文　　章　　導(dǎo)　　讀

　　生活垃圾焚燒廠運行過程中，煙囪會出現(xiàn)"白煙"現(xiàn)象，引起公眾對環(huán)境污染的誤解。本文從白煙來源、白煙排放影響因素及控制方法等方面進(jìn)行了工程分析。

　　結(jié)果表明：白煙質(zhì)量相對大氣可以忽略，其濃度不會影響當(dāng)?shù)貧庀髼l件;對白煙控制僅滿足了感官需求，并要消耗大量能源，對節(jié)能減排起到負(fù)面作用;白煙問題不是環(huán)境問題，而是一個公眾認(rèn)識問題。
 

　　當(dāng)生活垃圾焚燒廠煙囪出口煙氣與低溫環(huán)境空氣接觸時，在煙氣溫度下降過程中，煙氣中水蒸氣過飽和凝結(jié)成無數(shù)依次排放的煙團(tuán)(液相水滴)，煙團(tuán)沿風(fēng)向運動，在折射和散射光線作用下，形成外形呈羽毛狀的"白色煙羽"，簡稱"白煙"。

　　白煙的排放影響了視覺感受，居住在垃圾焚燒廠附近的居民經(jīng)?？吹椒贌龔S飄出的白煙，懷疑白煙中含有有害物質(zhì)，會對人體產(chǎn)生危害。垃圾焚燒廠"白煙"現(xiàn)象影響了社會公眾對焚燒廠的認(rèn)知。其實，生活垃圾焚燒廠煙囪排放出來的是經(jīng)過凈化后達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的煙氣，通過采取有效的煙氣凈化技術(shù)，已將無機、有機氣體，以及顆粒物等各類煙氣污染物有效控制在人體健康不受影響的指標(biāo)限值以內(nèi)，排放煙氣的白煙不屬于污染物，除非有感官方面特別需求，否則可不考慮對此進(jìn)行控制。白煙對環(huán)境質(zhì)量不會產(chǎn)生直接影響，與改善環(huán)境質(zhì)量無關(guān)。反之，對排放過程中的"黑煙"現(xiàn)象，則應(yīng)依據(jù)焚燒與煙氣兩級減排工程技術(shù)理論，按國家和地方污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，采取最佳可行控制工藝，進(jìn)行污染物有效控制。

　　煙氣的露點有煙氣露點與煙氣酸露點之分。煙氣酸露點是指煙氣中SO3在一定濃度、一定含水率煙氣條件下結(jié)露的溫度。煙氣中的SO3與水蒸氣相互作用生成硫酸蒸汽，當(dāng)與硫酸蒸汽接觸的管壁溫度低于某一數(shù)值時，硫酸蒸汽就會在管壁上凝結(jié)并產(chǎn)生腐蝕，將發(fā)生凝結(jié)的最高溫度稱為煙氣酸露點。因為HCl露點低于SO3，而HF露點低于HCl，故一般按SO3確定露點溫度。煙氣酸露點是發(fā)生腐蝕的重要判別條件。一般地，煙氣含水率愈大，水蒸氣分壓力也就愈大，相應(yīng)煙氣酸露點溫度越高。在250℃及以下溫度狀態(tài)下，煙氣含水率趨近于零時，酸腐蝕作用可以忽略。煙氣露點是指煙氣中水分的露點。在生活垃圾焚燒過程中有水蒸氣生成，并且生活垃圾含水率越高，垃圾焚燒煙氣中含水率會越高。這些水蒸氣會隨著煙氣溫度降低而凝結(jié)(即結(jié)露)，發(fā)生凝結(jié)時的最高溫度即為煙氣露點溫度，簡稱"煙氣露點"。

　　GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)中無相關(guān)對白煙控制的要求，生活垃圾焚燒煙氣白煙控制方法主要參考火電行業(yè)。目前，國內(nèi)外大多數(shù)文獻(xiàn)研究多聚焦于煙氣酸露點的研究，以及燃煤、鋼鐵行業(yè)的煙氣脫白研究，對生活垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域的煙氣脫白工程研究與分析較少。本研究通過生活垃圾焚燒廠白煙來源和排放影響因素分析，結(jié)合實際項目案例，探討控制焚燒廠白煙的方法，并對相關(guān)白煙知識進(jìn)行普及，供行業(yè)及公眾參考。

