百萬千瓦級(jí)燃煤機(jī)組煙氣脫白技術(shù)研究

陸駿超，陶雷行，岳春妹，陳 睿，劉志超，王妍艷

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090)

我國(guó)多數(shù)燃煤發(fā)電廠采用濕法脫硫，且未安裝GGH，導(dǎo)致排煙溫度在50℃左右，此時(shí)的煙氣為飽和濕煙氣，含有大量水蒸汽。如果煙氣由煙囪直接排出進(jìn)入溫度較低的環(huán)境空氣中，由于環(huán)境空氣的飽和濕度比較低，在煙氣溫度降低過程中，煙氣中的水蒸汽會(huì)凝結(jié)形成濕煙羽(又稱有色煙羽)，加上由于除霧器效果不佳從吸收塔中攜帶出的石膏細(xì)顆粒，俗稱“石膏雨”。石膏雨會(huì)在電廠周圍一定范圍內(nèi)沉降，對(duì)環(huán)境造成影響。

2014年國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家環(huán)保部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)文“關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的通知”中要求，穩(wěn)步推進(jìn)東部地區(qū)現(xiàn)役30萬千瓦及以上公用燃煤發(fā)電機(jī)組和有條件的30萬千瓦以下公用燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值的環(huán)保改造。各電廠脫硫系統(tǒng)出口除霧器均進(jìn)行高效擴(kuò)容改造，很多改成三級(jí)屋脊式除霧器，保證出口霧滴濃度<20 mg/m3(原脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)除霧器出口霧滴濃度一般為75 mg/m3，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)實(shí)際濃度可能超過100 mg/m3)，大幅降低“石膏雨”影響。然而濕煙羽造成的視覺污染仍在，且煙氣中仍含有一定量的溶解性鹽等，進(jìn)入環(huán)境空氣后形成可凝結(jié)顆粒物，造成對(duì)環(huán)境的二次污染，消除濕煙羽的工作勢(shì)在必行。

上海地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/963—2016《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中提出，燃煤發(fā)電鍋爐應(yīng)采取煙溫控制及其他有效措施消除消除石膏雨、有色煙羽等現(xiàn)象。上海市環(huán)保局于2017年出臺(tái)上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求，對(duì)采用煙氣加熱技術(shù)的燃煤電廠嚴(yán)格控制其排放煙溫。其他省市如天津市、河北省、江西省、山西省等紛紛推出地方標(biāo)準(zhǔn)或行動(dòng)計(jì)劃，進(jìn)行燃煤電廠濕煙羽深度治理，完成煙氣脫白工作。

1 煙氣脫白技術(shù)介紹

燃煤電廠煙囪排出的飽和濕煙氣與環(huán)境冷空氣混合，在降溫過程中，所含的水蒸氣飽和凝結(jié)，凝結(jié)水霧滴對(duì)光線產(chǎn)生折射、散射，使煙羽呈現(xiàn)出白色或者灰色，被稱為“濕煙羽”，俗稱“大白煙”，煙氣脫白就是指去除大白煙。大白煙的源頭是水分，煙氣中飽和水蒸氣是吸熱產(chǎn)生的，含有大量潛熱，因此，煙氣脫白的關(guān)鍵就是排放煙氣的溫度、濕度控制。

圖1中的曲線為濕空氣的飽和曲線，假設(shè)濕煙氣在煙囪出口處的狀態(tài)位于A點(diǎn)，而環(huán)境空氣的狀態(tài)位于F點(diǎn)，煙氣在離開煙囪時(shí)處于未飽和狀態(tài)。濕煙氣與環(huán)境空氣混合過程開始沿AB線變化，達(dá)到B點(diǎn)后煙氣變?yōu)轱柡蜐駸煔猓撕鬂窨諝馀c環(huán)境空氣的混合沿著曲線BDE變化，而多余的游離水蒸汽將凝結(jié)成液態(tài)小水滴，形成濕煙羽。

