煙氣相變凝聚綜合處理裝置在熱電廠的應(yīng)用

毛雙華，林國輝，王浩添

（浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

現(xiàn)階段，燃煤發(fā)電廠全面實施超低排放和節(jié)能改造，以大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放，使電力行業(yè)向清潔化、高效化發(fā)展。國內(nèi)常規(guī)的高效除塵設(shè)備對粒徑為0.1～2.5 μm的細(xì)顆粒不能有效捕集，當(dāng)顆粒物直徑小于2.5 μm時，除塵效率明顯下降，極端情況下甚至低于40%，而現(xiàn)階段工業(yè)煙塵排放主要成分為超細(xì)粉塵。

浙江巨化熱電有限公司（以下簡稱“巨化熱電廠”）8號機組原設(shè)有電袋除塵裝置，粉塵排放質(zhì)量濃度（以下簡稱“濃度”）為13 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同），不能滿足5 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進行煙氣除塵技術(shù)改造。通過對相變凝聚技術(shù)的深入研究，并結(jié)合熱電企業(yè)的實際情況，安裝了煙氣相變凝聚綜合處理裝置以降低粉塵排放，并利用熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)補水量大的特點進行低溫潛熱回收利用，同時該技術(shù)還可以達(dá)到收水節(jié)能的效果。

1 煙氣相變凝聚綜合利用技術(shù)

相變凝聚技術(shù)是在機組脫硫塔出口煙道布置相變凝聚器，利用煙氣換熱、顆粒物相變凝聚等方式，脫除煙氣中的粉塵顆粒。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)補水量較大的特點，配合現(xiàn)有除鹽水綜合利用系統(tǒng)，用常溫除鹽水作為相變凝聚器的冷卻介質(zhì)，進行熱量回收，換熱后的除鹽水進入低低溫省煤器作為鍋爐補水，最終進入鍋爐給水系統(tǒng)。

相變凝聚裝置內(nèi)部布置有數(shù)量眾多的毛細(xì)冷凝管，冷凝管采用巨化集團生產(chǎn)的PTFE（聚四氟乙烯）制成，可在脫硫塔后的低溫腐蝕環(huán)境中長期運行。

1.1 相變凝聚基本原理

相變凝聚脫除細(xì)顆粒的原理是：飽和煙氣中水蒸氣在細(xì)顆粒表面相變、凝聚、長大，并同時產(chǎn)生熱泳和擴散泳作用，促使細(xì)顆粒在溫度梯度的作用下向冷的管壁移動，附著在管壁表面的液膜上，最后在重力作用下，隨著流動的液膜被收集。在顆粒物脫除過程中，通過控制裝置內(nèi)部冷凝管壁面的溫度來控制飽和濕煙氣的相變程度，結(jié)合濕式相變冷凝、凝聚、慣性等多重除塵機制，實現(xiàn)“收水+除塵+余熱回收”功能[1]。

1.2 材料特點

相變凝聚裝置主要包括低溫?zé)煔鈸Q熱器和除霧器，安裝于脫硫塔出口水平煙道。煙氣介質(zhì)的主要條件是：溫度不高于60℃，過飽和濕煙氣，煙氣流速3～5 m/s，具有酸腐蝕性（pH值為1～3）和氯腐蝕性。低溫腐蝕往往是低溫?fù)Q熱器面臨的最大問題，傳統(tǒng)換熱器采用ND鋼作為換熱管管材，然而ND鋼不能徹底解決低溫腐蝕的問題。本項目采用PTFE作為煙氣換熱器管材，PTFE的物理、化學(xué)性能極其穩(wěn)定，基本不溶于任何酸堿以及溶劑，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，對煙氣成分、換熱器管壁溫度以及煙氣酸露點沒有特殊要求[2]。同時，PTFE管材表面光滑，不積灰，不結(jié)垢，易清理[3]。

因PTFE導(dǎo)熱系數(shù)較金屬低，為增大換熱效果，煙氣換熱器以小直徑PTFE軟管作為換熱元件。PTFE換熱管具有極強的耐腐蝕性，可有效防止低溫酸腐蝕，最大限度地利用煙氣余熱，而且使用周期長，維修成本低[4]。

