煙羽消白技術(shù)在40 t/h燃煤工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用

武廣龍，趙 靜，何海軍

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引言

自2017年上海開始進(jìn)行煙羽消白治理以來，浙江、天津、河北和陜西等地也陸續(xù)頒布了煙羽消白治理的政策文件。根據(jù)《河北省大氣污染防治工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室文件》以及《保定市打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)方案》等文件要求：“2019年底前，全省35蒸噸/小時(shí)以上燃煤鍋爐全部達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求(煙塵≤10 mg/Nm3、SO2≤35 mg/Nm3、NOX≤50 mg/Nm3)，同時(shí)開展?jié)穹摿蛴猩珶熡鸷褪嘤昝摮卫砉こ?，基本消除冒‘白煙’現(xiàn)象?！盵1]

白色煙羽出現(xiàn)的主要原因是燃煤鍋爐大都采用成熟的濕法脫硫工藝來對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫以滿足鍋爐煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，在脫硫塔中，煙氣由脫硫前溫度120～130 ℃、水蒸氣體積分?jǐn)?shù)6%～8%的狀態(tài)變?yōu)槊摿蚝鬁囟?5～60 ℃、水蒸氣體積分?jǐn)?shù)11%～13%的濕飽和狀態(tài)，煙氣攜帶的大量水分在通過煙囪排入大氣之后冷凝結(jié)成霧滴，在光的折射和散射作用下在煙囪附近形成白煙現(xiàn)象，同時(shí)煙氣中攜帶的可溶性鹽類、粉塵等物質(zhì)也會(huì)在白煙形成過程中被霧滴捕集進(jìn)而形成有色煙羽和石膏雨(采用石灰石-石膏脫硫工藝)[2-6]。

在煙羽消白技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜、消白技術(shù)的影響因素較多，故在具體工藝和技術(shù)上并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般都需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)[7-8]。本文主要對(duì)某供熱中心2×40 t/h燃煤工業(yè)鍋爐的煙羽消白改造項(xiàng)目的工藝方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行效果以及存在的問題等內(nèi)容進(jìn)行介紹和討論分析，為后期同類型的改造項(xiàng)目提供工程解決方案和數(shù)據(jù)支撐。

1 煙羽消白技術(shù)

1.1 煙羽消白原理

對(duì)于達(dá)到超低排放的鍋爐來講，白色煙羽的主要成分主要是水霧，其中還有部分被水霧捕集下來的細(xì)微粉塵、可溶性鹽類。因此，煙羽消白的機(jī)理就是消除水霧，也就是將脫硫塔出口的濕飽和煙氣變?yōu)椴伙柡蜔煔?，使得煙氣在排入大氣后受冷也不?huì)出現(xiàn)霧滴，造成白煙現(xiàn)象。

1.2 煙羽消白技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，煙羽消白技術(shù)有煙氣加熱、煙氣冷卻、煙氣冷凝再熱、旋流除濕、溶液除濕、陶瓷膜法除濕等[9-11]。煙氣加熱法是對(duì)脫硫后的濕飽和煙氣直接加熱，具體的工藝如MGGH、GGH等，由于煙氣中水分含量高使得該種方法的運(yùn)行成本較高；煙氣冷卻法則是對(duì)利用低溫冷源對(duì)脫硫后的煙氣進(jìn)行冷卻，在冷卻過程中，煙氣中的水分會(huì)凝結(jié)成冷凝水從煙氣中分離出來達(dá)到煙羽消白的效果，但是由于該方法會(huì)使得煙氣溫度降低，同時(shí)也降低了煙氣在煙囪中的抬升力，煙氣的擴(kuò)散效果變差，而且該方法還需要足夠低溫的冷源才能達(dá)到完全的消白效果。為解決上述問題，在煙氣冷卻法的基礎(chǔ)上發(fā)展了煙氣冷凝再熱法，煙氣經(jīng)過冷卻，其中的水分冷凝分離后，再將煙氣進(jìn)行加熱，達(dá)到一定溫度后再進(jìn)入煙囪排入大氣，該技術(shù)可以達(dá)到完全消白的效果。溶液吸收法、旋流除濕法、陶瓷膜法除濕法等技術(shù)則是利用吸收或機(jī)械作用，使得煙氣中的水蒸氣、水霧凝聚，從而降低煙氣的含濕量，但是該類技術(shù)目前只能減弱白煙現(xiàn)象，當(dāng)大氣環(huán)境溫度比較低時(shí)，無法保證完全煙羽消白[12-16]。