圖1 濕煙羽形成機(jī)理圖

圖2 煙氣冷凝技術(shù)機(jī)理圖

根據(jù)濕煙羽形成及消散的機(jī)理，可將現(xiàn)有的對(duì)濕煙羽有治理效果的技術(shù)歸納為煙氣冷凝技術(shù)(見圖2)、煙氣加熱技術(shù)(見圖3)、煙氣冷凝再熱技術(shù)(見圖4)。

圖3 煙氣加熱技術(shù)機(jī)理圖

圖4 煙氣冷凝再熱技術(shù)機(jī)理圖

從圖2～圖4不難發(fā)現(xiàn)，不管使用哪種技術(shù)，其本質(zhì)是保證濕煙氣進(jìn)入環(huán)境空氣降溫直到完全融入環(huán)境的過程中(圖中A點(diǎn)到C點(diǎn))與飽和濕度曲線不相交，暨濕煙氣始終處于未飽和狀態(tài)，不產(chǎn)生濕煙羽。

以下結(jié)合工程實(shí)例，以最有代表性的百萬千瓦級(jí)機(jī)組為例，對(duì)比不同煙氣脫白技術(shù)的效果和經(jīng)濟(jì)性。

2 煙氣冷凝技術(shù)

煙氣冷凝技術(shù)對(duì)脫硫出口的濕飽和煙氣進(jìn)行冷卻，使得煙氣沿著飽和濕度曲線降溫，在降溫過程中煙氣含濕量大幅下降，冷卻至接近環(huán)境溫度時(shí)排放。煙氣冷凝技術(shù)的核心為合適的冷源，一般的冷源主要為水冷、空冷和其他人工冷源。要將濕煙氣直接冷卻至接近環(huán)境空氣狀態(tài)難度不小，水冷和空冷方式受制于環(huán)境氣候，冬季和夏季效果差異很大；人工冷源方式能夠保證效果，但能耗較高，經(jīng)濟(jì)型差，因此煙氣直接冷凝技術(shù)很少應(yīng)用于燃煤電廠。

3 煙氣加熱技術(shù)

3.1 常規(guī)煙氣加熱技術(shù)

提到尾部煙氣加熱技術(shù)，使用最普遍的無疑是回轉(zhuǎn)式RGGH，回轉(zhuǎn)式RGGH換熱效率高，但容易出現(xiàn)堵塞和泄漏的情況，在目前燃煤電廠超低排放的背景下，些許的原煙氣泄漏都會(huì)造成煙囪排放口污染物濃度超標(biāo)。

3.2 無泄漏式煙氣換熱器

無泄漏式煙氣換熱器(MGGH)常用于尾部煙氣余熱利用，一般將空預(yù)器出口煙氣余熱加熱鍋爐凝結(jié)水以提升鍋爐效率，在近幾年被廣泛應(yīng)用于煙氣脫白，由于換熱過程中煙氣不直接發(fā)生接觸，不存在原煙氣泄漏問題。MGGH的換熱形式為煙氣—水換熱器(系統(tǒng)示意見圖5)，通過熱媒介質(zhì)將鍋爐原煙氣熱量傳遞給脫硫吸收塔出口的低溫?zé)煔猓簾煔饫鋮s器利用鍋爐空預(yù)器出口的煙氣加熱熱媒介質(zhì)；煙氣加熱器利用熱媒介質(zhì)加熱脫硫吸收塔出口的低溫?zé)煔?。熱媒介質(zhì)采用除鹽水，閉式循環(huán)，增壓泵驅(qū)動(dòng)，熱媒輔助加熱系統(tǒng)采用輔助蒸汽加熱。

圖5 MGGH系統(tǒng)示意圖

3.3 工程實(shí)例

A廠裝機(jī)容量2×1 000 MW，在超低排放改造過程中采用MGGH技術(shù)。根據(jù)技術(shù)規(guī)范，在100%THA工況下，熱媒水經(jīng)循環(huán)泵后依次進(jìn)入煙氣冷卻器，將煙氣溫度降低至90℃左右，之后進(jìn)入煙氣加熱器，將脫硫出口的濕煙氣從50℃提升至80℃后由煙囪排放。該技術(shù)能保證電廠春夏秋三季無濕煙羽排放，冬季則無法避免，根據(jù)理論計(jì)算如要在冬季消除濕煙羽，采用直接加熱方式需將煙溫提升至160℃以上，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)是不可行的。

