文章導讀

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

　　結果表明：白煙質量相對大氣可以忽略，其濃度不會影響當地氣象條件;對白煙控制僅滿足了感官需求，并要消耗大量能源，對節能減排起到負面作用;白煙問題不是環境問題，而是一個公眾認識問題。

　　當生活垃圾焚燒廠煙囪出口煙氣與低溫環境空氣接觸時，在煙氣溫度下降過程中，煙氣中水蒸氣過飽和凝結成無數依次排放的煙團(液相水滴)，煙團沿風向運動，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常看到焚燒廠飄出的白煙，懷疑白煙中含有有害物質，會對人體產生危害。垃圾焚燒廠“白煙”現象影響了社會公眾對焚燒廠的認知。其實，生活垃圾焚燒廠煙囪排放出來的是經過凈化后達到國家相關標準的煙氣，通過采取有效的煙氣凈化技術，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限值以內，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行控制。白煙對環境質量不會產生直接影響，與改善環境質量無關。反之，對排放過程中的“黑煙”現象，則應依據焚燒與煙氣兩級減排工程技術理論，按國家和地方污染物控制標準，采取最佳可行控制工藝，進行污染物有效控制。

　　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露的溫度。煙氣中的SO3與水蒸氣相互作用生成硫酸蒸汽，當與硫酸蒸汽接觸的管壁溫度低于某一數值時，硫酸蒸汽就會在管壁上凝結并產生腐蝕，將發生凝結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，相應煙氣酸露點溫度越高。在250℃及以下溫度狀態下，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(即結露)，發生凝結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準中無相關對白煙控制的要求，生活垃圾焚燒煙氣白煙控制方法主要參考火電行業。目前，國內外大多數文獻研究多聚焦于煙氣酸露點的研究，以及燃煤、鋼鐵行業的煙氣脫白研究，對生活垃圾焚燒發電領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，結合實際項目案例，探討控制焚燒廠白煙的方法，并對相關白煙知識進行普及，供行業及公眾參考。

　　PART.01生活垃圾焚燒廠白煙的生成

　　1. 白煙來源

　　根據我國進入焚燒廠的原生生活垃圾特性統計分析，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、汽化，大部分以飽和蒸汽形式轉移到焚燒煙氣中。另有來自如半干法噴水調溫與濕法脫酸工藝，燃燒空氣攜帶，以及汽水系統泄漏等的水或水蒸氣。根據我國近年煙囪出口水蒸氣含量的統計結果，煙氣含水率(體積分數)大致為(23±3)%。

　　白煙與煙氣溫度、煙氣濕度、環境溫度、環境濕度及風速等因素相關。煙氣溫度越高，攜帶熱量越大，相應攜帶水汽的能力越強，越不易產生白煙。環境濕度越大，溫度越低，容納水汽的能力越差，則越易產生白煙。當環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)℃，氣態水蒸氣凝結成液態水蒸氣，凝結后回歸大氣，就會出現煙氣排放攜帶液態水汽的“白煙”現象。

　　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。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點不在過飽和區，即煙氣狀態點與環境大氣狀態點的連線不與飽和濕空氣線相交，則不會產生白煙現象。

　　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，是濕煙氣與大氣混合不產生白煙的極限狀態，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，濕煙氣狀態點落在飽和濕煙氣線右側區域即是未飽和區，均不會產生白煙。

　　圖1 白煙產生和消散熱力過程示意

　　從煙囪出口的煙氣，向空氣擴散和混合過程可認為是絕熱過程，遵循質量守恒、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A點，落在曲線BNC的右側區域。煙氣向大氣擴散過程按狀態點A→B→N→M發生變化，A點到B點的過程發生在煙囪出口，中心區域無明顯白煙，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。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散過程中發生的相變，理論上煙氣呈飽和狀態。隨著煙氣溫度沿直線BM變化降低，煙氣中水蒸氣凝結放熱。釋放熱量加熱汽水混合物并使部分凝結的水蒸氣重新汽化，溫度降低、濕度減少，煙氣從新的狀態(記為B'點，圖中未表示)繼續沿B'N擴散。重復上述過程，一直持續到煙氣狀態到達N點。此時煙氣仍處于飽和狀態，但已接近白色煙羽的尾端。煙氣從N點向M點擴散時，煙氣狀態沿直線變化，并始終處于不飽和狀態，擴散過程無水蒸氣冷凝，表現為白煙消散。

