摘要 本文探讨燃煤锅炉排烟湿法脱硫除湿脱白的技术途径，湿烟气除湿脱白首先是锅炉更经济实用的低投入超低排放的可选择技术路线之一，还有节水、回收低温余热节能的显著经济效益。
1 概述
我国火电、热力、工业等燃煤锅炉排烟大量采用湿法脱硫，通过采用低低温电除尘器和/或末端湿式静电除尘器改造，可以满足新国标(GB13223-2011)要求、甚至实现超低排放，这两条超低排放的技术路线，不仅投资和运行成本高，因为允许直接排放湿烟气，就是导致我国大范围雾霾的元凶，而且不仅燃煤，钢铁、天然气、焦化、化工、水泥建材、汽车尾气、餐饮油烟都不同程度增加人为排放水分，而现有的大气污染控制指标几乎都没有排放烟气湿度的控制指标。虽然人为排放水分多是导致雾霾的因素还有争议，但是增加大雾天气应该没有疑问，有效解决湿法脱硫的排烟除湿脱白，不仅能根除雾霾污染，还能低成本实现环保达标、真正真实的超低近零排放，特别是回收烟气中的水分和余热，年节水潜力几十亿吨、同步提高燃煤效率，是兼顾环境与发展矛盾的重要途径。
本文尝试估算我国燃煤锅炉等各主要行业湿排烟放散的水份总量，介绍和探讨~50°C低温湿烟气除湿脱白的技术途径。
2 我国湿排烟带出水分的总量估算
水在自然界中呈现三种状态：固态冰、雪，液态水、雾;气态水蒸汽。水吸热后会蒸发相变为水蒸汽进入大气，大气中的水蒸汽含量达到一定程度会饱和达到含湿量的最大值，饱和后的大气遇冷降温就会再相变为雾、雨、雪、冰雹等，自然界水变蒸汽、蒸汽冷凝成水是一个可逆过程，有其自身规律和平衡，我国最湿月份室外平均大气湿度为12g/kg(折合~15g/Nm3)，西北部大气湿度低属于干燥区域，东南部属于高湿区域。
燃煤锅炉湿法脱硫系统排烟带出的水分，以300MW机组为例，脱硫系统的水平衡如图1所示 ,脱硫系统每小时排放到大气的水份120m3/h，包括原烟气带水分71.8 m3/h、脱硫增加40m3/h，年耗水量~100万吨。按照燃烧吨标准煤放散烟气10000Nm3/t、湿烟气所含水分112g/Nm3估算，每燃烧1吨煤湿烟气带走水份1吨左右，主要包括煤带水、燃烧空气带水、脱硫补充水，2014年全国消耗煤36-37亿吨，燃煤烟气带入大气的水份高达三十多亿吨。加上电厂循环水冷却塔的排水，总量超过100亿吨。
其次是天然气燃烧，煤改气一直被国家和北京等有些地方做为控制大气污染的主要技术措施，天然气不仅大量依赖进口来源紧缺、价格高，天然气燃烧温度高导致排烟氮氧化物含量高，需要面对的问题是每燃烧1单位体积的天然气，会产生2倍体积的水蒸汽。2014年我国天然气消耗量1800亿立方米，则产生3600亿立方米水蒸汽，折合近3亿吨水分。北京一个采暖季燃烧天然气排放水分超过2000万吨、平均每天15万吨。仅此两项，我国放散湿烟气每年就人为增加30多亿吨的水分进入大气，加上循环水冷却塔、钢铁、化工等其它行业，我国工业烟气排放总量水平超过100亿吨，夹带着检测达标后的残余污染物成分、特别是检测不出的溶解盐，并且主要集中在京津冀、长三角、珠三角等经济发展区域，分布极不均匀。由于烟气中二氧化硫等污染成分降低，按照设计规范许多非电行业排放烟囱又比以前降低。按照常识或检测，都可以确定这一点就是我国近年来大气环保控制指标逐年大幅降低、但雾霾却加重的原因，是我国大气污染控制从标准和技术规范层面必须尽快解决的问题。
3 现有的除湿脱白技术
我国在引进的石灰石石膏湿法脱硫成套技术中，包含烟气再热器，业内称GGH(Gas-Gas Heater)，通过湿烟气与干烟气间接换热将其温度抬升到80°C以上排放。采用GGH只设计一组换热器，应用中出现了堵塞、腐蚀、串烟导致排放超标等一些问题影响了电厂的正常运行。随后又引进了热媒循环烟气再热器MGGH(Media Gas-Gas Heater),采用降温和升温两组换热器分离布置，成功解决了串烟问题，腐蚀问题通过换热器采用耐腐材料也有解决办法，新的问题是造价过高。由于MGGH再热器的升温换热器是将湿烟气间接升温为干烟气，存在腐蚀问题，为解决防腐分别采用氟塑料、或钛合金材料换热器，价格一直难降低。MGGH在国产化过程中，有些用户只用降温换热器，用软水或环境空气做为换热介质，升温后回收利用，脱硫后湿烟气直接排放。国外也有用户采用辅助燃烧产生高温干烟气，与脱硫后湿烟气混风+升温除进行除湿脱白。升温和混风除湿脱白的共同问题是，烟气中的水分不降低、或降低不多只有~30%，都需要另外增加能耗，因此一直倍受争议，最终在两条超低排放技术路线设计中仅做为选择技术。
