漿液冷卻煙氣脫白設(shè)計(jì)影響因素及節(jié)水效果分析

王東雷

（徐州華潤電力有限公司，江蘇省 徐州市 221000）

0 引言

近期已有多個(gè)省市相繼出臺(tái)相關(guān)政策，明確要求對燃煤電廠可視煙羽進(jìn)行脫白處理，以減少視覺污染，進(jìn)一步改善空氣質(zhì)量。徐州地區(qū)的煙氣綜合排放標(biāo)準(zhǔn)為： 4—10月冷凝后煙溫達(dá)到 47 ℃，煙氣含濕量在10.4%以下； 11月—次年3月冷凝后煙溫達(dá)到45 ℃以下，煙氣含濕量在9.5%以下。

目前，已投入使用的煙氣脫白技術(shù)主要有氟塑料/金屬換熱管間接冷凝煙氣脫白技術(shù)、噴淋水降溫直接冷凝煙氣脫白技術(shù)、漿液冷卻煙氣脫白技術(shù)[1-4]。前2種煙氣脫白技術(shù)會(huì)增加煙氣阻力，需要在停機(jī)狀態(tài)下施工，這在一定程度上限制其推廣應(yīng)用。漿液冷卻煙氣脫白技術(shù)憑借對脫硫系統(tǒng)改動(dòng)小、不增加煙氣系統(tǒng)阻力、可以在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)施改造的優(yōu)點(diǎn)，已被多家燃煤電廠作為優(yōu)選的煙氣脫白改造方案。

本文就排煙初始溫度對換熱器換熱負(fù)荷的影響及水溫對循環(huán)冷卻水水量的影響進(jìn)行分析，對原煙氣水蒸氣攜帶量的影響因素及漿液冷卻煙氣脫白對脫硫系統(tǒng)水平衡的影響進(jìn)行探討，并對煙氣脫白的節(jié)水效果進(jìn)行估算，以期對工藝設(shè)計(jì)中排煙初始溫度、循環(huán)冷卻水溫度的選擇以及水平衡計(jì)算、工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 濕煙羽的形成原因及影響因素

在煙氣與脫硫漿液進(jìn)行傳熱傳質(zhì)過程中，熱量由高溫?zé)煔鈧鬟f給溫度較低的脫硫漿液，煙氣因傳熱而降溫，脫硫漿液因吸熱而升溫，并氣化部分水分，煙氣露點(diǎn)溫度和絕對含濕量逐漸升高，實(shí)現(xiàn)煙氣的水汽飽和。飽和濕煙氣排放至溫度較低的周圍環(huán)境中，遇冷降溫，煙氣中的水蒸氣過飽和凝結(jié)成細(xì)小液滴，并對光線產(chǎn)生折射、散射作用，形成可視濕煙羽，產(chǎn)生視覺污染[5-8]。

濕煙羽的嚴(yán)重程度與排煙溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度密切相關(guān)[9-12]。在相同環(huán)境溫度條件下，排煙溫度越高，含濕量越大，擴(kuò)散至大氣中所需的時(shí)間越長，飄散距離越遠(yuǎn)。環(huán)境溫度越低，空氣的飽和含濕量越小，煙氣降溫凝結(jié)成的細(xì)小液滴越多，濕煙羽越濃厚。環(huán)境相對濕度越高，煙氣擴(kuò)散所需要的大氣量越多，濕煙羽拖尾越長。

2 漿液冷卻煙氣脫白的原理

作為漿液冷卻煙氣脫白的核心設(shè)備，漿液換熱器安裝于最頂層漿液循環(huán)泵的出口母管，其為不銹鋼材質(zhì)的寬流道全焊接板式換熱器，換熱器相鄰板片之間組成矩形通道。吸收煙氣熱量溫度較高的脫硫漿液與取自機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)溫度較低的冷卻水分布于換熱板片兩側(cè)，通過逆流傳熱降低脫硫漿液的溫度。