　　PART.01生活垃圾焚燒廠白煙的生成

　　1. 白煙來源

　　根據(jù)我國進(jìn)入焚燒廠的原生生活垃圾特性統(tǒng)計分析，其外在含水率多在45%~65%。在垃圾池暫存過程中，瀝出15%左右滲濾液。在垃圾焚燒過程中，垃圾中的水分蒸發(fā)、汽化，大部分以飽和蒸汽形式轉(zhuǎn)移到焚燒煙氣中。另有來自如半干法噴水調(diào)溫與濕法脫酸工藝，燃燒空氣攜帶，以及汽水系統(tǒng)泄漏等的水或水蒸氣。根據(jù)我國近年煙囪出口水蒸氣含量的統(tǒng)計結(jié)果，煙氣含水率(體積分?jǐn)?shù))大致為(23±3)%。

　　白煙與煙氣溫度、煙氣濕度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及風(fēng)速等因素相關(guān)。煙氣溫度越高，攜帶熱量越大，相應(yīng)攜帶水汽的能力越強，越不易產(chǎn)生白煙。環(huán)境濕度越大，溫度越低，容納水汽的能力越差，則越易產(chǎn)生白煙。當(dāng)環(huán)境溫度低于煙氣排放溫度，排放的煙氣被冷卻。一旦降到煙氣中水蒸氣本身的露點，約為(45±15)℃，氣態(tài)水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水蒸氣，凝結(jié)后回歸大氣，就會出現(xiàn)煙氣排放攜帶液態(tài)水汽的"白煙"現(xiàn)象。

　　2. 飽和濕空氣線

　　在白煙消除的研究中常用溫濕圖作為研究工具，取相對濕度 100% 的曲線即飽和濕空氣線作為判定白煙的基準(zhǔn)。濕煙氣在與大氣的混合過程中，如果任意時刻其在溫濕圖上的狀態(tài)點不在過飽和區(qū)，即煙氣狀態(tài)點與環(huán)境大氣狀態(tài)點的連線不與飽和濕空氣線相交，則不會產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。

　　垃圾焚燒白煙的熱力過程如圖1所示。圖中曲線BNC為飽和濕空氣線。取M點表示煙囪出口處大氣狀態(tài)點，過M點、與BNC相切的直線MN為飽和濕煙氣線，N為切點。位于直線MN上的煙氣狀態(tài)，是濕煙氣與大氣混合不產(chǎn)生白煙的極限狀態(tài)，這條線即是白煙生成的邊界線，也稱為白煙防止線。在垃圾焚燒工況條件下，濕煙氣狀態(tài)點落在飽和濕煙氣線右側(cè)區(qū)域即是未飽和區(qū)，均不會產(chǎn)生白煙。

　　圖1 白煙產(chǎn)生和消散熱力過程示意

　　從煙囪出口的煙氣，向空氣擴(kuò)散和混合過程可認(rèn)為是絕熱過程，遵循質(zhì)量守恒、能量守恒定律。垃圾焚燒煙囪出口煙氣通常為不飽和煙氣，因此，取煙囪出口的煙氣狀態(tài)A點，落在曲線BNC的右側(cè)區(qū)域。煙氣向大氣擴(kuò)散過程按狀態(tài)點A→B→N→M發(fā)生變化，A點到B點的過程發(fā)生在煙囪出口，中心區(qū)域無明顯白煙，此過程煙氣溫度降低，絕對濕度不變，相對濕度由小變大直至飽和，在此過程末端隨著相對濕度升高，白煙開始出現(xiàn)。B點到N點距離煙囪出口有一段距離，忽略煙氣中的水蒸氣向大氣擴(kuò)散過程中發(fā)生的相變，理論上煙氣呈飽和狀態(tài)。隨著煙氣溫度沿直線BM變化降低，煙氣中水蒸氣凝結(jié)放熱。釋放熱量加熱汽水混合物并使部分凝結(jié)的水蒸氣重新汽化，溫度降低、濕度減少，煙氣從新的狀態(tài)(記為B'點，圖中未表示)繼續(xù)沿B'N擴(kuò)散。重復(fù)上述過程，一直持續(xù)到煙氣狀態(tài)到達(dá)N點。此時煙氣仍處于飽和狀態(tài)，但已接近白色煙羽的尾端。煙氣從N點向M點擴(kuò)散時，煙氣狀態(tài)沿直線變化，并始終處于不飽和狀態(tài)，擴(kuò)散過程無水蒸氣冷凝，表現(xiàn)為白煙消散。

