煙氣回收水水質(zhì)水量特點(diǎn)及回收水利用途徑分析

馬雙忱，龔春琴，辜濤，孫堯，何川，曲保忠，劉暢

（1.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，河北保定071003；2.阜陽(yáng)華潤(rùn)電力有限公司，安徽阜陽(yáng)236000）

0 引言

燃煤發(fā)電作為中國(guó)主要的發(fā)電形式，其用水問(wèn)題對(duì)燃煤發(fā)電廠的效益有極大影響。隨著國(guó)家“十三五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃制定了越來(lái)越嚴(yán)格的用水取水指標(biāo)，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)火電行業(yè)向環(huán)境取水會(huì)進(jìn)一步受到約束。若有效回收煙氣中水分，對(duì)缺水的北方地區(qū)，能減少對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的用量，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)也是一種保護(hù)；從環(huán)保角度，煙囪帶出的水汽為酸性水，如果這種煙氣降落周邊地區(qū)，會(huì)對(duì)周邊地區(qū)產(chǎn)生酸化，造成酸雨，并可導(dǎo)致土地產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象；從“超低排放”考慮，相關(guān)試驗(yàn)研究表明，冷凝法回收煙氣中水分后，能降低排煙中超細(xì)顆粒物，進(jìn)一步改善周邊大氣環(huán)境。

1 濕煙氣水分來(lái)源及其影響

1.1 煙氣中水分

經(jīng)過(guò)濕法脫硫系統(tǒng)（WFGD）后，濕煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)由6%～8%上升至11%～13%，水蒸氣潛熱顯著增加，出口煙氣中每千克干煙氣含濕量80～100 g，此時(shí)為飽和甚至過(guò)飽和煙氣［1］。

高濕煙氣中濕分組成如圖1 所示，由圖1 可知，高濕煙氣中的水分來(lái)自2 部分：主要來(lái)自濕法脫硫［2-3］，其次來(lái)自燃燒使用含水分較高的褐煤和煙煤［4-5］。

圖1 高濕煙氣中濕分組成Fig.1 Composition of moisture in high humidity flue gas

文獻(xiàn)［3］基于600 MW 機(jī)組的脫硫系統(tǒng)，建立工藝水用途和消耗水平衡，研究發(fā)現(xiàn)在機(jī)組滿負(fù)荷下，吸收塔內(nèi)煙氣可帶走水耗高達(dá)125 m3∕h。當(dāng)前全國(guó)燃煤電廠中有90%的電廠采用濕法脫硫工藝，且我國(guó)用于火力發(fā)電的煤種主要是含高水分的褐煤和煙煤，這為回收煙氣中的水分提供了重要的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1.2 濕煙氣對(duì)環(huán)境影響

濕法脫硫洗后煙氣含有大量飽和水蒸氣，煙氣中的水蒸氣遇到冷空氣會(huì)迅速凝結(jié)成微小的液滴，從而形成煙囪冒“白煙”現(xiàn)象，對(duì)電廠的社會(huì)形象產(chǎn)生不利影響［6］。水蒸氣對(duì)環(huán)境的影響是多方面的，首先水蒸氣作為主要的溫室氣體之一，高濕煙氣排放致使低層大氣濕度增加，造成低空大氣污染物不易擴(kuò)散，甚至影響局部氣候；高濕煙氣排放還促進(jìn)大氣污染物二次轉(zhuǎn)化，加速氣溶膠微粒吸濕增長(zhǎng)，改變氣溶膠光學(xué)特性，影響大氣能見(jiàn)度和地面溫度；對(duì)電廠而言，高濕煙氣排放會(huì)造成電廠水耗增加，帶走大量汽化潛熱，不利于節(jié)水和余熱回用；而且高濕煙氣中攜帶的酸性氣體引發(fā)鍋爐尾部煙道低溫腐蝕，危害設(shè)備壽命；濕法脫硫后高濕煙氣產(chǎn)生“石膏雨”和納微米顆粒物［7-8］，危及電廠周邊環(huán)境并形成霧霾的凝結(jié)核。因此，深入認(rèn)識(shí)水蒸氣對(duì)環(huán)境的影響，是堅(jiān)決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的關(guān)鍵之一。