漿液換熱器投運(yùn)前，脫硫漿液通過噴淋作用霧化成細(xì)小液滴，與進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)煙氣的水汽飽和，此時(shí)煙氣的狀態(tài)如圖1中的A點(diǎn)所示。該飽和煙氣排放至圖1中B點(diǎn)所示的周圍環(huán)境中，遇冷降溫，形成白色煙羽。直線AB與飽和濕度曲線所組成的封閉區(qū)域即代表漿液冷卻前的飽和煙氣排放至周圍環(huán)境的白色煙羽生成區(qū)。進(jìn)入脫硫塔的煙氣攜帶的熱量主要通過飽和煙氣攜帶出脫硫塔。

圖1 排煙溫濕度變化對白色煙羽的影響Fig.1 Effect of temperature and humidity change of smoke exhaust on white smoke plume

漿液換熱器投運(yùn)后，因吸收煙氣熱量而升溫的脫硫漿液在換熱器內(nèi)與冷卻水進(jìn)行逆流傳熱，通過換熱板片將一部分脫流漿液吸收的熱量傳遞給冷卻水，脫硫漿液因傳熱而降溫，冷卻水因吸熱而升溫，并將吸收的熱量攜帶出脫硫系統(tǒng)。此時(shí)，進(jìn)入脫硫塔的煙氣攜帶的熱量主要通過飽和煙氣及冷卻水?dāng)y帶出脫硫塔，飽和煙氣攜帶的熱量較漿液換熱器投運(yùn)前減少，其飽和溫濕度將沿著飽和濕度曲線降低，如圖1中的C點(diǎn)所示。直線CB與飽和濕度曲線所組成的封閉區(qū)域即代表漿液冷卻后的飽和煙氣排放至周圍環(huán)境的白色煙羽生成區(qū)。由圖1可以看出，隨著排煙溫度的降低，煙氣排放的白色煙羽生成區(qū)大幅減少。

3 漿液冷卻煙氣脫白設(shè)計(jì)影響因素

3.1 排煙溫度對換熱負(fù)荷的影響

排煙溫度越高，煙氣攜帶的熱量越多，煙氣降溫所需要的換熱負(fù)荷越高。根據(jù)某機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其夏季的排煙溫度可高達(dá)54 ℃，冬季的排煙溫度不超過50 ℃。一年中排煙溫度超過50 ℃的時(shí)間段僅占約5.1%。表1 為執(zhí)行新的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)后，排煙溫度分別降低至47、45 ℃時(shí)，不同降溫幅度對脫硫漿液換熱器換熱負(fù)荷的影響。

由表1可以看出，隨著排煙初始溫度的降低，煙氣降溫所需的換熱負(fù)荷在逐步降低。在夏季，當(dāng)排煙初始溫度為54 ℃時(shí)，煙氣降溫所需要的換熱負(fù)荷是50 ℃時(shí)的2.8倍。在相同排煙初始溫度條件下，冬季降溫所需要的換熱負(fù)荷超過夏季。

表1 不同降溫幅度對換熱負(fù)荷的影響Tab. 1 Effect of different cooling ranges on heat transfer load

由于機(jī)組排煙溫度較高的時(shí)間段較少，且排煙初始溫度可以通過優(yōu)化鍋爐的燃燒、煙氣余熱回收進(jìn)行調(diào)整[13]。因此，在確定煙氣脫白改造的設(shè)計(jì)排煙初始溫度前，應(yīng)通過試驗(yàn)確定機(jī)組的煙溫調(diào)節(jié)余量，并對冬季降溫條件下的換熱負(fù)荷進(jìn)行核算，以減少建設(shè)投資費(fèi)用。

3.2 水溫對循環(huán)冷卻水水量的影響

循環(huán)冷卻水可以直接取自機(jī)組冷卻塔。冷卻塔水溫隨季節(jié)變化差異較大，冬季的水溫可低至0 ℃，夏季的水溫則高達(dá)34 ℃。一方面，在排煙初始溫度均為50 ℃的條件下，由于冬季的排煙溫度較低，煙氣降溫所需要的換熱負(fù)荷約是夏季的1.6倍。另一方面，冬季的環(huán)境溫度相對較低，漿液換熱器的對數(shù)平均溫差約是夏季的2.4倍，循環(huán)冷卻水的冷卻效果較好。因此，在排煙初始溫度相同的條件下，夏季煙氣降溫所需要的循環(huán)冷卻水水量更多，故只需研究夏季的水溫變化對換熱器循環(huán)冷卻水水量的影響。