　　綜上所述，不飽和煙氣從煙囪向大氣擴散的過程中，其狀態點的實際變化過程為沿圖1的AB→BN→NM變化，當擴散過程在AB段時，煙氣相對濕度增加，由不飽和變為飽和，為白煙形成的過渡段;當擴散過程進行到BN段時，煙氣始終處于飽和狀態，冷凝水不斷析出，為白煙的發生段;當擴散過程進行到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. 排煙溫度與環境溫度

　　排煙溫度與環境溫度是排放白煙的直接影響因素。某項目對排煙溫度、環境溫度與排放白煙進行跟蹤分析，發現濕煙羽的嚴重程度與排放煙氣溫度有明顯關聯，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象。濕煙羽的嚴重程度還與環境溫度有明顯關聯，如圖4所示。環境溫度越低，白色煙羽長度呈指數關系增加，表明環境溫度越低，濕煙羽治理難度越大。這也說明在實際運行中，冬季溫度低，更容易出現濕煙羽;夏季溫度高，出現濕煙羽的機率大幅降低。

　　注：分析條件為煙氣速度20m/s、環境風速3m/s、煙囪出口直徑6m、環境相對濕度80%。

　　圖3 煙氣溫度與濕煙羽關系

　　注：分析條件為環境風速3m/s、煙氣速度20m/s、煙囪出口直徑6m、環境相對濕度80%。

　　圖4 環境溫度與濕煙羽關系

　　2. 煙氣速度與環境風速

　　煙氣速度、環境風速與濕煙羽關系如圖5、圖6所示。煙氣速度越大，白色煙羽長度越長。環境風速越高，白色煙羽飄散的距離越遠。

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

　　圖5 煙氣速度與濕煙羽關系

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

　　圖6 環境風速與濕煙羽關系

　　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不大于15%。另外，焚燒煙氣采用濕法脫酸工藝具備發生白煙的條件，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散，從而消除白煙。

　　根據白煙產生的原因，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控制脫硝設備的噴氨量和降低氨逃逸的產生;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攜帶外來水分;②通過煙氣換熱器降低原煙氣進入脫酸系統的溫度，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達到80℃左右，使加熱后的煙氣處于不飽和狀態。根據生產實際需要，在焚燒廠中主要采用煙氣再加熱技術提高煙氣排放溫度。

　　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”現象

　　SNCR是控制垃圾焚燒煙氣NOx的基本方法。脫硝過程中會發生一定量的氨逃逸，與硫氧化物、氯化氫發生反應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控系統相結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反應容易生成固態氯化銨，形成白色煙霧。在煙氣凈化系統運行過程中溫度較高，不易產生此反應過程，但當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。

　　有相關研究將白煙分為極淡煙、淡煙、濃煙3個級別，并發現與氨逃逸質量濃度存在一定相關性。極淡煙對應的氨逃逸質量濃度<0.38mg/m3，淡煙對應的氨逃逸質量濃度為0.38~0.76mg/m3，濃煙對應的氨逃逸質量濃度>0.76mg/m3。

　　(2)SNCR運行過程控制白煙生成

　　白煙與SNCR系統噴氨量有關，噴氨量應根據進風量、爐膛溫度等變化進行隨動調節，并保證SNCR系統在合適溫度區間內運行，以達到較高的NOx轉化效率。

　　垃圾焚燒鍋爐穩定運行時，鍋爐送風量、爐膛溫度、NOx排放濃度以及氨逃逸質量濃度相對穩定，通過煙氣在線連續監測系統(CEMS)反饋的煙氣中NOx排放濃度，結合SNCR系統的反應效率可理論計算出系統噴氨量。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準的前提條件下，可確定垃圾焚燒鍋爐不同工況下的SNCR系統運行情況，控制運行過程中白煙現象生成。