2 煙羽消白技術(shù)的選擇

某供熱中心現(xiàn)有2×40 t/h燃煤工業(yè)蒸汽鍋爐，配套“SCR脫硝+布袋除塵+濕法脫硫”的環(huán)保工藝達(dá)到煙氣污染物的超低排放要求。根據(jù)政府主管單位相關(guān)要求，該供熱中心需要在現(xiàn)有超低排放的基礎(chǔ)上進(jìn)行煙羽消白改造，消除煙囪冒“白煙”現(xiàn)象。

2.1 工藝選擇

為滿足“快速提高煙囪入口煙溫至80 ℃以上，夏季(4～10月)冷凝后出口煙溫應(yīng)達(dá)到48 ℃以下，煙氣含濕量11.0%以下；冬季(11月～次年3月)冷凝后煙溫達(dá)到45 ℃以下，煙氣含濕量9.5%以下”的要求，本次改造選擇煙氣冷凝再熱技術(shù)[17]。在冷凝階段可采用的方法有換熱器間接冷凝、噴淋冷凝，再熱階段可采用的方法有氣-氣換熱、氣-蒸汽換熱和氣-水換熱。該供熱中心的鍋爐負(fù)荷由下游用汽企業(yè)決定，不能長(zhǎng)時(shí)間停爐，而且負(fù)荷變化大，蒸汽量有富裕；廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)空間有限，采用換熱系數(shù)小、溫差小的方法，換熱設(shè)備體積大，一方面現(xiàn)場(chǎng)空間滿足不了安裝和施工要求，另一方面改造成本也會(huì)有所提高[12,18-21]。因此，基于上述分析，本次改造最終決定采用“噴淋冷凝+氣-汽換熱”的煙羽消白技術(shù)工藝。

工藝具體流程如圖1所示，新建一座消白塔和循環(huán)水降溫系統(tǒng)，消白塔內(nèi)設(shè)有噴淋降溫層、除霧器以及蒸汽再熱器。噴淋用水為廠區(qū)工藝水，通過循環(huán)泵從清水池泵送至消白塔內(nèi)，然后在從消白塔自流回清水池。清水池上設(shè)有一通風(fēng)冷卻塔用于給噴淋水降溫，保障煙氣的降溫冷凝。蒸汽再熱器用的蒸汽引自鍋爐蒸汽分汽缸，經(jīng)過換熱后的蒸汽引到鍋爐的軟水箱，進(jìn)行二次利用。

圖1 煙羽消白技術(shù)工藝流程圖

2.2 方案設(shè)計(jì)