表2為在相同換熱負(fù)荷條件下，水溫變化對漿液冷卻煙氣脫白所需循環(huán)冷卻水水量的影響?？梢钥闯?，隨著冷卻水水溫的升高，煙氣脫白所需要的循環(huán)冷卻水水量在大幅增加。

表2 水溫變化對換熱器循環(huán)冷卻水水量的影響Tab. 2 Effect of water temperature change on circulating cooling water quantity of heat exchanger

在炎熱的夏季，冷卻塔的冷卻余量有限，冷卻負(fù)荷的大幅增加會(huì)影響凝汽器的真空，增加機(jī)組的發(fā)電煤耗。以徐州地區(qū)為例，新建冷卻負(fù)荷為15.1 MW的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，其夏季的運(yùn)行能耗僅為100 kW/h，而在寒冷的冬季，其運(yùn)行能耗基本為0 kW/h。因此，對于冷卻余量有限的機(jī)組，宜配套設(shè)置冷卻效率高的專用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，為換熱器提供冷卻水源。

4 脫硫系統(tǒng)水平衡影響因素分析

進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的水分主要由原煙氣帶水和以除霧器沖洗水、制漿用水、管道沖洗水、設(shè)備冷卻水等形式進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水組成，并通過排煙帶水、石膏帶水、脫硫廢水排放維持脫硫系統(tǒng)的水平衡。排煙溫度降低后，煙氣的水分?jǐn)y帶能力降低，將對脫硫系統(tǒng)原有的水平衡產(chǎn)生影響。

4.1 原煙氣水蒸氣攜帶量影響因素分析

進(jìn)入脫硫塔的水分絕大部分來自于原煙氣[14]，原煙氣中的水蒸氣主要有5個(gè)來源：1）煤炭中的氫元素燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣，煤中氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在3%～6%；2）煤中的水分，不同煤種的水分差異很大，最少的僅為2%，最多的可達(dá)50%～60%；3）燃燒空氣中的水蒸氣，不同溫濕度條件下空氣中的水蒸氣含量差異較大，在環(huán)境溫度40 ℃的條件下，0.1 MPa時(shí)飽和空氣的飽和含濕量可達(dá)49.6 g/kg(干空氣)；4）鍋爐吹灰蒸汽，一般根據(jù)實(shí)際投運(yùn)吹灰及吹灰蒸汽量決定；5）煙氣脫硝生成水量。

以煤耗425.5 t/h的機(jī)組為例，氫元素、水分含量對煤炭燃燒后水蒸氣生成量的影響如表3所示。

表3 氫元素、水分含量對煤炭燃燒后水蒸氣生成量的影響Tab. 3 Effect of hydrogen content and moisture content on water vapor generation after coal combustion

由表3可以看出，H元素、水分含量的變化對煤炭燃燒后水蒸氣的生成量影響較大，因此在選擇設(shè)計(jì)煤種時(shí)，除應(yīng)參考?xì)v年的煤質(zhì)數(shù)據(jù)選擇有代表性的煤種外，還應(yīng)考慮連續(xù)降雨對所選煤種含水量的影響。

機(jī)組煤炭消耗量越大，所需要的燃燒空氣越多，燃燒空氣攜帶的水量越大。實(shí)際生產(chǎn)中，燃燒空氣的濕度一直在變化，在進(jìn)行漿液冷卻煙氣脫白的水平衡設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以最惡劣工況條件(即燃燒空氣為飽和狀態(tài)時(shí))的水蒸氣攜帶量進(jìn)行計(jì)算，以確保該惡劣工況下脫硫系統(tǒng)的水平衡。

表4為在機(jī)組煤耗為425.5 t/h時(shí)，不同環(huán)境溫度條件下燃燒空氣中的含水量變化情況(以飽和濕度計(jì)算)。

表4 飽和空氣溫度變化對燃燒空氣含水量的影響Tab. 4 The effect of saturated air temperature change on water content of combustion air

由表4可以看出，環(huán)境溫度越高，機(jī)組燃燒空氣中的含水量越多。因此在進(jìn)行脫硫系統(tǒng)水平衡設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍v史氣象數(shù)據(jù)，選擇有代表性的天氣數(shù)據(jù)作為脫硫系統(tǒng)水平衡的設(shè)計(jì)氣象參數(shù)。