冬季或低負(fù)荷工況時(shí)，煙氣冷卻器入口煙溫偏低，換熱量不夠?qū)е聼煔饧訜崞鞒隹跓煔鉁囟冗_(dá)不到保證值，此時(shí)啟動(dòng)輔助蒸汽加熱器，確保煙氣在80℃(冬季或重污染預(yù)警時(shí)78℃以上)進(jìn)行排放，以滿足環(huán)?？己艘?。

MGGH系統(tǒng)較為復(fù)雜，有獨(dú)立的煙氣冷卻器(根據(jù)除塵器的個(gè)數(shù)確定，百萬千瓦級(jí)機(jī)組一般為6臺(tái))、煙氣加熱器和熱媒水循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)阻力大，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示：煙氣冷卻器系統(tǒng)阻力為500 Pa，煙氣加熱器系統(tǒng)阻力為900 Pa，系統(tǒng)阻力提升接近1 500 Pa，加上熱媒水循環(huán)泵的功耗、蒸汽吹掃裝置和輔助蒸汽的使用，煤耗保守估計(jì)增加2 g以上。

4 煙氣冷凝再熱技術(shù)

4.1 技術(shù)原理

從目前燃煤電廠的實(shí)際情況來看，單純的煙氣加熱和冷凝方式都有各自的局限。加熱技術(shù)在犧牲一部分煤耗之后能達(dá)到消除白煙的效果，而冷凝技術(shù)受到冷源，也就是環(huán)境空氣、冷卻水溫度的限制，基本不可能將煙氣冷卻至接近環(huán)境溫度再進(jìn)行排放。

結(jié)合煙氣加熱和冷凝技術(shù)的特點(diǎn)，采用將煙氣先冷凝再加熱的方法，則可擴(kuò)大系統(tǒng)濕煙羽消除對(duì)環(huán)境溫濕度的適應(yīng)范圍。通過將原煙氣冷卻降溫，降低了煙氣中絕對(duì)含濕量，再經(jīng)加熱后，使煙氣在向大氣擴(kuò)散和降溫的過程中不達(dá)到飽和濕煙氣的狀態(tài)，不出現(xiàn)水汽的凝結(jié)，從而達(dá)到消除濕煙羽的效果。

表1 MGGH直接加熱法與冷凝再熱法溫度理論計(jì)算表

從表1中可以看出，以春秋季(環(huán)境溫度15℃)工況、凈煙氣溫度50℃為例，MGGH加熱法理論加熱溫度為75.4℃，溫升為25.4℃；而冷凝再熱法在將煙氣溫度降低5℃之后只需提升至58.9℃即可達(dá)到消除濕煙羽的效果，溫升為13.9℃，其對(duì)于能量的消耗較少，對(duì)熱源的要求較低。

圖6為煙氣冷凝再熱法系統(tǒng)示意圖。

圖6 煙氣冷凝再熱系統(tǒng)示意圖

4.2 工程實(shí)例

B廠裝機(jī)容量2×1 000 MW，使用煙氣冷凝再熱技術(shù)進(jìn)行煙氣脫白，采用高導(dǎo)熱性耐腐蝕管式換熱器，換熱器材料選用氟塑料，直流冷卻水(從冷卻水母管中抽出一路單獨(dú)增壓)作為冷源。脫硫系統(tǒng)出口的濕煙氣進(jìn)入煙氣冷卻器進(jìn)行冷卻降溫至45℃左右(春秋季設(shè)計(jì)工況)，經(jīng)過一級(jí)除霧器之后進(jìn)入煙氣加熱器，加熱到60℃左右后由煙囪排放，加熱方式采用凝結(jié)水進(jìn)行換熱。

直流冷卻水取自長(zhǎng)江，水溫受季節(jié)影響變化很大，直接導(dǎo)致煙氣冷卻器冬夏季節(jié)冷凝效果的差異。春秋季節(jié)運(yùn)行煙氣溫降為4～5℃，夏季高溫季節(jié)為2～3℃，冬季極端氣溫條件下煙氣溫降可達(dá)到6～7℃。

