陶瓷膜煙氣脫水工藝的水平衡分析

韓長亮，谷小兵，袁宗海，李剛，孫保民，高丹

（1.河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北定州073000；2.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京100097；3.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206）

0 引言

濕法煙氣脫硫技術(shù)因脫硫效率高、適應(yīng)范圍廣、鈣硫比低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)在我國火電行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1］。但是，該技術(shù)中未飽和狀態(tài)的煙氣在經(jīng)過脫硫系統(tǒng)時(shí)，高溫?zé)煔庹舭l(fā)吸收塔內(nèi)的水分最終達(dá)到飽和狀態(tài)，出口煙氣攜帶大量水蒸氣，在溫度較低的環(huán)境下水蒸氣很容易發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象。部分燃燒褐煤的電廠，排煙中水蒸氣的質(zhì)量流量可高達(dá)280 t/h左右，煙氣直接向外排出，不僅加劇“白煙”現(xiàn)象，還造成大量水資源浪費(fèi)［2-4］。脫硫系統(tǒng)水耗在整個(gè)電廠水耗中占35%以上，其主要水耗有排煙中的水蒸氣、脫硫廢水及外排石膏表面水和結(jié)晶水等。其中，通過煙囪以水蒸氣排出的水量占脫硫水耗的主要部分，根據(jù)不同電廠的水平衡計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這部分水耗占脫硫總水耗的85%～95%［2-4］。因此，回收煙氣攜帶的這部分水蒸氣，對(duì)煙氣消白及提高全廠水資源利用率具有十分重要的意義。

目前，主要的煙氣脫水技術(shù)有冷卻冷凝、液體吸收及膜分離技術(shù)。其中，冷卻冷凝技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，但其回收的水質(zhì)相對(duì)較差，且低溫冷凝過程中容易引起設(shè)備低溫腐蝕，增加設(shè)備運(yùn)行成本；液體吸收技術(shù)中，需消耗吸收劑，技術(shù)運(yùn)行成本費(fèi)用增加，且吸收劑在吸收水蒸氣的過程中會(huì)有部分排放到大氣中污染環(huán)境；膜分離技術(shù)相比前兩者具有效率高、回收水質(zhì)純度高，以及協(xié)同去除超細(xì)顆粒物等優(yōu)點(diǎn)，正逐步應(yīng)用于火電機(jī)組煙氣脫水過程［5-7］。

本文針對(duì)脫硫系統(tǒng)和除水裝置建立水平衡模型，對(duì)陶瓷膜除水煙氣消白工藝的水平衡進(jìn)行計(jì)算，分析機(jī)組排煙溫度、負(fù)荷及燃燒煤種等基本參數(shù)對(duì)水平衡分布的影響。同時(shí)，研究季節(jié)溫差變化和陶瓷膜脫水效率等外部因素對(duì)水平衡分布的影響。

1 平衡模型及計(jì)算方法

隨著各地政府對(duì)濕煙氣治理的重視，煙氣消白技術(shù)正逐步應(yīng)用于火電濕法脫硫中［8］。其中，陶瓷膜脫水技術(shù)具有脫水效率高、協(xié)同處理微小細(xì)顆粒、脫水水質(zhì)較高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于火電機(jī)組濕法脫硫。陶瓷膜除水煙氣消白工藝是通過加裝除水裝置來實(shí)現(xiàn)，在吸收塔后加裝陶瓷膜除水裝置，該系統(tǒng)通過冷卻水將煙氣降溫，促進(jìn)煙氣中的水蒸氣凝結(jié)，再通過陶瓷膜捕獲，脫水水質(zhì)較高，可直接用于脫硫系統(tǒng)工藝補(bǔ)水。

增加該系統(tǒng)后，脫硫出口煙氣攜帶的大量氣態(tài)水蒸氣會(huì)被捕獲，液態(tài)水蒸氣基本全部捕獲，脫水系統(tǒng)捕獲煙氣中的水蒸氣用于工藝補(bǔ)水，煙囪出口水蒸氣的質(zhì)量流量大幅度減少，“白煙”現(xiàn)象完全消除，且脫硫系統(tǒng)工藝補(bǔ)水量顯著下降，脫硫系統(tǒng)整體水耗降低。