4.2 排煙溫度對煙氣水蒸氣攜帶量的影響

在新的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行前，排煙溫度較高，煙氣的水蒸氣攜帶能力強(qiáng)，為維持脫硫塔液位的穩(wěn)定，常常需要定期補(bǔ)充一定量的工藝水。在執(zhí)行新的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)后，排煙溫度降低，其水蒸氣攜帶能力大幅下降，脫硫塔原有的水平衡狀態(tài)可能被破壞。

以320 MW機(jī)組為例，排煙溫度由50 ℃分別降低至夏季要求的47 ℃、冬季要求的45 ℃時(shí)，排放煙氣的水蒸氣攜帶量將由128.5 t·h-1分別減少至108.5、96.8 t·h-1，夏季的煙氣攜帶量較冬季高11.7 t·h-1。相對于冬季，夏季的空氣溫度高、含濕量大，由燃燒空氣帶入脫硫系統(tǒng)的水量較冬季高約30 t·h-1，遠(yuǎn)超11.7 t·h-1，因此應(yīng)選擇高溫高濕天氣條件下的氣象參數(shù)作為脫硫系統(tǒng)水平衡的設(shè)計(jì)氣象參數(shù)。

4.3 脫硫系統(tǒng)水平衡計(jì)算

對于確定的機(jī)組，其脫硫系統(tǒng)由石膏排放、脫硫廢水排放攜帶出脫硫系統(tǒng)的水量為定值。原煙氣中由煤炭燃燒、煙氣脫硝、鍋爐吹灰攜帶進(jìn)脫硫系統(tǒng)的水量也為定值。機(jī)組排煙溫度確定后，經(jīng)煙氣排放攜帶出脫硫系統(tǒng)的水量也為定值。燃燒空氣的水分?jǐn)y帶量由燃燒空氣的實(shí)際需要量及溫濕度決定，對攜帶進(jìn)脫硫系統(tǒng)的水量影響較大。

在煤炭燃燒、煙氣脫硝過程中，煤炭及液氨中各元素的轉(zhuǎn)化可以作如下簡化：

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，碳、硫元素的氧化產(chǎn)物不影響燃燒空氣的標(biāo)干態(tài)體積，氮、氧元素的釋放使燃燒空氣的標(biāo)干態(tài)體積增加，氫元素的氧化將消耗氧氣，減少燃燒空氣的標(biāo)干態(tài)體積。據(jù)此對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合脫硫系統(tǒng)原煙氣的標(biāo)干態(tài)體積、設(shè)計(jì)煤種參數(shù)、煙氣脫硝液氨消耗量，即可推算出選定氣象條件下燃燒空氣的水分?jǐn)y帶量，確定由燃燒空氣攜帶進(jìn)脫硫系統(tǒng)的水量，進(jìn)而得出脫硫系統(tǒng)水平衡條件下的工藝水補(bǔ)水量。

表5為執(zhí)行新的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)后，某320 MW機(jī)組高溫高濕天氣條件下的脫硫系統(tǒng)水平衡計(jì)算表。

表5 脫硫系統(tǒng)水平衡計(jì)算表Tab. 5 Water balance calculation table for desulfurization system

由表5可以看出，在新的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，在環(huán)境溫度為40 ℃、相對濕度為80%的極端工況條件下，為保證水平衡，脫硫系統(tǒng)工藝水的補(bǔ)水量需要由25 t·h-1減少為0.1 t·h-1。

4.4 脫硫系統(tǒng)水平衡工藝設(shè)計(jì)

由于脫硫原煙氣、機(jī)組排放煙氣、脫水石膏的水分?jǐn)y帶量很難進(jìn)行調(diào)整，因此，在進(jìn)行脫硫系統(tǒng)的水平衡設(shè)計(jì)時(shí)，宜優(yōu)先對進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水進(jìn)行全面的回用與替代，仍無法滿足的，只能通過增加脫硫廢水的排放量來控制脫硫系統(tǒng)的水平衡。