总之，我国火电锅炉在实际大范围推广湿法脱硫过程中，由于标准规范的错误，原有机组多拆除GGH，新建机组不用GGH，代之以防腐蚀烟囱直接湿排烟，钢铁、化工等其它行业也纷纷效仿，这就是导致我国产生严重雾霾的主要根源。
国外也确有一些企业采用湿烟气直排，但最基本的区别是，全球的燃煤总量一半在中国、高度集中、超过环境容量，欧美发达国家的做法没有多少参考价值，更不应成为我国有关部门制定标准允许排放湿烟气的依据。拆除、不上GGH/MGGH是错误的，上了GGH/MGGH、甚至烟气脱硫都用干法、半干法也都未必能解决我国的大气雾霾问题。
我国火电等行业湿法脱硫采用直接喷淋冷凝为基础的除湿脱白是唯一符合我国国情的治霾技术路线，有必要在多做示范项目不断总结完善的基础上，从法规标准规范层面纠正现有的错误。
4 直接喷淋除湿脱白为基---符合中国国情的唯一可行途径
湿气体的饱和含湿量与湿烟气压力和饱和温度有关，压力、饱和温度越高含湿量就越高。湿法脱硫后的烟气表压为几百帕的微正压，可以近似视为恒定绝对大气压。在恒定大气压力下，湿烟气的饱和含湿量只与饱和烟气温度相关，这在许多相关技术手册中都可以查到，也可以计算。为方便讨论，以1Nm3的干烟气为基数，将其饱和含湿量与饱和温度的关系列于表1。对于湿法脱硫、或其它湿法烟气净化工艺，只要排烟达到饱和状态，只需知道、测定其饱和温度，就知道了其饱和含湿量，避免含湿量难测定、测不准。引进湿法脱硫技术规范要求排放烟气的水滴含量小于75μg/m3，这是饱和烟气冷凝的部分，只占烟气总含湿量的不足1%，所为各种机械除雾器，包括湿电、旋流、声波等都不能除饱和蒸汽，也就是不能脱白，除非组合采用直接、间接冷凝。用氟塑料、钛合金材料的各种间接冷凝技术，首先能冷凝的程度有限，最主要的存在投资多、占地多、阻损大、冷凝废水处理多个问题。还可以看出，干法脱硫、除尘不能除去锅炉煤带水、空气带水，排烟含湿量是我国大气平均值3倍，特别是独立焦化厂焦炉烟道气、转炉干法除尘，干法烟气含湿量比湿法更高，也不是脱白方案的正确选项。因此，直接喷淋冷凝是解决我国排烟除湿脱白的唯一可行技术。
将上表绘制成图2，图中的O点就是目前湿法脱硫后放散湿烟气的状态点：平均湿烟气温度~50°C、含湿量为111.8g/Nm3。在湿烟气饱和含湿量不变的条件下，通过间接换热方式将烟气温度升高到~80°C，则烟气的相对湿度就从100%降低到16%，成为干烟气排放，属于升温除湿，见图中OA线。采用GGH、MGGH、几其各种国产化改进的升温除湿，尽管分别存在换热器堵塞、腐蚀、串烟、造价高、安装空间紧张、增加阻损导致系统能力不足或电耗增加，但只要企业和有关标准管控部门认同湿烟气除湿脱白对产生雾霾污染的重要相关性，推广升温除湿脱白从技术和操作管理层面是没有问题的，需要增加投资和运行成本也是事实，存在环境治理与经济效益之间的矛盾。取消GGH、允许排放湿烟气是必须改正的严重错误。
随着技术进步，开发符合我国国情新的除湿脱白技术来解决保护环境与经济发展矛盾已经具备条件、并且已经有了初步实践，也就是按相反方向的湿烟气除湿脱白技术途径，就是冷凝除湿为主的混合除湿技术，如图OB所示：将脱硫后~50ºC湿烟气深度冷凝冷却到接近大气温度25°C先除湿，然后再升温或混风脱白效果更好。采用湿烟气混合冷凝除湿脱白有技术有以下特点：
湿烟气的饱和含湿量从111.8降低到26g/Nm3以下，与大气含湿量接近，实践证明可以实现除湿脱白，从而有助于解决我国的大气雾霾污染。是否能除雾霾有争议，但对于减少大雾天气不该有疑问，也是十分必要的。再说，水蒸汽也属于温室气体之一，从减排温室气体的角度也是应该做的。
回收湿烟气中的冷凝水，与换热器冷凝只能回收排烟水份的20-30%不同，直接喷淋冷凝吨煤燃烧排烟水分减少0.6-0.8吨，喷淋冷凝后排烟温度接近循环水温度。前述300MW机组小时可回收冷凝水80吨，年回收80万吨以上。一个武安市年可节水4000万吨以上。全国脱硫预计年回收超过四十亿吨水，脱硫不仅不耗水，还能回收煤中的大部分水份，经过简单处理为脱硫或锅炉提供补充水，是一个新的值得开发非常规水源，特别是对于西北缺水地区。