2 煙氣回收水水質(zhì)分析

氣體除濕技術(shù)主要有低溫冷凝、液態(tài)吸收∕吸附和膜分離等。低溫冷凝技術(shù)主要通過(guò)換熱器對(duì)煙氣冷凝，來(lái)達(dá)到節(jié)水、節(jié)能目的，但回收水水質(zhì)差。液態(tài)吸收通過(guò)吸收劑來(lái)吸收煙氣中水分，但吸收劑再生、吸收溶液隨煙氣帶出問(wèn)題和裝置占地面積大等問(wèn)題是限制其發(fā)展的主要因素。膜法分離水蒸氣技術(shù)，回收水質(zhì)好，無(wú)污染物排放，但處理量小，高濕煙氣中殘留石膏顆粒導(dǎo)致膜表面結(jié)垢是該技術(shù)的一個(gè)障礙。

2.1 冷凝法回收水的水質(zhì)分析

用換熱器冷卻回收煙氣中冷凝水是當(dāng)前燃煤機(jī)組煙氣水回收技術(shù)中應(yīng)用較多的工藝。冷凝法水回收技術(shù)，回收水量與煙氣溫度密切相關(guān)，煙氣溫度差越大，水回收量越大。以300 MW 機(jī)組為例，凈煙氣降溫5 ℃，可回收冷凝水30～40 t。煙氣回收水水質(zhì)主要受冷卻水溫度、冷卻水流量、煙氣流量、換熱器材質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)及煙氣溫度等影響。不同的電廠，冷凝法煙氣回收水水質(zhì)差異較大。冷凝法煙氣回收水水質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中COD 為化學(xué)需氧量。

表1 冷凝法煙氣回收水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Quality indicators for condensed flue gas recovery water

總結(jié)采用冷凝法煙氣回收水水質(zhì)主要有以下特點(diǎn)。

（1）冷凝水pH 值低（呈較強(qiáng)酸性）。因煙氣中存在HF，SO2，SO3，HCl，HNO3等酸性污染物物質(zhì)，回收水中由于溶入SO3和HCl 強(qiáng)酸性物質(zhì)，致煙氣冷凝水pH值呈酸性，加劇設(shè)備腐蝕。

（2）鐵離子質(zhì)量濃度差異大，濕法脫硫后煙氣具有一定腐蝕性，使用不同的冷凝器材質(zhì)（金屬或氟塑料），回收水中鐵離子質(zhì)量濃度不同。

2.2 膜法回收水的水質(zhì)分析

膜法分離的基本原理是根據(jù)混合氣體各組分在壓力的推動(dòng)下透過(guò)膜的傳遞速率不同，而使各組分分離。對(duì)不同類(lèi)型膜，煙氣通過(guò)膜的傳遞方式不同，因而分離機(jī)理也各異［12］。不少研究學(xué)者聚焦研究陶瓷膜［13-16］、親水聚合膜［17］、疏水聚合膜［18-21］等膜材料，研究其回收水水質(zhì)特點(diǎn)。各學(xué)者研究結(jié)果表明，納米多孔陶瓷膜、中空纖維膜等，能抑制諸如CO2，O2，NOx和SO2等污染物通過(guò)膜，回收水的水質(zhì)較好，滿足鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)要求。

膜分離煙氣水回收技術(shù)，由于膜材料不同，煙氣回收水水質(zhì)略有不同，已有文獻(xiàn)顯示在相同運(yùn)行參數(shù)和工況下，采用納米陶瓷膜的煙氣回收水水質(zhì)比中空纖維膜更好，膜法回收煙氣冷凝水經(jīng)簡(jiǎn)單處理可以直接用于電廠補(bǔ)水工藝系統(tǒng)。

2.3 液體吸收法回收水水質(zhì)分析

液態(tài)吸收法原理濕蒸汽壓差驅(qū)動(dòng)水蒸氣在溶液與煙氣之間的遷移，同時(shí)完成汽化潛熱的釋放和吸收［1］，吸收法脫水的關(guān)鍵是脫水溶劑性能，脫水溶劑性能需要具有熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低和可再生性強(qiáng)等特點(diǎn)。液態(tài)吸收法水回收技術(shù)包含2 部分：除濕與再生。常作為除濕吸收劑的有氯化鋰、溴化鈣、溴化鋰［22-23］、三甘醇、氯化鈣［24-25］等物質(zhì)的水溶液。因甘醇類(lèi)化合物中的羥基易與水形成氫鍵，尤其是三甘醇易實(shí)現(xiàn)再生，已廣泛用于燃?xì)鈾C(jī)組的脫水過(guò)程［26-27］。

文獻(xiàn)［28］基于中試規(guī)模，進(jìn)行液體吸收劑可行性試驗(yàn)，其煙氣回收水水質(zhì)與典型發(fā)電廠反滲透（RO）系統(tǒng)凈化后的出水相比，除了CaCO3值略高以外，其他物質(zhì)質(zhì)量濃度均低于RO出水。

