摘要：近几年，全国开始全面推动燃煤电厂超低排放改造，随着节能减排力度的加大，全国各地又陆续发布了治理石膏雨、有色烟羽、烟囱雨等的政策法规，与之相关的环保改造项目大量开展。介绍了石膏雨、有色烟羽、烟囱雨的基本概念及成因，及西北某电厂治理烟囱雨的成功经验。
关键词：石膏雨；有色烟羽；烟囱雨；治理
1 烟囱雨成因及消除措施
1.1 烟囱雨的概念
电厂锅炉产生的烟气通过湿法脱硫后形成湿烟气，其中含有大量水蒸气，处于饱和状态，饱和湿烟气顺着烟囱上升时压力下降，绝热膨胀时烟温降低，尤其是在西北地区冬季环境温度低的情况下，水蒸气大量凝结成水，烟气从烟囱排出后与温度较低的大气进一步混合降温，其中水蒸汽过饱和凝结，对光线产生折射、散射，使烟羽呈现出有色或无色的“湿烟羽”。
烟羽根据所含成分的不同，在视觉上会表现出不同的颜色。无色：气体成分主要为N2、CO2、H2O、O2、CO、SO2、SO3、NO、N2O；蓝色：含有硫酸雾；黄色：含有硝酸雾；白色：含有水雾；无色、黑色或灰色：含有各类颗粒物。
烟囱排放的湿烟气中含有大量的大颗粒液滴，当来不及扩散和蒸发，经重力沉降落到地面会形成降雨现象。
1.2 烟囱雨的成因
烟囱雨的成因主要有三种。
一、由于脱硫系统核心设备吸收塔内部的除雾器的除雾效果较差，或者由于安装误差、运行故障等原因造成的气流短路，致使一部分湿烟气未得到除雾器的有效处理，使得排放的湿烟气中液滴含量高。该原因引起的烟囱雨常常伴随着石膏雨。
二、湿烟气经过烟道及烟囱时，由于温度下降而冷凝形成大量的液滴。
三、湿烟气中的气态水在与环境温度低、湿度大的空气混合时，由于温差较大，部分气态水冷凝直接形成了较大的液滴，来不及再次蒸发而降落地面。
1.3 烟囱雨的消除措施
针对上述不同原因产生的烟囱雨，其消除措施为：除雾器本身质量或安装运行造成的石膏雨，需修复安装缺陷或更换高效除雾器；烟囱内冷凝液需通过冷凝液收集装置收集后导入其他水系统；环境温度差引发的烟囱周围降雨则需要增加换热系统对低温烟气进行加热处理。
2 西北某电厂烟囱雨概况
2.1 电厂环保系统介绍
该电厂拥有两台国产超高压、中间再热、燃煤热电联产供热机组，原有环保系统配置均为为低氮燃烧+SCR脱硝，脱硝后烟气进入一电场静电预除尘器+半干法脱硫系统+双室四电场静电除尘系统，每台锅炉脱硝脱硫除尘后烟气分别通过两台引风机，烟气进入烟囱两侧水平烟道最终汇合至210米的混凝土烟囱排放。
整个脱硫除尘系统在2008年左右建成投运，已无法满足近年来污染物超低排放浓度的要求，故该厂于2019年对原有环保系统进行了改造，以实现超低排放指标：烟尘浓度<10 mg/Nm3；SO2浓度<35 mg/Nm3；NOx浓度<50 mg/Nm3。
主要改造方案为：脱硝系统更换催化剂；电除尘系统整体更新升级，采用高频电源；原干法脱硫系统拆除，新建湿法脱硫系统；原混凝土烟囱隔断不用，在脱硫吸收塔顶部设置直排烟囱，顶标高90米。
2.2 烟囱雨现象
整个超低改造工程于2019年底建成投运，吸收塔顶部直排烟囱出口白烟明显。随着冬季气温的降低，烟囱周围50米左右的范围内出现了明显降雨现象，地面出现结冰，造成了人员通行和日常运营检修的不便。
3 电厂烟囱雨成因分析
3.1 烟囱雨特点
