室(山东大学)，山东 济南 250061)

0 引言

燃煤电厂烟气脱硫大多使用湿法脱硫技术(WFGD)[1]。在脱硫塔中，脱硫浆液与热烟气发生反应，浆液中的部分水分吸热蒸发进入到烟气中，使得脱硫后的烟气维持50℃左右的饱和状态。脱硫后的烟气直接排放到大气中，由于与大气环境存在温差，烟气中的水蒸气遇冷凝结，形成白烟现象[2]。

白烟的形成不仅会造成视觉污染，烟气中残余的酸性气体、小粒径颗粒等污染物还容易引起二次污染以及烟囱的低温腐蚀[3]。因此，对于湿法脱硫后白烟的控制成为研究热点。本文通过白烟现象发生的热力过程研究，分析了不同方式下的消白原理，为消白工程应用提供了参考。

1 白烟产生机制

白烟的产生可以认为是烟气中的微小液滴反射光照而产生的视觉现象，如图1所示。烟气中的液滴大部分来自水蒸气凝结，还有少部分来自脱硫浆液。如图2所示，脱硫前的烟气状态点为A′，在脱硫过程中烟气沿着等焓线绝热降温，到达B点。C点表示某城市当日环境状况。点B与C的连线要低于饱和湿度线，并且相交于D点，即为白烟现象发生的临界点，B-D连线与饱和烟气线之间的区域即为白烟发生的区域。由此可见，白烟现象的发生，与烟气本身参数及大气环境都有关系[4]。

图1 白烟产生示意图

图2 脱硫过程及白烟产生机理

2 白烟现象的防治措施

依据白烟的发生原理，分别从烟气温度(加热法、冷凝法、冷凝加热法)、烟气湿度(除湿法)以及排放控制(烟塔合一)等方面给出了防治措施。

2.1 烟气加热法

当烟囱出口的烟气温度升高到一定程度，就可以避免在其扩散前冷凝降温至饱和线，因而可以避免白烟发生。加热技术的原理便是借助高温热源加热烟气。国外电厂明确规定了烟气加热温度，而在我国，姚增权也提出了不同烟囱出口温度湿烟气的温升幅度[5]。烟气加热需要借助高温热源，利用烟气焓湿图可以判定当前环境下最为经济的烟气温升临界点。

图3 烟气加热白烟控制技术

如图3所示，由环境状态点C引出烟气100%相对湿度线的切线，切点为白烟现象发生的临界点D′。由脱硫后的烟气状态点B作一条平行于纵轴的直线，与C-D′所在直线相交于点B′，点B′所处温度即为烟气加热临界温度。图中斜线区域为最低加热状态下的极限消白区。烟气温度的提高可以利用低硫燃油或天然气为燃料，将燃烧后的高温烟气与湿烟气混合来实现。但是该种方法会增大排烟污染物浓度，同时会造成高温热源的浪费。

2.2 烟气冷凝法

由白烟发生机制得知，烟气与排放环境之间的温差是白烟形成的原因，因此对烟气进行降温处理，缩小与环境之间的温差也可以达到抑制白烟形成的目的。基于烟气冷凝方法，全国部分地区针对冷凝温度提出了不同的标准，见表1。

表1全国部分地区针对白烟降温减湿标准

地区/行业 温度指标 含湿量指标徐州电力行业夏季:低于47℃夏季:低于10.4%冬季:低于45℃冬季:低于9.5%河北钢铁行业夏季:降低8%以上(相对于参照烟温)夏季:降低15%以上冬季:降低15%以上(相对于参照烟温)冬季:降低30%以上河北燃煤电厂夏季:低于48℃夏季:低于11%冬季:低于45℃冬季:低于9.5%山西临汾燃煤电厂夏季:低于48℃夏季:低于9.5%冬季:低于45℃冬季:低于8.5%

根据接触方式的不同，烟气冷凝分为直接冷凝和间接冷凝。直接冷凝大多采用冷却水喷淋降温，目前国内针对烟气喷淋冷凝的模拟与试验研究十分成熟，涵盖了单个液滴的传质过程到整套系统的性能优化[6-8]。烟气间接冷凝需要借助换热器，通常以冷却水作为冷源。烟气较低的酸露点对换热器材料的抗腐蚀性能提出了较高要求，目前以氟塑料、陶瓷为换热材料的换热器在烟气冷凝工艺中应用广泛[9-10]。