2 改造方案

研究表明，煙氣中的顆粒物經(jīng)常規(guī)除塵器和濕法脫硫后，粒徑分布峰值在2.5 μm附近，顆粒物以微細(xì)顆粒為主，且濃度很高，更易富集有害物質(zhì)。本次改造是基于相變凝聚綜合處理技術(shù)，其中的相變凝聚除塵器能有效脫除煙氣中的細(xì)顆粒，并實現(xiàn)有毒重金屬（如汞、砷等）的脫除，同時起到回收汽化潛熱和收水的效果。

2.1 改造背景

巨化熱電廠8號鍋爐為杭州鍋爐廠生產(chǎn)的NG-280/9.8-M型鍋爐，2001年3月正式移交生產(chǎn)，主要設(shè)計參數(shù)見表1。8號機組目前設(shè)有電袋除塵裝置，粉塵排放濃度為13 mg/m3，不能滿足5 mg/m3的超低排放粉塵標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進行煙氣除塵技術(shù)改造。

2.2 工藝流程

表1 8號鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

本次改造是在8號鍋爐（280 t/h）爐后脫硫塔出口煙道布置PTFE相變凝聚除塵設(shè)備，降低鍋爐脫硫塔后排煙溫度，使飽和煙氣冷凝，顆粒物在多重機制作用下脫除。該裝置通過煙氣換熱加熱常溫除鹽水，一路送至除氧器并入機爐給水系統(tǒng)，一路進入6號、7號機組的低低溫省煤器再加熱，最終進入全廠鍋爐給水系統(tǒng)。煙氣經(jīng)脫硫塔脫硫后變成飽和濕煙氣進入相變凝聚器冷凝后，冷凝水進入脫硫塔塔外漿池匯流管再利用，煙氣則通過除霧器由煙囪排出。相變凝聚系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 相變凝聚系統(tǒng)工藝流程

2.3 布置方案

相變凝聚器布置在脫硫塔出口的水平煙道上，為保證煙氣流速均勻并滿足工藝要求，在進口和出口位置設(shè)置煙道擴口，將除霧器布置在換熱管后面。進口煙道擴口中布置導(dǎo)流板，使進入相變凝聚器的流場分布均勻，提高除塵、換熱效率。相變凝聚器下部設(shè)置高效收水裝置，收集起來的水通過下部的收水斗送入脫硫塔塔外漿池。圖2所示為脫硫塔后的現(xiàn)場煙道布置，脫硫塔出口的直煙道段為前期改造預(yù)留位置，正好用于安裝相變凝聚裝置。圖3為安裝現(xiàn)場。

2.4 技術(shù)參數(shù)

相變凝聚技術(shù)中液滴長大是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，影響液滴長大的主要因素是停留時間、過飽和度、溫度、顆粒所處的位置、氣流的速度、顆粒的物化特性、初始粒度分布以及相變室的壁面特性[5]。

圖2 脫硫塔后煙道布置

圖3 相變凝聚裝置安裝現(xiàn)場

8號機組相變凝聚裝置按鍋爐額定負(fù)荷工況（280 t/h）設(shè)計，具體技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 8號機組相變凝聚裝置技術(shù)參數(shù)

由表2可以看出，飽和煙氣經(jīng)相變凝聚處理后溫度下降3℃，除鹽水量150 t/h，水溫升高約20℃，回收熱量約2.4 MW。相變凝聚器采用PTFE軟管作為換熱管材，由于其表面分子對其他分子吸引力小，因而摩擦系數(shù)非常小，對流體產(chǎn)生的流動摩擦阻力也較小[6]。該裝置煙氣側(cè)阻力約為300 Pa，大大低于金屬換熱器，降低了電耗成本。

2.5 工藝特點

此次改造結(jié)合熱電企業(yè)實際情況，用除鹽水作為換熱介質(zhì)。該廠現(xiàn)有5臺熱電聯(lián)產(chǎn)機組，設(shè)有4臺低低溫余熱回收裝置，利用煙氣余熱加熱除鹽水作為鍋爐補水，提高了全廠熱效率[7]。本次改造將相變凝聚裝置并入全廠除鹽水系統(tǒng)，常溫除鹽水經(jīng)脫硫塔出口煙氣加熱后，去往6號、7號低低溫省煤器作為鍋爐補水進行二次加熱，最終進入鍋爐給水系統(tǒng)。本技術(shù)多層次利用煙氣潛熱，提高了能源利用率。

