湿法脱硫废水前置喷射与静电除尘协同：一条被低估的减排增效路径

基于波兰弗罗茨瓦夫理工大学与RAFAKO公司的WFGD废水上游喷射-ESP耦合实验研究解读

关键词
electrostatic precipitator, wet flue gas desulfurization, sewage injection, flue gas conditioning, mercury emission, 静电除尘器, 工业烟气治理, 脱硫废水零排放

在燃煤电厂超低排放进入深水区之后，行业视线往往集中在高效脱硫脱硝、深度除尘和超净改造上，而对“末端副产物流”的资源化关注不足。湿法脱硫（WFGD）废水就是典型代表：水量大、含盐高、含重金属和汞，常规做法是深度处理+达标排放，投资与运行成本居高不下。近期，波兰弗罗茨瓦夫理工大学（Wrocław University of Technology）联合RAFAKO S.A.开展的一项试验，为这一难题提供了一个思路：把WFGD处理后的“难处置废水”变成静电除尘器（ESP）上游的“烟气调质介质”，在一套系统里同时兼顾废水利用、烟气冷却、颗粒物控制乃至汞减排。

这项工作以一台燃烧硬煤与生物质（掺烧比例约10%）的锅炉为对象，机组配套常规电除尘器和石灰石湿法脱硫系统。WFGD出水经常规重金属中和沉淀、絮凝分离、脱水和末端监测后，虽然pH、悬浮物等指标达标，但由于氯离子约30 000 mg/L、硫酸根约2 000 mg/L以及痕量重金属、汞等问题，并不适合直接排放或回用。研究团队设计了一套湿法脱硫废水前置喷射系统，将废水雾化喷入进入ESP之前的水平烟道，借助烟气显热直接蒸发，实现“热量换水处理”的一体化利用，同时考察其对静电除尘性能和粉尘特性的影响，并为后续汞控制技术预留载体。

从系统构型上看，锅炉出口烟气经空气预热器后进入两条并联进口烟道，每条烟道在进入两电场三电区的ESP前设置一段水平烟道，截面约5.0×2.7 m、长度7.0 m。研究在这一段布置两根喷射管，每根管线上装有多支双流体喷嘴，利用加热压缩空气将WFGD废水雾化注入高温烟气中。废水特征为pH约8.5，氯离子及硫酸根含量高，而汞及其他重金属浓度虽经预处理降低，但仍高于清水标准。理论上，这类含盐溶液经完全蒸发后，其溶解盐和重金属氧化物会转移并负载到飞灰表面，有可能在ESP中被同步捕集，这也是该方法能否成为合格“减排单元”的关键逻辑。

为了保证工业可行性，研究团队首先对喷射-蒸发过程进行了工程计算。将喷射段视作一种气-液直接接触的非膜式热交换器，通过换热量Q、体积传热系数k_v、平均传热温差Δt_avg等参数，估算废水在烟道内完全蒸发所需的有效体积和长度。他们采用的体积传热系数经验关联式考虑了烟气质量流量、平均温度和流型（并流/逆流），并通过湿球温度引入气-液两相间的真实传热驱动力。以典型工况为例：原烟气质量流量约520 000 kg/h、温度140℃、相对湿度对应含湿量约0.037 kg/kg干烟气，废水注入量约2.5 t/h，计算得到可用于蒸发的有效体积约69 m³，对应烟道所需有效长度约5.11 m。

而实际布置烟道长度为7 m，留有约2 m的安全裕度，保证在一定废水负荷波动下仍能实现“完全蒸发、不结露”。在该工况下，计算和试验结果显示：经废水喷射充分蒸发后，烟气温度由140℃降至约127.7℃，等效温降约17–20℃，含湿量升至约0.042 kg/kg干烟气，同时喷雾液滴最大粒径控制在140 μm以内时，完全蒸发时间约0.41 s，对应烟气在喷口下游的停留长度正好落在该水平烟道段内。这类参数对于任何希望在ESP前增湿降温的设计者而言，具有很强的可比性和工程参考价值。

实测工况下，锅炉负荷维持在140 MW，蒸汽参数基本稳定，废水喷射总量5–6 m³/h，分配到两条并联烟道。启动喷射后约1小时，ESP入口烟气温度从133℃下降到113℃，降幅约20℃，静压、含氧量及烟气体积流量变化不大，未出现ESP二次电压不稳、火花放电频繁或比电耗异常升高等问题，说明在该温度区间内采用废水作为烟气调质介质，对ESP运行安全性影响较小。更关键的是，这一温度水平仍高于烟气露点20–40℃，避免了烟道及极板极线上结露腐蚀和粘灰风险，这是电除尘与前置湿法调质协同设计的“硬底线”。