　　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系，即為達到低濃度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系統運行的重要原則是保證NOx排放濃度滿足控制標準條件下，調節SNCR噴氨量，以達到控制白煙生成的目的。

　　3. 濕法脫酸系統與白煙控制

　　(1)濕法系統與煙氣含水率

　　濕法系統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℃)，繼而在引風機驅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白煙的重要因素。

　　目前常用解決減少“白煙”現象的措施，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)。應根據具體條件及當地氣候條件確定再加熱后的煙氣排煙溫度。

　　(2)濕法脫酸系統增設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，增大了煙氣擴散能力。同時加熱使排煙處于不飽和狀態，排煙溫度在露點以上，從而達到煙氣脫白的目的。

　　但安裝GGH也存在一些負面影響，例如：設備較復雜，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%);系統阻力增大，能耗增加;運行維護費用增加。同時，GGH還是造成脫酸系統事故停機的主要設備，設置GGH后，因系統部件的腐蝕和換熱元件堵塞而造成增壓風機運行故障，已成為煙氣脫酸系統穩定運行的瓶頸之一;不設GGH則可減少故障點，保證系統運行的可靠性，減少相應維護和檢修工作量。濕法脫酸后的煙氣對煙囪的腐蝕隱患并未消除，當煙氣在低溫、高濕等環境下可能使腐蝕狀況進一步加劇。

　　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，設置GGH只能使煙囪出口附近的煙氣不產生凝結，但會使白煙在較遠的地方形成。因此，GGH并不是保證煙氣脫酸效率的必備系統，是否設置GGH應根據工程所處的地理位置、機組容量、機組煙囪的設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。

　　考慮冬季低氣溫運行時，凈化后煙氣中的水蒸氣凝結，導致在煙囪排放口處出現“白煙”現象。只是為避免感官上的負面影響，在SCR脫氮裝置后，進入煙囪前的主煙道增設脫白系統。采用按設計風量30000m3/h、給凈化煙氣中補入約350℃熱空氣(室內抽取電加熱)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，可達到降低白煙的基本目的。

　　配置脫白系統組成為脫白風機，電加熱器，系統儀表及閥門，風道、風門及附件，控制柜等其他所需設備和組件(表1)。

　　表1 脫白系統技術規格

　　通過直接加熱脫白，本方案獲得一定的環境效益。

　　(1)脫白系統的投入，會使進入煙囪的煙氣溫度升高、煙氣含濕量下降，有利于腐蝕控制，進而有利于鋼煙囪的選材。通常煙囪設計時，煙囪雖有保溫，但煙囪出口溫度也比進口溫度低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，擴散稀釋的效果越好。但是，煙氣流速一般不應大于30m/s，否則會發生笛音現象。如果煙氣流速過低，又會增加煙氣對排氣筒腐蝕的風險，也降低煙氣的擴散稀釋效果，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，使得設在SCR旁路的增壓風機或引風機壓頭增加，增壓風機或引風機電耗增加。

　　PART.05結論

　　在嚴格執行國家生活垃圾焚燒煙氣排放標準和地方環境容量基礎上對白煙問題進行探討，得出如下結論。

　　從環境效益視角看，經過嚴格的煙氣凈化措施，達到環評批復的排放指標與允許排放容量要求后，以水霧為主的白煙現象不會對環境構成危害。從質量平衡視角，白煙作為一種特定物質，最終會融入大氣之中。其質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，不會對當地氣象條件有影響。

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

　　白煙問題不是環境問題，而是一個公眾認識問題。應科學認識白煙的基本情況，運行好現有的環保設施，減少二次污染物的產生;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。