該供熱中心原有的脫硫塔采用“兩爐一塔”設(shè)計(jì)，因此在消白設(shè)計(jì)時(shí)也延續(xù)了該設(shè)計(jì)方法。消白具體設(shè)計(jì)參數(shù)的選取如下表1所示。消白塔的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)(塔內(nèi)煙氣流速、噴嘴類型、噴嘴角度、噴淋層覆蓋率等)基本參照濕法脫硫工藝進(jìn)行選取。根據(jù)相關(guān)研究，在脫硫塔內(nèi)煙氣溫降變化最大的位置在最底層噴淋層所在位置，消白塔噴淋降溫層共設(shè)計(jì)兩層，一用一備。在選取液氣比時(shí)，由于消白塔主要是用來對(duì)煙氣進(jìn)行降溫，因此液氣比值要比脫硫塔的液氣比小很多。根據(jù)熱量守恒定律(噴淋水吸收的熱量=煙氣的顯熱降+冷凝水潛熱)并考慮一定的裕量，液氣比選取為2.5 L/Nm3[22]。煙羽消白系統(tǒng)輔機(jī)配置為新增一臺(tái)風(fēng)冷塔、三臺(tái)循環(huán)泵(兩臺(tái)用于消白塔，一臺(tái)用于風(fēng)冷塔)?，F(xiàn)場(chǎng)施工完成后的實(shí)際照片如圖2所示。為防止設(shè)備腐蝕，消白塔和水池做了玻璃鱗片防腐處理，煙氣再熱器采用2205材質(zhì)，噴淋降溫水管道選用玻璃鋼材質(zhì)，循環(huán)水泵過流面采用全金屬[22-23]。

表1 煙羽消白塔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 煙羽消白塔

2.3 改造效果

項(xiàng)目改造完成后，2×40 t/h燃煤鍋爐都實(shí)現(xiàn)了煙羽消白的目標(biāo)。如圖2所示，消白系統(tǒng)投入使用后，煙囪出口無視覺白煙，解決了“冒白煙”的現(xiàn)象。消白系統(tǒng)中的煙氣冷凝溫度、出口溫度和濕度以及蒸汽流量情況如圖3所示。在較寬的鍋爐負(fù)荷范圍內(nèi)，煙氣的冷凝溫度為30～42 ℃，煙氣濕度則在4.5%～7%范圍內(nèi)；出口煙氣溫度(即煙氣再熱溫度)大于80 ℃，用于煙氣再熱的蒸汽流量根據(jù)鍋爐負(fù)荷在0.1～0.3 t/h范圍變化，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都滿足了煙羽消白的排放指標(biāo)。

圖3 消白塔內(nèi)煙氣參數(shù)

在消白系統(tǒng)中，噴淋冷凝水會(huì)對(duì)脫硫后的煙氣進(jìn)行二次洗滌凈化。在系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)，由于噴淋冷凝水比較純凈并呈弱酸性，此時(shí)，煙氣的SO2排放濃度可以達(dá)到零排放，粉塵濃度可以達(dá)到0～2 mg/Nm3。當(dāng)消白系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，脫硫后煙氣中攜帶的水份、SO2、可溶性鹽、粉塵等物質(zhì)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到噴淋冷凝水中，因此，冷凝水循環(huán)一段時(shí)間后會(huì)逐漸變渾濁、pH也越來越低，此時(shí)噴淋冷凝水的洗滌凈化作用會(huì)有所降低[17]。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，鍋爐煙氣的粉塵、SO2排放濃度情況如下圖4所示。從圖4中可以看出，顆粒物的排放濃度在1.5～4 mg/Nm3，而SO2的排放濃度變化幅度較大，在2～28 mg/Nm3范圍內(nèi)。在超低排放的基礎(chǔ)上，經(jīng)過消白系統(tǒng)，粉塵的排放濃度由<10 mg/Nm3降低至<4 mg/Nm3，協(xié)同除塵的效率為60%；SO2的排放濃度影響較多，且出于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮，其平均排放濃度值控制在19.4 mg/Nm3左右，因此消白系統(tǒng)的協(xié)同脫硫效率為35%，低于協(xié)同除塵效率。

圖4 消白塔出口煙氣粉塵、二氧化硫排放濃度

2.4 投資成本分析

本煙羽消白系統(tǒng)包含的主要設(shè)備有消白塔(包含其內(nèi)部的噴淋層、除霧器、煙氣再熱器)、循環(huán)冷卻水泵、風(fēng)冷塔及其循環(huán)水池，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。煙氣蒸汽再熱器費(fèi)用約55萬元、消白塔費(fèi)用約110萬元，循環(huán)冷卻系統(tǒng)(風(fēng)冷塔、循環(huán)泵)及其附屬設(shè)備費(fèi)用約65萬元，整個(gè)煙羽消白系統(tǒng)投資費(fèi)用合計(jì)約230萬元，折合成本約2.875萬元/t蒸汽，設(shè)備投資較小。