3 結(jié)果分析

3.1 除塵效果

飽和煙氣通過相變凝聚裝置冷凝后，細(xì)顆粒、SO3以及重金屬在熱泳力等作用下到達(dá)換熱管，隨著冷凝水一起沿管壁流下，從而達(dá)到對微細(xì)粉塵的脫除效果[8]。

通過對煙氣顆粒物進行采樣檢測，本文選擇2個工況進行實例分析：鍋爐負(fù)荷分別為260 t/h和200 t/h，雙磨運行，除鹽水流量控制在130 t/h，除鹽水進口溫度為20℃，測得數(shù)據(jù)見表3。

表3 粉塵檢測數(shù)據(jù)

由表3可以發(fā)現(xiàn)，2個工況下粉塵脫除效率都處于較高水平，煙氣粉塵濃度均在3 mg/m3以下，滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，對煙氣中SO3含量進行檢測，發(fā)現(xiàn)相變凝聚裝置可以進一步脫除SO3，脫除效率分別為19.29%和18.87%。

3.2 收水

飽和煙氣進入相變凝聚裝置后，通過除鹽水冷凝、換熱，降溫3～5℃，冷凝水析出，流量約3～5 t/h。冷凝水中攜帶粉塵顆粒以及其他重金屬（汞和砷），pH值為1～3，呈酸性。為了研究相變凝聚裝置的除塵效果，對煙氣冷凝水進行取樣，樣品無色無味，無肉眼可見物，樣品pH值為2.92，所含成分具體數(shù)據(jù)見表4。

由表4可以看出，本裝置在節(jié)水的同時，可以脫除多種元素，包括有毒重金屬汞和砷等，進一步提高環(huán)保效率。相變凝聚裝置所收集到的冷凝水通過脫硫地坑重新回到脫硫系統(tǒng)作為系統(tǒng)補水，這也是對水資源的再利用。

表4 冷凝水成分檢測數(shù)據(jù)

在機組負(fù)荷270 t/h、環(huán)境溫度37℃、除鹽水初始溫度24℃、進口煙氣溫度54.5℃的工況下，通過控制除鹽水進口調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進水量，煙氣冷凝水流量隨除鹽水進口流量大小而變化，具體變化曲線見圖4。

圖4 除鹽水流量對冷凝水量以及出口煙氣溫度的影響

從圖4曲線可以看出，隨著除鹽水流量的增加，冷凝水量的增長速率逐漸降低。可以推論：當(dāng)除鹽水流量達(dá)到某個值時，冷凝水量趨于平穩(wěn)。除鹽水流量為160 t/h時，冷凝水流量為4.3 t/h。同樣，隨著除鹽水流量的增加，相變凝聚裝置出口煙氣溫度降低，趨勢漸緩，煙氣整體降溫幅度不大，進口煙氣溫度在54.5℃左右，飽和煙溫降低 2～3℃。

3.3 余熱回收

相變凝聚裝置的主要機制在于冷卻水使煙氣冷凝，從而獲得一系列綜合利用效果。因為冷卻水溫度低、流量大，發(fā)電企業(yè)很難有效利用或處理這部分水源。而熱電企業(yè)補水量大，可利用除鹽水作為冷卻介質(zhì)，有效回收煙氣余熱。

該廠在煙氣余熱利用方面已進行過多次技術(shù)改造，全廠設(shè)有4臺PTFE低低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱除鹽水作為鍋爐補水。此次改造將相變凝聚裝置加熱后的除鹽水作為6號、7號機組低低溫省煤器的進口水源，提升了余熱換熱器效率以及機組熱效率，提高了能源利用率。