　　綜上所述，不飽和煙氣從煙囪向大氣擴(kuò)散的過程中，其狀態(tài)點的實際變化過程為沿圖1的AB→BN→NM變化，當(dāng)擴(kuò)散過程在AB段時，煙氣相對濕度增加，由不飽和變?yōu)轱柡?，為白煙形成的過渡段;當(dāng)擴(kuò)散過程進(jìn)行到BN段時，煙氣始終處于飽和狀態(tài)，冷凝水不斷析出，為白煙的發(fā)生段;當(dāng)擴(kuò)散過程進(jìn)行到NM段時，不再有冷凝水析出，煙氣相對濕度降低，為白煙的消散段，煙囪白色煙羽的生成和消散的實際過程見圖2。

　　圖2 生活垃圾焚燒白煙產(chǎn)生和消散過程示意

　　PART.02白煙排放的影響因素

　　1. 排煙溫度與環(huán)境溫度

　　排煙溫度與環(huán)境溫度是排放白煙的直接影響因素。某項目對排煙溫度、環(huán)境溫度與排放白煙進(jìn)行跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)濕煙羽的嚴(yán)重程度與排放煙氣溫度有明顯關(guān)聯(lián)，如圖3所示。煙氣溫度越低，白色煙羽長度越小，表明采用降溫措施(保證在煙氣露點及煙氣酸露點以上)可以在一定程度上減弱或消除濕煙羽現(xiàn)象。濕煙羽的嚴(yán)重程度還與環(huán)境溫度有明顯關(guān)聯(lián)，如圖4所示。環(huán)境溫度越低，白色煙羽長度呈指數(shù)關(guān)系增加，表明環(huán)境溫度越低，濕煙羽治理難度越大。這也說明在實際運行中，冬季溫度低，更容易出現(xiàn)濕煙羽;夏季溫度高，出現(xiàn)濕煙羽的機率大幅降低。

　　注：分析條件為煙氣速度20m/s、環(huán)境風(fēng)速3m/s、煙囪出口直徑6m、環(huán)境相對濕度80%。

　　圖3 煙氣溫度與濕煙羽關(guān)系

　　注：分析條件為環(huán)境風(fēng)速3m/s、煙氣速度20m/s、煙囪出口直徑6m、環(huán)境相對濕度80%。

　　圖4 環(huán)境溫度與濕煙羽關(guān)系

　　2. 煙氣速度與環(huán)境風(fēng)速

　　煙氣速度、環(huán)境風(fēng)速與濕煙羽關(guān)系如圖5、圖6所示。煙氣速度越大，白色煙羽長度越長。環(huán)境風(fēng)速越高，白色煙羽飄散的距離越遠(yuǎn)。

　　注：分析條件為環(huán)境風(fēng)速3m/s、煙氣溫度45℃、環(huán)境溫度10℃、煙囪出口直徑6m、環(huán)境相對濕度80%。

　　圖5 煙氣速度與濕煙羽關(guān)系

　　注：分析條件為煙氣速度20m/s、煙氣溫度45℃、環(huán)境溫度10℃、煙囪出口直徑6m、環(huán)境相對濕度80%。

　　圖6 環(huán)境風(fēng)速與濕煙羽關(guān)系

　　3. 煙氣含水率

　　垃圾焚燒運行管理全過程盡可能降低煙氣含水率，是控制白煙的一項重要措施，排放煙氣含水率最佳指標(biāo)不大于15%。另外，焚燒煙氣采用濕法脫酸工藝具備發(fā)生白煙的條件，因此需要防控低溫腐蝕，將煙氣溫度從(50±10)℃提高到煙氣酸露點溫度以上，通常是不低于160℃。

