間接冷凝技術在1000MW燃煤機組濕煙氣水回收的應用

文_謝慶亮

福建龍凈環(huán)保股份有限公司

目前我國燃煤電廠90%以上機組的脫硫設施采用濕法脫硫工藝，濕法脫硫后的濕煙氣在煙囪口排入大氣的過程中受冷空氣作用形成霧狀水汽和明顯的白色煙羽。如何有效減少濕法脫硫后煙氣水蒸汽排放，是燃煤電廠節(jié)水降耗的重點研究方向之一。

由于濕法脫硫后煙氣中水分及潛熱的耦合效應，采用煙氣冷凝除濕技術可回收煙氣中的水分及協(xié)同脫除煙氣中的污染物，降低電廠水耗及污染物排放量，從而緩解煙囪腐蝕及白色煙羽現(xiàn)象。

本文將圍繞間接冷凝技術，對燃煤機組濕煙氣開展水回收應用研究。

1 項目概況

華北某1000MW 燃煤機組，鍋爐型式為超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構架、單爐膛雙切圓燃燒方式，Π 型布置。循環(huán)冷卻水采用自然通風冷卻塔冷卻，冷卻水水質為海水。

鍋爐尾部煙氣處理中除塵系統(tǒng)采用低低溫靜電除塵器，脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫，濕法脫硫塔出口煙溫在52℃左右，煙囪出口外排大量水蒸氣，造成水資源浪費的同時在煙囪口形成“白色煙羽”。

2 煙氣冷凝相變收水的理論分析

2.1 濕煙氣熱力狀態(tài)分析

煙囪排放的濕煙氣中所攜帶水分主要來源于兩個方面，一是鍋爐中煤燃燒形成的水分，與煤種密切相關；二是濕法脫硫系統(tǒng)，煙氣與石膏漿液在接觸過程中，由于煙氣溫度較高，使得漿液中的水蒸發(fā)帶入煙氣中，煙氣含濕量增加，煙氣中水蒸氣體積分數(shù)由6%～8%升至11%～13%，出口煙氣中每千克干煙氣含濕量可達到80 ～100g。

對于1 臺1000MW 燃煤機組，脫硫后煙氣攜帶水分可達到300t/h 以上。煙氣中含有SO3/H2SO4等可凝結顆粒物，以及離子態(tài)硫酸鹽、亞硫酸鹽、氯鹽等可溶解性固形物，再加上煙氣中水分的存在，使得煙氣具有一定的腐蝕性。因此，若將煙氣中的水分進行回收，能夠產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。

2.2 濕煙氣冷凝回收水量分析

針對飽和濕煙氣，煙氣的含濕量僅取決于煙氣溫度，系統(tǒng)進出口煙氣溫差的大小直接影響到冷凝水的回收效果。由于脫硫后的濕飽和煙氣，冷凝前后的干煙氣量基本不變，因此可以將干煙氣量作為煙氣水回收率、冷凝水回收率的計算基準。

根據(jù)Antoine 方程飽和水蒸氣分壓力為：

式中Pw—水蒸氣分壓，MPa；T—熱力學溫度，K；T在290 ～500K 時該式適用。

飽和煙氣的含濕量可通過將伯努利方程和道爾頓分壓定律聯(lián)立得：

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

煙氣含水量：

式中qm,H2O—煙氣的含水質量流量，kg/h；qm,gy—干煙氣的質量流量，kg/h。

煙氣水回收率：

式中qm,t—系統(tǒng)實際回收的冷凝水質量流量，kg/h；qm,H2O,in—系統(tǒng)入口處煙氣的含水質量流量，kg/h。

2.3 濕煙氣冷凝回收水技術

煙氣冷凝技術主要有直接接觸式冷凝相變技術和間接換熱式冷凝相變技術兩種工藝路線。直接接觸式是通過大流量低溫循環(huán)水對濕煙氣持續(xù)噴淋，低溫循環(huán)水與凈煙氣直接接觸實現(xiàn)煙氣降溫冷凝除濕，換熱效率高，阻力小，系統(tǒng)維護工作量也較小。但回收的冷凝水與冷媒水無法區(qū)分，需要對循環(huán)水進行連續(xù)的加藥處理，同時對管路及再冷卻系統(tǒng)的材質要求也相對較高。

間接換熱式則是通過大流量低溫循環(huán)水流經(jīng)耐腐蝕材質的換熱管對濕煙氣進行降溫。煙氣與冷卻水間接接觸換熱，水蒸汽在換熱管表面冷凝，實現(xiàn)了煙氣降溫冷凝除濕。該系統(tǒng)較簡單，只需要對收集的冷凝水進行單獨處理。管材可以選用鈦管、氟塑料、超級雙相不銹鋼等。

3 煙氣冷凝收水方案

3.1 工藝方案

本項目采用煙氣間接冷凝技術對濕法脫硫后的煙氣進行冷凝收水，在脫硫吸收塔和煙囪之間的水平煙道上布置冷凝器，冷凝器采用間接接觸式換熱結構，采用海水作為冷卻水源，將濕法脫硫后煙氣溫度從52℃降低至45℃（夏季）/43℃（冬季），冷凝器后設置有除霧器，盡可能地收集煙氣冷凝出來的液滴。經(jīng)理論計算，夏季和冬季分別可回收冷凝水114t/h和140t/h。