當(dāng)春秋季環(huán)境溫度較高時(shí)濕煙羽基本不可見，這是由于冷凝后的煙氣中含濕量顯著下降，經(jīng)過小幅度升溫后，可使煙氣在向大氣擴(kuò)散和降溫的過程中處于不飽和濕煙氣的狀態(tài)，不出現(xiàn)水汽的凝結(jié)，從而達(dá)到消除濕煙羽的效果；夏季由于環(huán)境溫度較高，煙氣冷凝后基本不用加熱或者只需要加熱較低溫度便可消除濕煙羽；冬季目前無法避免，除非消耗大量能源將煙溫從45℃提高到100℃以上，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)是不可行的。

煙氣冷卻器中煙氣降溫后產(chǎn)生的冷凝水收集至貯水箱，水量很大，單臺(tái)機(jī)組在冬季工況、滿負(fù)荷情況下冷凝水量可達(dá)80～90 m3/h。冷凝水外觀清澈，呈酸性，離子濃度較低，水質(zhì)比工業(yè)水更好，適合回用。貯水箱中的冷凝水經(jīng)過沉淀溢流入清水箱，一部分由清水泵送入脫硫吸收區(qū)工藝水箱，用于脫硫吸收塔除霧器沖洗使用；另一部分經(jīng)過pH調(diào)節(jié)等簡(jiǎn)單處理后回用至煤場(chǎng)水沖洗系統(tǒng)。

煙氣冷凝再熱技術(shù)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，布局緊湊，占地面積小，整個(gè)系統(tǒng)阻力較低，冷卻器+加熱器的總阻力約為400 Pa，另有單獨(dú)設(shè)立的開式循環(huán)增壓水泵、換熱裝置在線清洗裝置和冷凝水回用系統(tǒng)等，煤耗增加在1～2 g。

5 技術(shù)分析

MGGH技術(shù)和煙氣冷凝再熱技術(shù)目前都已成功應(yīng)用于百萬千瓦級(jí)機(jī)組，并連續(xù)運(yùn)行兩年以上，能夠在一年中絕大部分時(shí)間(除冬季外)有效解決燃煤電廠濕煙羽問題。

5.1 MGGH技術(shù)特點(diǎn)分析

MGGH利用空預(yù)器出口煙氣溫度加熱脫硫出口低溫?zé)煔猓疹A(yù)器出口煙氣經(jīng)過煙氣冷卻器后煙溫由130℃左右降至90℃左右，形成低低溫靜電除塵器，減小除塵器入口煙氣量，降低煙塵比電阻，提升除塵效率，對(duì)煙囪出口煙氣低濃度顆粒物排放起到保障作用。溫度降低后煙氣中的SO3可很好地與煙氣中的水分融合成小液滴，經(jīng)高質(zhì)量濃度的粉塵顆粒包裹吸附后很容易被除塵器捕捉，從而解決下游設(shè)備的腐蝕難題。

從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況來看，由于長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷不高，煙氣冷卻器入口溫度低導(dǎo)致?lián)Q熱量不足，經(jīng)常需要投入輔助蒸汽來保證煙氣的溫度以達(dá)到消除濕煙羽的效果。空預(yù)器出口煙氣余熱既沒有回用至鍋爐系統(tǒng)，也無法保證尾部煙氣的溫度，經(jīng)濟(jì)性較差，可以考慮將煙氣冷卻器分級(jí)使用，暨將一部分余熱傳遞給尾部煙氣保證一定的溫升，另一部分余熱傳遞給凝結(jié)水或者二次風(fēng)來提高鍋爐效率，尾部煙氣溫度不足的部分由輔助蒸汽補(bǔ)充，由于輔助蒸汽的能量品味遠(yuǎn)高于熱媒水，能夠保證對(duì)尾部煙氣的加熱效果，具體方案還需要通過測(cè)算來驗(yàn)證其可行性。