采用液體吸收法回收煙氣濕分，回收系統(tǒng)回收的潛熱和水量比傳統(tǒng)冷凝法更有優(yōu)勢(shì)。且吸收法煙氣水回收技術(shù)對(duì)煙氣的排煙溫度要求不高，但存在吸收溶液隨煙氣帶出問(wèn)題。后續(xù)學(xué)者若能優(yōu)化吸收劑再生過(guò)程和吸附劑性能，對(duì)于除霧效果較好的電廠，溶液吸附法除濕將會(huì)是不錯(cuò)選擇。

3 煙氣回收水量

火電用水問(wèn)題對(duì)燃煤發(fā)電廠的效益有極大影響，以歐洲某400 MW 火力發(fā)電廠為例，每小時(shí)消耗補(bǔ)給水30 t，同時(shí)每小時(shí)排放煙氣中的含水約為150 t［29］，若煙氣中20%的水蒸氣可被捕集，則燃煤發(fā)電廠即可達(dá)到水資源的自給自足［30］，若20%以上的水蒸氣可被捕集，則該電廠可對(duì)外界提供一定量的水。文獻(xiàn)［31］僅單臺(tái)600 MW 機(jī)組燃燒褐煤煙氣冷凝，可回收水量高達(dá)92.25 m3∕h。文獻(xiàn)［32］給出回收的冷凝水能滿足鍋爐及二次管網(wǎng)系統(tǒng)補(bǔ)充水量的要求。

隨著國(guó)內(nèi)燃煤電廠機(jī)組逐漸向大機(jī)組發(fā)展，從表2 可以看出，機(jī)組越大，煙氣含水量越高，可回收水量越多，節(jié)水減排效果越顯著。

表2 不同機(jī)組煙氣含水量［33-35］Tab.2 Flue gas moisture content of different units m3∕h

以國(guó)內(nèi)某電廠（2×330 MW 機(jī)組）數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）為例，每臺(tái)鍋爐配置一套石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)，計(jì)算煙氣回收水量，本文取WFGD 出口煙氣溫度為50 ℃，計(jì)算WFGD 出口煙氣中含水量及回收水量大小。

表3 330 MW機(jī)組FGD入口煙氣數(shù)據(jù)Tab.3 Flue gas data at the FGD inlet of a 330 MW unit

水蒸氣的分壓力取決于水蒸氣的溫度，不同溫度下飽和水蒸氣的分壓力可通過(guò)Antoine 方程計(jì)算得到

式中：pW為水蒸氣分壓，MPa；T 為熱力學(xué)溫度，K；T在290～500 K時(shí)該式適用。

飽和煙氣的含濕量可通過(guò)將伯努利方程和道爾頓分壓定律聯(lián)立得到

式中：d 為飽和煙氣的含濕量，g∕kg；0.1 代表吸收塔出口濕煙氣壓力為0.1 MPa。

則吸收塔出口煙氣攜帶的氣態(tài)水量

式中：qmDFG為干煙氣的質(zhì)量流量，kg∕h；qmOutletVapor為吸收塔出口煙氣所帶氣態(tài)水量，kg∕h。

原煙氣帶水量

式中：qVWFG為濕煙氣體積流量，m3∕h；qVDFG為干煙氣體積，m3∕h；qmOriginalVapor為原煙氣所帶氣態(tài)水量，kg∕h。

干煙氣的平均相對(duì)分子質(zhì)量

式中：MDFG為干煙氣的平均相對(duì)分子質(zhì)量；φ(i)為煙氣中各成分的體積分?jǐn)?shù)，%。

干煙氣的質(zhì)量流量（kg∕h）

則吸收塔出口煙氣所帶氣態(tài)水量qmOutletVapor可由式（3）（6）聯(lián)立得出。

吸收塔出口所帶液態(tài)水量（kg∕h）

按回收率60%計(jì)算，該330 MW 機(jī)組可回收82.37 m3∕h 的回收水。文獻(xiàn)［4］研究300 MW 裝置FGD 工藝的補(bǔ)充水約為每小時(shí)80 m3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，回收的煙氣回收水可以完全補(bǔ)充FGD 系統(tǒng)水耗，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)“零水耗”。

4 煙氣回收水用于電廠用水系統(tǒng)途徑分析

燃煤電廠工業(yè)用水包括循環(huán)水的補(bǔ)充水、鍋爐給水的補(bǔ)充水、公用工程站的用水、場(chǎng)地沖洗水、消防水池的水源、換熱器的冷卻水等［36］。根據(jù)電廠主要耗水系統(tǒng)，將回收水用于脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水、循環(huán)水的補(bǔ)充水、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)［8］。因冷凝法已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，對(duì)煙氣回收水回用技術(shù)研究較多的主要是冷凝法的煙氣回收水［10，37-39］。