直排烟囱出口的烟羽肉眼观测为白色，降落的雨滴肉眼观测为无色，雨滴干燥后不会在白色纸张上呈现明显的痕迹。通过检查吸收塔内部除雾器的安装使用情况，未发现气流短路现象，整个系统的污染物排放浓度均达到超低排放的要求。所以可以判定烟囱雨的主要成分为水蒸气，而非石膏雨。
3.2 烟囱雨成因分析
3.2.1 脱硫工艺路线的选择
该电厂超低改造的重点部分即干法脱硫改湿法脱硫。石灰石-石膏，空塔喷淋湿法脱硫工艺是目前全世界范围内的主流工艺，有绝对的市场占有率，脱硫效率高且运行稳定。但由于经过脱硫后的烟气均为低温饱和湿烟气，经由烟囱排放后无法完全避免白烟的产生，这是工艺本身的特点造成的。
3.2.2 环境特性
该电厂所处的西北地区的相关气象参数如下：
.png)
该地区干燥少雨，蒸发量大，年蒸发量为降雨量的14.35倍。冬季气温低，结冰期长的特点，决定了相对于温暖湿润的南方，烟囱雨的现象在这里得到了强化。
3.2.3 污染物扩散的影响
从烟囱排出的烟气，在其本身具有的动力（由排烟速度引起）和浮力（烟温比大气温度高而产生浮力）的作用下，可以上升到很高的高度，然后在湍流作用下进行扩散，烟气上升的高度即为烟气抬升高度。
烟气的抬升过程分为四个阶段：
①喷出阶段：这个阶段主要依靠烟流本身的初始动量向上喷射。
②浮升阶段：由于烟流的热力作用，烟气密度比空气小，产生浮力上升。
③瓦解阶段：当烟气上升到一定高度后，烟流与空气混合，失去动量和浮力随风飘动，发生较大的波动。
④变平阶段：这时烟流完全变平，在大气湍流的作用下，上下左右扩散，使烟流愈扩愈大。
图1 烟气扩散模型
.png)
从烟气的抬升过程可以看出，影响抬升的主要因素有烟流本身的热力和动力性质、当地的气象条件和下垫面的条件，前面两种因素与电厂装置有关，后面两种因素与环境条件有关。
烟气抬升首先取决于它本身的初始动量和浮力。初始动量取决于排气速度的大小，而排气速度又与排烟装置和烟囱的出口直径有关，速度越大，动力抬升越高。烟气的浮力与烟气和周围空气密度差成正比。而密度差的大小主要决定于它们之间的温度差。温差愈大，密度差也愈大，产生的浮力也愈大，烟云上升愈高。
该电厂在超低改造前，采用干法脱硫，210米混粘土烟囱，烟囱入口烟温70℃左右。而超低改造后，采用湿法脱硫，90米直排烟囱，烟囱入口烟温小于50℃。由扩散模型理论可知，烟温和烟囱高度的降低都加剧了烟囱雨的程度。
4 改造方案
综上所述，该电厂拟定了两套改造方案，以实现消除烟囱雨的目标。
4.1 方案一：抬升烟囱高度
现有吸收塔顶部直排烟囱顶标高为90米，其中吸收塔本体部分约40米，顶部直排烟囱约50米。此方案将拆除50米左右的直排烟囱，重新布置烟道，将净烟气接入210米的老烟囱，通过加强扩散来改善烟囱雨现象。同时为老烟囱增设冷凝液收集系统，烟气中冷凝出来的液体顺着烟囱内壁流下，再由收集系统收集后排入其他废水系统。
选取当地规模类似的其他电厂A的数据进行对比，我们可以预测方案一的效果。
.png)
通过以上数据对比可看出，本项目按方案一改造后，各项参数将与类比电厂A十分接近。而类比电厂A已运行多年，冬季并无明显烟囱雨产生。所以可以预测方案一将会取得理想效果。
4.2 方案二：提升排烟温度
由于烟气在进入吸收塔前的温度为145℃左右，经过吸收塔喷淋处理后进入烟囱的温度小于50℃，两者存在较大温度差。通过增设管式换热器，利用原烟气的温度加热净烟气，提高净烟气温度达到控白效果，从而改善烟囱雨的现象。