MGGH技術(shù)能夠有效消除濕煙羽并且避免原煙氣的泄漏，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，初期投資耗費(fèi)大，系統(tǒng)阻力大能耗較高，今后還需進(jìn)一步優(yōu)化提升效率。

5.2 煙氣冷凝再熱技術(shù)特點(diǎn)分析

煙氣冷凝再熱技術(shù)結(jié)合了煙氣冷凝技術(shù)和煙氣加熱技術(shù)的特點(diǎn)，通過合適的冷源降溫降低了煙氣的絕對(duì)含濕量，之后由熱源進(jìn)行小幅度的升溫即可消除濕煙羽。由于對(duì)熱源品味要求不高，理論上采用少量機(jī)組熱風(fēng)直接混合(需考慮對(duì)污染物排放濃度的影響)、蒸汽直接混合或其他換熱方式等，均能達(dá)到煙氣脫白的效果。

由于煙氣冷卻器布置在脫硫系統(tǒng)出口，與原煙氣無交集，因此能夠通過在除塵系統(tǒng)或脫硫系統(tǒng)前設(shè)置低溫省煤器，將煙氣余熱利用至凝結(jié)水系統(tǒng)，提高鍋爐效率。

煙氣冷凝再熱技術(shù)的應(yīng)用在消除濕煙羽的同時(shí)也能夠收集大量冷凝水回用，降低電廠自身水耗，對(duì)我國(guó)北方地區(qū)缺水但冷源充沛的特點(diǎn)有著借鑒作用，同時(shí)對(duì)我國(guó)“水十條”政策中要求火電行業(yè)促進(jìn)再生水利用、控制用水總量、提高用水效益有著積極的作用。

煙氣冷卻過程中產(chǎn)生的冷凝水pH在2左右，呈強(qiáng)酸性，因此對(duì)系統(tǒng)的防腐性能提出很高的要求，目前煙氣冷卻器中換熱材料主要使用氟塑料或鈦合金。其中氟塑料作為一種高分子材料，因其特殊的分子結(jié)構(gòu)而具有特別的物化特性：強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、高熱阻、低摩擦系數(shù)和良好的表面不黏性。前文提到的B廠煙氣冷卻器(采用氟塑料作為換熱材料)投運(yùn)時(shí)間接近兩年，未出現(xiàn)損壞泄漏等問題，體現(xiàn)了氟塑料的可靠性。

6 結(jié)語

相比MGGH技術(shù)，煙氣冷凝再熱技術(shù)能夠以更低的能耗代價(jià)達(dá)到消除濕煙羽的目的，同時(shí)達(dá)到節(jié)能、節(jié)水的附屬效果，從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保節(jié)能方面相比有一定的優(yōu)勢(shì)。目前煙氣除濕技術(shù)還有煙氣冷凝-熱泵回收工藝、漿液冷凝工藝、復(fù)合膜法水分回收、溶液吸收法等，迫于系統(tǒng)復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)性或者其他因素?zé)o法應(yīng)用于大型工程。

近年來國(guó)家對(duì)環(huán)境空氣整治日趨嚴(yán)格，對(duì)霧霾的治理更是不遺余力，有專家指出火電廠濕煙氣排放也是造成霧霾的原因。國(guó)家級(jí)的火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)還未對(duì)濕煙羽治理進(jìn)行強(qiáng)制要求，但各個(gè)省市都紛紛出臺(tái)地方標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)定，我國(guó)東部沿海一帶已完成或正在進(jìn)行濕煙羽消除技術(shù)改造，內(nèi)地也將逐步展開相應(yīng)工作。

從技術(shù)上講，煙氣直接加熱和冷凝再熱技術(shù)能夠成功運(yùn)用于百萬千瓦級(jí)機(jī)組標(biāo)志著所有等級(jí)火電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣脫白。在解決煙氣濕煙羽問題的前提下，如何拋棄傳統(tǒng)高能耗技術(shù)，尋求更為簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)的方式，例如回收煙氣中的水分和余熱，節(jié)水節(jié)能，進(jìn)一步提髙燃煤效率，能兼顧解決環(huán)境與發(fā)展的矛盾，這將是今后不斷持續(xù)進(jìn)步的方向。