0 引 言

随着我国超净排放政策的实施，在电站燃煤锅炉尾部增加超低排放装置已是大势所趋，超低排放技术中以石灰石-石膏湿法脱硫(WFGD)为主。燃煤电厂排放烟气在烟囱口排入大气的过程中因温度降低，烟气中部分汽态水和污染物会发生凝结，在烟囱口形成雾状水汽，雾状水汽会因天空背景色和天空光照、观察角度等原因发生颜色的细微变化，形成“白色烟羽”。可以认为，湿法脱硫系统“白雾现象”是烟气脱硫后含湿量增加、露点温度升高的结果[1]。

湿烟气中带有未脱除的污染物主要有:① 固体不溶物，如飞灰、石膏等，严重时产生石膏雨;② 可溶性盐，主要包含Cl、Mg和硫酸盐等;③ 超细气溶胶物质，如SO3，严重时形成蓝色烟羽。虽然这些污染物可达到排放标准，但烟囱排放烟气形成有色烟羽，不仅影响视觉效果，还会造成地面污染物浓度较高，加剧“烟囱雨”的形成和烟囱腐蚀[2]。

上海市《燃煤电厂大气污染物排放标准》明确要求，燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象。浙江省、天津市、邯郸市也相继提出了锅炉要控制烟温，或其他方法消除有色烟羽要求。除白雾的主要技术路线有烟气加热法、烟气降温冷凝法、烟气冷凝再加热法。1992年，国内华能珞璜电厂一期首座湿法烟气脱硫装置MGGH开始投运。国内陆续开始对烟气加热器进行研究。到目前为止，国内燃煤电厂湿法烟气脱硫装置采用的烟气加热器型式主要有3种:回转式烟气加热器、管式热媒水强制循环式加热器(MGGH)和管式蒸汽热交换式加热器。回转式烟气加热器采用蓄热传热部分旋转分别进行高温及低温侧排烟的热回收再加热，由于是回转式，高温和低温部分都有漏风。GGH堵塞后会造成系统阻力增加，增压风机喘振，炉膛负压降低，影响锅炉正常运行，只能停机进行冲洗除垢，同时GGH漏风会造成脱硫效率降低。目前回转式GGH已逐渐被淘汰[3]。管式热媒水强制循环式加热器(MGGH)强制使管内热媒循环，在高温及低温侧各自进行排烟的热回收再加热。该技术成熟，运行灵活，可根据不同气温灵活调整排烟温度，合理、高效回收烟气余热，但需利用低低温省煤器(若有)热能，降低锅炉热效率。另外材质需耐高温、耐腐蚀，换热效率低，换热面积大，投资费用高[4]。

蒸汽换热器国内应用较少，目前重庆电厂采用了蒸汽加热烟气的装置，蒸汽取自6段抽汽及辅汽联箱(压力0.26 MPa，温度257 ℃/300 ℃)，加热用汽量达35.3 t/h，每天用几百吨蒸汽加热烟气[5]，蒸汽消耗量很大。

除使用加热技术外，采用冷凝再加热技术是在MGGH的基础上，中间增加一级烟气冷却冷凝设备，通过冷却烟气温度，回收一部分烟气中过饱和水蒸汽冷凝析出的凝结水，减少烟气向环境中排放的水量，再进行加热升温达到降白色烟羽的目的。该技术具有以下优势:① 节能效果:相比MGGH直接加热技术将烟气加热到80 ℃，冷凝再热技术处理后烟气仅需60 ℃左右，即可达到同样效果，节能显著;② 百万机组节水50～100 t/h，有效回收烟气中水分，收集水回收利用，部分时段实现脱硫系统零水耗，有效节约水资源;③ 进一步降低烟气中SO3、烟尘、可溶性盐等污染物，实现多污染物联合脱除。可过滤颗粒物脱除效率>50%，液滴脱除效率>70%，SO3脱除效率>75%。烟气冷凝冷却意味着部分过饱和水蒸汽析出变成冷凝水，水蒸汽冷凝释放大量的汽化潜热，该部分热量远大于该段温降的烟气释放的显热，需要冷源将这2部分热量带走。一般需要江河水、海水、环境空气作为冷源。此方法系统工艺较为复杂，应用在大机组成本较高[6]。