陶瓷膜脫水用于工藝補(bǔ)水會(huì)對(duì)脫硫系統(tǒng)水平衡造成一定的影響。因此，需要在原有脫硫系統(tǒng)水平衡的基礎(chǔ)上結(jié)合除水裝置重新建立系統(tǒng)水平衡［9-10］。以脫硫系統(tǒng)和除水裝置作為研究對(duì)象，建立物料平衡模型。針對(duì)整體系統(tǒng)建立固平衡、煙氣平衡、氯平衡、水平衡、能量平衡等模塊。物料平衡計(jì)算過程中各個(gè)子系統(tǒng)的平衡相互關(guān)聯(lián)，水平衡作為能量平衡和煙氣平衡的基礎(chǔ)，在計(jì)算過程中還需要結(jié)合吸收塔內(nèi)的氯平衡。

模型求解過程首先假定脫硫出口溫度，進(jìn)行煙氣平衡、能量平衡、固平衡、氯平衡，以及水平衡聯(lián)合計(jì)算，得出工藝補(bǔ)水量，根據(jù)計(jì)算出的吸收塔出口水蒸氣對(duì)應(yīng)的分壓力進(jìn)行校核。通過迭代計(jì)算求解模型，最終確定系統(tǒng)各部分水耗情況［11］。

2 結(jié)果分析

2.1 不同排煙溫度下的水平衡

煙氣排煙溫度一般根據(jù)設(shè)計(jì)煤種含硫量及酸露點(diǎn)確定［12］，一般機(jī)組脫硫入口煙溫為125℃，部分電廠在脫硫前設(shè)置低低溫省煤器，使脫硫入口煙氣溫度下降至80～90℃［13］，同時(shí)，部分電廠因?yàn)槭褂妹悍N與設(shè)計(jì)煤種存在差異或受熱面積灰等因素，致使脫硫入口煙溫高達(dá)140～160℃［14］。脫硫入口煙溫差異大，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)后在吸收塔內(nèi)的蒸發(fā)作用不同，導(dǎo)致出口煙氣攜帶水蒸氣的質(zhì)量流量各不相同。圖1所示為冬季某600 MW機(jī)組在保持燃燒煤種、負(fù)荷，以及脫水效率一定的情況下，脫硫入口不同煙溫下除水裝置的捕水情況。

圖1 脫硫入口不同煙溫下除水裝置的冬季捕水量Fig.1 Water captured by the water removal device in winter under different flue gas temperature

由圖1可以看出，隨著煙氣溫度升高，除水裝置捕水量會(huì)持續(xù)增加。部分安裝低低溫省煤器的電廠，脫硫入口溫度大幅下降，煙氣在吸收塔內(nèi)部蒸發(fā)作用減弱，脫硫出口煙氣溫度減小，脫硫出口煙氣中水蒸氣的質(zhì)量流量大幅下降，除水裝置捕水量減少，因此陶瓷膜除水裝置不適用于安裝低低溫省煤器的電廠。對(duì)于排煙溫度較高的電廠，脫硫入口溫度大幅上升，煙氣在吸收塔內(nèi)部蒸發(fā)作用增強(qiáng)，脫硫出口煙氣溫度升高，煙氣中水蒸氣的質(zhì)量流量顯著增加，陶瓷膜組件在此過程作用效果顯著，當(dāng)脫硫入口煙溫達(dá)到160℃時(shí)，陶瓷膜除水裝置冬季每小時(shí)可從煙氣中捕獲水蒸氣114.74 t，將陶瓷膜捕水用于工藝補(bǔ)水，將有效降低脫硫系統(tǒng)水耗，減少全廠用水量。

2.2 不同煤種下的水平衡

我國煤炭儲(chǔ)量豐富，無煙煤、貧煤、煙煤及褐煤在我國各地區(qū)均有分布，不同煤種其揮發(fā)分、灰分及水分都具有較大差異，因此，鍋爐在燃燒不同煤種時(shí)煙氣成分也有明顯差異。圖2為600 MW機(jī)組在保持負(fù)荷、脫水效率，以及脫硫入口排煙溫度一定的情況下，不同煤種的工藝補(bǔ)水量和除水裝置冬季捕水量。

圖2 不同煤種的工藝補(bǔ)水量及除水裝置冬季捕水量Fig.2 Supplement of process water and water captured in winter by the water removal device with different kinds of coal

