濕法脫硫煙氣冷凝水處理與利用試驗研究

李 健

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

火電廠是水資源消耗大戶，全國燃煤電廠水資源消耗量約占工業(yè)用水量的30%～40%。2012年，國家修訂了取水定額標準，將火力發(fā)電取水定額在2002年的基礎(chǔ)上下調(diào)30%以上[1]，2015年4月國務(wù)院正式發(fā)布的《水污染防治行動計劃》，要求火電行業(yè)促進再生水利用、控制用水總量、提高用水效益。與此同時，我國很多燃煤機組處于極度缺水地區(qū)，節(jié)水需求迫切，經(jīng)濟有效的節(jié)水降耗措施對我國節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

我國絕大多數(shù)燃煤電廠采用濕法脫硫工藝， 在脫硫過程中會有大量水分蒸發(fā)。經(jīng)過濕法脫硫后，煙氣中水蒸氣體積分數(shù)由約6%上升至11%左右。鍋爐排煙中的水蒸氣及低溫余熱是燃煤電廠水資源和能量消耗的重要組成部分，對于百萬燃煤機組來說，脫硫后煙氣攜帶的水分超過300 t/h。脫硫后煙氣顯熱的比例由63%降至25%，而水蒸氣潛熱的比例由37%升高至75%[2]。目前，利用冷凝法回收濕煙氣水分已在國內(nèi)數(shù)個機組成功運行，冷凝法回收的水分通常都直接回到脫硫系統(tǒng)中，而國內(nèi)燃煤電廠普遍安裝有煙氣余熱回收裝置，脫硫塔蒸發(fā)量大幅減少，所有冷凝水直接進入脫硫系統(tǒng)會破壞脫硫系統(tǒng)水平衡，造成漿液溢出、除霧器沖洗不足等問題。因此，研究如何有效處理與利用濕法脫硫煙氣冷凝水是非常必要的。

近年來，利用冷凝法回收燃煤電廠煙氣中水蒸氣的研究逐步增加。國內(nèi)已有不少學(xué)者針對濕法脫硫煙氣的冷凝換熱做了大量研究并取得了一定的研究成果：雷承勇等[3]模擬褐煤鍋爐排煙，進行了煙氣水分冷凝回收技術(shù)的實驗室研究；熊英瑩等[4]在某 600 MW燃煤機組濕法脫硫后煙道中加裝改性氟塑料換熱器，采用冷凝法實現(xiàn)高水分煙氣的深度凝結(jié)。但是國內(nèi)研究方向主要集中在傳熱分析與熱量回收、污染物收集及抗腐蝕材料方面，對收集到的冷凝水如何處理和利用的研究還比較少。

1 試驗系統(tǒng)

筆者在某600 MW亞臨界機組中進行了試驗研究，試驗系統(tǒng)見圖1。該系統(tǒng)安裝于濕法脫硫塔后，在脫硫塔出口水平煙道開孔抽取部分煙氣，依次通過煙氣冷凝換熱器、煙道除霧器，對濕煙氣進行冷凝并將凝結(jié)水收集到水箱中，再經(jīng)過煙氣加熱器加熱，利用抽風(fēng)機將煙氣從臨時煙囪排出。為解決低溫腐蝕問題，換熱元件采用TA2鈦管。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

該試驗系統(tǒng)設(shè)計煙氣體積流量為50 000 m3/h，設(shè)計流速為5.6 m/s。煙氣冷凝換熱器為管式換熱器，使用循環(huán)冷卻水作為冷源，將脫硫塔后濕煙氣從50 ℃冷卻至40 ℃，安裝煙道除霧器提高冷凝水收集率，收集冷凝水質(zhì)量流量約為2 t/h。冷凝水收集管路上安裝取樣口，可使用濁度儀連續(xù)側(cè)監(jiān)測濁度(溶液對光線通過時所產(chǎn)生的阻礙程度)。煙道除霧器進出口安裝有差壓變送器，用于監(jiān)測除霧器阻塞情況。煙道除霧器內(nèi)安裝有沖洗系統(tǒng)，防止除霧器結(jié)垢堵塞。采用蒸汽熱源，使用管式煙氣加熱器將煙氣加熱至55 ℃，消除白煙后，由抽風(fēng)機將煙氣從臨時煙囪排放至大氣中。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