進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水主要包括設(shè)備密封水、真空泵冷卻水、煙道冷凝水、管道沖洗水、地面沖洗水、石灰石制漿水、濾布沖洗水、除霧器沖洗水。設(shè)備密封水、真空泵冷卻水的水質(zhì)較好，可以直接回用至循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。煙道冷凝水的含固量較低，pH值在1～3之間，回用至循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對冷卻水水質(zhì)有調(diào)節(jié)作用[15]，并可減少換熱器的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。管道沖洗水、地面沖洗水對水質(zhì)要求較低，可以用處理后的脫硫廢水替代。使用濾液水替代工藝水制備石灰石漿液已有比較廣泛的應(yīng)用。濾布沖洗水經(jīng)過濾降低含固量后，即可循環(huán)使用。除霧器沖洗用工藝水水量較大，對水質(zhì)的要求較高[16]，處理后的脫硫廢水鈣離子濃度較高，直接替代工藝水沖洗將增加除霧器的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，因此只能部分替代，或者在脫硫廢水預(yù)處理階段加入碳酸鈉，同步降低脫硫廢水的硬度，再用于除霧器沖洗，以減少除霧器結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。

5 煙氣脫白節(jié)水效果分析

循環(huán)冷卻水在換熱器內(nèi)吸收脫硫漿液的熱量升溫，并通過機(jī)械通風(fēng)冷卻塔降溫，一部分熱量通過冷卻水的蒸發(fā)釋放至環(huán)境大氣中，其水分蒸發(fā)量與環(huán)境溫度密切相關(guān)，可以通過循環(huán)冷卻水估算法估算[17]。排煙溫度降低后，煙氣的水蒸氣攜帶量減少，其與循環(huán)冷卻水蒸發(fā)量、漂滴損失的差值即為漿液冷卻煙氣脫白的節(jié)水量。

干球溫度對煙氣脫白節(jié)水效果的影響如表6所示?？梢钥闯觯S著干球溫度的降低，漿液冷卻煙氣脫白的節(jié)水量逐漸增多。在機(jī)組排煙初始溫度為50 ℃、干球溫度為40 ℃時(shí)，該320 MW機(jī)組煙氣脫白系統(tǒng)的節(jié)水量仍高達(dá)9.8 t·h-1，節(jié)水率約為49.0%。

表6 干球溫度對320 MW機(jī)組煙氣脫白節(jié)水效果的影響Tab. 6 Effect of dry bulb temperature on flue gas de-whitening and water-saving effect of 320 MW unit

6 結(jié)論

對于擬采用漿液冷卻工藝進(jìn)行煙氣脫白的機(jī)組，應(yīng)結(jié)合機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)確定機(jī)組夏季的煙溫調(diào)節(jié)能力，以確定最佳的設(shè)計(jì)初始煙溫。在炎熱的夏季，機(jī)組冷卻塔的冷卻余量有限，而煙氣脫白需要的換熱量較多，直接使用機(jī)組循環(huán)水降低煙氣溫度將影響凝汽器的真空，增加機(jī)組的發(fā)電煤耗。因此，在進(jìn)行煙氣脫白改造時(shí)，建議配套建設(shè)專用的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。

煤炭中氫元素含量、水分含量、燃燒空氣的溫濕度對脫硫系統(tǒng)原煙氣的含水量影響較大。在進(jìn)行脫硫系統(tǒng)的水平衡計(jì)算時(shí)，應(yīng)參考?xì)v年的煤質(zhì)、氣象數(shù)據(jù)，選擇有代表性的煤種及氣象天氣條件，并考慮連續(xù)降雨對設(shè)計(jì)煤種含水量的影響。在進(jìn)行脫硫系統(tǒng)的水平衡設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮工藝水的全面回用與替代，其次可通過增加脫硫廢水的排放量來控制脫硫系統(tǒng)的水平衡。對于擬進(jìn)行脫硫廢水零排放改造的項(xiàng)目，應(yīng)綜合考慮零排放改造對系統(tǒng)水平衡的影響，以便在脫硫系統(tǒng)的水平衡設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留一定余量。

漿液冷卻煙氣脫白的節(jié)水效果受干球溫度影響較大，干球溫度越低，節(jié)水效果越顯著。對于320 MW燃煤機(jī)組，即使在干球溫度為40 ℃的極端高溫天氣條件下，其節(jié)水效率仍高達(dá)49.0%。