從圖2可以看出，燃燒無煙煤（貴州興仁）和貧煤（鄭州）的除水裝置捕水量較少，因?yàn)闊o煙煤和貧煤含水量較低，在經(jīng)過吸收塔達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)需要更多熱量，導(dǎo)致出口煙溫相應(yīng)降低，煙氣中水蒸氣的質(zhì)量流量下降。同時(shí)，吸收塔入口煙氣含水量較低，工藝補(bǔ)水量較大，除水裝置捕水用于工藝補(bǔ)水效果不佳。燃燒煙煤（定州和五彩灣）的冬季捕水量可達(dá)工藝補(bǔ)水量的70%～80%，節(jié)水效果顯著。

對(duì)于褐煤（錫林浩特），因其含水量較高，在經(jīng)過吸收塔達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)需要較少熱量，導(dǎo)致脫硫出口煙溫升高，煙氣中水蒸氣的質(zhì)量流量增加，除水裝置捕水量增大。同時(shí)，燃用褐煤的電廠工藝補(bǔ)水量較小，除水裝置捕水用于工藝補(bǔ)水效果十分顯著。某600 MW燃用錫林浩特煤種的電廠冬季除水裝置可捕獲水蒸氣124.00 t/h，工藝補(bǔ)水量僅為59.57 t/h，除水裝置捕水量是工藝補(bǔ)水量的2.1倍，因此，陶瓷膜除水裝置捕水量不僅滿足工藝補(bǔ)水需求，同時(shí)還可用于其他系統(tǒng)補(bǔ)水。

2.3 不同季節(jié)下的水平衡

不同季節(jié)環(huán)境溫度不同，空氣相對(duì)含濕量存在差異。溫度較低時(shí)相對(duì)含濕量較高，且煙氣溫差較大，更容易凝結(jié)大量水蒸氣形成“白煙”現(xiàn)象［15］。形成“白煙”的根本原因在于煙氣與空氣混合后水蒸氣的質(zhì)量流量達(dá)到飽和態(tài)，氣態(tài)水蒸氣發(fā)生液化所致，適當(dāng)降低煙氣含濕量可有效消除此現(xiàn)象［16-18］。為滿足煙氣消白要求，夏季（4—10月）煙氣經(jīng)過陶瓷膜組件后含濕率不得高于11.0%，冬季（11月—次年3月）煙氣經(jīng)過陶瓷膜組件后含濕率不得高于9.5%。

冬季相比夏季，環(huán)境溫度較低，根據(jù)空氣溫度與飽和蒸汽的關(guān)系，隨著溫度的降低，飽和蒸汽相對(duì)含水量逐漸下降。因此，水蒸氣更容易發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。為解決電廠煙囪出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象，不同季節(jié)對(duì)煙氣含水量有不同要求。冬季對(duì)排煙含濕量要求比夏季高，除水裝置需要捕獲較多水蒸氣以滿足要求。某600 MW機(jī)組在保證負(fù)荷、燃燒煤種，以及脫水效率不變的情況下，冬季與夏季捕水情況如圖3所示。夏季除水裝置捕水量僅為33.97 t/h，冬季捕水量達(dá)到64.57 t/h，是夏季捕水量的1.9倍。因此，冬季除水裝置節(jié)水效果更顯著，對(duì)于北方火電廠在冬季運(yùn)行時(shí)，可有效改善脫硫系統(tǒng)水耗情況。

圖3 除水裝置在夏季和冬季的捕水情況Fig.3 Water capturing capacity of thewater removal devicein summer and winter

2.4 機(jī)組負(fù)荷影響

在靈活性發(fā)電背景下，火電機(jī)組調(diào)峰變得越來越普遍，機(jī)組每天都要經(jīng)歷不同負(fù)荷的變化。隨著機(jī)組負(fù)荷升高，進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣量增加，在吸收塔內(nèi)蒸發(fā)作用加強(qiáng)，出口煙氣攜帶水蒸氣的質(zhì)量流量增加。圖4為某600 MW機(jī)組在燃燒煤種、脫硫入口排煙溫度，以及脫水效率一定時(shí)，不同負(fù)荷下除水裝置的捕水情況。