為了有效處理和利用收集到的冷凝水，使用濁度儀連續(xù)檢測冷凝水的濁度，將煙氣冷卻5～10 K時，冷凝水的濁度始終<1 NTU(濁度單位)。冷凝水的濁度滿足工業(yè)水和循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求。通過取樣口對收集的冷凝水取樣進行水質(zhì)分析，結(jié)果見表1。

表1 冷凝水水質(zhì)分析

3 試驗方案

試驗方案一：使用收集的冷凝水作為試驗系統(tǒng)中除霧器的沖洗水。沖洗頻率為8 h一次，連續(xù)使用1個月后，未出現(xiàn)煙道除霧器阻塞現(xiàn)象。該機組除霧器外部沖洗水管路和沖洗水泵均為碳鋼材質(zhì)，采用工業(yè)水沖洗。由于冷凝水pH較低，若使用煙氣冷凝水作為脫硫除霧器沖洗水源，須更換外部原沖洗水管路和沖洗水泵材質(zhì)。原沖洗水管路可采用襯塑管，沖洗水泵過流部件可采用2205雙相不銹鋼或襯氟處理。

試驗方案二：使用收集的冷凝水作為工業(yè)水補水。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，在收集的冷凝水中添加NaOH溶液，將pH控制在8.5～9.5，然后補充至工業(yè)水中。連續(xù)運行兩周后，工業(yè)水系統(tǒng)運行正常，工業(yè)水水質(zhì)無明顯變化。

試驗方案三：使用收集的冷凝水作為冷卻塔補水，同時代替硫酸降低循環(huán)冷卻水pH。由于排污總量限制，該機組將循環(huán)冷卻水循環(huán)倍率提高至8倍左右，此時水質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 循環(huán)冷卻水水質(zhì)參數(shù)

由表2可以看出：循環(huán)冷卻水中Ca2+、Mg2+含量較高，為減緩機組凝汽器結(jié)垢，在循環(huán)冷卻水中添加阻垢劑，并使用濃硫酸將循環(huán)冷卻水pH降低至8，濃硫酸(質(zhì)量分數(shù)為98%)用量為15 L/h。

4 應(yīng)用實例

某1 000 MW直冷燃煤機組安裝煙氣冷凝系統(tǒng)后，年平均冷凝水收集量為93.6 m3/h，冬季冷凝水收集量最高可達110 m3/h，脫硫系統(tǒng)無法全部消耗。通過添加NaOH溶液，將部分冷凝水pH提高至9左右，然后作為工業(yè)水補水。運行1年后，工業(yè)水系統(tǒng)未發(fā)生腐蝕、結(jié)垢等問題，改造效果良好。

某300 MW燃煤機組原采用濕式冷卻塔，循環(huán)冷卻水pH較高；安裝煙氣冷凝系統(tǒng)后，將部分煙氣冷凝水直接作為循環(huán)冷卻塔補水，降低循環(huán)冷卻水pH。投入運行后，循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定，pH控制在8左右，運行情況良好。

5 結(jié)語

通過試驗結(jié)果及電廠應(yīng)用情況可知，當濕法脫硫后煙氣冷卻5～10 K時，冷凝法收集的煙氣冷凝水顯酸性且濁度較低，利用途徑較多：

(1) 能夠直接作為除霧器沖洗用水，但是須要考慮原沖洗管路和沖洗水泵腐蝕問題。

(2) 經(jīng)過加NaOH溶液處理滿足pH要求后，能夠作為工業(yè)水補水。

(3) 循環(huán)冷卻水在pH較高的情況下，能夠作為冷卻塔補水，同時代替濃硫酸降低循環(huán)冷卻水pH。