管式换热器技术原理是一种利用高温烟气余热加热低温烟气的换热设备，换热器中的热管一般是由管壳和内部热媒水组成，利用原烟气加热热媒水，通过循环流动，热媒水再利用自身携带的热量加热脱硫塔出来的净烟气，使其温度从50℃左右升到78℃以上。此装置可节约湿法脱硫系统的水耗，可减轻烟囱的腐蚀。是一种集环保、节能、节水于一体的应用。
管式换热器主要包括两级换热器（烟气冷却器和烟气加热器）、热媒增压系统、热媒辅助加热系统等。热媒介质采用除盐水，闭式循环，增压泵驱动，热媒辅助加热系统采用辅助蒸汽加热。热媒水循环利用。
烟气冷却器通过热媒水将原烟气温度由145℃降至120℃左右，吸收原烟气的热量，以备MGGH加热器加热净烟气使用。
烟气再热器利用吸收了原烟气热量的热媒水将净烟气温度从50℃加热至78℃，低负荷运行时需开启蒸汽加热系统补充热量。
两级换热器之间的换热通过闭式循环的热媒水实现，通过热媒循环泵驱动。
当事故或停机检修需要疏放热媒水时，需要进行热媒水补充，为此设置热媒补充水箱。同时，热媒水为闭式循环，正常工况下不进行热媒水的补充及疏放，。
在烟气冷却器和烟气再热器之间的水循环系统中装设辅助蒸汽加热器，以便在机组低负荷运行工况下，烟气冷却器供热量不能满足烟气再热器的热需求时，向烟气再热系统补足所需热量。
排放烟温78℃限值的选取为上海市的地方标准，也是消白项目中通常选取的性能考核指标。
根据计算，出口烟温78℃时可保证环境温度7.2℃，湿度42%时烟囱出口无白烟，环境温度在0℃～9.5℃时烟囱出口有少量白烟，无烟囱雨，冬季温度低于0℃时间烟囱雨不明显。
4.3 最终改造方案及实际效果
最终方案的选取需从所要达到的目标、施工难度和成本等方面综合考虑。
从本项目整体运行情况来看，烟气中污染物浓度排放值均达标，烟囱雨的主要成分为水蒸气，主要的影响：一是视觉感官上的效果较差，二是雨滴落到地面结冰。后者存在安全隐患，是需要解决的问题。
该项目是一个改造项目，新增的湿法脱硫系统的占地就十分紧张。依据现有的场地情况，选择方案二的施工难度将十分巨大。
成本方面，方案二因多出一套换热系统，总体成本约为方案一的2倍有余。
综合以上三方面考虑，该电厂最终选择方案一。电厂共有2台机组，2019年底，其中一号机组已按方案一完成改造，烟囱白烟得到了很好控制，未见明显烟囱雨。一号机组将持续运行并跟踪其烟囱雨的治理效果，为二号机组的最终改造方案的选取提供现实依据。
5 结语
超低改造后的，石膏雨现象已不复存在，烟囱排烟的主要成分为水蒸气，并不会对环境造成二次污染，不同区域应区别对待。西北地区由于冬季干燥气温低，烟囱雨的现象会相对突出，若出现烟囱周围降雨结冰的情况，会存在安全隐患。在烟囱雨的控制上，应尽可能利用电厂已有的高烟囱进行排烟，通过增强扩散来减轻烟囱雨的影响。如此方法的效果不理想，在施工场地、成本等条件允许的情况下，可考虑增加换热系统来有效控制烟囱雨。
参考文献：
[1] 朱法华，孙尊强，申智勇. 超低排放燃煤电厂有色烟羽成因及治理技术的经济与环境效益研究.中国电力, 2019, 52 (8): 1-7，25
[2] 申智勇，孙尊强，舒喜，马修元，叶毅科，李志强.燃煤电厂湿烟羽综合治理前期工作要点分析. 电力科技与环保,2018,35(4): 19-22