湿烟气中含有一定的低温余热，大致相当于燃煤低发热量的~10%，回收用于民用采暖、热水、制冷或低温发电，预期可抵顶除湿脱白成本、甚至有效益。
冷凝除湿还有一个重要作用，就是可以将残留的细颗粒粉尘、二氧化硫、酸、重金属等水溶性污染成分大部分冷凝进入排水中，是实现燃煤锅炉放散烟气低成本达标、甚至超低近零排放的可选择技术之一。
5 相关问题讨论
湿烟气冷凝除湿脱白技术与升温除湿技术虽然温差变化接近，但冷凝所需的冷量却是升温所需热量的近6倍，主要是湿烟气中所含水蒸汽的冷凝潜热。同样冷凝除湿从技术层面是没有问题的，并且有多种不同冷凝工艺可供选用，关键也是投资多少、是否经济。研究表明，要使冷凝除湿脱白技术经济可行，首先必须解决大量廉价冷源，二是低温余热和冷凝水最好得到利用，对于燃煤锅炉可以考虑用于燃煤的脱水和加热，分别讨论如下：
廉价冷源：要采用冷凝冷却就必须有低于目标温度冷源，仅从除湿脱白角度考虑，应优先选择自然冷源，比如江河海地下水、北方寒冷地区冬季的冷空气，如果自然冷源不足或从回收利用余热的角度，就必须采用人工冷源，比如蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵等，在提供7°C左右冷水的同时，可以回收低温余热。
低温余热的用途：电厂、钢厂等低温热源的热量一定是富裕的，应该优先内部利用，但也必须考虑外供社区民用，比如洗浴、医院、学校、酒店、人工游泳池和景观等民用热水是一年四季都需要，但相比余热量，需求量远远不足，而北方民用采暖和南方夏季空调等季节性需求量巨大，而且所需能量品质也低，是低温余热比较适合的用途，采用120°C~20°C大温差供热输送距离达到100km也比燃煤成本低，而与燃气供热比可以输送300km。
换热器的选择：锅炉空气预热器出口烟气~130-150°C，采用低低温技术的降温换热器冷却到~90°C是合理的，换热器本身存在的腐蚀问题可以通过选择玻璃板、碳化硅陶瓷管等换热器解决，后接干式电除尘器可能存在的腐蚀可以采用在换热器入口增加喷煤粉、石灰粉等增大灰硫比的方法预防。降温换热器应该大力推广，因为不仅回收的余热品质高，更主要的是对于电除尘器实现超低排放、除酸、除二噁英、除重金属等有害成分都有效，而这些有害成分最好在脱硫前去除，以提高脱硫产物的品质。90°C以下的冷却也要综合比较，优先选择间接换热器冷却，以提高回收余热温度和减少制冷量，可以考虑采用增加喷水的混合冷凝技术提高换热器换热效率减少换热面积，同时低成本防腐蚀和防结垢。而对于采用换热器不经济的温度区域，可以采用直接喷淋冷凝的方法。
低温冷却的方式：如前所述，对于90°C以下的低温湿烟气，所含余热量大部分是水蒸汽的冷凝潜热，冷却方式可以比较选择：直接膨胀式热泵蒸发器、低温空调冷水间接水水换热和/或喷淋冷却，需要结合用户的冷源种类和余热用途综合优化选择，比较经济快捷的方法是直接喷淋。
与湿式静电除尘除雾器的配合使用：湿式静电除尘器是净化湿烟气的理想终端除尘器，还是顶级除雾器，可以确保实现超低近零排放。目前超低排放设置在脱硫塔机械除雾器后，入口烟气温度在~50ºC，设备造价浪费，因为大约20%的电场面积是用于处理水蒸汽，水蒸汽冷凝液PH值1-3，产生低温腐蚀是造价高的主要原因，而且是否能长期稳定运行也有疑问，特别是导电玻璃钢湿电，导电膜很薄。将冷凝冷却布置在湿电前对湿烟气进行预处理可以解决许多问题，甚至能不用湿电也能实现超低排放和除湿脱白，结合采用升温、混风干燥脱白，烟囱也不再需要防腐。
结论与建议
1. 为了彻底根除雾霾污染，火电行业大气污染控制标新国标(GB13223-2011)必须增加排烟温湿度控制指标要求，以实现排放烟气的除湿脱白处理。
2. 直接喷淋冷凝除湿技术最经济、是唯一符合国情的脱白技术。除湿后烟气温度建议先按40ºC、相对湿度90%开始，逐步降低，不仅有助于除雾霾，还有节水节能效益。
3. 前面增加直接喷淋冷凝除湿可以降低采用湿电的设备造价、体积，甚至不用湿电实现超低近零、除湿脱白排放，超低排放有双保险，燃煤可以比天然气更清洁。
主要参考文献
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