　　PART.03白煙控制方法

　　1. 消除白煙的措施

　　煙氣脫白的原理主要圍繞煙氣濕度和溫度兩個方面展開。因此，通過提高煙氣排放溫度、降低煙氣相對濕度(即減少煙氣絕對含水量)，可使煙氣降溫至露點前在煙囪口擴(kuò)散，從而消除白煙。

　　根據(jù)白煙產(chǎn)生的原因，消除白煙的工藝措施主要路徑有：①減少煙氣含水率;②提高煙氣排放溫度;③降低煙氣流量和二次夾帶;④控制脫硝設(shè)備的噴氨量和降低氨逃逸的產(chǎn)生;⑤去除煙氣中由煙塵和酸霧組成的酸性氣溶膠。

　　降低煙氣含水率是控制白煙生成的有效措施，主要控制路徑包括：①減少焚燒垃圾含水率，盡可能減少煙氣凈化系統(tǒng)攜帶外來水分;②通過煙氣換熱器降低原煙氣進(jìn)入脫酸系統(tǒng)的溫度，從而降低煙氣含水率;③煙氣脫酸后增加管束除霧器，去除大部分液滴;④通過換熱器冷凝脫酸后凈煙氣降低煙氣溫度，冷凝回收煙氣中的水分。

　　為了提高煙氣的最終排放溫度，凈煙氣的排放溫度可以通過煙氣-煙氣換熱器GGH達(dá)到80℃左右，使加熱后的煙氣處于不飽和狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)實際需要，在焚燒廠中主要采用煙氣再加熱技術(shù)提高煙氣排放溫度。

　　2. 選擇性非催化還原法(SNCR)與白煙控制

　　(1)投運SNCR工藝的"白煙"現(xiàn)象

　　SNCR是控制垃圾焚燒煙氣NOx的基本方法。脫硝過程中會發(fā)生一定量的氨逃逸，與硫氧化物、氯化氫發(fā)生反應(yīng)易生成硫酸銨和氯化銨。通過使用氨逃逸激光光譜分析儀與煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的試驗方法對白煙成分分析，確定白煙成分具有氯化銨NH4Cl生成的特點，而不是硫酸銨(NH4)2SO4。

　　含氯塑料是垃圾焚燒煙氣中HCl的主要來源，在低于120℃時，HCl與NH3反應(yīng)容易生成固態(tài)氯化銨，形成白色煙霧。在煙氣凈化系統(tǒng)運行過程中溫度較高，不易產(chǎn)生此反應(yīng)過程，但當(dāng)煙氣從煙囪出口排出與大氣接觸溫度降低時，會生成氯化銨形成白煙。

　　有相關(guān)研究將白煙分為極淡煙、淡煙、濃煙3個級別，并發(fā)現(xiàn)與氨逃逸質(zhì)量濃度存在一定相關(guān)性。極淡煙對應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度<0.38mg/m3，淡煙對應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度為0.38~0.76mg/m3，濃煙對應(yīng)的氨逃逸質(zhì)量濃度>0.76mg/m3。

　　(2)SNCR運行過程控制白煙生成

　　白煙與SNCR系統(tǒng)噴氨量有關(guān)，噴氨量應(yīng)根據(jù)進(jìn)風(fēng)量、爐膛溫度等變化進(jìn)行隨動調(diào)節(jié)，并保證SNCR系統(tǒng)在合適溫度區(qū)間內(nèi)運行，以達(dá)到較高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