本文介绍了烟气再热法中蒸汽再加热技术除白雾的技术特点，提出了提高换热效果、减少蒸汽耗量的措施，为去除白色烟羽技术的研发提供参考。

1 蒸汽加热技术

蒸汽加热技术是一种间接加热技术，使用饱和蒸汽在蒸汽-烟气换热器(steam-gas heater，SGH)内与烟气进行热交换。可以用于冷凝再加热技术的加热段，或与MGGH串联组合使用，也可单独使用去除白雾。单独使用时，将烟气温度升到85 ℃左右，远高于烟气的水露点温度，从而使烟囱出口的烟气远离饱和态，基本看不到白雾现象。尽管对污染物浓度和排放量没有影响，但是烟气温度升高可提高烟气抬升高度和有效源高，一定程度上改善了烟气扩散条件。蒸汽加热技术的工艺流程如图1所示。可知，烟气在SGH加热后排入烟囱，蒸汽在换热后排入除氧器进行收集。DCS控制系统设置换热后烟气温度(TIC103)的目标值(如80 ℃，夏天可调低)，通过PID调节，电动调节阀(LV)自动运行的开度变化引起流量(FIQRC)变化，跟踪加热后烟气温度，使该温度趋近于目标值。

蒸汽换热器采用列管式结构，蒸汽走管程，烟气走壳程，2个介质分开流动，蒸汽与烟气通过管壁进行传热。

2 蒸汽加热器换热材料的选择

换热器布置于脱硫出口烟道，长期在烟气酸露点温度以下运行，面临低温腐蚀问题，工作环境恶劣。目前已投运机组的脱硫出口烟气换热器一般采用ND钢、316L等金属管材制造，由于腐蚀引起的泄漏、集垢导致的换热效率下降等问题较突出。

吸收塔出口烟气为饱和态，主要成分为水蒸气，还包含等及石膏、石灰石等颗粒，使得吸收塔出口的环境较为复杂。烟气对金属的腐蚀主要有:① 酸露点腐蚀。经吸收塔脱硫后，为50 ℃左右的饱和湿烟气，略高于水露点温度，但已远低于酸露点，此时烟气中的H2O和SO3反应生成H2SO4，在管式烟气加热器表面凝结形成硫酸溶液，对金属材料产生低温腐蚀，吸收塔出口至管式烟气加热器区域的腐蚀主要为酸露点腐蚀。② Cl-离子腐蚀。烟气中夹带少量的Cl-，Cl-可引起金属的电化学腐蚀，破坏金属表面的钝化膜，从而造成金属的点蚀和缝隙腐蚀。③ 冲刷腐蚀。经脱硫的烟气中夹带石灰石、石膏等颗粒，随着高速流动的烟气对金属表面造成侵蚀，造成换热面的冲刷磨损。

因此对于蒸汽-烟气换热器的设计、选材、等均有较高要求。考虑到烟气腐蚀性以及经济性，与烟气接触侧材质可以采用聚四氟乙烯(氟管)、双向不锈钢等耐腐蚀材料。

氟管制造原料采用聚四氟乙烯(PTFE)。与金属换热器相比，氟塑料换热器具有以下优点:① 氟塑料换热管的密度小，为2.15×103 kg/m3，约为金属换热管的27%。因此，在相同换热面积要求下，氟塑料换热器的质量小于金属换热器。② 耐腐蚀性强，适用于各种强酸、强碱类强腐蚀条件。但用其制作换热器存在热性能差;抗拉强度低，冷流现象严重，抗蠕变性能差;表面黏结性差，很难与其他材料黏结，无法采用热塑性塑料的热熔接方法;加工性能差[7];价格较高等问题。

金属换热器多采用2205双相不锈钢，2205双相不锈钢(00Cr22Ni5Mo3N)兼有两相组织特征。2205双相不锈钢有较成熟的应用，如用于制作搅拌器、托盘、支撑梁、挡板门等。鲍听[8]、田丰[9]研究表明，各种材料在吸收塔出口烟气冷凝液中抗腐蚀能力的排序依次为:2205双相不锈>316L不锈钢>ND钢。双相不锈钢合金在抗斑蚀及裂隙腐蚀方面的性能更优，具有很高的抗腐蚀能力，与奥氏体相比，其热膨胀系数更低，导热性更高。双相不锈钢中铬、钼及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中，对点腐蚀及隙腐蚀具有很强的抵抗能力，而且双相不锈钢的双相微观结构有助于提高不锈钢的抗应力腐蚀龟裂能力[10]。换热器换热管选用SAF2205高频焊管，外壳选用SAF2205合金板。

3 蒸汽加热技术的工程应用

为去除烟囱白雾配套蒸汽加热系统，按照满负荷100%烟气量设计。烟气加热器采用0.6 MPa(绝对压力0.7 MPa)的饱和蒸汽(165 ℃)汽源将脱硫后的净烟气从50 ℃加热至85 ℃后进入烟囱排放。加热系统入口烟气参数见表1。

3.1 换热管的设计

蒸汽-烟气换热器采用多管式结构，换热管选用H型翅片管。H型翅片管在锅炉及省煤器中应用广泛。目前，世界上装机容量超过70 000 MW的燃煤锅炉中均安装了H型翅片管省煤器，在MB、IHI、BHK等主要外国公司的锅炉上也都采用此类型的省煤器;在大连、丹东、福州和岳阳等地的350 MW机组、常熟600 MW超临界机组以及开封125 MW等机组上也均有运用实例[11]。本文首次将H型翅片管应用除白雾的蒸汽-烟气换热器中。