图4 烟气冷凝白烟控制技术

烟气冷凝工艺系统简单，占地面积小，理论相对成熟，其不仅可以回收烟气中的汽化潜热，提高能源利用率，还可以对白烟的控制起到积极作用。换热器的低温腐蚀问题是制约冷凝法发展的重要因素，耐腐蚀、导热系数高、价格低廉的换热材料的研发对于冷凝法的工业应用极为重要。

2.3 先冷凝后加热法

单一的加热或者冷凝方法受限于高能耗、强腐蚀性，在一定程度上制约了其应用范围，而先冷凝后加热的烟气处理工艺将两者相结合，可以在一定程度上弥补两种工艺单独使用时的缺点。先冷凝后加热指的是先将烟气沿着饱和线冷凝至一定的温度，然后再对其进行加热。这样既保证了较高品质热量的回收，又能降低烟气升温幅度，减少高温热源损耗，达到一定的消白效果[11]。

图5 烟气冷凝再热白烟控制技术

如图5所示，烟气先沿着饱和线降温至E点，然后加热至E′点，与烟气单纯加热至B′点相比较，在同样的白烟控制效果下，采用烟气先冷凝后加热的方式不仅回收了部分烟气余热，还减少了高温热源的损耗。

2.4 溶液吸收法

溶液吸收法与冷凝法的不同之处在于其是以溶液表面蒸汽压与烟气中水蒸气的压力差作为驱动力来完成水分转移的，经过溶液处理后的烟气由饱和状态变成非饱和状态，从而具有一定的过热度和扩散能力[12-14]。常用的除湿溶液有CaCl2、LiCl、LiBr等。除湿后的溶液利用加热、真空闪蒸等手段进行再生处理以循环利用[15]。

溶液吸收法除湿是深度除湿过程，如图6所示，由脱硫后的B点引一条等温线，与饱和烟气切线相交于F点，B、D′、F点所围成的区域即为控制白烟的临界区域。只要溶液除湿后的烟气状态点在此区域内或者左上方，就能达到消白的目的。可以看到，在溶液除湿过程中，烟气的温度变化不大，而含湿量减少明显，其除湿终点F点相对于同温度下的饱和点具有10℃以上的过热度，可以对烟囱出口的冷凝过程起到一定的缓冲作用。

图6 溶液吸收法白烟控制技术

溶液吸收法可以将烟气由饱和状态转变为未饱和状态，提高烟气过热度，属于“深度除湿”，不仅可以回收大量的水分、余热，还有利于烟气的扩散。但是，溶液的循环利用需要稳定高效的再生系统，由此会增加系统的投资与占地面积。

2.5 烟塔合一排放技术

烟塔合一技术将净化后的烟气并入自然通风冷却塔排放至大气，在德国首次投入使用。根据烟气排放路径，该技术分为外置型与内置型。烟塔合一技术的应用需要注意以下几点：

(1)烟气中残留污染物对冷却塔内表面存在腐蚀作用。

(2)冷却塔上空烟气污染物的扩散问题。

(3)冷却塔内冷却水循环系统需要进行改造。

3 结论

(1)脱硫后饱和湿烟气与排放环境之间存在温差是白烟现象形成的主要原因。白烟现象受排烟温湿度与大气环境温湿度影响，是两者相互热质交换的结果。

(2)控制白烟要兼顾排烟温湿度与排放环境温湿度。对于不同的排放环境，排烟温湿度的控制程度不同，控制白烟的措施根据温度调节可分为烟气加热法、烟气冷凝法以及先冷凝后加热法；根据湿度调节有除湿法；根据排放方式有烟塔合一排放技术等。

(3)烟气先冷凝后加热综合了冷凝与再热两种方式，可以在消白的同时节省高温热源；溶液除湿法属于深度除湿，可以提高烟气过热度，增强其扩散能力。这两种方法广泛应用于当前的白烟控制技术。