　　垃圾焚燒鍋爐穩(wěn)定運行時，鍋爐送風(fēng)量、爐膛溫度、NOx排放濃度以及氨逃逸質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定，通過煙氣在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)反饋的煙氣中NOx排放濃度，結(jié)合SNCR系統(tǒng)的反應(yīng)效率可理論計算出系統(tǒng)噴氨量。通過氨逃逸分析儀測得的氨逃逸濃度，在保證NOx排放濃度滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的前提條件下，可確定垃圾焚燒鍋爐不同工況下的SNCR系統(tǒng)運行情況，控制運行過程中白煙現(xiàn)象生成。

　　由以上分析可知，NOx排放濃度、噴氨量與白煙生成存在一定背反關(guān)系，即為達(dá)到低濃度NOx排放值，需要增加噴氨量，但噴氨量增加會提高氨逃逸濃度，從而容易造成白煙生成;若為控制煙囪產(chǎn)白煙，需要控制噴氨量，一定程度上會影響脫除NOx的效率。因此控制SNCR系統(tǒng)運行的重要原則是保證NOx排放濃度滿足控制標(biāo)準(zhǔn)條件下，調(diào)節(jié)SNCR噴氨量，以達(dá)到控制白煙生成的目的。

　　3. 濕法脫酸系統(tǒng)與白煙控制

　　(1)濕法系統(tǒng)與煙氣含水率

　　濕法系統(tǒng)運行需消耗相對較多的水量，盡管排放的濕煙氣通過有效煙氣凈化，但因在系統(tǒng)出口含有水蒸氣、殘存SO2及殘存飛灰的催化作用，仍會生成具有強腐蝕性的SO3。濕法出口的煙氣溫度通常降到露點以下(如45~55℃)，繼而在引風(fēng)機驅(qū)動下從煙囪排放到大氣。這種降溫的濕煙氣是造成煙囪出口出現(xiàn)白煙的重要因素。

　　目前常用解決減少"白煙"現(xiàn)象的措施，是把煙氣溫度加熱到露點以上。加熱方法主要有利用旁路更高溫度煙氣的氣-氣加熱法(GGH)、利用冷卻塔余熱的水-氣加熱法(WGH)、利用蒸汽加熱的汽-氣加熱法(SGH)。應(yīng)根據(jù)具體條件及當(dāng)?shù)貧夂驐l件確定再加熱后的煙氣排煙溫度。

　　(2)濕法脫酸系統(tǒng)增設(shè)GGH脫白控制

　　目前生活垃圾焚燒廠的煙氣脫白工藝，多采用煙氣換熱器GGH，利用原始煙氣熱量對脫酸后煙氣加熱，加熱器對凈化煙氣再加熱后，煙氣密度降低，會提高煙囪排放煙氣的抬升能力，增大了煙氣擴(kuò)散能力。同時加熱使排煙處于不飽和狀態(tài)，排煙溫度在露點以上，從而達(dá)到煙氣脫白的目的。

　　但安裝GGH也存在一些負(fù)面影響，例如：設(shè)備較復(fù)雜，占地面積較大，對空間高度的要求比較高;總投資增加(約5%~10%);系統(tǒng)阻力增大，能耗增加;運行維護(hù)費用增加。同時，GGH還是造成脫酸系統(tǒng)事故停機的主要設(shè)備，設(shè)置GGH后，因系統(tǒng)部件的腐蝕和換熱元件堵塞而造成增壓風(fēng)機運行故障，已成為煙氣脫酸系統(tǒng)穩(wěn)定運行的瓶頸之一;不設(shè)GGH則可減少故障點，保證系統(tǒng)運行的可靠性，減少相應(yīng)維護(hù)和檢修工作量。濕法脫酸后的煙氣對煙囪的腐蝕隱患并未消除，當(dāng)煙氣在低溫、高濕等環(huán)境下可能使腐蝕狀況進(jìn)一步加劇。

　　另外，完全消除白煙的通常做法是將煙氣溫度加熱至110℃以上。此時，設(shè)置GGH只能使煙囪出口附近的煙氣不產(chǎn)生凝結(jié)，但會使白煙在較遠(yuǎn)的地方形成。因此，GGH并不是保證煙氣脫酸效率的必備系統(tǒng)，是否設(shè)置GGH應(yīng)根據(jù)工程所處的地理位置、機組容量、機組煙囪的設(shè)計等具體情況來確定。