翅片管换热器由于具有“高效、紧凑、在相同横截面积下水力直径小于圆管”的优点，在工业领域具有广泛的应用。管外翅片除了增大管内蒸汽与管外烟气进行热交换的有效传热面积外，还对烟气侧流场、温度场的时空分布产生重要影响[12]。换热管外径为43 mm，壁厚为3 mm，呈28组3管圈水平W型顺排布置。换热管间距为120 mm，翅片高度85 mm，长度85 mm，翅片间距为12 mm。换热器迎风面宽3 600 mm，高2 010 mm，换热器内管排数为28×4排(垂直于烟气方向×沿烟气流动方向)，换热管内蒸汽与管外烟气呈整体顺流布置。蒸汽在换热管管内流动，待加热烟气从左向右包裹着翅片流动，蒸汽中的热量先传递给翅片和换热管管壁，最后传递给烟气，提高了烟气温度。

H型翅片管应用于除白雾的蒸汽-烟气换热器中具有以下优点:① 换热管的传热系数高，相同换热量所需换热管数量少，翅片管使受热面布置更为紧凑。② 对气流有均流作用。纵横交错的格栅结构，使得气流较均匀地通过蒸汽换热器。③ 不易积灰，阻力小。H形翅片管由于翅片焊在管子不易积灰的两侧，而气流笔直地流动，气流方向不改变，翅片不易积灰[13]。同时由于翅片和气流流动方向平行，灰粒不易在翅片上沉淀，避免了烟气流动通道的阻塞，流动阻力小[14]。

3.2 换热蒸汽的选取

蒸汽-烟气换热器采用蒸汽提供加热烟气的热量，蒸汽进入换热器后的换热分为汽-气换热(利用显热)和水-气换热(利用潜热)。因潜热的数值大于显热，因而热量来源取自蒸汽的潜热。过热蒸汽首先冷却到饱和温度，潜热随之释放。相比蒸发潜热，从过热蒸汽冷却到饱和温度所释放出的热量很小，但却需要很大的换热面积。过热蒸汽应用于传热时，过热温度降温到饱和温度前放出热量很少，热交换表面温度梯度较大，蒸汽过热时呈气态、换热效率低，需要更多的换热面积。所以，过热蒸汽没有饱和蒸汽效率高[15]。本文将过热蒸汽(绝对压力0.7 MPa，温度240 ℃)经过减温，得到饱和蒸汽(绝对压力0.7 MPa，温度165 ℃)用于换热。

3.3 投运效果

自2017年12月投运以来，排烟温度、蒸汽耗量、压降等数据均达到了设计要求，烟囱出口基本看不到白雾现象,基本运行数据见表2。

蒸汽耗量为3.5 t/h中低温低压饱和蒸汽，大大降低了运行成本。而对于2205高频焊管应用在除白雾换热器的耐腐蚀情况需时间进一步验证。换热器投运前、后烟囱白雾情况如图2所示。

3.4 蒸汽加热技术对烟气污染物的影响

使用蒸汽加热技术，蒸汽与烟气分开流动，蒸汽走管程，烟气走壳程，密封良好无漏风。但蒸汽加热技术单独使用时并不会减少烟气中污染物的浓度。当蒸汽加热技术与前端冷凝法组合使用时，在去除白雾的同时，可有效协同脱除烟气中的H2O、SO3、可溶性盐及PM2.5等。冷凝法使饱和烟气发生冷凝相变，使饱和湿烟气在微细颗粒物表面凝结，同时在烟气与换热管冷表面产生热泳和扩散泳力作用，促使细颗粒向温度梯度相反的冷管壁面迁移运动，相互碰撞接触，不断长大，最后通过毛细管表面收集。该方法通过外部冷源控制过程相变度，有效促进微细颗粒物的凝聚及脱除[16]。

4 结 论

1)蒸汽加热技术可以用于冷凝再加热技术的加热段，或者与MGGH串联组合使用，也可以单独使用去除白雾。当蒸汽加热技术与前端冷凝法组合使用时，在去除白雾的同时，可有效协同脱除烟气中的H2O、SO3、可溶性盐及PM2.5等。

2)将锅炉省煤器的H型翅片换热管应用于脱硫烟气再加热除白雾，取得了很好的效果。H型翅片管具有传热系数高，换热管数量少，流场性能好，不易堵灰，压降小的优点。

3)考虑到烟气腐蚀性以及经济性，与烟气接触侧材质可以采用聚四氟乙烯、2205双向不锈钢等耐腐蚀材料。

4)通过将过热蒸汽减温后得到饱和蒸汽用于换热，提高了换热效率,有效减少了蒸汽的耗量。

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