本工藝采用間接接觸式換熱形式，一方面海水與煙氣無接觸，對海水無污染；另一方面被加熱后的海水溫度較低，也不存在熱污染問題。

具體核算如下：夏季工況時，加熱后的海水溫度為35℃；冬季工況時，為避免-1.2℃的海水直接進入冷凝器中造成換熱管凍裂等，采用熱水再循環(huán)工藝，將30℃的冷凝器出口水（5000t/h）引出一部分（2600t/h）為再循環(huán)水，與溫度較低的海水（2400t/h）摻混至15℃作為冷凝器進口水。

另外，冷凝器冷凝回收的冷凝水經(jīng)處理后可用于脫硫工藝補水，可以有效節(jié)約脫硫補水。煙氣冷凝收水工藝如圖1所示。

圖1 煙氣冷凝收水工藝圖

3.2 煙氣冷凝器材質選擇

由于海水的強腐蝕性（海水中影響金屬腐蝕速度的因素主要有海水溫度、溶解氧含量、鹽度、pH 值、生物活性等），間接冷凝器的換熱管要兼顧換熱性能和使用壽命，故選取合適的換熱管材質變得極為關鍵。

鈦是一種耐腐蝕的金屬，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液和氧化性介質之中具有較好的穩(wěn)定性，其在25℃的海水中穩(wěn)定電位偏向正值，約為+0.09V。鈦表面在煙氣中會發(fā)生鈍化，生成一種致密、附著力極強、惰性大的氧化膜，從而將煙氣中或者附著在鈦管表面的腐蝕物質與鈦隔離，保護鈦基不被腐蝕。即使鈦的氧化膜在發(fā)生機械磨損情況下，也會很快自愈或重生。此外，鈦材還具有質量輕、強度高、機械性能優(yōu)越等優(yōu)點。工業(yè)中廣泛應用的TA2材質，其耐蝕性能優(yōu)異、綜合力學性能適中，經(jīng)綜合比較，本項目的煙氣冷凝器換熱管采用TA2材質。

3.3 冷凝回收水處理及利用

一般來說，濕法脫硫系統(tǒng)中對水質要求最高的是設備冷卻水和機封水，其次是真空泵密封水，再次是除霧器沖洗水與濾餅沖洗水（一般要求較低的氯離子濃度），濾布沖洗水與管道沖洗水對水質要求也相對較低，要求最低的則是石灰石制漿用水。對于實現(xiàn)超低排放的燃煤機組，其脫硫后濕煙氣冷凝水呈酸性，溶解固體濃度一般為100 ～200mg/L。經(jīng)綜合比較，煙氣冷凝回收的水可以直接作為機組制漿用水和吸收塔補水；在經(jīng)過加藥中和以后，也可以作為煙道除霧器沖洗水、管道沖洗水、濾布以及濾餅沖洗水。參考機組冷卻循環(huán)水水質相關標準，冷凝水除了pH 值為酸性外，其他項均能滿足標準對于循環(huán)水質的要求，因此煙氣冷凝水經(jīng)過處理后還可以作為循環(huán)冷卻水補水使用。

對于本項目濕法脫硫后煙氣的回收水，設置有一套冷凝水收集及處理系統(tǒng)。煙氣中的水冷凝回收后進入冷凝水集水箱，通過加藥系統(tǒng)將冷凝水中和處理達到循環(huán)水水質標準后，由冷凝水泵將冷凝水集水箱中的水輸送至脫硫工藝補水系統(tǒng)，可大大節(jié)約電廠脫硫工藝水補水量，降低機組的運行水耗。

4 冷凝收水效果分析

本項目實施后，為了獲取冷凝器的實際降溫效果，測量了煙氣進出口溫度，將進口測試位置布置在冷凝器前的水平煙道上，在煙道頂部布置6 個測孔，每個測孔布置6 個測點；出口同進口一樣取點測量。如圖2 所示為不同測孔上6 個測點平均溫度曲線圖。

圖2 脫硫前后煙氣參數(shù)的變化

通過現(xiàn)場實際測量：機組負荷約1000MW，冷凝器進口平均溫度為53.43℃，出口平均溫度為44.87℃，冷凝回收水量約128t/h。從表1 中可以看出水質總體呈酸性，水中的陰離子主要為 SO42-和Cl-，其中SO42-濃度較高，達到1.76×103mg/L，氨氮濃度達到670mg/L。煙氣冷凝水總體呈強酸性主要是HCl和SO3等酸性物質的溶入，水中氨氮溶度較高說明溶解的NH3和NH4+較多。因此，從回收水的水質分析得出，濕煙氣冷凝技術對煙氣中的多種污染物有協(xié)同脫除作用，如SO3、Hg、As 以及逃逸NH3等。

冷凝水經(jīng)處理后主要用于機組脫硫系統(tǒng)工藝用水，實現(xiàn)了淡化海水補水零消耗。對于部分超過脫硫系統(tǒng)所需的多余冷凝水，日常通過排至爐后工業(yè)水管道用于煤水處理間用水和廠區(qū)雜用水，以保持脫硫系統(tǒng)水平衡。

表1 冷凝水水質測試表

5 結語

通過在1000MW 燃煤機組上實施濕煙氣間接冷凝水回收技術改造，實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)淡化海水補水零消耗，對于節(jié)水起到了良好的效果。同時，冷凝收水后煙氣中的含水量大大降低，有助于減小煙囪腐蝕及白色煙羽現(xiàn)象，回收水質分析也表明了間接冷凝技術能夠協(xié)同脫除濕煙氣中的多種污染物，因此該項目具有較好的環(huán)境效益和社會效益。

間接冷凝技術在1000MW 燃煤機組的濕煙氣水回收的成功應用對于燃煤電廠節(jié)水及污染物協(xié)同治理具有示范效應，為缺水地區(qū)濕煙氣水回收及污染物協(xié)同治理提供有益借鑒。