從圖4可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷升高，除水裝置捕水量明顯上升，機(jī)組30%MCR（最大連續(xù)工況）負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣量大幅減少，經(jīng)過吸收塔的蒸發(fā)作用，脫硫出口煙氣中總水蒸氣的質(zhì)量流量大幅下降，導(dǎo)致除水裝置捕水量下降，僅為28.02 t/h。當(dāng)負(fù)荷上升至100%MCR時(shí)，隨著煙氣的增加，除水裝置捕水量提高了2倍以上。因此，機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下除水裝置捕水量較大，節(jié)水效果更明顯。

2.5 除水裝置不同效率的影響

圖4 除水裝置在不同負(fù)荷下的捕水量Fig.4 Water capturing capacity of the water removal device under different unit load

通過調(diào)節(jié)除水裝置冷卻水流量及溫度提高換熱效率，可以有效控制陶瓷膜脫水率［19-22］。圖5為某600 MW機(jī)組冬季在脫硫入口煙溫、負(fù)荷以及燃燒煤種一定時(shí)，除水裝置不同脫水效率下的捕水情況?？梢钥闯龀b置脫水效率提升，捕水量增加明顯，脫水效率每提升10百分點(diǎn)，捕水量可增加約25.00 t/h。

圖5 除水裝置不同脫水效率下的捕水情況Fig.5 Water captured by thewater removal deviceunder different dehydration efficiency

當(dāng)除水裝置脫水效率為42%時(shí)，除水裝置捕水量正好與工藝補(bǔ)水量相等，此時(shí)捕水可正好滿足工藝補(bǔ)水量的要求，脫硫系統(tǒng)將無須額外取水用于工藝補(bǔ)水，脫硫系統(tǒng)用水量大幅下降。當(dāng)除水裝置脫水效率達(dá)到60%時(shí)，除水裝置捕水量在滿足工藝補(bǔ)水量的需求時(shí)，還額外增加42.08 t/h的捕水量用于其他系統(tǒng)，可有效減少全廠用水量。

2.6 煙羽抬升高度

提高除水裝置脫水效率需要增大循環(huán)水流量，降低循環(huán)水溫度，使煙氣溫度降低促進(jìn)水蒸氣凝結(jié)從而通過陶瓷膜除水裝置捕獲。圖6為該機(jī)組在不同脫水效率下的排煙溫度變化情況，可以看出隨著脫水效率的升高排煙溫度下降，當(dāng)脫水效率從10%提升至60%時(shí)，排煙溫度下降14.28℃。

依據(jù)GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行煙羽抬升高度的計(jì)算。在環(huán)境條件一定的情況下排煙溫度直接決定了煙羽抬升高度，隨著排煙溫度下降，煙羽抬升高度下降。圖7為該機(jī)組在不同脫水效率下的煙羽抬升高度，可以看出排煙溫度下降14.28℃時(shí)，煙羽抬升高度下降176.50 m。

因此，在改善除水裝置脫水效率的同時(shí)，必須將排煙溫度、煙羽抬升高度考慮在內(nèi)，結(jié)合電廠所處環(huán)境及當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求等因素，選取合適的脫水效率，有效改善全廠整體用水情況。

圖6 不同脫水效率下的排煙溫度Fig.6 Exhaust gastemperatureunder different dehydration efficiency

圖7 不同脫水效率下的煙羽抬升高度Fig.7 Plume rise height under different dehydration efficiency

3 結(jié)論

（1）機(jī)組排煙溫度升高，吸收塔內(nèi)蒸發(fā)作用增強(qiáng)，煙氣中水蒸氣的質(zhì)量流量增加，除水裝置捕水量增加。

（2）相比無煙煤和煙煤，褐煤水分較高，煙氣攜帶水蒸氣的質(zhì)量流量較大，煙氣除水裝置捕水量完全可以滿足吸收塔工藝補(bǔ)水需求，且有剩余可用于其他系統(tǒng)。

（3）冬季環(huán)境溫度較低，水蒸氣易發(fā)生凝結(jié)作用產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象，除水裝置捕水量要求比夏季更高，捕水量會(huì)顯著增加。

（4）負(fù)荷升高時(shí)機(jī)組煙氣量增大，吸收塔內(nèi)蒸發(fā)作用加強(qiáng)，煙氣攜帶水蒸氣的質(zhì)量流量增加，除水裝置捕水量上升。

（5）除水裝置脫水效率提高，捕水量增長顯著，同時(shí)導(dǎo)致排煙溫度和煙羽抬升高度下降。