4.1 脫硫塔補(bǔ)水

脫硫系統(tǒng)的用水主要分為2 路，工藝水和冷卻水。工藝水主要用于吸收塔補(bǔ)水、除霧器沖洗、石灰石制漿等。脫硫系統(tǒng)的工藝水一般來(lái)自電廠循環(huán)水（或循環(huán)水補(bǔ)充水）、中水或其他工業(yè)水系統(tǒng)；冷卻水用水設(shè)備的冷卻，由于用水點(diǎn)相對(duì)較少，耗水量不大。因此在脫硫系統(tǒng)中煙氣回收水主要回用于工藝水。

根據(jù)DL∕T 5196—2016《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》和文獻(xiàn)［40-41］，將冷凝法和膜法煙氣回收水水質(zhì)與表4對(duì)比分析。

表4 直接進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水水質(zhì)要求Tab.4 Water quality requirements on process water directly flowing into the desulfurization system

膜法煙氣回收水可直接作為脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水；而冷凝法回收水需加堿調(diào)節(jié)pH 值后可作脫硫工藝補(bǔ)水。

4.2 循環(huán)水補(bǔ)水

循環(huán)冷卻水水量損耗主要包括蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失及排污損失等幾部分。電廠主要耗水量集中在循環(huán)水系統(tǒng)［42-45］。

將煙氣回收水水質(zhì)與間冷開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)（按照GBT 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》）進(jìn)行對(duì)比分析，具體見(jiàn)表5。

表5 間冷開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)Tab.5 Indirect cooling open circulating system cooling water quality indicators

膜法煙氣回收水可直接用于循環(huán)冷卻水補(bǔ)水；冷凝法煙氣回收水總鐵和pH 值超標(biāo)，需加堿中和pH 值和使用吸附法除鐵［38］，其工藝流程為：煙氣回收水→中和池→絮凝池→澄清池→循環(huán)冷卻水補(bǔ)給水箱。

4.3 鍋爐補(bǔ)給水

鍋爐補(bǔ)給水對(duì)水質(zhì)要求極其嚴(yán)格，低溫冷凝和液體吸收法的煙氣回收水水質(zhì)較差，需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格水處理流程才能使用，從成本和復(fù)雜工藝過(guò)程出發(fā)，不建議冷凝法煙氣回收水用于鍋爐補(bǔ)給水。

膜法煙氣回收水水質(zhì)較好，可用于鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)，建議回用系統(tǒng)工藝流程為：煙氣冷凝水→活性炭過(guò)濾器→高速混床→除鹽水。

4.4 水回收工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

煙氣經(jīng)濕法脫硫后處于飽和低溫高濕狀態(tài)，對(duì)換熱器材質(zhì)要求很高，應(yīng)用較多的是氟塑料材質(zhì)。表6展示了以氟塑料為例的煙氣水回收工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果。

表6 不同煙氣水回收工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比Tab.6 Techno-economic comparison of different flue gas and water recovery processes

由表6可見(jiàn)，各種技術(shù)路線均有其優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇煙氣水回收技術(shù)工藝時(shí)，應(yīng)綜合考慮企業(yè)自身特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工況條件，設(shè)備空間需求，系統(tǒng)可靠性，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等因素優(yōu)選合適方案。條件允許時(shí)，也要注重節(jié)能，實(shí)現(xiàn)煙氣回收水和水蒸氣汽化潛熱的有效利用。

5 結(jié)論

（1）文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煙氣回收水水質(zhì)報(bào)告中水質(zhì)指標(biāo)差別較大，經(jīng)分析煙氣回收水水質(zhì)受多個(gè)因素影響，如機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷、煙氣流速、冷凝器材質(zhì)、工藝流程、煙氣溫度、煙氣濃度等。

（2）濕煙氣的回收水可并入電廠汽水系統(tǒng)，可用作脫硫工藝水、鍋爐給水或循環(huán)水，解決北方燃煤電廠缺水地區(qū)的水資源緊缺問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電廠水資源的循環(huán)利用。

（3）從煙氣回收水水質(zhì)可以看出，煙氣回收水中含有部分污染物，如鹽分和微細(xì)顆粒物，這些污染物來(lái)源于煙氣攜帶的液滴與可凝結(jié)顆粒物，可見(jiàn)煙氣水回收對(duì)煙氣污染物有一定減排作用。開(kāi)展煙氣水回收還具有避免脫硫塔下游煙道發(fā)生酸性腐蝕、節(jié)水、消除視覺(jué)污染等多重意義。