在上述相同工況下，調(diào)節(jié)除鹽水流量，測得多組相變凝聚器除鹽水出口溫度，如圖5所示。

圖5 除鹽水流量對出口水溫的影響

當(dāng)進入相變凝聚裝置的除鹽水流量由100 t/h增大至150 t/h時，水溫上升至43.3～46.2℃。隨著鹽水流量的增加，除鹽水溫升為19.3～22.2℃，水溫差值在3℃左右，通過計算可知，回收熱量為 2.5～3.5 MW。

4 效益分析

4.1 環(huán)保效益

相變凝聚裝置在8號機組經(jīng)過安裝、調(diào)試后，已正常運行。該項目不僅符合超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，還達(dá)到了收水、余熱回收等效果，是一種綜合性的高效、多功能煙氣處理方法，所達(dá)到的效果有如下幾點：

（1）安裝相變凝聚裝置后，粉塵排放濃度降到5 mg/m3以下，符合國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，并能有效脫除煙氣中的細(xì)顆粒及有毒重金屬（汞和砷等）。

（2）通過相變凝聚裝置對飽和煙氣進行冷凝收水，回收利用到脫硫系統(tǒng)中，減少了資源浪費。

（3）通過相變凝聚裝置，利用煙氣汽化潛熱加熱除鹽水，加熱后的除鹽水作為低低溫省煤器的進水，最終進入全廠鍋爐給水系統(tǒng)，大大提高了全廠熱效率。

4.2 經(jīng)濟效益

水從蒸汽發(fā)生相變成為液體時，會釋放出大量的熱，被稱為汽化潛熱。本項目實施后，可以有效回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，同時煙氣經(jīng)過相變凝聚器時會有煙氣冷凝水，設(shè)備設(shè)有收水裝置，可將冷凝水回收。按一年運行7 000 h計算，預(yù)期收益見表5。

表5 項目收益

（1）直接效益：150 t/h除鹽水溫度升高30℃，年回收熱量為60 480 GJ，節(jié)約標(biāo)煤2 064 t，以標(biāo)煤價500元/t計，年創(chuàng)經(jīng)濟效益約103.2萬元。

（2）間接效益：減少脫硫用水，年節(jié)約工業(yè)用水 17 220 t。

（3）增加的電耗：經(jīng)計算，煙氣阻力增加300 Pa，引風(fēng)機功率需增加85 kW，用電597 MWh，折算成標(biāo)煤約191 t；水泵用電約增加年消耗標(biāo)煤67 t。

直接經(jīng)濟效益加上間接經(jīng)濟效益，扣除增加的消耗，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益110萬元。

綜上所述，相變凝聚裝置可以使熱電廠的能源利用率得到提高，節(jié)能效果較好，投資回收期不超過5年。

5 技術(shù)探討

相變凝聚裝置在8號機組運行投產(chǎn)以來，存在以下問題需進一步研究處理：

（1）本次改造時，電袋除塵器布袋全部更換，除塵效果較好，出口粉塵含量較低，隨著電袋除塵器使用周期變長，電袋除塵效率降低，需進一步觀察相變凝聚裝置的使用情況。

（2）不同季節(jié)除鹽水溫度有差異，為保證裝置平穩(wěn)運行，將適時調(diào)整系統(tǒng)進水流量，并觀察其對相變凝聚效率是否有影響。

6 結(jié)語

（1）將相變凝聚裝置應(yīng)用在熱電廠余熱系統(tǒng)中，不但解決了粉塵超低排放的問題，同時達(dá)到了煙氣收水、余熱回收、重金屬污染物的脫除等多重效果，既實現(xiàn)了環(huán)保提升，又達(dá)到了節(jié)能減排、余熱利用等效果。

（2）巨化熱電廠使用相變凝聚裝置，全年收益110萬元，預(yù)計5年內(nèi)收回節(jié)能改造投資。

（3）采用PTFE作為換熱管材，利用其耐腐蝕、效率高等特點，降低了維護成本，提高了機組安全性及經(jīng)濟性。

（4）巨化熱電廠8號機組相變凝聚裝置的投用，不僅打開了熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)節(jié)能環(huán)保一體化改造的新道路，同時也打破了傳統(tǒng)的設(shè)計思路，為今后的節(jié)能環(huán)保工作提供了新方向。