在粉尘特性方面，研究团队对ESP第一电场收集的飞灰进行粒径分布、化学组成及电阻率测试，比较喷射前后变化。粒度分析结果非常具有启发性：未喷射时，飞灰粒径体积分布的模态直径约为16 μm，中位径d50约24 μm；废水喷射工况下，模态直径增大到约88 μm，中位径上升至约52 μm。也就是说，前置喷射显著促进了飞灰团聚，粒径谱整体向粗颗粒方向偏移。对于ESP而言，粗颗粒的比电荷获取能力更强，迁移速度更高，在同等比集尘面积条件下更容易被捕集，这也是该方法有望提高静电除尘效率的机理基础之一。

值得注意的是，尽管废水中含有较高浓度的氯盐、硫酸盐及一定量可溶性金属离子，飞灰的整体化学组成变化并不剧烈。X射线荧光分析结果显示，主要成分Al2O3和SiO2含量分别约为25–32%与44–49%，与典型煤粉炉飞灰水平相当；CaO+MgO合计约4–8%，K2O+Na2O约5%。从电学特性看，室温（20℃）下测得飞灰体积电阻率在6.8×10^8–7.1×10^8 Ω·cm之间，喷射前后差异极小。理论上，碱土金属氧化物会提高粉尘电阻率，而碱金属氧化物有利于提高粉尘导电性，两者对电除尘的综合影响取决于含量与温度区间。本试验中，含量水平不足以导致高比电阻“反电晕”问题，说明在此规模的废水注入量与化学特性下，ESP并未遭遇粉尘电阻率恶化的负面效应。

从工业烟气治理工程视角看，这项研究释放了几个值得关注的信号。第一，湿法脱硫废水并非只能“末端深度治理+排放”，在热力学和传质学允许的条件下，它可以作为ESP前端的烟气调质介质，实现烟气降温、增湿和颗粒团聚，间接提升除尘效率。第二，通过将废水中的可溶性盐分和重金属（包括汞的氧化产物）转移并固定在飞灰中，有望将“废水处理负担”部分转化为“飞灰综合利用或安全处置”的一环，为整体减排路径提供新的耦合空间。第三，由于现有汞控制技术（如活性炭喷射、化学吸附剂）在高温区间（>200℃）捕集效率明显下降，而本研究的废水喷射显著降低了ESP入口烟气温度，同时未来可在废水中掺加少量高效汞氧化剂，将单一的烟气调质过程升级为“调质+汞氧化+高效捕集”的一体化控制单元，这与当前全球对煤电汞排放标准日益趋严的趋势高度契合。

当然，这项波兰试验目前仍处于“工艺可行性+初步环境效益”的阶段。作者也明确指出，还需要系统研究不同喷射负荷、烟气温度、液滴粒径谱以及ESP运行参数对除尘效率和粉尘排放的综合影响，并验证在长期运行条件下对下游烟囱、烟道和脱硫塔的腐蚀、结垢风险，以及对飞灰利用（如水泥掺合料、建材制品）的合规性影响。对于国内以大规模燃煤机组为主体的电力系统而言，如果能在设计和改造阶段就引入类似“脱硫废水前置喷射-ESP协同”的集成思路，将有机会同步缓解废水零排放压力、优化电除尘性能，并为未来颗粒物（尤其是PM2.5）与汞的深度控制预留弹性空间。

对工业烟气治理企业和电厂环保管理者而言，这项研究至少提供了三个值得认真推演的问题：其一，在现有湿法脱硫与ESP布置条件下，是否有足够的水平烟道长度、温度裕度以及材料耐蚀性来支持类似的喷射系统集成？其二，在满足完全蒸发、避免结露前提下，最佳废水注入量与液滴粒径控制策略如何确定？其三，结合我国煤质和汞含量特征，若在废水中引入特定汞氧化剂，是否能在不显著增加运行成本的前提下，实现有竞争力的汞减排效果？

可以预见，随着“碳达峰、碳中和”背景下燃煤机组环保改造向“系统耦合、资源化利用”方向演进，类似湿法脱硫废水前置喷射与静电除尘协同的技术路线有望从示范性试验，走向工程化、模块化应用。如何在工程安全、环境合规与经济性之间寻找到最优平衡，将是未来几年工业烟气治理领域的重要技术风向之一。

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