3 運(yùn)行問題

(1)煙氣冷凝水處理問題。脫硫后在消白塔降溫冷凝過程中，煙氣中的水份會(huì)冷凝下來進(jìn)入噴淋降溫水系統(tǒng)。對(duì)于40 t/h燃煤鍋爐，大約有1～2 t/h煙氣冷凝水，冷凝水中含有協(xié)同凈化下來的SO2、HCl等酸類物質(zhì)、粉塵、可溶性鹽等，因此隨著投運(yùn)時(shí)間的增加，噴淋降溫水的pH會(huì)逐漸降低至2～3左右，為防止噴淋降溫水池外溢，在消白塔底部開設(shè)了一旁通水路，當(dāng)水池液位過高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開閥門，將部分噴淋降溫水旁通到脫硫池中，通過脫硫的廢水處理系統(tǒng)對(duì)噴淋降溫水進(jìn)行處理，維持脫硫和消白系統(tǒng)的水平衡。

(2)脫硫-消白系統(tǒng)水平衡問題。脫硫、消白系統(tǒng)雖然看似獨(dú)立地兩個(gè)系統(tǒng)，但是在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中卻是一個(gè)連接非常緊密的整體。脫硫漿液中的水分在脫硫塔內(nèi)被煙氣加熱蒸發(fā)并攜帶出脫硫塔，然后在消白塔內(nèi)該部分水分大部分被冷凝下來最終又回到入脫硫漿液中，形成了一個(gè)循環(huán)。但是在補(bǔ)水量不變的情況下，失水量大幅度降低，脫硫池的水位逐漸上升，最終會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的水平衡遭到破壞。為解決上述問題，一方面嚴(yán)格控制補(bǔ)水量，各類水泵的冷卻水、鍋爐排污水等不再排入脫硫池，同時(shí)優(yōu)化脫硫塔、消白塔除霧器反沖洗，降低反沖洗頻率和時(shí)間；另一方面，增加脫硫廢水處理系統(tǒng)的廢水處理能力，將脫硫池的液位控制在合適的范圍內(nèi)。

(3)軟化水箱振動(dòng)和噪音問題。飽和蒸汽經(jīng)過在消白塔煙氣再熱器內(nèi)換熱后變?yōu)楦邏旱睦淠?，該冷凝水通過管道引至軟化水箱進(jìn)行二次利用。為避免該高壓冷凝水在軟化水混合過程中引起軟化水箱振動(dòng)和噪音問題，將帶壓管道在進(jìn)入水箱后設(shè)計(jì)成盤管型式，在盤管末端加裝消音措施，在系統(tǒng)投運(yùn)后，通過長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)效果良好，水箱未出現(xiàn)振動(dòng)和噪音問題。

4 結(jié)論

(1)某供熱中心燃煤工業(yè)鍋爐煙氣煙羽消白改造完成后，煙氣的冷凝溫度基本為30～42 ℃，出口煙氣溫度大于80 ℃，煙氣濕度為4.5%～7%，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都滿足了煙羽消白的排放指標(biāo)要求，煙囪出口無視覺白煙，消白系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)在煙氣協(xié)同脫硫除塵方面，煙羽消白系統(tǒng)的協(xié)同除塵效率約60%；由于考慮到運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的原因，二氧化硫排放濃度控制較高，因此煙羽消白系統(tǒng)的協(xié)同脫硫效率相對(duì)除塵效率較低，約35%。

(3)在運(yùn)行過程中，煙羽消白系統(tǒng)帶來的最大問題就是對(duì)原有脫硫系統(tǒng)水平衡的影響，需要綜合考慮各方面因素來維持脫硫系統(tǒng)的水平衡。