　　PART.04脫白方案實例

　　本案例采用600t/d層燃型垃圾焚燒鍋爐，煙氣凈化系統(tǒng)采用"SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+袋式除塵+煙氣回流"工藝，排煙溫度在190~220℃范圍內(nèi)。

　　考慮冬季低氣溫運行時，凈化后煙氣中的水蒸氣凝結(jié)，導(dǎo)致在煙囪排放口處出現(xiàn)"白煙"現(xiàn)象。只是為避免感官上的負(fù)面影響，在SCR脫氮裝置后，進(jìn)入煙囪前的主煙道增設(shè)脫白系統(tǒng)。采用按設(shè)計風(fēng)量30000m3/h、給凈化煙氣中補入約350℃熱空氣(室內(nèi)抽取電加熱)的脫白措施，從而在大氣溫度5℃、相對濕度60%的氣象條件下，降低煙氣中的絕對濕度，可達(dá)到降低白煙的基本目的。

　　配置脫白系統(tǒng)組成為脫白風(fēng)機，電加熱器，系統(tǒng)儀表及閥門，風(fēng)道、風(fēng)門及附件，控制柜等其他所需設(shè)備和組件(表1)。

　　表1 脫白系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

　　通過直接加熱脫白，本方案獲得一定的環(huán)境效益。

　　(1)脫白系統(tǒng)的投入，會使進(jìn)入煙囪的煙氣溫度升高、煙氣含濕量下降，有利于腐蝕控制，進(jìn)而有利于鋼煙囪的選材。通常煙囪設(shè)計時，煙囪雖有保溫，但煙囪出口溫度也比進(jìn)口溫度低5℃左右，因此煙囪出口段一般采用不銹鋼。

　　(2)煙囪出口的煙氣流速越大，擴(kuò)散稀釋的效果越好。但是，煙氣流速一般不應(yīng)大于30m/s，否則會發(fā)生笛音現(xiàn)象。如果煙氣流速過低，又會增加煙氣對排氣筒腐蝕的風(fēng)險，也降低煙氣的擴(kuò)散稀釋效果，通常的煙氣流速控制在10~20m/s，一般取15m/s。就本研究方案而言，煙氣量及流速大約會增加20%。

　　但方案中煙氣流速的增加會增加煙囪的阻力，使得設(shè)在SCR旁路的增壓風(fēng)機或引風(fēng)機壓頭增加，增壓風(fēng)機或引風(fēng)機電耗增加。

　　PART.05結(jié)論

　　在嚴(yán)格執(zhí)行國家生活垃圾焚燒煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)和地方環(huán)境容量基礎(chǔ)上對白煙問題進(jìn)行探討，得出如下結(jié)論。

　　從環(huán)境效益視角看，經(jīng)過嚴(yán)格的煙氣凈化措施，達(dá)到環(huán)評批復(fù)的排放指標(biāo)與允許排放容量要求后，以水霧為主的白煙現(xiàn)象不會對環(huán)境構(gòu)成危害。從質(zhì)量平衡視角，白煙作為一種特定物質(zhì)，最終會融入大氣之中。其質(zhì)量濃度相對大氣是可以忽略的。只是濃度在局部暫時有一定表現(xiàn)，不會對當(dāng)?shù)貧庀髼l件有影響。

　　通過脫白系統(tǒng)可在一定程度上對白煙進(jìn)行控制，但僅滿足了感官需求，過程中需消耗大量熱、電能量，并對節(jié)能減排起到負(fù)面作用。

　　白煙問題不是環(huán)境問題，而是一個公眾認(rèn)識問題。應(yīng)科學(xué)認(rèn)識白煙的基本情況，運行好現(xiàn)有的環(huán)保設(shè)施，減少二次污染物的產(chǎn)生;加強知識普及、與公眾的溝通，取得社會共識，提高公眾對生活垃圾焚燒廠污染物治理情況的知情度。

　　文章及圖片來源：環(huán)境衛(wèi)生工程

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